SEMINAR NASIONAL VI SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 18 NOVEMBER 2010 ISSN 1978-0176
EVALUASI FLUKS NEUTRON TERMAL DI FASILITAS SILIKON DOPING RSG G.A. SIWABESSY Jaka Iman1, Asnul Sufmawan2, Kawkab Mustofa3 Pusat Reaktor Serba Guna – BATAN Kawasan Puspiptek Gd. 31, Serpong, Tangerang 15310
Abstrak EVALUASI FLUKS NEUTRON TERMAL DI FASILITAS SILIKON DOPING RSG G.A. SIWABESSY. Evaluasi fluks neutron di fasilitas silikon doping RSG-GAS telah dilakukan dengan metode aktivasi keping. Dalam pengukuran distribusi fluks neutron termal menggunakan keping cobalt-60 sebanyak 8 buah dengan jarak yang sama yang diletakkan di pinggir. Hasil pengukuran fluks neutron termal rerata dipinggir kapsul sebesar 1,56E11 n/cm2.s. Pengukuran dilakukan pada daya reaktor 2 MW. Dengan demikian dapat dikatakan bahwa distribusi fluks neutron termal di fasilitas silikon doping RSG-GAS cukup merata dengan perbedaan kurang dari 5%. Kata kunci : silikon doping, aktivasi, fluks neutron, keping, termal
Abstract THERMAL NEUTRON FLUX EVALUATION AT SILICON DOPING FACILITY OF THE RSG G.A. SIWABESSY. Evaluation of the neutron flux at the silicon doping facility RSG-GAS has been done with the foil activation method. In the measurement of thermal neutron flux distribution using as many as 8 cobalt-60 foils with the same placed in the side of the capsule. Results of measurement of thermal neutron flux average of 1.56E11 n/cm2.s in the side of the capsule. The measurement was done at the 2 MW power of reactor. Thus it can be said that the thermal neutron flux distribution in the silicon doping facility RSGGAS fairly evenly with a difference of less than 5%. Keyword : silicon doping, activation, neutron flux, foil, thermal
PENDAHULUAN Dalam penelitian “penyisipan” (doping) kristal silikon oleh pengotor inti fosfor dari hasil dari transmutasi inti silikon yang menangkap sebuah neutron termal, diperlukan data fluks neutron termal untuk seluruh energi neutron di fasilitas tempat proses silikon doping tersebut terjadi. Untuk memperoleh hasil penelitian yang baik diperlukan data fluks neutron yang akurat. Cukup banyak metode pengukuran fluks neutron yang telah dikembangkan, salah satunya adalah metode aktivasi neutron. Prinsip dari metode tersebut cukup sederhana yaitu dengan mengaktifkan suatu material (foil) yang telah diketahui kadar dan karakteristiknya bila bereaksi dengan neutron, Jaka Iman,dkk
795
kemudian material (foil) tersebut diukur aktivitasnya dengan sistem peralatan spektrometri gamma. Pada makalah ini dibahas secara garis besar proses pengaktifan keping, pengukuran aktivitas keping serta penentuan fluks neutron di fasilitas doping silikon RSG-GAS. Fluks neutron termal ditentukan dari hasil pengukuran aktivitas jenuh per inti dari keping yang telah diiradiasi. Untuk memperoleh hasil penentuan fluks neutron yang akurat hendaknya digunakan spektrum awal yang berasal dari perhitungan teoritis yang mendekati kondisi teras yang sebenarnya. TEORI Berdasarkan metode aktivasi keping, pengukuran STTN-BATAN & Fak. Saintek UIN SUKA
SEMINAR NASIONAL VI SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 18 NOVEMBER 2010 ISSN 1978-0176 fluks neutron ditentukan dari hasil pengukuran aktivitas keping yang telah diiradiasi selama waktu tertentu. Besarnya aktivitas keping sebanding besarnya fluks neutron dan lamanya iradiasi. Semakin besar fluks neutron dan semakin lama keping aktivasi diiradiasi maka semakin besar aktivitas keping tersebut. Karena besarnya aktivitas keping dapat diukur dengan suatu peralatan sistem spektrometri gamma, maka besarnya fluks neutron dapat ditentukan berdasarkan hasil pengukuran aktivitas keping. Rangkaian peralatan sistem spektrometri gamma dapat dilihat pada Gambar 1.
