SPEKTROSKOPI-γ (GAMMA) Veetha Adiyani Pardede M0209054, Program Studi Fisika FMIPA UNS Jl. Ir. Sutami 36 A, Kentingan, Surakarta, Jawa Tengah email:
[email protected] ABSTRAK Aras-aras inti dipelajari guna [engamatan radiasi-γ yang dipancarkan oleh inti anak hasil peluruhan yang bersifat radioaktif maupun yang stabil. Sinar γ memiliki daya tembus yang tinggi serta merupakan gelombang electromagnet dan relative mudah dideteksi. Detektor sintilasi mampu untuk mendeteksi sinar γ dalam satua mempunyai resolusi 24% dalam menangkap energy radiasi γ.
. Detektor NaI(Tl) dan
digunakan
sebagai sumber dalam menentukan energy radiasi γ yang dipancarkan oleh radiasi γ
dan
. Besar
, sehingga radiasi γ
yang dipancarkan
.
Kata kunci: radioaktif barium, radiasi sinar γ, peluruhan cesium radioaktif
1. PENDAHULUAN
digunakan
1.1 LATAR BELAKANG Unsur radiaoaktif alam dan buatan menunjukkan aktivitas
kemudian
untuk
dapat
mengidentifikasi
unsure atau isotop-isotop radioaktif yang
yang
ada di dalamnya. Hasil pengukuran
sama yaitu radiasi sinar-α, sinar-ß, dan
intensitas radiasi suatu sumber selalu
sinar-γ. Salah satu sifat menguntungkan
merupakan gabungan antara radiasi yang
dari
daya
berasal dari sumber dan lingkungan
Kekuatan
sekitarnya. Oleh karena itu diperlukan
sinar
radioaktif
tembusnya tembus
yang sinar-sinar
radiasi
yang
adalah
tinggi.
ini
suatu percobaan spekstroskopi sinar
dipengaruhi oleh daya ionisasinya. Sinar
gamma guna mengetahui energy gamma
radioaktif
terdapat
pula
di
udara.
yang dipancarkan oleh bahan radioaktif,
Tersebar
secara
distribusi
acak.
gamma
dapat
Spektrometer
sinar
radioaktif
,
digunakan untuk menganalisis sumber 1
dan
.
maka
1.2 TUJUAN -
Mempelajari
cacah
latar
Mempelajari spectrum isotop
-
Mempelajari
pengaruh terhadap
beberapa jenis isotop Jenis Energi Probabilitas radionuklida Cd-109 88 keV 3,70% Cs-137 662keV 85% Co-60 1173 keV 99% dan 1332 keV 100% (Hendriyanto Haditjahyono: 2006)
waktu spectrum
isotop -
Mempelajari spectrum isotop
-
Mengkalibrasi
-
detektor
dengan
Dalam menghitung energy partikel
dan kalibrasi
alpha dan beta yang dipancarkan dalam
detektor untuk menentukan energy
perluruhan radioaktif di depan diangap
gamma dari suatu sumber radioaktif
tidak ada sinar gamma yang dipancarkan.
yang belum diketahui energinya
Jika ada sinar gamma yang dipancarkan
Menggunakan
(isotop
hasil
dalam peluruhan radioaktif, dianggap
)
tidak ada sinar gamma yang dipancarkan,
1.3 DASAR TEORI
maka energy yang ada (Q) harus dibagi
Secara definisi, radiasi merupakan
bersama antara partikel dengan sinar
salah satu cara perambatan energi dari
gamma. Ada tiga proses utama yang
suatu sumber energi ke lingkungannya
dapat terjadi apabila radiasi melewati
tanpa membutuhkan medium atau bahan
bahan, yaitu efek fotolistrik, hamburan
penghantar tertentu. Radiasi memiliki
Compton dan produksi pasangan. Ketiga
dua sifat yang khas, yaitu tidak dapat
proses tersebut melepaskan elektron
dirasakan secara langsung oleh panca
yang selanjutnya dapat mengionisasi
indra manusia dan beberapa jenis radiasi
atom-atom lain dalam bahan. (Beiser:
dapat menembus berbagai jenis bahan.
