PERANCANGAN PEMANDU BERKAS NEUTRON HASIL REAKSI PROTON 30 MeV PADA TARGET BERILIUM SEBAGAI SUMBER NEUTRON PADA BORON NEUTRON CAPTURE THERAPY (BNCT) MENGGUNAKAN SOFTWARE MCNPX
Disusun oleh : Dian Novitasari M0212026
SKRIPSI
PROGRAM STUDI FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA April, 2016
PERANCANGAN PEMANDU BERKAS NEUTRON HASIL REAKSI PROTON 30 MeV PADA TARGET BERILIUM SEBAGAI SUMBER NEUTRON PADA BORON NEUTRON CAPTURE THERAPY (BNCT) MENGGUNAKAN SOFTWARE MCNPX
Disusun oleh : Dian Novitasari M0212026
SKRIPSI Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains
PROGRAM STUDI FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA April, 2016 i
ii
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa isi intelektual Skripsi saya yang berjudul “PERANCANGAN PEMANDU BERKAS NEUTRON HASIL REAKSI PROTON 30 MeV PADA TARGET BERILIUM SEBAGAI SUMBER NEUTRON PADA BORON NEUTRON CAPTURE THERAPY (BNCT) MENGGUNAKAN SOFTWARE MCNPX” adalah hasil kerja saya dan sepengetahuan saya hingga saat ini. Isi Skripsi tidak berisi materi yang telah dipublikasikan atau ditulis oleh orang lain atau materi yang telah diajukan untuk mendapatkan gelar kesarjanaan di Universitas Sebelas Maret atau di Perguruan Tinggi lainnya kecuali telah dituliskan di daftar pustaka Skripsi ini dan segala bentuk bantuan dari semua pihak telah ditulis di bagian ucapan terima kasih. Isi Skripsi ini boleh dirujuk atau diphotocopy secara bebas tanpa harus memberitahu penulis.
Surakarta, 30 Maret 2016
Dian Novitasari
iii
MOTTO “Dan segala sesuatu yang kamu lakukan dengan perkataan atau perbuatan, lakukanlah semuanya itu dalam nama Tuhan Yesus, sambil mengucap syukur oleh Dia kepada Allah, Bapa kita.” ~Kolose 3:17~ “Segala perkara dapat kutanggung di dalam Dia yang memberi kekuatan kepadaku” ~Filipi 4:13~ “If it doesn’t challenge you, it doesn’t change you. Do not give up, because the beginning is always the hardest” ~NN~ “Apabila bertambah banyak pikiran dalam batinku, penghiburanMu menyenangkan jiwaku.” ~Mazmur 94:19~ “Bersukacitalah dalam pengharapan, sabarlah dalam kesesakan, dan bertekunlah dalam doa!” ~Roma 12:12~ “Always pray to have eyes that see the best, a heart that forgives the worst, a mind that forgets the bad, and a soul that never loses faith” ~NN~
iv
HALAMAN PERSEMBAHAN
Dengan segala ucapan syukur kepada Tuhan Yesus, karya ini saya persembahkan kepada: 1. Mami Harti dan kakak Abel yang turut mendukung dalam doa dan semangat selama perkuliahan dari awal hingga akhir pembuatan tugas akhir ini. 2. Alm.Ibu Ariati Wiretno yang merupakan bulik kesayangan, yang berjuang melawan kanker selama 1 tahun lebih. Banyak kebaikan yang beliau berikan kepada saya terutama dalam bidang pendidikan. 3. Seluruh keluarga besar Sofiati dan Sularno yang memberikan doa dan semangat. 4. Pak Suharyana selaku pembimbing I sekaligus motivator favorit saya. 5. Bu Riyatun selaku pembimbing II yang telah memberikan banyak ilmu pengetahuan dengan sepenuh hati. 6. Pak Fajar selaku kepala Lab Komputasi Kimia yang telah memberikan akses dengan username pribadi dan memberikan keuntungan lebih fleksibel di dalam running program. 7. Oktaviana Erawati S,Si dan Dwi Wahyuningsih M,Si yang merupakan kakak pembimbing dan motivator selama pengerjaan skripsi saya. 8. Teman-teman seperjuangan saya diantaranya Dea, Umi, dan Asih yang selalu menemani baik suka maupun duka. Banyak kebaikan yang telah kalian berikan hingga saya bisa menjadi sekarang ini karena kesatuan hati, kebersamaan, dan kasih selalu ada diantara kita. 9. Yuda A.T.P 10. Olick, Buce, dan Ikhlas yang telah meluangkan waktu untuk berdiskusi bersama mengenai BNCT. 11. Keluarga besar Creativity of Physics 2012.