RSG G.A. Siwabessy dengan fasilitas pendukung diperlihatkan pada Gambar 2 dan kapsul doping silikon dapat dilihat pada Gambar 3. S6 NR
K J H G F E D
S5
NTD
P R T F
B
B
IP P
IP
C B
CIP
IP
H H H
IP
H B
A
10 9 S4
12 3 8 7 6 5 4 3 2 1
BERYLLI UM BL OCK REFLECTOR
S1
S3 S2
Gambar 2. Konfigurasi Teras RSG G.A Siwabessy dengan Fasilitas Pendukung
Gambar 1. Rangkaian Peralatan Sistem Spektrometri Gamma
Bila suatu keping aktivasi diiradiasi di dalam medan fluks neutron yang berenergi beraneka ragam dari neutron termal, maka aktivitas yang timbul pada keping disebabkan oleh semua jenis neutron tersebut. Dalam hal ini penentuan fluks neutron menjadi agak sulit. Maka untuk mengukur fluks neutron termal digunakan keping cobalt-60. Berdasarkan hasil pengukuran aktivitas keping cobalt-60 yang digunakan, besarnya fluks neutron termal ditentukan dengan persamaan
BA. A(t) .e
φ=
m. N o .σ th (1 e dengan BA = A(t) = = td = tm = ti = m = No = σth =
λ .t d
λ .ti
Gambar 3. Kapsul Doping Silikon
.t m
).( 1 e
λ .t m
(1)
)
berat atom detektor keping aktivitas terukur keping tetapan peluruhan isotop yang timbul (s-1) waktu peluruhan waktu pengukuran waktu iradiasi massa keping bilangan Avogadro tampang lintang inti keping terhadap neutron termal
METODE Pengukuran fluks neutron dilakukan di dalam fasilitas silikon doping RSG-GAS. Konfigurasi teras STTN-BATAN & Fak. Saintek UIN SUKA
796
Pengukuran fluks neutron termal menggunakan keping cobalt-60 dengan data geometri dan massa yang tertera pada Tabel 1. Keping cobalt-60 tersebut disisipkan di pemegang keping (foil holder) aluminium sebanyak 8 (delapan) buah keping dan diletakkan dibagian samping stringer kapsul dimana kristal silikon akan di-dop. Karena fasilitas tersebut dilengkapi dengan alat pemutar kapsul, maka untuk posisi bagian tengah dapat dianggap paparan fluks neutronnya merata. Langkah-langkah dalam proses iradiasi keping dimulai dari mengidentifikasi keping-keping dan meletakkannya di dalam pemegang keping aluminium yang kemudian dimasukkan di samping stringer kapsul dan selanjutnya stringer kapsul tersebut dimasukkan ke dalam fasilitas iradiasi silikon doping. Setelah pemasukan kapsul pada tempatnya, reaktor dioperasikan pada daya 2 MW dan dibiarkan daya stabil selama 20 menit. Setelah Jaka Iman
SEMINAR NASIONAL VI SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 18 NOVEMBER 2010 ISSN 1978-0176 itu reaktor dimatikan dan kapsul dikeluarkan dari tempatnya setelah menunggu beberapa jam (sesuai ketentuan). Keping-keping cobalt-60 yang telah diiradiasi dikeluarkan dari kapsul kemudian diukur paparannya. Peralatan yang digunakan dalam pengukuran aktivitas keping-keping tersebut adalah detektor germanium yang berkemurnian tinggi (HPGe) dan sistem analisator saluran banyak (sistem MCA)
dengan perangkat lunak Gamma Trac. Karena metoda pengukuran aktivitas keping ini dengan metode relatif, maka digunakan beberapa isotop sumber standar untuk mengkalibrasi sistem peralatan pencacahan radiasi gamma. Setelah sistem peralatan pencacahan tersebut dikalibrasi, maka pencacahan keping yang telah diiradiasi dilakukan satu per satu dan ditentukan aktivitas jenuh per intinya.
