Prosiding Perlemuan don Presenlasi Ilmiah P3TM-BATAN. Yogyakarla 25 -26 Juti 2000
Buku I
77
PENGARUH PERUBAHAN TEGANGAN TINGGI TERPASANG TERHADAP KARAKTERISTIK DETEKTOR NaI(TI) Sudarti Siswohartoyo, Dcwita Triyono, Wijiyono Puslitbang Teknologi Maju Badan TenagaNuklir Nasional
ABSTRAK PENGARUIl PERUBAIlAN TEGANGAN T/NGG/ TERPASANG TERHADAP KARAKTER/ST/K DETEKTOR Na/(TI). Dampak perubahan tegangan tinggi terpasang terhadap sinyal keluaran detektor Nal(Tl) telah dipelajari. Pada tegangan 600 volt, perubahan catu tegangan tinggi HV per volt menyebabkan perubahan amplitudo sinyal sebesar 7,6 mJl: Pada tegangan 700. 800 dan 900 volt, perllbahan tegangan tinggi sebesar per volt masing masing akan menyebabkanperubahan amplitudo sinyal sebesar 38, 47 don 75 mIl: I'ariasi tegangan tinggi pada jangkau 600 sampai 900 volt tidak mengakibatkan perubahan yang signifikan terhadap resolusi Nal(Tl), karena resolusi detektor Nal(Tl) terukur sangat lebar (55 sampai 66 keV) dibandingkan dengan perubahan resolusi yang seharusnya terjadi akibat perubahan catu tegangan tinggi HV itu sendiri.
ABSTRACT HIGH VOLTAGE VARIATION IMPACT TO THE CHARACTERISTICS OF NAI(TL) DETECTOR. The effect ofhigh voltage variation on the NaIITI) detector output signal has been studied. It wasfound that at 600 volt, the increment of one volt HV has changed the detector output signal of about 7.6 m II: At the voltage of 700. 800 and 900 volt. the increment of one volt HV will cause variation of the output detector signal ofabout 38, 47 and 75 mV respectively. High voltage variation in the range of600 to 900 volt did not change the resolution of Na/(TI) significantly, because resolution of Na/ITI) photo peak is very large (55 to 65 ke V) compared to the expected value resulting ofHV variation itself
PENDAHULUAN N
aI(Tl) adalah detektor radiasi gamma, yang dapat dipakai sebagai detektor untuk pemantauan radiasi lingkungan, selain itu, dapat dipakai untuk keperluan fisika medis yaitu untuk diagnosis sebagai kamera gamma. Da!am kamera gamma, kete!itian dal~m pencacahan sangat diperlukan, karena distribusi radioaktivitas dalam jaringan tubuh akan memberikan informasi yang sangat penting tentang keadaan pasien yang diperiksa dcngan kamera gamma tcrscbut. Untuk bekerjanya, detektor Nal(TI) memerlukan tegangan tinggi pad a tabung peganda elektron, agar sinyal keluaran detektor Nal(Tl) cukup tinggi untuk dapat dicatat. Perubahan tegangan tinggi akan sangat mempengaruhi besar sinyal keluaran detektor NaI(Tl) tersebut (I), Didalam fisika medis, ketelitian pembacaan distribusi radionuklida dalam jaringan tubuh sangat bergantung pada resolusi detektor, yaitu suatu daerah puncak foto!istrik dan lebamya akan memberikan jumlah cacah atau informasi intensitas radiasi pada titik tertentu suatu jaringan tubuh. Perubahan tegangan tinggi terpasang dapat menyebabkan perubahan karakteristik detektor NaI(Tl) yaitu perubahan amplituda tegangan keluaran dan rcsolusi dctcktor, schingga posisi dan Icbar d~cr:lh fotolistrik d:lp:lt bcrgcscr pula. Schingga dcngan pcrubahan tcgangan tcrpasang
ISSN 0216-3128
pada tabung peganda elektron, penggunaanjendela yang sudah diatur semula pada daerah puncak fotolistrik, akan bergeser yang menyebabkan cacah clanketelitiannya berubahpula. Pada studi ini, dipelajari dampak perubahan tegangan tinggi terpasang terhadap karakteristik detektor NaI(TI) yaitu resolusi dan amplitudo sinyal keluaran detektor. Dari studi ini diharapkan untuk bisa diketahui persaratan stabilitas tegangan tinggi yang diperlukan oleh sistem detektor NaI(TI). Karena akibat perubahan tegangan tinggi akan berpengaruh terhadap ketelitian basil cacah radiasi sebagai contoh untuk keperluan fisika medik ketelitian ukur disuatu titik jaringan tubuh, dapat memprediksi lebih baik keadaan pasien dalarn diagnosis yang telah dilakukan.