1999)
Energi radiasi (E) merupakan ‘kekuatan’ dari setiap oleh
bergantung
Tabel 1.3.1 Probabilitas dan energi
-
isotop
radiasinya
kepada tegangan anoda (kV).
(background counting)
pencacahan
energi
Detektor yang umum digunakan
radiasi yang dipancarkan
sumber
radiasi.
Bila
dalam
sumber
terbuat
tingkat atau nilai energi radiasi yang tergantung
pada
radionuklidanya.
Kalau
radiasinya
pesawat
berupa
gamma
adalah
detektor sintilasi NaI(Tl). Detektor ini
radiasinya berupa radionuklida maka dipancarkan
spektroskopi dari
bahan
yang
dapat
memancarkan kilatan cahaya apabila
jenis
berinteraksi
sumber
dengan
sinar
gamma.
Efisiensi detektor bertambah dengan
sinar-X, 2
meningkatnya volume Kristal sedangkan
Titik batas antara interaksi Compton
resolusi energy tergantung pada kondisi
dan efek foto listrik menghasilkan
pembuatan pada saat pengembangan
puncak energi yang disebut Compton
Kristal. Sinar gamma yang masuk ke
edge. Puncak Backscatter disebabkan
dalam detektor berinteraksi denganatom-
oleh foton yang telah dihamburkan
atom bahan sintilator menurut efek
keluar ternyata didefleksi balik kedalam
fotolistrik,
hamburan
Compton
dan
detektor
pasangan
produksi,
yang
akan
sehingga
Sebagian besar
terdeteksi
energi
foton
ulang. 137
Cs
menghasilkan kilatan cahaya dalam
(89,98%) dipancarkan dengan energi
sintilator. Jika energi radiasi yang
661,65 keV, tetapi ada juga foton yang
dipancarkan oleh unsur radioaktif Cs-
dipancarkan dengan energi masing-
137 diserap seluruhnya oleh elektron-
masing: 4,47 keV (1,04%), 31,82 keV
elektron pada kristal detektor NaI(Tl)
(2,07%), 32,19 keV (3,82%) dan 36,40
maka
efek
keV (1,39%). Energi foton sebesar 4,47
fotolistrik yang menghasilkan puncak
keV terlampau kecil untuk terdeteksi
energi
oleh detektor NaI(Tl). Tiga energi
interaksi
ini
(photopeak)
disebut pada
spektrum
gamma pada daerah energi 661,65 keV.
berikutnya (31,82 , 32,19 dan 36,40 keV)
Apabila
berinteraksi
terlalu dekat untuk dapat dipisahkan
dengan sebuah elektron bebas atau yang
oleh detektor NaI(Tl) sehingga muncul
terikat lemah, misal elektron pada kulit
sebagai
terluar suatu atom, maka sebagian energi
rata
photon akan diserap oleh elektron dan
karakteristik spektra dari isotop
kemudian
setiap isotop mempunyai karakteristik
foton
gamma
terhambur.
Interaksi
ini
disebut dengan hamburan Compton.
multiplet dengan energi rata-
32,89
keV.
