~23 Prosidillg PertemllaJr dolI Preselltnsi Ilmialt PPNY-BATAN. Yo!:.1'akartn 25-27 April 1995
223
Bill", I
STUDI KONSEP RANCANGAN SURVEYMETER SENSIVITAS TINGGI DENGAN METODA PEMBOBOTANTINGGI PULSA MENGGUNAKAN MODULASI TEGANGAN DISKRIl\1INATOR Sctyadi PPNY-BATAN. JI. Babarswi p.o. Box 1008 Yogyakill1a 55010
ABSTRAK Studi Konsep Rancangan Survey Meter Sensilivitas Tinggi Dengan Metoda Pembobotan Tinggi Pulsa A1enggunakan A10dulasi Tegelllgan Disk/iminator. Dibahas metoda pembobotan linggi pulsa dengan modulasi tegangan disk/iminator untuk menentumn dosis radiasi dari dwi distribusi pulsa yang dihasilmn oleh suatu lipe detektor tertentu. A;fetodaini mengubah respon tenaga dete/..10r,berdasar pada pellcuplimn pulsa radiasi (yang sesuai linggi pulsclI/ya)dilewatmn pada gerbang waktu dan modulasi oleh gelombang bolak- balikyang mencemleikanfil/lgsi konversi.Dibahaspula pemakaiclI/metoda inipada rancangan sun'eJ!-meter dengclIImemakai detektor sintilasi Na1(JI) secara ele/..1ronikdOliprosedur kalibrasi pa~lapene;~n dosis. Pada tahap awedfill/gsi konversitersebut diimplementasikclIIdalam bentuk rangkaian elektronik sea;;rhana.sehinggarancanganini mengorbankanrespan tenagapada tenagarendah« 40 Kev), namllll demikian rancangclIl alar ini secara keselll/ilhanunjuk meter dengclIl detektor sintilasi.
akeljanya masih normalwllllk
digwlakall pada swvey
ABCTRACT Concept of High Sensitive Swwy J..IeterDesign With a Method of Pulse Heght Weighling Using The Discriminator Bias ,\;fodulatioll.A A1ethOOofpulse height weighting using discriminaTionbias modulation is described to detel7l1inethe radiation dose Fom the pulse distribution produced from certain detector. The method is to mOO0' the energy respon of a detector, based on sampling the pulse of radiation according to their height through the time gate consisting of a.c wave as bias which simulates a suitable meter design with scintilation detector NaI(II) is described. In thefirt step, the conl'el:5ionfactor to implemented in a simple electronic circuit, this mean to sacrifice the responce inlow energy range
« 40 Ke Tj, but is sufficient
to apply
for a normal scintilation survy meter.
PENDAHULUAN
A
da1ah sesuatu ha1 yang berharga apabila kita dapat mengambil informasi pulsa digital relatif terhadap dosis radiasi, seperti dosis scrap atau dosis paparan dari infomlasi suatu pulsa analog yang berasal dari detektor. Menurut Knoll(I),detektor ini bisa berupa detektor sintilasi, proportional counter, atau detektortire lainyang dapat menghasilkan pulsa, dimana tinggi pulsa tcrgantung pacta tenaga radiasi yang datang . Dalam pendetcksian sinar-y, jenis detektor yang paling banyak clan sering dipakai schum ini ialah jenis kristal sodium ionida yang diaktivasikan dengan thalium, NaI(TI). Keuntungan jenis ini terhadapyang lain ialah bahwa detektorjenis ini lebih mudah diperoleh, lebih mudah perawatan clanmurah harganya. Selain itu karena Domer atomnya tesar, detektor jenis ini mempunyai daya scrap yang baik terhadap sinar-y. sehingga effisiensinya lebih baik.
