Jurnal Radioisotop dan Radiofarmaka Journal of Radioisotope and Radiopharmaceuticals Vol 10, Oktober 2007
ISSN 1410-8542
PERHITUNGAN PEMBUATAN KADMIUM-109 UNTUK SUMBER RADIASI XRF MENGGUNAKAN TARGET KADMIUM ALAM Rohadi Awaludin Pusat Radioisotop dan Radiofarmaka (PRR), BATAN Kawasan Puspiptek, Tangerang, Banten
ABSTRAK PERHITUNGAN PEMBUATAN KADMIUM-109 UNTUK SUMBER RADIASI XRF MENGGUNAKAN TARGET KADMIUM ALAM. Radioisotop kadmium-109 merupakan salah satu sumber radiasi yang digunakan pada X-ray fluorescence (XRF). Untuk itu telah dilakukan kajian produksi sumber radiasi kadmium-109 untuk XRF melalui aktivasi neutron dengan sasaran kadmium alam di Central Irradiation Position (CIP) reaktor G.A. Siwabessy. Pada perhitungan ini digunakan target kadmium alam berbentuk pelet dengan diameter 2,8 mm dan panjang 2,8 mm. Hasil kajian menunjukkan bahwa 109Cd dengan radioaktivitas 17,53 MBq dapat dihasilkan pada saat end of irradiation (EOI) dengan waktu iradiasi selama 12 hari. Radioisotop lain yang turut dihasilkan dalam iradiasi ini berupa 107Cd, 115mCd, 115Cd, 117mCd dan 117Cd dengan radioaktivitas saat EOI masing-masing sebesar 1257 MBq, 177 MBq, 8451MBq, 376 MBq dan 188 MBq. Setelah beberapa bulan, radioisotop pengotor yang masih menyisa adalah 115mCd. Untuk mendapatkan radioaktivitas 109Cd dengan kemurnian radionuklida 99,0% diperlukan waktu peluruhan selama 16,4 bulan. Radioaktivitas 109Cd sebesar 8,38 MBq setelah peluruhan 16,4 bulan dari saat akhir iradiasi. Untuk mendapatkan kemurnian radionuklida 99,9% diperlukan waktu peluruhan selama 21,9 bulan. Radioaktivitas 109Cd sebesar 6,58 MBq setelah waktu peluruhan tersebut. Kata kunci: kadmium-109, kadmium alam, aktivasi neutron
ABSTRACT CALCULATION OF CADMIUM-109 PRODUCTION FOR XRF RADIATION SOURCE USING NATURAL CADMIUM TARGET. Cadmium-109 is used as radiation source in the X-ray fluorescence (XRF). A studi on production of the source by neutron activation at G.A. Siwabessy Reactor using natural cadmium has been carried out. A natural cadmium pelet with diameter 2,8 mm and length 2,8 mm was used in the calculation. Calculation results showed that 109 Cd with radioactivity 17.53 MBq was obtained at the end of irradiation (EOI) for 12 days of irradiation. Radioisotopes of 107Cd, 115mCd, 115Cd, 117mCd dan 117Cd were produced in the iradiation with radioactivity 1257 MBq, 177 MBq, 8451 MBq, 376 MBq and 188 MBq respectively. After several months, radioisotope of 115mCd still remained in the irradiated cadmium. For obtaining radioactivity of 109Cd higher than 99.0%, the irradiated cadmium should be decayed for 16,4 months. Radioactivity of 109Cd was 8.38 MBq after 16.4 months of decay. For obtaining 109Cd higher than 99.9%, the irradiated cadmium should be decayed for 21.9 months from end of irradiation. Radioactivity of 109Cd was 6.58 MBq after 21.9 months of decay. Keywords: cadmium-109, natural cadmium, neutron activation.
30
Jurnal Radioisotop dan Radiofarmaka Journal of Radioisotope and Radiopharmaceuticals Vol 10, Oktober 2007
ISSN 1410-8542
Sedangkan pembuatan dengan aktivasi neutron
PENDAHULUAN X-ray fluorescence (XRF) merupakan
dilakukan dengan sasaran
Cd melalui reaksi
salah satu metode analisa unsur dengan
108
memanfaatkan sinar-X karakteristik setelah
disajikan hasil kajian produksi sumber radiasi
elektron unsur tersebut tereksitasi. Salah satu
109
metode eksitasi adalah dengan memanfaatkan
menggunakan reaktor G.A. Siwabessy PRSG
109
radiasi dari radioisotop. Kadmium-109 ( merupakan
salah
satu
radioisotop
Pada
makalah
ini
akan
Cd untuk XRF melalui aktivasi neutron
Cd)
BATAN dengan sasaran kadmium alam.
yang
Tujuan dari kajian ini adalah mendapatkan
digunakan untuk keperluan ini. Radioisotop 109
Cd(n,γ)109Cd.