v
Perancangan Pemandu Berkas Neutron Hasil Reaksi Proton 30 MeV Pada Target Berilium Sebagai Sumber Neutron Pada Boron Neutron Capture Therapy (BNCT) Menggunakan Software MCNPX Dian Novitasari Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret ABSTRAK Telah dilakukan perancangan pemandu berkas neutron sebagai sumber neutron pada BNCT melalui reaksi proton 30 MeV dengan 9Be. Perancangan dibuat dengan simulasi komputer menggunakan software MCNPX. Penggunaan sistem BSA dan CA dalam pemandu berkas neutron supaya dihasilkan berkas neutron dan foton sesuai dengan parameter yang ditetapkan oleh IAEA untuk mendukung keperluan BNCT. Hasil penelitian menyatakan bahwa setelah diberi sistem BSA dan CA fluks neutron cepat menurun signifikan, selain itu terdapat tiga parameter yang sudah memenuhi kriteria IAEA yaitu, 𝐷̇ɣ ⁄𝛷𝑒𝑝𝑖𝑡𝑒𝑟𝑚𝑎𝑙 bernilai 8,82×10-14 Gy.cm2.n-1, 𝛷𝑡𝑒𝑟𝑚𝑎𝑙 ⁄𝛷𝑒𝑝𝑖𝑡𝑒𝑟𝑚𝑎𝑙 , bernilai 0,02 dan 𝐽⁄𝛷𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 bernilai 0,76. Kedua parameter yang belum sesuai dengan kriteria IAEA adalah, 𝛷𝑒𝑝𝑖𝑡𝑒𝑟𝑚𝑎𝑙 hanya bernilai 3,75×107 n.cm-2.s-1, 𝐷̇𝑓 ⁄𝛷𝑒𝑝𝑖𝑡𝑒𝑟𝑚𝑎𝑙 bernilai 2,15×10-12 Gy.cm2.n-1. Penelitian ini dilanjutkan dengan uji BNCT untuk kanker glioblastoma multiforme pada phantom ORNL-MIRD. Reaksi pada BNCT yaitu 10 B(n,α)7Li*, kemudian 7Li* meluruh memancarkan foton. Hasil menunjukkan bahwa laju dosis foton yang dihasilkan sebesar 1,03×10-5 Gy.s-1. Kata Kunci : BNCT, siklotron, pemandu berkas neutron, BSA, CA.