Tabel 1. Data Geometri dan Massa Keping
No. 1 2 3 4 5 6 7 8
Jenis Keping Co-60 Co-60 Co-60 Co-60 Co-60 Co-60 Co-60 Co-60
Tebal (mm) 0,127 0,127 0,127 0,127 0,127 0,127 0,127 0,127
Diameter (mm) 12,7 12,7 12,7 12,7 12,7 12,7 12,7 12,7
Besarnya fluks neutron termal dapat ditentukan secara langsung dengan menggunakan rumusan Persamaan (1). HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil pengukuran distribusi fluks neutron termal dapat dilihat pada Tabel 2 dan kurva fluks neutron di fasilitas doping silikon RSG G.A. Siwabessy digambarkan pada Gambar 4. Tabel dan gambar tersebut menunjukkan bahwa fluks neutron termal rerata sebesar 1,56E+11 n/cm2s. Dengan hasil fluks neutron termal dapat dikatakan bahwa distribusi fluks neutron di fasilitas doping silikon cukup merata. Kemerataan fluks neutron ini sangat menentukan kemerataan doping kristal silikon sehingga akan diperoleh kualitas semikonduktor
Massa (gram) 0,0642 0,0625 0,0613 0,0627 0,0643 0,0649 0,0628 0,0644
Kemurnian (%) 99,9998 99,9998 99,9998 99,9998 99,9998 99,9998 99,9998 99,9998
silikon yang merata resistansinya. Tabel 2. Aktivitas dan Fluks Neutron Termal di Fasilitas Silikon Doping RSG-GAS
Posisi aksial (mm) 12,5 87,5 162,5 237,5 312,5 387,5 462,5 537,5
Aktivitas (Bq/gr) 5,23E+05 3,44E+06 6,24E+05 3,09E+06 5,38E+05 2,97E+06 3,83E+05 2,50E+06
Fluks Neutron (n/cm2.s) 2,76E+10 1,81E+11 3,29E+10 1,63E+11 2,84E+10 1,57E+11 2,02E+10 1,32E+11
Gambar 4. Kurva Fluks Neutron Termal di Fasilitas Doping Silikon RSG G.A. Siwabessy
Jaka Iman,dkk
797
STTN-BATAN & Fak. Saintek UIN SUKA
SEMINAR NASIONAL VI SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 18 NOVEMBER 2010 ISSN 1978-0176 Tahapan-tahapan pengukuran fluks neutron termal dapat dilihat pada diagram alir Gambar 5.
Sample quantity Sample acquisiton at 2009 Sample preparation at 1987 (692334900 sec) Sample irradiation at 1987 (18000 sec)
: 0.000 (u) : 8:30:24 am May 26, : 12:00:00 pm Aug 01, : 7:00:00 am Aug 01,
Spectrum data Spectrum live time Spectrum real time Preset real time Number of channels
: 1829 (sec) : 1728 (sec) : 1000000 (sec) : 8192
Calibration data Energy = 59.242 + 0.37093*chn + 1.8563e07*chn^2 Fwhm = 1.0992 + 0.00064238*E - 2.5273e08*E^2 (calibration file: KALDP67.cal, detector: KALDP67) Eff. = 1 / { 2.2067*E^(0.93764) } (efficiency file: KALDP67.eff) Peak search parameters parameters file name : kaldp67.par peak search sensitivity : 5.0 peak insertion sensitivity: 2.0 number of insertion passes : 10 start energy for search : beginning of spectrum stop energy for search : end of spectrum no. of background channels: 3
Gambar 5. Skema Diagram Alir Pengukuran Fluks Neutron Termal.