TEOR! & KINERJA TABUNG PEGANDAELEKTRON Pada detektor NaI(T), radiasi gamma datang ke detektor diubah menjadi sejumlah raton cahaya (melalui proses fotolistrik, hamburan Compton ataupun bentukan pasangan), yang menabrak rota katoda TPE (tabung peganda elektron) dan akan terjadi pelepasan elektron. Seperti diketahui untuk operasional, dctektor Nal(TI) memerlukan TPE dengan tegangan tinggi terpasang seperti terlihat
Sudarti; dkk.
yang datang sebesar I k e V, namun rata-rata nilai tersebut kira kira 4 -6 untuk tegangan beberapa ratus Volt. Pada dinoda dengan bahan GaP(Cs) nilai tersebut dapat mencapai 50-60 pada pemakaian tegangan sebesar1000Volt.
pad a Gambar 1
Dalam TPE, terjadi multiplikasi yang bergantung pada jumlah tingkat dinoda yan~ dipakai. Untuk N dinoda, multiplikasi total adalah (
M=aoN
R" R
0
Gambar I. Skema Rangkaian Tabung Pcganda Elcktron Sensitivitas fotokatoda yang ditunjukkan oleh jumlah elektron yang terlepas apabila foton cahaya menabrak fotokatoda disebut efisiensi kuantum, besarnya berkisar antara 20 sampai 30 % . Nilai tersebut sangat bergantung pada panjang gelombang foton cahaya atau energi kuantum foton cahaya yang datang ke foro katoda. Nilai tersebut akan optimal apabila kurva tanggap :;pektrum foro katoda sesuai (match) dengan spektrum emisi detektor sintilator Nal(TI) yang dipakai. Nilai panjang gelombang foton cahaya pada keadaan optimal adalah mendekati 360 nano-meter. Elektron tersebut akan ditarik ke dinoda pertama (0.) dan mendapat tambahan tenaga gerak akibat perbedaan tegangan antar dinoda, sehingga sewaktu sampai ke dinoda pertama mampu melepaskan elektron dari dinoda pertama lebih banyak, sehinggajumlah elektron yang terlepas dari dinoda pertama akan diperbanyak, ini disebut emisi elektron sekunder. Untuk proses berikutnya, elekn'on tersebut ditarik ke dinoda kedua (OJ dan diperbanyakjumlahnya, demikian seterusnyahingga mencapai dinoda terakhir (anoda) yang dipakai sebagai kolektor muatan yang teljadi pada proses penggadaantersebut. Amplitudo Sinyal Kcluaran Dctcktor Nal(TI) (1),
(1
a merupakan fraksi rota elektron yang dikumpulkan ke dinoda pertama, 0' adalah faktor emisi elektron sekLinder. Untuk material dinoda konvensional, nilai 0" adalah = 5, sedang nilai a mcndekati 1. Multiplikasi total sualu labung TPE sangat sensitif terhadap tcgangan terpasang. Karcna 0" merupakan fungsi linier tegangan antar dinoda V, maka untuk 10 tingkat dinoda, faktor multiplikasi total akan sebanding dengan tegangan antar dinoda tersebut, apabila K adalah suatu konstanta, faktor multiplikasi tersebutadalah (I): M = K V 10 (2) Untuk suatu tenaga gamma Er' akan diperoleh puncak foto yang besar amplitudonya sebanding dengan faktor multiplikasi tersebut jadi amplitudo sinyal keluaran detektor NaI(TI) akan sebanding dengan V /0 , K/ adalah konstanta, yang besamyaadalah: A = K1 V 10
(3)
Dengan perubahan tegangan tinggi terpasang pada TPE, besar amplitudo sinyal keluaran TPE akan berubah pula, sehingga posisi puncak fotolistrik untuk suatu energi tertentu (nomor kana1) tersebut akan bergeser seperti yang terlihat pada Gambar 2.