vi
Design of Beam Neutron Guide by Proton Reaction 30 MeV on Beryllium Target for Neutron Source in Boron Neutron Capture Therapy (BNCT) Using MCNPX Software Dian Novitasari Department of Physics, Faculty of Mathematics and Natural Science Sebelas Maret University ABSTRACT Design of neutron beam guide as BNCT’s neutron source has been done for proton reaction 30 MeV with 9Be. The design created by computer simulation and software named MCNPX. BSA and CA system in neutron beam guide lead to neutron beam and photon where all IAEA recommended criteria are met for BNCT treatment. The result showed that after using BSA and CA fast neutron flux decreased steadily, however three parameters are met IAEA recommended criteria 𝐷̇ɣ ⁄𝛷𝑒𝑝𝑖𝑡ℎ𝑒𝑟𝑚𝑎𝑙 is 8,82×10-14 Gy.cm2.n-1, 𝛷𝑡ℎ𝑒𝑟𝑚𝑎𝑙 ⁄𝛷𝑒𝑝𝑖𝑡ℎ𝑒𝑟𝑚𝑎𝑙 is 0,02 and 𝐽⁄𝛷𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 is 0,76. But, there are two parameters are not in accordance with IAEA recommended criteria including 𝛷𝑒𝑝𝑖𝑡ℎ𝑒𝑟𝑚𝑎𝑙 amount 3,75×107n.cm-2.s-1 and 𝐷̇𝑓 ⁄𝛷𝑒𝑝𝑖𝑡ℎ𝑒𝑟𝑚𝑎𝑙 amount 2,15×10-12 Gy.cm2.n-1. Then, this study continued to experiment BNCT treatment for glioblastoma multiforme cancer with ORNLMIRD phantom. BNCT utilizes the reaction 10B(n,α)7Li*, and 7Li* back to ground state with photon emitting. The result showed photon dose rate is 1,03×10-5 Gy.s-1. Key word : BNCT, cyclotron, neutron beam guide, BSA, CA.
vii
KATA PENGANTAR
Puji syukur kepada Tuhan yang Maha Esa, yang telah melimpahkan karunia dan kebaikanNya, sehingga penulis mampu untuk menyelesaikan Skripsi ini. Penulis mampu mempersembahkan karya ini bukan karena kuat gagah sendiri, melainkan karena Tuhan yang telah membantu dan menyertai penulis dari awal hingga akhir pembuatan skripsi ini. Penulis menyusun skripsi dengan judul “Perancangan Pemandu Berkas Neutron Hasil Reaksi Proton 30 MeV Pada Target Berilium Sebagai Sumber Neutron Pada Boron Neutron Capture Therapy (BNCT) Menggunakan Software MCNPX” dalam tujuan untuk mendapatkan gelar Sarjana Sains. Penulis mengucapkan terima kasih kepada berbagai pihak yang telah ikut membantu sehingga skripsi ini boleh terselesaikan dengan baik dan maksimal. Dengan penuh rasa hormat, penulis mengucapkan terima kasih kepada: 1. Drs. Suharyana M.Sc. selaku pembimbing I 2. Dra. Riyatun M.Si. selaku pembimbing II 3. Rekan-rekan dalam Radiasi dan Nuklir Grup Riset 4. Dwi Wahyuningsih M.Si Biarlah Tuhan yang selalu melimpahkan anugrahNya atas kebaikan Bapak/Ibu kepada penulis. Penulis memahami banyak kekurangan di dalam skripsi yang telah tersusun ini, alangkah baiknya jika ada yang berkenan untuk memberikan kritik maupun saran. Semoga karya ini boleh bermanfaat sebagai referensi penelitian selanjutnya. Surakarta, 30 Maret 2016
Dian Novitasari
viii
PUBLIKASI Sebagian skripsi saya yang berjudul “Perancangan Pemandu Berkas Neutron Hasil Reaksi Proton 30 MeV Pada Target Berilium Sebagai Sumber Neutron Pada Boron Neutron Capture Therapy (BNCT) Menggunakan Software MCNPX” telah dipublikasikan pada Repository FMIPA UNS.