108
karakteristik sumber radiasi
Cd memiliki waktu paro yang relatif
109
Cd yang dapat
dihasilkan melalui metode ini.
panjang (463 hari) sehingga dapat digunakan dalam waktu relatif lama. Beberapa perangkat
TEORI
XRF direkomendasikan mengganti sumber 109
radiasi
Apabila sebuah isotop terkena paparan
Cd setiap 3 tahun. Kadmium-109
neutron termal akan terjadi penangkapan
melalui
(EC)
neutron oleh inti atom dan pelepasan radiasi
Ag) yang memiliki
gamma yang dikenal dengan reaksi (n,γ). Laju
waktu paro sangat pendek (39,6 detik).
reaksi inti tersebut berbeda-beda bergantung
meluruh
electron
capture
109m
menjadi perak-109m (
Radioisotop menjadi
109
109m
Ag
ini
segera
meluruh
pada
Ag melalui isomeric transition (IT)
tampang
Apabila
lintang
isotop
yang
reaksi
nuklirnya.
terbentuk
berupa
dengan melepaskan radiasi gamma berenergi
radioisotop, maka ia akan meluruh menjadi
0,0880 MeV dengan intensitas 3,6% [1].
isotop
Radiasi gamma dengan energi ini cukup untuk
ditunjukkan pada Gambar 1.
lain.
Gambaran
reaksi
tersebut
menyebabkan eksitasi elektron berbagai unsur. Nilai radioaktivitas yang digunakan bervariasi
peluruhan
iradiasi
antara 3,7 MBq – 37 GBq [2].
B
A
C
Kadmium-109 dapat dibuat melalui 2 metode, yaitu melalui aktivasi menggunakan partikel bermuatan dan aktivasi menggunakan
Gambar 1. Skema reaksi aktivasi neutron dari
neutron. Pada pembuatan melalui aktivasi
isotop
partikel
peluruhannya menjadi isotop C.
bermuatan,
produksi
dilakukan
menggunakan partikel deutron dengan sasaran perak-109 melalui reaksi
109
Ag(d,2n)109Cd.
31
A
menjadi
radioisotop
B
dan
Jurnal Radioisotop dan Radiofarmaka Journal of Radioisotope and Radiopharmaceuticals Vol 10, Oktober 2007
ISSN 1410-8542
Pada Gambar 1 ditunjukkan bahwa isotop A
iradiasi belum ada isotop B (NB = 0 saat t = 0)
setelah penangkapan neutron berubah menjadi
maka diperoleh persamaan berikut.
radioisotop B yang selanjutnya meluruh menjadi isotop C. Isotop A dan radioisotop B merupakan
unsur
yang
sejenis.
= NAφσ (1-e-λt) / λ
NB
(2)
Laju
penambahan jumlah radioisotop B sama
Pada persamaan 2, t menyatakan waktu
dengan laju reaksi pembentukannya dari isotop
iradiasi. Besarnya radioaktivitas B (AB) dapat
A dikurangi dengan laju peluruhan menjadi
dinyatakan dengan NBλ, sehingga besarnya
isotop C. Laju reaksi pembentukan merupakan
radioaktivitas B dapat dinyatakan dengan
perkalian dari jumlah atom isotop A dengan
persamaan berikut.
fluks neutron dan tampang lintang reaksi. Sedangkan
laju
peluruhan
AB= NAφσ (1-e-λt)
merupakan
(3)
perkalian antara jumlah atom B yang telah terbentuk dan konstanta peluruhannya. Laju
Persamaan 3 ini merupakan persamaan umum
penambahan radioisotop B secara matematis
untuk mendapatkan radioaktivitas hasil iradiasi
dapat dinyatakan dengan persamaan berikut.