(2)
Faktor multiplikasi untuk satu tingkat dinoda atau faktor emisi elektron sekunder diberikan oleh:
Nomor kanall'J l:. 1\1
Gambar2. Pergeseran Spektrumgamma
R=-
RESOLUSI
ENERGI
(2),(3)
terpasang akan mengakibatkan pula pelebaran puncak atau pelebaranresolusi.
Didalam aplikasinya untuk spektroskopi radiasi, detektor biasa dipakai untuk mengukur intensitas pada suatu energi tertentu. Tanggapan terhadap gamma tenaga tunggal merupakan sifat yang sangat penting suatu detektor yang diaplikasikan untuk spektroskopi radiasi. Pada Gambar 3, ditunjukkan sifat detektor dalam kemampuannya memisahkan suatu energi terhadap yang lain yang biasa disebut resolusi yang diukur sebagai lebar setengah maksimum (FWHM). Faktor multiplikasi akan lebih besar akibat tengangan
Dari acuan (I) besar resolusi relatif yang diukur denganFWHM untuk distribusi Gauss adalah
A2
AI Amplituda
Amplihldo
A3 AInplihldo
Gambar 3. Tanggapan spektrum amplitudo sinyal detektor clan resolusinya pada sumber Co6o diamati sebagai fungsi variasi tegangan tinggi terpasang.
Sehingga resolusi dapat dirumuskan sebagai:
2.35
&
~K~VIO
VS
(5)
Ralat resolusi hila tegangan V berubah adalah:
SR =
I~I
Oari hubungan tersebut, kelihatan resolusi relatip detektor NaI(Tl) adalah berbanding terbalik dengan tegangan terpasang pangkat 5, sedang ralat relatif resolusi adalah :
!!.-JL R
v
(5)
METODA EKSPERIMEN Pada studi ini dilakukan pengukuran terhadap detektor NaI(TI) tipe sumur yang merupakan detektor perisai sistem supresi Compton. Perubahan ISSN 0216-3128
Gambar 4. Skema Peralatan Detektor Nal(TI) Perubahan amplitudo dan resolusi dicatat dengan mencatat pergeseran kanal puncak dan FWHM (Full Width Half Maximum) spektrum Co6O yang mempunyai energi 1173 dan 1332keY dengan variasi tegangan tinggi (HV) yang terpasang pada kelima TPE detektor Nal(TI). Spektrum energi
~
.,""
Sudarti, dkk.
80
Prosiding Perlemllan dan Presenlasi J/miah P3TNI-BATAN. Yogyakarla 2.5 -26 Jllii 2000
Buku I
tersebut disimpan untuk masing-masing perubahan tegangan tinggi, yaitu antara 600 sampai 900 volt dengan variasi sebesar2 volt.
Nal.(TJ) akibat perubahan tegangan tinggi pada detektor tersebut pad a tcgangan tinggi disekitar 600,700,800, dan 900 volt, energi I. J73 dan 1332 k
eV.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Dari hasil eksperimen yang diperoleh terlihat bahwa amplitudo sinyal akan berubah dengan berubahnya HV terpasang. Untuk energi 1173 keY diperoleh amplitudo tegangan lebih rendah dari pada energi 1332 keY.
PerubahanAmplitudo Sinyal vcrsusTcgangan '.mggi Pacta gambar 5, 6, 7 dan 8 diperJihatkan perubahan ampJitudo sinyaJ keJuaran detektor
500
~
c
~ ~
400
-",,::::;;;O~
~ 0
E ~ 0
~~~
~
z 0
"t:J
~ 200
;'t:
"Q.
E
~
100 600
&X)
610
615
620
625
Tegangan Tinggi Volt AMPLITUDO
SINY AL KELUARAN
Gambar 5. Amplitudo
DETEKTOR
vs Tegangan disekitar 600 volt
2000
~ C N
~
~
1700
0
E 0
z""-
1400
0
'U :3
~
c.. E
1100
o:J:
BOO
700
705
710 715 Tegangan Tinggi Volt
720
Gambar 6. Amplitudo vs Tegangan disekitar 700 volt
725
Prosiding Perlemuan dan Presenlasi llmiah P3TM-BATAN. Yogyakarla 25 -26 Juli 2000
Buku I
81
6000 ""iij
s: ~ ~
5250
i..