IssN 0216-3128
Methoda bobot tinggi pulsa dengan menggunakan modulasi tegangan diskriminator (discriminatorbias IJ/odulation/DBM)dikembangkan olch S.Moriuchi clan I.Miyanaga dari JAERIJapan(2),metoda ini adalah salah satu teknik pembobotan teBagasecara elektronikyang mcnyelesaikan konvcrsi spektrum ke dosis. Ap1ikasi methoda ini pacta dosimeter paparan gamma aktivitas rendah dengan menggllnakan detektor sintilasi NaI(TI) atau survey meter sensitivitas tinggi. Kelebihan menggunakan metoda ini dibandingkan dcngan survey meter yang telah ada, adalah sensitivitasnya yang tinggi clanketergantungan tcrhadap arah sumter yang didcteksi. Dcngan metoda ini dapat didctcksi secara langsung dosis (R(E)) paparan, dosis scrap atau dosis ekivalen, apabila tclah diketahui fungsi rcspon(f(E)) clanfungsi konversi (G(E)). Fungsi respon feE) dihitung dengan menggurfakan modelmatematika clan dibandingkan secara eksperimen, sedang fllngsi konvcrsi G(I:<:)
Sctyadi
Prosidurg PertemllOIl dall Preselltasi Ilmiall PPNY-BATAN, Yof.:yakarta 25-27 April 1995
Blllwl
22.1
dihitung menggunakan TUlliUSyang memperhitungkan faktor geometris detektor. Pactamakalah ini dibahas penggunaan metoda DBM ini pada rancangan sUlvey meter sensitivitas tinggi dengan menggunakan detektor NaI(Tl), baik secara teoritis, elektronik, clan sumber-sumber standard yang digunakan untuk kalibrasi. Hasil perhitungan fungsi respell feE) clanfungsi konversi G(E) serta rangkaian elektronik diacu dari acuan 2, 4 clan5 pada daftar pustaka.
didapatkanbahwa peningkatan ketelitian perhitungan fungsi responce detektor NalTl diakibatkan oleh housing clan efisiensi detektor adalah hal yang penting. Sebagai confab G(E) dari detektor Sintilasi Nal seperti pactagambar 1 di bawah(4). IU . ~
/~ 2
TEORI
'[u
Fungsi respell adalah distribusi tenaga dari pulsa yang ditimbulkan oleh detektor karena adanya 1 (satu) quanta radiasi atau partikel dengan tenaga Eo clandinyatakan dengan distribusi tinggi pulsa dengan tenaga, f(E,Eo). Untuk mendapatkan dosis radiasi dari f(E,Eo), adalah dengan menentukan fungsi konversi G(E) diantara 2 infonnasi diatas, yang hams memenuhi persamaan ini untuk sebmang tenaga :
;:
~ 10" ~ i,
.....
ex
.;, ~
w
/
4
ffiE, Eo) G(E) = I R(E)
~
6
~
S
6 8
0.1
Tlnggl Pulsa
(1)
dimana k adalah konstanta clan R(E) dosis radiasi (dosis paparan atau dosis scrap) yang diakibatkan oleh adanya 1 lmanta radiasi atau partikel dengan tenaga Eo. Pada kondisi dimana R(Eo) dipilih sebagai paparan radiasi gamma (R), atau dosis scrap D (rad) clan menggunakan detektor sintilasi, didapatkan bahwa G(E) sebanding dengan tenaga E, pacta pendekatan dengan penyederhanaan sebagai berikutf(E,Eo) mempunyai distribusi rectengu/ar terhadap tenaga pactadae~h Compton edge. Bila menggunakan detektor sintilasi NalTI untuk mengukur dosis parman, G(E) mempunyai persamaan yang lebih rumit, karena adanya perbedaan koefisien scrap anIma udara clanNaI clan bentuk f(E,Eo) terdiri dari daerah photopeak clan Compton tail. Tetapi pacta kasus ini, perhitungan secara manual G(E) adalah mungkin dengan pengandaian bahwa distribusi Compton tail mempllnyai distribusi persegi (rectengu/ar). G(E) didapatkan dengan penyelesain integral, atau secara umum dengan menggunakan perhitungan komputer. KSAITO clan S. Mouriuchi menghitung flmgsi respell detektor dengan methoda Monte Carlo can Computer Code MARTHA(3). Hasil dari perhitungan ini dibandingkan dengan experiment
Sctyadi
/
:s 10" 8 i;
..