Demikian
contoh ,
pola spektral yang berbeda-beda yang dapat digunakan untuk mengidentifikasi isotop-isotop tersebut. (M. Syamsa: 2002)
Gambar 1.3.1 Spektrum Gamma
137
Cs
3
2. METODE PENELITIAN 2.1 Alat dan Bahan -
Seperangkat alat spectrometer gamma (1 Set) o MCA o Detektror NaI(Tl)
-
Sumber Radiasi o Cs-137
1 buah
o Co-60
1 buah
o Ba-133
1 buah
Gambar 2.3.2 MCA dan Layar
3. DATA
2.2 Flowchart Percobaan
Terlampir
MCA, layar, detektor dihidupkan
Tabel 3.1 Puncak-puncak Energi Tiap MCA TIME
Sumber Radioaktif
Detektor Dihidupkan Cs-137
Co-60
CH
Cs-Ba
KeV 71 152 178
1 menit
662 1417.24 1659.66
START
4. PEMBAHASAN Sinar-sinar
radioaktif
memiliki
Analisis Spektrum
karakteristik yang unik dan berbeda satu
2.3 Gambar Alat
sama lainnya, walaupun berasal dari sumber yang sama. Salah satu sifat menguntungkan dari sinar radioaktif adalah daya tembusnya yang tinggi. Kekuatan tembus sinar-sinar radioaktif ionisasinya. kemampuan
ini
dipengaruhi Daya sinar
oleh
daya
ionisasi
adalah
radioaktif
menarik
elektron dari atom-atom yang dilewatinya. Partikel-γ memiliki daya ionisasi paling lemah. Untuk mengionisasi, atom sinar Gambar 2.3.1 Detektor NaI(Tl)
radioaktif akan menggunakan energi yang dimilikinya, sehingga semakin kuat daya 4
ionisasinya semakin banyak energinya yang
Percobaan diawali dengan mencacah
hilang. Hal ini tentu saja berpengaruh pada
udara
daya tembusnya. Sinar-γ memiliki daya
counting. Foton yang bergerak di udara
tembus paling kuat, Di udara terbuka sinar-γ
merupakan
tidak kehilangan banyak energi karena daya
seperti
ionisasi untuk molekul-molekul udara lemah.
gelombang
Sinar
menumbuk
gamma (γ)
elektromagnetik
adalah
berenergi
radiasi
tinggi,
tidak
sebagai
cacah
latar/background
gelombang
sinar-γ
elektromagnetik,
yang
juga
merupakan
elektromagnetik. lapisan
Peristiwa
materi
Sinar-γ
detektor yang
NaI(Tl).
dikenai
oleh
bermuatan dan tidak bermassa. Sinar gamma
energy/foton akan menghasilkan salah satu
dinyatakan dengan notasi
dari tiga peristiwa efek fotolistrik, efek
. gamma
Compton, dan produksi pasangan. Ketiga
bertujuan untuk mencari pola distribusi,
peristiwa tersebut menghasilkan elektron
mengamati
mempelajari
akibat eksitasi elektron. Sebuah foton berarti
, serta
satu kelipan berarti satu sinar-γ yang berarti
Percobaan
spektroskopi cacah
latar,
spectrum isotop
dan
satu buah elektron. Ketika sebuah atom yang
pengaruh waktu terhadapnya.
elektronnya
tereksitasi,
maka
terjadi
kekosongan pada kulit elektron tadi. Akibat kekosongan
tadi,
maka
akan
terjadi
deeksitasi, dimana proses deeksitasi elektron selalu menghasilkan foton. Foton tersebut
Gambar 4.1 Bagian Detektor Sintilator1
memasuki foto layar elektrik sehingga terjadi
Detektor yang digunakan merupakan
efek
detektor sintilasi, sintilasi merupakan kelipan, suatu bahan
yang dapat
Detektor
terdapat dynode (banyak diode), yang mana ketika sebuah elektron menumbuk diode
sintilasi
pertama yang mempunyai beda potensial
mempunyai lapisan permukaan berbahan NaI(Tl).
Setelah
permukaan
(berarti jumlah proton banyak), maka sebuah
merupakan
elektron
lapisan foto layar elektrik, dan PMT (Photonics
Multiplayer
Tube),
fotolistrik
menghasilkan elektron. Di dalam PMT
sinar-γ, sinar-α, maupun sinar-β disebut sintilator.