dengan neutron [2]. Setelah
dNB/dt = NAφσ - λNB
(1)
iradiasi
dihentikan,
reaksi
penangkapan neutron berhenti dan radioisotop B meluruh dengan laju peluruhan sebesar
Di mana,
perkalian antara konstanta peluruhan dan
dNB/dt : Laju pembentukan isotop B
jumlah atom B yang tersisa. Oleh karena itu,
(atom/s) NA
setelah
: Jumlah atom sasaran (atom)
φ
: Fluks neutron (ns cm )
σ
: Tampang lintang reaksi
-1
selama
waktu
τ,
radioaktivitas B dapat dinyatakan dengan
-2
persamaan berikut. AB = AB0e-λτ
(barn = 10-24cm2)
λ
peluruhan
(4)
: Konstanta peluruhan radioisotop B (s-1)
Pada persamaan tersebut AB0 menyatakan
Jumlah atom sasaran adalah jumlah atom
radioaktivitas B saat akhir iradiasi (end of
unsur tersebut dikalikan kelimpahan isotop
irradiation, EOI) [2].
sasaran. Apabila persamaan 1 diselesaikan dan diberi batas awal bahwa ketika sebelum
32
Jurnal Radioisotop dan Radiofarmaka Journal of Radioisotope and Radiopharmaceuticals Vol 10, Oktober 2007
ISSN 1410-8542
meluruh dengan peluruhan beta dengan waktu
TATA KERJA Sumber
radiasi
109
Cd
pada
paro 9x1015 tahun. Namubn isotop ini sering
XRF
digunakan dalam bentuk silinder dengan
dianggap
diameter 3 mm dan pajang 3 mm. Sumber
panjangnya waktu paro yang dimilikinya [2].
109
radiasi
Cd
dibungkus
dengan
isotop
stabil
karena
sangat
logam
tungsten dengan ketebalan minimum 0,1 mm
Tabel 1. Kelimpahan isotop pada kadmium
dengan window terbuat dari berelium. Logam
alam dan reaksi penangkapan neutron yang
kadmium di dalamnya memiliki diameter 2,8
terjadi dari sasaran isotop-isotop tersebut.
mm dan panjang 2,8 mm. Logam kadmium memiliki berat jenis sebesar 8,648 g/cm3,
isotop
sehingga logam kadmium dengan ukuran
kelimpahan
tampang
Isotop
waktu
(%)
lintang
yang
paro
reaksi
terbentuk
tersebut memiliki berat 149 mg. Berat logam kadmium
di
dalam
sumber
radiasi
ini
(barn) 106
Cd
108
digunakan
sebagai
berat
sasaran
dalam
Cd
110
Cd
produksi 109Cd.
111
Cd
Komposisi isotop unsur kadmium alam ditunjukkan pada Tabel 1.Unsur kadmium mengandung
isotop
108
Cd
kelimpahan 0,89%. Isotop lain yang ada di 106
dalamnya berupa 113
Cd,
114
Cd dan
Cd,
115
110
Cd,
111
Cd,
112
12,49 12,80
107
6,5 jam
1,1
109
463 hari
-
111
-
-
112
-
Cd Cd Cd Cd
24,10
-
113
113
12,22
-
114
-
0,30
115
53,5 jam
0,036
115m
Cd
44,6 hari
0,050
117m
Cd
2,49 jam
0,025
117
Cd
3,36 jam
Cd Cd Cd
dengan
0,89
1,0
112
114
alam
1,25
116
Cd
28,70
7,49
Cd,
Cd Cd Cd
Cd dengan kelimpahan 12,80%,
Kajian dilakukan dengan menghitung
24,10%, 12,22%, 28,70%, dan 7,49%. Dari
radioaktivitas radioisotop yang dihasilkan dari
isotop-isotop
kadmium alam menggunakan persamaan 1
masing-masing
1,25%,
tersebut,
12,49%,
radioisotop
dihasilkan dari paparan neutron berupa
107
dengan data pada Tabel 1. Pada perhitungan
Cd Cd
ini digunakan fluks neutron sebesar 1,26 x
Cd (T½= 2,49 jam) dan
1014 ns-1cm-2. Angka ini merupakan fluks
Cd (T½= 3,36 jam). Reaksi-reaksi inti
neutron di central irradiation position (CIP)
(T½: 6,5 jam), (½=53,5 jam), 117
yang
115m
Cd (T½= 44,6 hari),
115
117m
tersebut memiliki tampang lintang reaksi
reaktor
masing-masing sebesar 1,0 barn, 0,30 barn,
dihitung untuk iradiasi selama 12 hari,
0,036 barn, 0,050 barn dan 0,025 barn.
disesuaikan dengan operasi reaktor G.A.
Sebenarnya Isotop kadmium-113 hasil iradiasi
Siwabessy selama 12 hari [4].
33
G.A.
Siwabessy.