ix
DAFTAR ISI
Halaman HALAMAN JUDUL ................................................................................... i HALAMAN PENGESAHAN ..................................................................... ii HALAMAN PERNYATAAN .................................................................... iii HALAMAN MOTTO ................................................................................ iv HALAMAN PERSEMBAHAN ................................................................. v HALAMAN ABSTRAK ............................................................................ vi HALAMAN ABSTRACT ......................................................................... vii KATA PENGANTAR .............................................................................. viii HALAMAN PUBLIKASI.......................................................................... ix DAFTAR ISI ................................................................................................ x DAFTAR GAMBAR ................................................................................ xii DAFTAR TABEL ................................................................................... xiv DAFTAR SIMBOL ................................................................................... xv DAFTAR LAMPIRAN .......................................................................... xvii BAB I. PENDAHULUAN ......................................................................... 1 1.1. Latar Belakang Masalah .......................................................... 1 1.2. Batasan Masalah....................................................................... 6 1.3 Perumusan Masalah . ............................................................... 6 1.4. Tujuan Penelitian ..................................................................... 7 1.5. Manfaat Penelitian ................................................................... 7 BAB II. TINJAUAN PUSTAKA .............................................................. 8 2.1. Kanker .................................................................................... 8 2.2. Terapi Kanker dengan BNCT ................................................. 8 2.3. Sumber Neutron Berbasis Siklotron ..................................... 11 2.4. Pemandu Berkas Neutron ..................................................... 13 2.4.1. Reflektor...................................................................... 13 2.4.2. Moderator .................................................................... 13 2.4.3. Filter ............................................................................ 14 2.5. Berkas Neutron dalam BNCT ............................................... 15 2.5.1. Penggunaan Neutron dalam BNCT............................. 15 2.5.2. Parameter Berkas Neutron oleh IAEA untuk BNCT .. 15 2.6. Interaksi Radiasi dalam BNCT ........................................... 17 2.6.1. Interaksi Neutron ......................................................... 17 2.6.2. Interaksi α.................................................................... 18 2.6.3. Interaksi Foton dengan Materi .................................... 19 2.7. Tampang Lintang Neutron ................................................... 20 2.8. Reaksi Utama dalam BNCT .................................................. 21 2.8.1. Reaksi Tangkapan Neutron Termal oleh 10B ............... 21 2.8.2. Reaksi Tangkapan Neutron oleh Unsur Penyusun Jaringan Tubuh ............................................ 21 2.9. Dosimetri ............................................................................... 22 x
2.10.Simulasi Monte Carlo .......................................................... 22 BAB III. METODE PENELITIAN ....................................................... 24 3.1. Tempat dan Waktu Penelitian ............................................. 24 3.2. Alat dan Bahan .................................................................... 24 3.3. Tahapan Penelitian ............................................................... 25 3.3.1. Tahap Pesiapan ........................................................... 26 3.3.2. Tahap Simulasi Reaksi Proton dengan 9Be .................. 30 3.3.3. Tahap Simulasi BSA dan CA....................................... 31 3.3.4. Tahap Validasi dengan Jurnal Acuan ........................... 