k
I
/
I.v
.,L
('~1 ~.v
)
Gambar 1. Perltit1l1lgallFlI1Igs;kotn'ersi G(E) dati deteJ.torSi1ltilnsiNal 3" speris
Dengan menggunakan fungsi konversi G(E), didapatkan secara umum dosis radiasi dari distribusi tinggi pulsa yang dihasilkan oleh detektor sebagai berikut : D
=
fF(E) G(E) dE
(2)
di11lana :
F(E) adalah jumlah setiap f(E,Eo) clan Emaxadalah tenaga maksimum pada F(E). Pada dasamya pulsa yang dihasilkan detektor berasal dari kondisi random tetapi mempunyai tinggi pulsa yang pasti, disini methoda tersebut sesuai dengan persamaan (2). Prinsip pengolahan data yang berasal dari detektor adalah dengan men-san1pling pulsa- pulsa input dari detektor clanmelewatkannya pacta gerbang waktu yang sesuai dengan tinggi pulsanya. Secara teknis adalah sebagai berikut. Andaikan aras diskriminatorberubah terhadap waktu pengulangan 10 sesuai dengan dengan fungsi
ISSN 0216-3128
Prosidillg Pertemllall Mil Preselltasi llmiah PPNY-BATAN, Yogyakarta 25-27 ApriL 1995
Bllklll
kebalikan G(E), pulsa-pulsa dengan tenaga E dapat melewati geIbang ini dengan kelajuan G(E)/G(Eo)
=
tit,. Disini waktu pengulangan gelombang bolak-balik cukup, hanya lebih lebar dari pactalebar pulsa input,biasanya kurang daribeberapa Ilsec.Oleh karena itu pemberian bobot pulsa terhadap G(E) secara clematis diubah menjadi sampling pulsa yang melewati geIbang waktu bias diskrinator bolak-balik, dalam bentuk fungsi kebalikan G(E) . Pacta gambar 2a-l clan 2a-2, gelombang bolak-balik mensimulasi fungsi konversi G(E) untuk detektor Sintilasi NaITl . Realisasi fungsi G(E) pacta rangkaian elektronik memerlukan ketelitian yang tinggi, untuk itu dipergunakan generator yang berasal dari data yang dimasukan pactaRead Only Afe/llOlY (ROM)(5). '_1
b11 '~ .
I
0
~
.rn
:§ 00 ~'"
~t I! <
I
.
.
.
I.
21. Waktu
'-~
E
.
I I
.
I
00
I
-
I.
225
TATA KERJA Methoda DBM adalah salah satu teknik pembobotan tenaga secara elektronik yang menyelesaikan konversi Spektrum ke Dosis secara clematis. Methoda ini bobot tenaga dibentuk dengan melewatkan pulsa (yang sebanding dengan tenaga) pactasebuah diskriminator yang dimoduIasi oleh tegangan yang berasal clari generator fungsi. Generator gungsi tersebut merupakan fungsi kebalikan dari G(E). Aplikasi methoda ini terutama pacta lingkungan adalah untuk mengevaluasi dosis radiasi gamma aktivitas rendah dengan beberapa kelebihannya antara lain. a. Efisiensi deteksi cukup tinggi b. Dapat menggunakan infoIDmsiyang berasal clari spektrum tenaga c. Methoda ini secara mudah dapat diaplikasikan untuk estimasi dosis eqivalen d. Peralatan yang dibuat dengan methoda ini ringkas clanportable Peralatan yang dapat dibuat dengan menggunakan methoda ini adalah sulVey meter yang memenuhi kriteria-kriteria diatas. Survey meter ini menggunakan detektor Sintilasi NaITl khusus untuk deteksi radiasi gamma. Perbandingan beberapa SUlileYmeter yang actaterhadap barns-barnsdeteksi, jangkau tenaga clan ketergantungan terhadap arab somber seperti pactatabel I dibawah.
21. Wak'"
Gambar 2a: Belltllk gelolllballg bolllk-balik lIIellsillll/la5ifilllgsi kollversi G(E)
Tabcll.
Jcnis dan karaktcristik meter
beberapa suvey
I-I I'(ama Survey meter
Jangkau Pengukuran
Ionlsation chamber
2
t°
tzc:= .
~f: 'I
G.M
1
:!f 0"
.t
f:.