Efek
menghabiskan energy dari foton tadi, dan
memancarkan
kelipan cahaya apabila berinteraksi dengan dengan
fotolistrik.
tersebut
(tergandakan),
tabung
akan
sehingga
termultiplikasi akan
banyak
elektron yang dihasilkan dari diode tersebut,
pengganda.
dan diode selanjutnya. Hasil elektron dari
1
sinar-γ yang menumbuk detektor sintilasi
© 1997-2003, James H. Wittke http://www4.nau.edu/microanalysis/Microprobe/im g/PMtube.gif
tadi akan dilewatkan ke penguat muka 5
preamplifier untuk diubah menjadi pulsa
detektor untuk membedakan energi radiasi
tegangan. Amplitude pulsa tegangan yang
yang berdekatan. Suatu detektor diharapkan
keluar dari penguat muka masih sangat kecil
mempunyai resolusi yang sangat kecil (high
(dalam orde milivolt). Oleh karena itu, pulsa
resolution) sehingga dapat membedakan
tegangan
menggunakan
energi radiasi secara teliti. Resolusi detektor
rangkaian penguat amplifier sehingga pulsa
disebabkan oleh peristiwa statistik yang
tegangan keluaran sekitar beberapa volt dan
terjadi dalam proses pengubahan energi
ditampilkan dalam bentuk histogram melalui
radiasi, noise dari rangkaian elektronik, serta
MCA (Multi Channel Analyzer). Tinggi
ketidak-stabilan
ini
diperkuat
kondisi
pengukuran.
percobaan
mempunyai
pulsa (CH), sebanding dengan tenga radiasi γ, Detektor
pada
dan banyaknya pulsa (CT). Dari data yang
(lampiran). Jika dibandingkan
dihasilkan selama
, terlihat bahwa
dengan puncak
distribusi cacah latar bersifat acak. Keacakan
waktu pencacahan
, maka dapat
dilihat
bahwa
ini dikarenakan udara terus bergerak karena
banyaknya cacah ketika
pengaruh angin, dan angin terus bergerak
kali lipat dengan
dari tekanan tinggi ke tekanan yang lebih
ini dikarenakan banyaknya sinar-γ di sekitar
rendah.
udara yang memasuki detektor semakin
Percobaan kedua mempelajari spectrum isotop
hampir dua
ketika
. Hal
banyak seiring lamanya waktu pencacahan.
. Dari data, dapat ditentukan
Percobaan kedua menggunakan bahan
backscatter-nya (2395) pada channel 6.
radioaktif
Puncak Backscatter disebabkan oleh foton
channel 6 sebanyak 3096 cacah, Compton
yang telah dihamburkan keluar ternyata
edge pada channel 35 sebesar 2402 cacah.
didefleksi balik kedalam detektor sehingga
mempunyai puncak pada channel 152
terdeteksi ulang. Dengan Compton edge, titik
dan 178 dengan cacah 3123 dan 2159.
batas antara interaksi Compton dan efek foto
Pada
listrik menghasilkan puncak energi, pada
dan
Terlihat bahwa puncak cacah
bernilai 7866 dan FWHM (Full Width at
. bernilai
10.451 dengan nomor channel 71. Puncak
Half Maximum) pada channel 63 serta 80
channel
dengan besar cacah 2391. Dari data tersebut
cacah
dapat ditentukan resolusi detektor (R), adalah
selanjutnya,
secara bergantian dalam waktu
mempunyai puncak pada channel 71
detektor
percobaan
menggunakan bahan radioaktif
channel (2653) pada channel 21. Isotop
Resolusi
. Dengan backscatter pada
151 dan 177 dengan banyak masing-masing
Banyaknya cacah pada
kemampuan 6
3254
dan
2213.
, tidak terlalu
jauh dengan dengan
yang tidak digabung .
Pengkalibrasian dilakukan
pada
channel amplifier
mengkalibrasi
dengan
energinya (lampiran). sinar-γ
detekor 40.
Cara
mengkalikan Gambar 4.2 Peluruhan2
memancarkan
sebesar
Dari puncak energy (sinar-γ) yang
dan
dipancarkan oleh
. Masing-masing puncak dari berarti
cesium
memiliki
besar energy γ yang dipancarkan oleh barium,
55
didapat persamaan garis
proton. Salah satu isotop cesium, memiliki neutron,
dibuat
sebuah grafik (grafik 7) untuk menentukan
energy tersebut
82
dan
atau
55
+82
=
. Dari perhitungan (lampiran) besar
137
energy γ barium senilai
"nukleon". Isotop ini disebut 137Cs. Sebuah
Perbedaan
nukleus dari 137 Cs tidak stabil dan akhirnya
besar
. energy
γ
yang
akan meluruh ke inti energi yang lebih
dihasilkan dari percobaan dengan sumber
rendah, 137 Ba, yang memiliki 56 proton dan
yang tertera di kotak penyimpanan radioaktif,
81
β.