Dari kalibrasi energi dan kalibrasi diperoleh hasil sebagai berikut:
background peak subtraction is OFF
efisiensi Peak search table14 Number of peaks:
Oxford Instruments, Nuclear Measurements Group. GammaTrac
=================================== Peak Energy no. (keV)
FWHM (keV)
Net rate error (cps) (%)
Net area (counts)
Background multi (cnts/chan) -plet
===================================
FULL OUTPUT REPORT
1 75.083 1.147 2 79.523 1.150 3 80.973 1.151 4 160.681 1.202 5 223.277 1.242 6 276.398 1.275 7 302.841 1.292 8 355.972 1.325 9 383.790 1.343 10 660.938 1.514 11 661.552 1.514 12 662.462 1.515 13 1173.322 1.821 14 1332.746 1.914
Time and date of report: Jun 10, 2009 10:04:25 am. File data file : c:\gt\doping67\kaldp67.spm description: Ba,Cs,Co Sample data
0.3291 10.8403 158.3237 3.4215 1.6802 21.1722 47.8507 133.1247 17.4396 8.1925 228.2847 1.9960 14.0601 12.3621
60.9 1.4 0.3 6.4 10.2 0.9 0.5 0.2 0.9 62.8 2.4 83.9 0.7 0.7
602 19827 289574 6258 3073 38724 87519 243485 31897 14984 417533 3651 25716 22610
5955.3 4770.0 4770.0 4255.5 3084.0 2216.8 2035.7 1790.0 1644.8 495.2 495.2 495.2 64.0 20.2
a1 a2
b1 b2 b3
==================================================
STTN-BATAN & Fak. Saintek UIN SUKA
798
Jaka Iman
SEMINAR NASIONAL VI SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 18 NOVEMBER 2010 ISSN 1978-0176 =================================== Isotope Average error Decay Energy Activity Notes name activity (%) factor (keV) for peak =================================================
Library search parameters parameters file name : kaldp67.par Isotope library : NUCLIB.til Match tolerance : 3.50 (keV) Gamma fraction tolerance: 0.40 Decay tolerance : 20.00
Matched peaks table
Ti-44
2.05e+03
38.5
Co-60
4.2e+05
0.7
2.36e-01 355.86 81.01 302.71 383.70 276.29 79.59
4.93e+05 intrf a: 1/2 2.78e+05 interf.pk. ident 5.27e+05 ident
Cs-137 4.35e+05
6.03e-01 661.62
4.35e+05
a
==================================== 602 486 486 465 445 533 400 195 95 57
ident
Pm-145 Ti-44, Ba-133 Ba-133 Ba-133 Ba-133, Pa-231 Ba-133 Ba-133 Cs-137 Co-60 Co-60
intrf mda share
Net UnCritical Net counts certainty level gamma/sec
FULL OUTPUT REPORT
==================================== 6258 3073 14984 3651
399 315 9415 3062
: m/n this indicates that the isotope is the m'th member of interference set 'a' which contains 'n' members; : isotope identified only, no activity calculation performed; : activity calculation is the least squares solution of an interference set; : no peaks have been matched but the isotope is included in order to calculate the minimum detectable activity; : the interference set cannot be solved so the areas of peaks which interfere are shared between each isotope.