!..
Tlngg! pulsa'
~ c .."
'-2
i
:.c:
.
Sintilasi
- 250
mSvlh
0.2
Svlh - ! mSvlh
(0.02 mRIh - 100 RIh) 50 nSvlh - 25 I1Svlh (0.2 mRih - 2.5 RIh)
Ketergantungan Arah Sumber
0.03 -2MeV :t 15%
Sangat bagus
0.05-3MeV
Dapat ditenma
0.05-3MeV
Sangal bogus
L°
bL:
Ii IElltioIl
DASARPERENCANAAN
J,I.,
o~
E. ~ TllIgi:!pulsa
Gambar 2b: HI/bill/gall til/ggi PllIsa kelalljllta1l (PO.5-siJ/grate)
ISSN C1216-312S
Svlh
(0.2 mRih - 25 RIh)
Jangkau Tenaga
llellga1l
Dasar perencanaan rancangan survey meter memakai methoda DBM clandetektor sintilasi adalah dengan memperhatikan beberapa kebutuhan daD hal-ha:Iyang berhubungan antara lain seperti pacta tabel 2.
Sctyadi
226
Prosulillg PertenUiall dall Preselltasi Ilmiall PPNY-BATAN, YoRl'akarta 25-27 April 1995
BlIklll
Tabel2.
Dasar perencanaan berhuhungan Kebutulum
dan hal-hal yang
na\-ha\
yang berhubungan
Radiasi gamma aktivitas rendall, harns dapat diukur dengan kete\itian tinggi dalan! waktu sing)(at
Dirancang piranti elektronik yang mempunyai waktu konversi tinggi
dosis Laju perubahan terhadap waktu clan tempat harns dapat diukur clan dicatat
Rancangan piranti terse but barns dapat dihubungkan dengan komputer clan me. makai baterv
Mampu mengevaluasi data dengan memisahkan radiasi yang berasal dari radiasi buatan clan radiasi alam
PerIn
Dikemas
Menggunakan konsumsi daya rendah daB memakai kompo- neB mikrochip
dalam
bentuk
ringan daB ringkas agar mudah dibawaldipindahkan
RANGKAIAN
tambahan ULD, counter LLD clan fungsi PHA
ELEKTRONIK
Blok diagram rangkian elektronik seperti terlihat pacta gambar 3, terdiri dari linier amplifier, rangkaian base line restorer,junction generator dan scalier. Sedang rangkaianprealllpiifier clancalli daya tegangan tinggi serta detektor NaITl tidak digambar pactarangkaian ini. Fungsi dari masing-masingblok adalah sebagai berikut:
pulsa analog tersebut siapuntuk dianalisa tinggipulsa yang sesuai dengan tenaganya. Sinyal' keluaran Linier Amplifier ini selanjutnya dilewatkan pacta rangkaian Base Line Restorer yang berfungsi mempertahankan keluaran amplifier ini pactaaras tegangan tertentu yang dipakai sebagai acuan tegangan no!. Rangkaian ini penting pacta pemakaian analisis tinggi pulsa yang berasal dati detektor Sintilasi, karena ketepatan analisis tergantung pula ketepatan kita mengolah sinyal dan mempertahankan stabilitas pulsa tersebut. Rangkaian Diskrirniator pactadasamya adalah sebuah rangkaian komparator yang membandingkan dua buah sinyal. Pacta Rangkaian single Channel Analyzer (SCA) rangkaian ini dikenal sebagai window yang membatasi pulsa-pulsa dengan energi tertentu saja yang bisa diolah lebih lanjut. Pacta rangkaian ini diskriminator berfungsi sebagai rangkaian yang memodalsi sinyal input yang berasal dati detektor dengan sinyal yang berasal dari generator fungsi. Sinkronisasi antara siyal yang berasal dari detektor dan sinyal yang berasal dari genarator fungsi merupakan tal yang perlu diperhatikan dengan seksama, atau dengan kala lain sinyal dati detektor hams mentriger rangkaian generator fungsi. Rangkaian eleJtronik diskrirninator seperti gambar 4. Rangkaian ini mempunyai kompollen klipper untuk membatasi daerah tenaga rendah sebagai fungsi gelombang.