dikarenakan detektor sintilasi mempunyai
Namun elektron yang dipancarkan tidak
kekurangan dalam resolusinya, sehingga
dapat pergi jauh, karena diserap di dalam
tidak dapat memisahkan antar puncak radiasi
sampel atau di dinding detektor. Ada juga
yang berdekatan.
neutron
dengan
peluruhan
neutrino yang dipancarkan, yang bergerak 5. KESIMPULAN
menjauh dengan kecepatan cahaya dan
-
sangat tidak mungkin untuk berinteraksi
Cacah latar/ background counting
dengan apa pun. Dalam beberapa menit
merupakan
terjadi peluruhan menjadi inti barium ke
detektor tanpa ada bahan radioaktif.
keadaan dasar dengan memancarkan foton
Cacah
berenergi cukup tinggi (sinar-γ memiliki
mengurangi
energi 0,66 MeV). Energi sinar-γ senilai
detektor.
dengan perbedaan antara energi dari keadaan tereksitasi dan dasar
, dan hal ini
dipancarkan
oleh
cacahan
digunakan
dari untuk
cacah dari serapan
-
Pola distribusi bersifat random.
-
Resolusi spektroskopi sebesar 24% dengan radioaktif 137Cs
sesuai dengan percobaan dimana sinar-γ yang
latar
hasil
bernilai
2
.
http://felix.physics.sunysb.edu/~allen/313/radioactiv ity_lab.html
7
-
-
Besarnya energy gamma untuk
Metode
unsure
https://www.batan.go.id/ppin/lokakarya/L
.
Jakarta: Erlangga.
terletak
Haditjahyono, Hendriyanto. 2006. Prinsip
pada jumlah CT (cacah) hampir
Dasar
dua kalinya.
M.
Radiasi.
ning/Pengukuran_Radiasi/_private/prin Syamsa.
sip_dasar.pdf
2002.
http://felix.physics.sunysb.edu/~allen/313/ra
Pengembangan Spektrometer Sinar-
dioactivity_lab.html
Gamma Dengan Sistem Identifikasi Isotop
Pengukuran
http://www.batan.go.id/pusdiklat/elear
DAFTAR PUSTAKA Ardisasmita,
Tiruan.
Beiser, Arthur. 1999. Konsep Fisika Modern.
dengan
dan
Syaraf
KSTN_13/M%2520Syamsa2.pdf
Pengaruh variasi waktu pada pencacahan
Jaringan
Radioaktif
http://www4.nau.edu/microanalysis/Microprobe/i
Menggunakan
mg/PMtube.gif
LAMPIRAN 1. GRAFIK Grafik 1. Cacah Latar t=60s 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
240
260
Grafik 2. Cs-137, t=60s
71; 7866 8000 6000 CT 4000 2000 0 0
20
40
60
80
100
120
140 CH
8
160
180
200
220
Grafik 3. Co-60, t=60s 3500 152; 3123
3000 2500
178; 2159
2000 1500 1000 500 0 0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
Grafik 4. Cs-137 & Co-60, t=60s 71; 10451
10000 8000 6000 4000
151; 3254 177; 2213
2000 0 0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
180
200
220
240
260
180
200
220
240
260
Grafik 5. Ba-133, t=60s 10000
23; 9885
8000 6000 4000 2000 0 0
20
40
60
80
100
120
140
160
Grafik 6. Cs-137, t=120s 72; 15889
15000 10000 5000 0 0
20
40
60
80
100
120
9
140
160
Energi
Grafik 8. Cs 137 dan Co 60 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0
y = 9.3239x + 0.0012 R² = 1
0
50
100 CH
2. PERHITUNGAN Resolusi detektor
Puncak barium pada channel 23
10
150
200