Waktu
iradiasi
Jurnal Radioisotop dan Radiofarmaka Journal of Radioisotope and Radiopharmaceuticals Vol 10, Oktober 2007
ISSN 1410-8542
sebagai fungsi waktu iradiasi ditunjukkan pula
HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil perhitungan iradiasi kadmium
107
oleh gambar 2 .Radioaktivitas 117
Cd,
117m
Cd
alam di central irradiation position (CIP)
dan
seiring dengan waktu iradiasi ditunjukkan oleh
jenuh dalam waktu singkat karena waktu paro
Gambar 2.
radioisotop tersebut masing-masing sebesar
Cd segera mendekati radioaktivitas
6,5 jam, 2,49 jam dan 3,36 jam. Setelah iradiasi selama 12 hari, ketiga radioisotop radioaktivitas (MBq)
1.0E+04
tersebut
1.0E+03
memiliki
radioaktivitas
masing-
1.0E+02
masing sebesar 1257 MBq, 376 MBq dan 188
1.0E+01
MBq. Radioisotop Cd-109 Cd-115m Cd-107 Cd-115 Cd-117m Cd-117
1.0E+00 1.0E-01 1.0E-02 0
3
6
9
115
Cd memiliki waktu paro
53,5 jam, sehingga dengan iradiasi selama 12 hari, radioaktivitas yang dihasilkan telah mendekati nilai radioaktivitas jenuhnya. Pada
12
lama iradiasi (hari)
akhir
iradiasi
dihasilkan
115
Cd
radioaktivitas 8451 MBq. Sedangkan Gambar 2. Radioaktivitas radioisotop yang
dengan 115m
Cd
masih menunjukkan kenaikan pada akhir
terbentuk seiring dengan lama iradiasi
iradiasi karena radioisotop ini memiliki waktu paro yang panjang yaitu 44,6 hari. Setelah 12
Kadmium-109 memiliki waktu paro
hari iradiasi, radioisotop
yang panjang (463 hari). Oleh karena itu,
Radioaktivitas radioisotop hasil iradiasi
radioaktivititas yang dihasilkan meningkat dengan
waktu
iradiasi.
109
yang
MBq.
diperoleh
sebesar
17,53
mengalami
Setelah
diiradiasi selama 12 hari, radioaktivitas
dihentikan.
Cd
Gambar 2.
radioaktivitas jenuhnya. Dengan kata lain, radioaktivitas masih dapat ditingkatkan dengan memperpanjang waktu iradiasi. Radioisotop lain yang turut dihasilkan 115
, 117m
Cd
Cd dan
117
107
Cd,
penurunan Penurunan
setelah
iradiasi
radioisotop
dalam
waktu 10 hari setelah iradiasi ditunjukkan pada
Radioaktivitas ini baru sebesar 1,78% dari
dalam proses iradiasi ini adalah
Cd dihasilkan
dengan radioaktivitas 177 MBq.
dengan waktu iradiasi sampai dengan 12 hari,
seiring
115m
115m
Cd,
Cd. Hasil perhitungan
radioaktivitas radioisotop radioisotop tersebut 34
Jurnal Radioisotop dan Radiofarmaka Journal of Radioisotope and Radiopharmaceuticals Vol 10, Oktober 2007
ISSN 1410-8542
1000 radioaktivitas (MBq)
radioaktivitas (MBq)
10000 1000 100 10
Cd-109 Cd-107 Cd-115 Cd-115m Cd-117m Cd-117
1 0.1
100
1
2
4
6
Cd-115m
0.1 0.01 0.001
0.01 0
Cd-109
10
8
0
10
6
12
18
24
waktu peluruhan (bulan)
waktu peluruhan (hari)
Gambar 3. Peluruhan radioisotop hasil
Gambar 4. Perubahan radioaktivitas 109Cd dan
iradiasi kadmium alam.
115m
Cd selama 24 bulan setelah iradiasi
jauh
lebih
kecil
dibandingkan
109
Cd
Radioaktivitas Cd-115m/Cd-109 (%)
Pada saat EOI, radioaktivitas
dengan
radioaktivitas radioisotop yang lain. Namun, radioisotop-radioisotop
lainnya
waktu paro lebih pendek dari
109
memiliki
Cd sehingga
meluruh lebih cepat. Setelah 10 hari, hanya tinggal
115m
Cd dan
115
Cd yang masih tersisa
1000 100 10 1 0.1 0.01 0
6
18
24
waktu peluruhan (bulan)
sebagai pengotor radioisotop. Radioisotop 115
12
Cd memiliki waktu paro 53,5 jam sehingga
setelah 30 hari radioisotop tinggal 0,73 MBq.