Oxford Instruments, Nuclear Measurements Group. GammaTrac
====================================
160.681 223.277 660.938 662.462
ident
Dari hasil pencacahan keping-keping Co-60 diperoleh hasil sebagai berikut :
Unmatched peaks table
4 5 10 12
72.40 < 8.73e+03
Total activity from 5 identified isotopes : 1.43e+06 Bq/gr Total emission from 4 unidentified peaks: 1.14e+04 counts/sec
====================================
Peak Energy no. (keV)
2.5
Explanation of notes:
Peak Energy Net UnCritical Matched no. (keV) counts certainty level isotopes 367 275 768 344 401 590 302 9813 171 154
5.59e-02 1332.51 4.15e+05 1173.23 4.2e+05
====================================
====================================
602 19827 289574 38724 87519 243485 31897 417533 25716 22610
78.38 2.05e+03
Ba-133 4.44e+05 12.3
Pm-145 4.24e-01
1 75.083 2 79.523 3 80.973 6 276.398 7 302.841 8 355.972 9 383.790 11 661.552 13 1173.322 14 1332.746
7.25e-01
644 510 195 195
Time and date of report: Jun 10, 2009 2:12:52 pm
3.422e+00 1.680e+00 8.192e+00 1.996e+00
File data
==================================== file : c:\gt\doping67\bco-2.spm description : BCO-2 Isotope activities table units: Bq/GR
Sample data Sample quantity : 0.062 (GR) Sample acquisiton at : 10:35:55 am May 26, 2009. Sample preparation at : 4:20:00 pm May 15, 2009 ( 929755 sec). Sample irradiation at : 4:00:00 pm May 15, 2009 (1200 sec).
(% error is at the 1.0 sigma value) Systematic calibration error: 0.0 % Activities are corrected for isotope decay
Spectrum data Spectrum live time Spectrum real time
Jaka Iman,dkk
799
: 1800 (sec) : 1816 (sec)
STTN-BATAN & Fak. Saintek UIN SUKA
SEMINAR NASIONAL VI SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 18 NOVEMBER 2010 ISSN 1978-0176 Peak Energy no. (keV)
Preset live time : 1800 (sec) Number of channels : 8192
Net Uncounts certainty
Critical level
Matched isotopes
==================================== 3 1173.404 4 1332.900 6 1461.224
Calibration data
32698 28733 14
208 177 15
170 85 25
Co-60 Co-60 K-40
==================================== Energy = 61.126 + 0.37133*chn + 2.0991e07*chn^2 Fwhm = 1.0022 + 0.00072382*E - 1.0244e07*E^2 (calibration file: KALDP67.cal, detector: KALDP67) Eff. = 1 / { 6.6187*E^(1.0584) } (efficiency file: KALDP67.eff)
Unmatched peaks table ==================================== Peak Energy no. (keV)
Net Uncounts certainty
Critical level
Net gamma /sec.
==================================== 1 2 5 7 8
310.439 815.083 1412.047 1779.671 2509.676
132 112 7 32 29
118 101 11 10 10
192 166 17 13 14
7.361e-02 6.222e-02 3.889e-03 1.806e-02 1.611e-02
Peak search parameters ================================== parameters file name : kaldp67.par peak search sensitivity : 3.0 peak insertion sensitivity : 3.0 number of insertion passes : 0
Matched isotopes table Number of matched isotopes: 2 ====================================
start energy for search : beginning of spectrum stop energy for search : end of spectrum no. of background channels: 1
Isotope Half-life name
background peak subtraction is OFF
Co-60
Energy (keV)
Intensity Use Pk. Efficiency Area (%) (+/-) no.value err(%) share
==================================== K-40 1.28e+09 yrs 1460.750 10.67
(0.11) quant 6 6.75e-05 2.6
5.27 yrs 1332.510 99.98 (0.00) quant 4 7.44e-05 4.4 1173.230 99.86 (0.00) quant 3 8.52e-05 7.0
==================================== Peak search table
Isotope activities table units: Bq/Gr
Number of peaks: 8 ==================================== Peak Energy no. (keV)
FWHM (keV)
Net rate (cps)
(% error is at the 1.0 sigma value) Systematic calibration error: 0.0 % Activities are corrected for isotope decay ===================================
error Net area Background multi (%) (counts) (cnts/chan) -plet
==================================== 1 2 3 4 5 6 7 8
310.439 815.083 1173.404 1332.900 1412.047 1461.224 1779.671 2509.676
1.218 1.526 1.714 1.789 1.825 1.846 1.972 2.183
0.0736 88.7 0.0622 90.5 18.1656 0.6 15.9628 0.6 0.0039 155.8 0.0078 110.2 0.0181 30.2 0.0161 34.7
132 112 32698 28733 7 14 32 29
191.5 142.0 74.5 18.5 1.0 2.0 0.5 0.5
Isotope Average error Decay Energy Activity Notes name activity (%) factor (keV) for peak ================================================= K-40
1.00e+00 1460.75 < 4.86e+04 ident
Co-60 3.44e+06
9.96e-01 1332.51 3.44e+06 1173.23 3.43e+06 ================================================== Explanation of notes:
=================================== Library search parameters
a
parameters file name : kaldp67.par Isotope library : nuclib.til Match tolerance : 0.70 (keV) Gamma fraction tolerance: 0.20 Decay tolerance : 0.20
ident intrf mda share
Matched peaks table
3.8
: m/n this indicates that the isotope is the m'th member of interference set 'a' which contains 'n' members; : isotope identified only, no activity calculation performed; : activity calculation is the least squares solution of an interference set; : no peaks have been matched but the isotope is included in order to calculate the minimum detectable activity; : the interference set cannot be solved so the areas of peaks which interfere are shared between each isotope.