0
E 0 z 4500
0
"U :J
~a..
3750
E
c(
3000 845
855
850 T egangan
Ganlbar
7.
Tinggi
860
865
Volt
Amplitudo vs Tegangan disekitar 800 volt
8500
";
~a 7~O
~ Q 5 Q
~ 6~O Q
oe ... -=
:=
.eo 5~O
~ 4500 8W
895
900
905
910
Te~1gaIl Thlggi Volt Gambar 8. Amplituda vs Tegangan disekitar 900 volt Perub:lhan Resolusi versus Tcgang:ln Tinggi PadaGambar 9 ditunjukkan hasil pcngukuran perubahan resolusi dctektor Nal(TI) sebagai akibat perubahan tegangan tinggi dari 600 sampai 900 volt. Pada Gambar 10 disajikan pcrubahan rcsolusi relatif menggunakan rumus 6 dalam % untuk variasi tegangan tinggi pada jangkau 600 sampai 900 volt.
Nilai resolusi pada jangkau tegangan tinggi tersebut tidak dapat memberikan
perubahan resolusi secara
signifikan, karena resolusi detektor Nal(TI) terukur sangat lebar (55 sampai 66 keY) bila dibandingkan dengan detektor HPGe (1,85 keY). Untuk resolusi detektor NaI(Tl) diperoleh hasil 55 -66 keY, ralat pengukuran yang terjadi sangat besar sekitar 10 %.
80
ResoblSi 70
(ke V)
60
50 40
30 20 10 0 Q Q
\0
\0 Q
\0
Q --t".
\0
\0
Q
\0
\0
..~ Q
r-
\0 =
Q ---ar.
r-
t-
..".
=
C",
r-
r-
=
Caw daya teg~al\
\0 Ir.
=
Q \0
=
..". 0\
~
= Q\
~
...\C C C 0\
0\
ti1~gi (V)
Gambar 9. Pengaruh perubahan tegangan tinggi terhadap resolusi detektor , ralat pcngukuran
=
1,8
.oS
1,6
10 %
~
.-1,4 ~ ~ .=
= ~ ~"-"' ~ =
~ ~ ~
1,2 1
'-'0,8 0,6
0$
0,4
.E: 4)
0,2
~
0
b~ ~~
...b -~, ~
b".
(~(\ Cain
"
...~ ~~
~
~t"' ~;
(\" (\". ~..,.. ~ ~1 ~ daya tegangan tUlggi (\17)
~~
Gambar 10. Pengaruh perubahan tcgangal1 tinggi tcrhadap resolusi relatif detektor (menggunakan rumus 6)
perubahan resolusi secara signifikan, karena resolusi detektor Nal(TI) tcrukur sangat lebar yaitu 55 sampai 66 keY dan ralat pengukuran yang terjadi sangat besar sckitar 10 %) bila
KESIMPULAN Dari hasil sebagai berikut 1.
2.
pengukuran
dapat disimpulkan
Semakin tinggi catu daya yang dipakai, perubahan per voltnya akan mcmberikm1 efek perubahan sinyal yang makin besar pula. Nilai rcsolusi pada jangkau tcgangan tinggi 600 sampai 900 volt tidak clapat mcmberikan
dibandingkan dcngan detcktor
HPGe (1,85
keY). 3.
Dari hasil perhitungan menggunakan rumus.6 terlihat dengan perubahan tegangan, hanya akan ada perubahan resolusi sebesar kira.kira 1,17 %
4.