31 3.3.5. Tahap Analisa Fluks Neutron Sistem BSA dan CA .... 33 3.3.6. Tahap Analisa Hasil Simulasi BSA dan CA terkait Parameter IAEA .......................... 33 3.3.7. Tahap perhitungan dosis foton pada sel sehat di sekitar kanker Glioblastoma Multiforme ................................... 34 3.3.8. Tahap Kesimpulan ...................................................... 36 BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ............................................... 37 4.1. Hasil Simulasi Reaksi Proton dengan 9Be ........................... 37 4.1.1. Pemilihan Energi Proton 30 MeV ................................ 37 4.1.2. Hasil Interaksi Proton dengan 9Be ............................... 39 4.2. Hasil Simulasi Sistem BSA dan CA ................................... 40 4.3. Validasi Hasil Simulasi ........................................................ 44 4.4. Analisa Fluks Neutron Sistem BSA ..................................... 45 4.4.1. Penambahan Reflektor Pb ............................................ 45 4.4.2. Penambahan Filter Neutron Cepat Fe .......................... 46 4.4.3. Penambahan Moderator CaF2 ...................................... 49 4.4.4. Penambahan Filter Neutron Termal ............................. 50 4.5. Analisa Fluks Neutron Sistem CA ....................................... 51 4.6. Hasil Simulasi BSA dan CA Terkait Parameter IAEA ........ 53 4.7. Hasil Simulasi BNCT pada Kanker Glioblastoma Mutiforme ..................................................... 55 BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN ................................................. 60 5.1. Kesimpulan ........................................................................... 60 5.1. Saran ...................................................................................... 61 DAFTAR PUSTAKA ............................................................................... 62 LAMPIRAN ...................................................................................... 67
xi
DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1. Reaksi BNCT dalam Sel Tubuh ............................................ 10 Gambar 2.2. Perbandingan Spektrum Neutron Epitermal antara Siklotron dengan KURR ............................................. 12 Gambar 3.1. Diagram Alur Tahap dalam Penelitian ................................... 26 Gambar 3.2. Tahap Persiapan ..................................................................... 27 Gambar 3.3. Hasil Simulasi Sistem BSA dan CA ...................................... 28 Gambar 3.4. Flowchart Penelitian Tahap Simulasi Reaksi Proton dengan 9Be ...................................................... 31 Gambar 3.5. Flowchart Penelitian Tahap Validasi dengan Jurnal Acuan ................................................ 32 Gambar 3.6. Tahap Perhitungan Laju Dosis Foton pada BNCT ................ 35 Gambar 4.1. Fluks Proton yang Mengenai Target 9Be ............................... 38 Gambar 4.2. Fluks Neutron sebagai Fungsi Energi Neutron ...................... 39 Gambar 4.3.a. Desain 3 Dimensi BSA dan CA Hasil Penelitian ................ 41 Gambar 4.3.b. Desain 2 Dimensi BSA dan CA Hasil Penelitian ................ 42 𝐷̇
𝑓 Gambar 4.4. Rasio 𝛷𝑒𝑝𝑖𝑡𝑒𝑟𝑚𝑎𝑙 dengan Filter 208Pb ...................................... 44
Gambar 4.5. Fluks Neutron Cepat (a) dan Laju Dosis Neutron Cepat (b) sebagai Fungsi Ketebalan Filter ............................................. 47 Gambar 4.6. Distribusi Fluks Neutron sebagai Fungsi Energi dengan Penambahan Fe sebagai Filter Neutron Cepat ........... 49 Gambar 4.7. Distribusi Fluks Neutron sebagai Fungsi Energi dengan Penambahan CaF2 sebagai Moderator ....................... 50 Gambar 4.8. Distribusi Fluks Neutron sebagai Fungsi Energi dengan Penambahan Filter Neutron Termal .......................... 51 Gambar 4.9. Distribusi Fluks Neutron Setelah Melewati Sistem BSA dan CA ............................................... 52 Gambar 4.10. Hasil Perbandingan Tanpa dan Memakai Sistem BSA & CA ................................................. 53 Gambar 4.11. Phantom Kepala untuk Perhitungan Dosis Foton ............................................................................ 56 Gambar 4.12. Hasil Simulasi Terapi BNCT pada Glioblastoma Multiforme .............................................. 56 Gambar 4.13. Laju Dosis Foton pada Bagian Kepala ................................. 58 Gambar L.3.1. Grafik Tampang Lintang Reaksi 9Be(p,2n+p)7Be .............. 78 Gambar L.3.2. Grafik Tampang Lintang Reaksi 9Be(p,n)9B ...................... 78 Gambar L.3.3. Tampang Lintang Hamburan Elastis (a) dan Serapan (b) Neutron pada Reflektor .................................. 79 Gambar L.3.4. Tampang Lintang Serapan Neutron 56Fe dan 208 Pb sebagai Filter Neutron Cepat ....................................... 79 xii