Total activity from 1 identified isotopes: 3.44e+06 Bq/GR Total emission from 5 unidentified peaks: 1.52e+03 counts/sec
==================================== STTN-BATAN & Fak. Saintek UIN SUKA
800
Jaka Iman
SEMINAR NASIONAL VI SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 18 NOVEMBER 2010 ISSN 1978-0176 KESIMPULAN Dari hasil pengukuran fluks neutron termal di fasilitas silikon doping di atas dapat disimpulkan bahwa posisi iradiasi pada jarak aksial terbawah (87,5 mm) mempunyai fluks neutron lebih besar yaitu 1,81E+11 n/cm2.s., dibandingkan pada jarak aksial teratas (537,5 mm) yaitu 1,32E+11 karena posisi keping terbawah mendapat interaksi neutron lebih besar.. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 4. Untuk mendapatkan hasil yang baik dalam proses reaksi doping silikon neutron termal dengan penyerapan di posisi teras terbawah. UCAPAN TERIMA KASIH Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih banyak kepada semua pihak baik langsung maupun tidak langsung atas terselesaikannya makalah ini. Ucapan terima kasih tersebut terutama disampaikan kepada Ka.Sub.Bid. Perencanaan Operasi dan staf, para staf operator dan supervisor reaktor Sub.Bid. Pelaksanan Operasi, dan staf Sub.Bid. Pelayanan Iradiasi dalam pengukuran fluks neutron termal di fasilitas doping silikon. DAFTAR PUSTAKA 1.
2.
3.
4.
AMIR HAMZAH, Pengukuran fluks dan spektrum neutron di fasilitas silikon doping RSG-GAS, (Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamatan PLTN Serta Fasilitas Nuklir IV, Serpong, 10 – 11 Desember 1996). AMIR HAMZAH dkk, Pengukuran distribusi fluks neutron di RSG-GAS, Laporan Penelitian Pusat Reaktor Serba Guna-BATAN, Serpong, Tahun 1996/1997. SUWOTO dkk, Evaluasi fluks neutron thermal dan epithermal di fasilitas iradiasi rabbit sistem, Prosiding Hasil Penelitian Pusat Pengembangan Teknologi Reaktor RisetBATAN, Serpong (2005). WISNU SUSETYO, Spektrometer gamma dan penerapannya dalam analisis pengaktifan neutron, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta, 1996.
TANYA JAWAB Pertanyaan 1. Bentuk keping kawat atau tail? (tegas Sutondo) Jawaban: 1. Keping yang digunakan. Keping Co-59 dengan diameter 12,7 mm.
Jaka Iman,dkk
801
STTN-BATAN & Fak. Saintek UIN SUKA
SEMINAR NASIONAL VI SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 18 NOVEMBER 2010 ISSN 1978-0176
STTN-BATAN & Fak. Saintek UIN SUKA
802
Jaka Iman