..,.
'oW r""
5, ..
s, SC2~r
-y
QQ"
--.~ ~
I";"
u
Function ~Mr3lo(
Gambar 3. Blok diagram rangkaiall eleJ.1ronik slIn'l!)'meter denganmet//Oda DBJU
Linier Amplifier berfungsi sebagai penguat sinyal yang berasal dari detektor, dan membentuk pulsa ( mengatur rise time, lebm pulsa dB) sehingga
Sctyadi
Gambar 4. Rallgkaiall Diskrimillalor yallg dilellgkapi tlellgall clipping 1IIIIIIk daera" lenaga rendall,
Generator fungsi menghasilkan gelombang dengan bentuk sesuai dengan kebalikan fungsi G(E) dari persamaan (I) di alas.Perhitungan G(E) iniuntuk beberapa bentuk geometri daD dimensi detektor
ISSN 0216-3128
Prosidi/lg Pertemllall cIall Preselltasi Ilmiall PPNY-BATAN, Yogyakarta 25-27 April 1995
227
Bllkll!
NaITl dibahas pactamakalah lain. Dengan fungsi ini akan didapatkanbesamya dosis radiasi sesuai dengan jumlah pulsa yang dieaeah oleh rate meter atau counter. Implementasi fungsi G(E) ini pacta rangkaian gelombang fungsi, pacta tahap awal akan dilakukan seearasederhana, artinya ketidak linieranfungsi G(E) pactaenergi rendah mempunyai ketelitianyang kasar. Pacta konstmksi berikutnya implemen- tasinya menggunakan komponen yang lebih baik seperti tabulasi pactaRead Only MelllOlY(ROM).
HASIL DAN PE~IBAHASAN RANGKAIAN ELEKTRONIK Rangkaian elektronik yang perlu mendapatkan perhatian khusus pactaraneangan ini adalah rangkaian diskriminator daB rangkian pembangkit gelombang fungsi. Pembangkit gelombang fungsi menghasilkan gelombang gigi gergaji yang telah dimodifiksi. Gelombang gigi gergaji ini dipieu pacta tegangan nol volt, Hamlin pacta kenyataanya gelombang bolak-balik ini tidak stabil pactakondisi tersebut karena adanya panas daD derail elektronik. Untuk itu perlu dihindari dengan eara memotong bagian tengangan rendah daTi gelombang fungsi tersebut yang bersarti pula mendiskriminasi sinyal derail. Diskriminasi sinyal derail mempunyai kerugian yaitu mengorbankan respon pacta teBaga rendall,namun pactaaplikasi raneangan surveymeter, hal ini masih eukup baik daD teliti. Spesifikasi alat yang diharapkan, karena adanya diskriminasi ini, mempunyaijangkau relative lebih rendall, terutama pactaenergy rendah (dibawah 100 keY).
Simulasi seeara elektronik dengan menggunakan pulser sebagai masukan pulsa detektor daB pembangkit gelombang fungsi bempa gigi gergaji akan didapatkan hubungan antara tinggi puisa masukan denganpassing rate seperti pad,agambar 5. Respon teBaga daTi detektor dapat dengan mudah dilakukan ajustment dengan eara merubah bentuk keluaran gelombang fungsi. Hal ini meneerminkan keluwesan methoda ini pactapengukuran dosis serap ataupun dosis paparan daB parameterparameter detektor lainnya yang perlu diperhitungkan. Respon tenaga detektor vs bentuk gelombang yang dihasilkan gelombang fungsi seperti pacta gambar 6.
.1L1Lk1!
vv}/v.t~ .~ tJ ' ~ =
;]/1/1/L~ I '
.~
~
~
-I Wakl11
.
;1:
t
~
~
.
~
0
~
'
to
'
T"II"!\"I'h,""1'
.
10
e. t>Ij
c ";; .. .,
.
Gambar
.
Co. ';;' 0.1
~:
";>
'
.. '
~" t
ll/l~/1/!~ oL1~-~, '~rc~ A
;2
~
0
JLJLJi1c -;;
:
'i: .' ;t.
I
/
.
..
.' ~'- .
t
~~ ..