Gambar
Oleh sebab itu, pengotor radioisotop yang
radioaktivitas
tetap tersisa dalam waktu lebih dari satu bulan
109
adalah
115m
Cd. Penurunan radioaktivitas
109
Perubahan
persentase
115m
Cd dibandingkan dengan
Cd.
Cd
115m
dan
5.
Cd selama 24 bulan ditunjukkan pada
Persentase
115m
radioaktivitas 109
Cd
Gambar 4. Setelah 6 bulan, radioaktivitas
dibandingkan dengan
115m
bulan ditunjukkan pada Gambar 5. Dari
Cd lebih rendah dari
109
Cd dan terus
mengalami penurunan lebih cepat dari
109
Cd
Cd sampai dengan 24
gambar 3 diketahui bahwa untuk mendapatkan
seiring dengan waktu.
pengotor
115m
Cd kurang dari 1% diperlukan
waktu peluruhan selama 16,4 bulan. Setelah peluruhan
selama
radioaktivitas
35
109
Cd
16,4
bulan
sebesar
tersebut,
8,38
MBq.
Jurnal Radioisotop dan Radiofarmaka Journal of Radioisotope and Radiopharmaceuticals Vol 10, Oktober 2007
ISSN 1410-8542
•
Sedangkan untuk mendapatkan radioaktivitas
Radioisotop pengotor yang masih menyisa
115m
dalam waktu beberapa bulan adalah 115mCd
peluruhan selama 21,9 bulan. Setelah waktu
yang memiliki waktu paro 44,6 hari.
Cd kurang dari 0,1 % diperlukan waktu •
peluruhan selama 21,9 bulan, radioaktivitas 109
Cd sebesar 6,58 MBq. Kadmium-109
dengan
radioaktivitas
sebesar
ini
Untuk
109
mendapatkan
Cd
dengan
kemurnian radionuklida 99,0% diperlukan
masih
peluruhan selama 16,4 bulan dengan 109
memenuhi syarat sebagai sumber radiasi untuk
radioaktivitas
XRF yang memerlukan radioaktivitas minimal
sebesar 8,38 MBq. Sedangkan untuk
3,7 MBq. Jadi sumber radiasi untuk XRF
mendapatkan
109
dapat dibuat menggunakan kadmium alam
radionuklida
99,9%
namun memerlukan waktu peluruhan yang
peluruhan selama 21,9 bulan dengan
lama
radioaktivitas 109Cd sebesar 6,58 MBq.
untuk
mendapatkan
kemurnian
Cd setelah waktu tersebut
Cd dengan kemurnian diperlukan
waktu
radionuklida yang tinggi. DAFTAR PUSTAKA KESIMPULAN
1. N.
Dari hasil kajian produksi kadmium-109
SAITOH
DKK,
“Handbook
of
Radioisotope”, Maruzen, Tokyo (1996).
untuk sumber radiasi XRF dengan sasaran
2. www.cyclotron-company.com (Juni 2006)
kadmium alam berbentuk pelet diameter 2,8
3. JAPAN
RADIOISOTOPE
mm dan panjang 2,8 mm melalui aktivasi
ASSOCIATION,
neutron di reaktor G.A. Siwabessy diperoleh
Radioisotope”, Maruzen, Tokyo (1990).
hasil sebagai berikut: •
dapat
menghasilkan
109
of
“Jikken kagaku kouza”, Maruzen, Tokyo
Cd
(1992).
dengan radioaktivitas sebesar 17,53 MBq
•
Book
4. THE CHEMICAL SOCIETY OF JAPAN,
Iradiasi kadmium alam di CIP reaktor G.A. Siwabessy
“Note
5. S.
SOENARJO,
S.R.
TAMAT,
I.
pada saat EOI dengan waktu iradiasi
SUPARMAN, B. PURWADI, RSG-GAS
selama 12 hari.
based radioisotopes and sharing program
Dari iradiasi kadmium alam selama 12 hari
for regional back up supply, Jurnal
dihasilkan pula radioisotop 115
Cd,
117m
Cd
dan
107
117
Cd,
Cd
115m
Radioisotop dan Radiofarmaka, 6 (2),
dengan
(2003).
Cd,
6. IAEA, “Manual for reactor produced
radioaktivitas 1258,177, 8451, 376 dan 188
radioisotope”, Viena (2003)
MBq saat EOI.
36