Efek
perubahan
resoillsi
akibat
perubahan
Prosiding Pertemuan don l'resentasi lImia'" P3TM-BATAN. Yogyakarta 25 -26 Jl/li 2000 tegangan HV yang jauh lebih kecil dari ralat pengukuran resolusi itu sendiri maka perubahannya tidak bisa dilihat secara
5
Sudarti
Dari kedua sifat detektor yaitu respon tegangan sinyal keluaran dan resolusinya, pengaruh
-Yang akan dipero/eh dari studi ini ada/ah untuk mendapa/kan keyakinan dari sua/u hasi/ pengukuran. Dalam daerahf% lis/rik dipakai sebagai ukuran sua/u in/ensi/as radiasi; hila intensitas i/u /erjadi fluk/uasi yang sangat besar (diluar fluk/uasi sta/is/ik), maka perlu dicurigai sistem ukur yang dipakai.
sangat signifikan ke\uaran detektor stabilitas catu detektor Nal(TI) mcnurut acuan 5)
diperlukan faktor ripel scbesar 0.1 % pada tegangan HV sebesar 1000 Volt.
DAFTARACUAN
2. 3.
G. F. Knoll, "'?adiation Detection and Meas/lrement ." John Willey and Sons Inc 1979. New York. R. L. Heath, " Gamma Ray Spectrum Cataloque .. J. H. Kaye, " Nuclear Radiation Detector." Methuen & Co, Ltd. London (1964)
4.
Nicholas Tsufoundis, "Nuclear Radiation Detector" John Willey and Sons Inc 1990. New
York. 5.
tertentu dengan resolusi tertentu pula. Hal baru/spesifik apakah yang anda dapatkan daTi penelitian tersebut.
signifikan.
perubahan tegangan tinggi pada respon tegangan sinya\ sehingga perlu diperhatikan tegangan tinggi pada sistem harus cukup baik, yang mana
I.
83
BukuI
_Service Manual: 456 Ortec High Voltage
Edi Triyono -Ditinjau dari. prinsip kerja NaI(TI) persamaan tegangan tinggi hanya berpengaruh pada sistem ion multiplier dalam bagian (Photo multiplier tube). Mengenahi resolusi detektor NaI(TI) apakah tidak dilakukan denganmembandingkan material NaI(TI) dengan material pendar jenis lainnya ? Sudarti -Tadak di/akukan de/1gan memvariasi de/ektornya. Unuk kerja yang dipelajari ini memang dominan dipengaruhi o/eh TPE (tabung pengganda e/ek/ron), karena tujuannya adalah menge/ahui seberapajauh karakteristik detektor i/u berubah dengan berubahnya HJI; sehingga dapat dike/al1ui detek/ornya a/au /egangan tinggi /erpasanganya yang tidak berfungsi secara baik. Widnrto
TANYAJAWAll Budiarto -Dari NaI
mana ibu mendapatkan sampel detektor ? atau NaI dibuat sendiri ? mohon
penjelasan. -Apa
akibatnya kalau detektor NaI(TI) terukur sangat lebar? Kalaulebih sempit bagaimana ?
Sudarti
-De/ek/or yang dipakai adalah de/ek/or ya/lg dipakai un/uk sis/em moni/oring/ingkungan. Be/um bisa dibl/al deleklor Na/(Tl). Tujllan s/udi ini adalah bah\l'allnlllk mendapalkan data yang benar diperlllkan sualu sislen yang benar juga dengan memperl1a/ikanpersyaralan oleh sisleln deleklor i/ll sendiri. -Bi/a reso/usi sanga/ lebar rala/ pembacaan jllga sanga/ be.~ar.jika resoll/si sempi/ ralat pembacaannyajllga kecil. Taxwim -Biasanya pabrik
karakteristik detektor NaI(TI) buatan telah tercanlum data-data tegangan
ISSN 0216-3128
-Ditinjau dari resolusinya, apakah korelasi antara variasi tegangan tinggi dengan resolusi detektor NaITI tersebut. Berapa volt tegangan HV tervariasi sehingga resolusi mencapai optimum pada deektor NaITI tersebut. Sudatri -Ya ado kore/asinya menuru/ hubungan Sr/R J/V %, dimana SR/R adalah rala/ rela/if reso/usi don V ada/ah /egangan antar diO/1a. Sesuai dengan studi ini HV pada suatu daerah /egangan /erpakai /idak signifikan, ini berar/i perubahan HV /idak memperbaiki reso/usi. Yang perlu diperha/ikan ada/ah bahwa perubahan HV akan n1engubah amplituda secara signifikan a/au akan mengubah nom or kana/, sedangkan jumlah kana/ tidak nampak berubah secara nya/a.