.,: ., 'a'[
. ..
--'--'
Gambar 5.
ISSN 11216-3128
,I
I
0 I' Tln~gl
J
. ~:: I: ~...v I ~
pul~a
' I.0
...'1
Tiuggi pttLva illPttl 1'05kelajtlall (passiug-rate)
6, Httbltugatl alliara betltk gewlllballg (kiri) dati respou leuaga (kauall)
KALIBRASI
Pacta kalibrasi alat yang diraneang, menggunakan beberapa sumter standard sinar ganm1a yang mempunyai energi rendah « 100 keY) sampai dengan kurang lebih 3 MeV. Sumter standard yang lazim dipakai untuk perhitungan fungsi G(E) seperti pactalabel 3.
Sct)'adi
128
Table 3.
Nuklida
Nuklida dan Tenaga dari spektrum standard yang digunakan raJa perhitungan fungsi G(E)
Ene\?; (Me)
Intensitas (1 I dis)
Half-life (hari)
C;\tatan
241A M
0.060
0.36
57Co
0.124
0.962
271.4
139Ce
0.166
0.801
137.63 dengan La K-X (33 keY)
203Hj."( 0.279
0.814
I13Sn
0.393
0.642
46.80 dengan T1 K-X (73 keY) 115.09 denganin K-X(24keY)
0.255
0.0207
85Sr
0.514
0.9928
137Cs
0.662
0.852
0.835
0.9998
312.30
1.275
CJ.9995
949.75
0.511
1.812
1.332
1.0
1.1 73
1.0
1.836
0.9944
0.898
0.94
2.754
1.0
1.369
1.0
:::
I
60Co
88y
I 24Na
Prosidillg PertenUiall dall Preselltasi Ilmiall PPNY-BATAN. Yogyakarta 25-27 April 1995
Bllkll I
]67170
64.68 10950
dengan Ba K-X (32 keY)
UCAP AN TERlMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Mr. Toshihiko SENSAKI, Staf peneliti pacta Elektronic Division, Department of Engineering Services, JAERI Atas bimbingan, diskusi daTI bahan-bahan pustaka.
DAFTAR PUSTAKA 1. GLENN F. KNOLL., Radiation Detection And Measurement, John Wiley & Son, New York, 1979 2. S. MORIUCHI and I. MIYANAGA., A Method of Pulse Height Weighting Using The Discriminator Bias Modulation, Health Physics, Vol 12, pp 1481 -1487, 1966 3. K.SAITO and S. MORIUCHI., Monte carlo Calculation of Accurate Response For NaI(TI) Detector for Gamma ray, Nuclear Instrumenta and Methods 185, pp 299 308, 1981 4. S. MORIUCHI, et all, Determination of Spectrum Dose Conversion Operator for Sperical NaI(TI) Scintillator, JAERI-M 8092, 1979 5. JAERI - MEMO No 6950, Japan Atomic Energy Research Institute, 1977
-
19]9.90
106.6
!
0.625
TANYA JAW All Yusuf
KESIMPULAN
-
Dari hasil rancangan penggunaan methoda Modulasi Tegangan Diskriminator (Discriminator Bias }',fodulation/DBM) pacta survey meter untuk pengukuran aktivitas rendah radioaktivitas lingkungan dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut : 1. Metoda DBM secara prinsip menyatakanbahwa secara umum besaran R(Eo) adalah dosis daTI G(E) dE (dari persamaan 1) adalah operator. Methoda DBM secara elektronik dapat melakukan operasi tersebut. 2. Methoda DBM adalah salah satu teknik pembobotan tenaga secara elektronis yang menyelesaikan konversi Spektrum ke Dosis.
Setyadi
Berapa frequensi dari osilator pemodulasi? Apa yang akan terjadijika actapulsa radiasi misal sebesar 5V, pacta saat bersamaan tegangan modulasi sebesar 3v. .
Sct)'adi -
Tillie base yang digllnakan sekitar 10 illS. Setiap Pliisa yang datang akan llIemicli generator fllngsi, sehinggaterjadi sinla'onisasi an tara Plilsa 11lasllkdan pembangkit generator fil/1gsi.
lsSN 0116-3128