Gambar L.3.5. Tampang Lintang Hamburan Non-Elastis pada Material 56Fe ............................................................... 80 Gambar L.3.6. Tampang Lintang Hamburan Non-Elastik pada 40Ca ............................................................................. 80 Gambar L.3.7. Tampang Lintang Hamburan Non-Elastik pada 19F ........... 81 Gambar L.3.8. Tampang Lintang Serapan Neutron pada 7Li, Cd dan 19F sebagai Filter Neutron Termal ................................. 81
xiii
DAFTAR TABEL Halaman Tabel 2.1. Parameter Berkas Neutron oleh IAEA untuk BNCT ................. 16 Tabel 2.2. Tampang Lintang Tangkapan Neutron ...................................... 21 Tabel 2.3. Jenis Tally Perhitungan dalam MCNP ....................................... 23 Tabel 3.1. Data Spesifikasi Akeselerator Siklotron .................................... 27 Tabel 3.2. Data Material BSA dan CA ....................................................... 28 Tabel 3.3. Ukuran Material BSA dalam Penelitian..................................... 29 Tabel 3.4. Ukuran CA dalam Penelitian ..................................................... 29 Tabel 4.1. Hasil Fluks Neutron dari Reaksi Proton dan 9Be ....................... 39 Tabel 4.2. Hasil Laju Dosis dari Reaksi Proton dan 9Be ............................ 40 Tabel 4.3. Keterangan dari Bagian BSA dan CA........................................ 43 Tabel 4.4. Hasil Keluaran Sistem BSA dan CA Terkait Parameter IAEA ............................................................ 54 Tabel 4.5. Fluks Neutron di Sel Kanker ...................................................... 57 Tabel 4.6. Laju Dosis Foton dan Dosis Foton ............................................. 58 Tabel L.1.1. Data Material Sistem BSA dan CA ........................................ 68 Tabel L.4.1. Rasio Laju Dosis Neutron Cepat dengan Fluks Epitermal pada Ujung Aperture Filter 208Pb .................... 82
xiv
DAFTAR SIMBOL
Lambang
Definisi
60
Co Cs 192 Ir 125 I 103 Pd 157 Gd 10 B 7 Li 7 * Li 16 O 12 C 1 H 2 H 14 N 11 B 11 * B 4 He ɣ α 9 Be CaF2 Bi Pb Fe LiF Cd
Cobalt-60 Cesium-137 Iridium-192 Iodine-125 Palladium-103 Gadolinium-157 Boron-10 Lithium-7 Lithium-7 tereksitasi Oxygen-16 Carbon-12 Hydrogen-1 Hydrogen-2 Nytrogen-14 Boron-11 Boron-11 tereksitasi Helium-4 Gamma Alpha Berrilium-9 Calcium fluoride Bismuth-209 Timbal Besi Lithium fluoride Cadmium
Lambang
Kuantitas
Satuan
𝛷𝑡𝑒𝑟𝑚𝑎𝑙 𝛷𝑒𝑝𝑖𝑡𝑒𝑟𝑚𝑎𝑙 𝐷̇𝑓 𝐷̇ɣ J D 𝐷̇ dE dm t
Fluks neutron termal Fluks neutron epitermal Laju dosis neutron cepat Laju dosis foton Arus neutron pada permukaan Dosis serap Laju dosis serap Energi rata-rata Massa Waktu
n.cm-2.s-1 n.cm-2.s-1 Gy.s-1 Gy.s-1 n.cm-2.s-1 Gy Gy.s-1 Joule kg detik
137
xv
I Q fm neutron A fm foton V r ρ
Arus Muatan faktor pengali neutron Luas faktor pengali foton volume jari-jari massa jenis
BNCT MCNPX LET KURRI KURR HM-30 BSA CA IAEA ORNL-MIRD
Boron Neutron Capture Therapy Monte Carlo N-Particle X Linear Energy Transfer Kyoto University Research Reactor Institute Kyoto University Research Reactor Hydrogen Minus-30 Beam Shaping Assembly Collimator Assembly International Atomic Energy Agency Oak Ridge National Laboratory-Medical Internal Radiation Dose
xvi
Ampere Coulomb n/s cm2 foton/s cm3 cm g/cc
DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1. Data Material ......................................................................... 68 Lampiran 2. Scribd Phantom ORNL-MIRD dengan 10B Dalam kanker Glioblastoma ................................................... 69 Lampiran 3. Data Tampang Lintang ........................................................... 78 Lampiran 4. Data Validasi dengan Jurnal Acuan ....................................... 82 Lampiran 5. Scribd sistem BSA dan CA .................................................... 83
xvii
