SEMINAR NASIONAL VIII SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 31OKTOBER 2012 ISSN 1978-0176
PEMANFAATAN TEKNIK RADIOGRAFI NEUTRON UNTUK UJI TAK RUSAK KOMPONEN-KOMPONEN ELEKTRIK M. Fadila1, Sutiarso2 dan Juliyani2 1
Sekolah Tinggi Teknik Nuklir , Badan Tenaga Nuklir Nasional Jalan Babarsari , Sleman -Yogyakarta 2 Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir – Badan Tenaga Nuklir Nasional Kawasan Puspiptek Serpong, Tangerang Sealatan – Banten 15314 Email untuk korespondensi:
[email protected]
ABSTRAK PEMANFAATAN TEKNIK RADIOGRAFI NEUTRON UNTUK UJI TAK RUSAK KOMPONENKOMPONEN ELEKTRIK. Uji tak rusak dalam proses industri penting dilakukan untuk melihat struktur internal produk sehingga dapat dipastikan produk tersebut dalam kondisi baik tanpa harus merusak produk tersebut. Radiografi neutron adalah salah satu metode uji tak rusak yang memiliki sifat unik dimana berkas neutron ini dapat menembus bahan logam dan diserap oleh obyek yang terbuat dari bahan berbasis hidrogen seperti polimer. Telah dilakukan percobaan uji tak rusak beberapa komponen elektrik dengan teknik radiografi neutron menggunakan metoda film Hasil pengujian terhadap beberapa komponen elektrik didapatkan bahwa radiografi neutron ternyata mampu mengamati struktur internal dari komponen elektrik yang pembungkusnya terbuat dari bahan non logam. Semakin tipis pembungkus (casing) , semakin terlihat struktur internalnya. Namun radiografi neutron tidak dapat mengamati struktur internal dari komponen logam yang didalamnya berisi bahan non-logam penyerap neutron. Dari penelitian ini dapat disimpulkan bahwa komponen-komponen elektrik baik yang pembungkusnya terbuat dari logam dan plastik mampu diamati menggunakan teknik radiografi neutron. Kata kunci: radiografi neutron, uji tak rusak, struktur internal
ABSTRACT. THE USE OF NEUTRON RADIOGRAPHY TECHNIQUE FOR NON - DESTRUCTIVE INSPECTION OF ELECTRICAL COMPONENTS. Non-destructive inspection is important part in industrial process in order to investigate internal structure of the products so it can be convinced that the product is in good condition without damaging the product it self. Neutron radiography is one of the nondestructive methods which has a unique property in which neutron can penetrate into metal and it is absorbed by the object which is made by hidrogen based materials such as polymer. Non-destructive inspection of several elstrical components using neutron techniqe with film method. The result shows that neutron radiography is in fact capable of examining the internal structure of electrical components in which the casing is made of non-metal. The thinner the casing the more observable the internal structure. However neutron radiography is unable to observe the internal structure of the object made of metal in which the inner part is filled with non-metal absorbing materials. From this experiment, it can be concluded that the elctrical components in which the casing is made either by metal or non-metal it internal structure can be observed by neutron radiography technique. Keywords: neutron radiography, non-destructive , internal structure
PENDAHULUAN Radiografi neutron adalah salah satu teknik uji tak merusak yang menggunakan berkas neutron sebagai sumber penyinaranya. Seperti halnya radiografi sinar-X dan radiografi gamma prinsip M.Fadila, dkk
kerja radiografi neutron menggunakan kaidah atenuasi berkas oleh obyek yang diamati. Interaksi antara neutron dan sinar-X terhadap suatu bahan sangat berbeda. Daya tembus neutron sangat besar jika dibandingkan dengan sinar-X, sehingga neutron mampu menembus bahan dengan ketebalan tinggi yang mana hal tersebut tidak mampu dilakukan jika 215
STTN-BATAN & PTAPB-BATAN
SEMINAR NASIONAL VIII SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 31OKTOBER 2012 ISSN 1978-0176 menggunakan sinar-X. Sinar-X berinteraksi dengan elektron yang mengelilingi inti atom dari bahan dan interaksinya akan meningkat dengan meningkatnya nomor atom bahan. Sedangkan neutron berinteraksi dengan inti atomnya. Berkas neutron akan mengalami atenuasi yang besar bila melewati bahan dengan nomor atom yang kecil seperti air, hidrokarbon, cadmium dan boron. Sebaliknya untuk ketebalan yang sama, neutron hanya sedikit mengalami atenuasi ketika menembus bahan yang bernomor atom besar seperti baja, timbal dan uranium[1]. Neutron memiliki sifat unik yang dapat diserap oleh obyek yang terbuat dari bahan berbasis hidrogen seperti bahan polimer dan menembus obyek yang terbuat dari bahan berbasis hidrogen seperti bahan polimer dan menembus obyek yang terbuat dari bahan logam yang keduanya tidak dapat dilakukan dengan menggunakan sinar-X[2]. . Kemampuan radiografi neutron untuk mengamati berbagai komponen elektrik seperti MCB, kapasitor dan sirine yang terbuat dari gabungan logam dan nologam menggunakan metoda film akan disajikan
dan perbedaan hasilnya karena perbedaan atenuasi dari bahan komponennya akan dibahas. Fasilitas Radiografi Neutron Fasilitas radiografi neutron telah terpasang pada tabung berkas S2 reaktor G.A Siwabessy di Serpong. Alat ini dari awal pengadaanya diperuntukan sebagai uji tak rusak bahan industri. Metoda yang digunakan dalam uji ta rusak ini meliputi metoda film, metoda kamera dan tomografi. Dalam makalah ini akan dibatasi pembahasannya hanya pada metoda film saja. Gambar 1 menunjukan gambar skematik dari peralatan radiografi neutron yang dilengkapi dengan metoda film dan metoda kamera Dari Gambar 1 tersebut tampak bahwa fasilitas radiografi neutron yang terpasang pada tabung berkas S2 memiliki komponen utama yaitu pertama kolimator yang berfungsi untuk memparalelkan berkas neutron, yang kedua penutup berkas (shutter) yang berfungsi untuk menyetop dan meneruskan berkas.
Gambar 1. Gambar Skematik Dari Fasilitas Radiografi Neutron
dari bahan berbasis hidrogen seperti bahan polimer dan menembus obyek yang terbuat dari Shutter ini terdiri dari dua buah yaitu penutup berkas utama (main shutter) dan penutup berkas bantu (auxiliary shutter) yang digunakan untuk melewatkan berkas saat penembakan sampel. Alat perekam pada alat ini dapat berupa film dan kamera CCD. Berkas neutron termal yang datang dari reaktor dilalukan melalui sistem kolimator, berkas neutron yang terkolimasi tersebut kemudian digunakan untuk menembak sampel. Berkas neutron yang ditransmisikan sampel tersebut kemudian dikonversikan menjadi sinar-gamma oleh konverter gadolinium yang mana sinar gamma tersebut digunakan untuk menghitamkan film.
STTN-BATAN & PTAPB BATAN
TEORI Interaksi Neutron Terhadap Bahan Peristiwa interaksi neutron dengan inti atom dapat dikuantifikasikan dengan menggunakan konsep tampang lintang[3]. Tampang lintang dari satu inti ini disebut sebagai tampang lintang mikroskopik (σ). Kebolehjadian atau probabilitas interaksi neutron dengan materi dinyatakan dengan tampang lintang mikroskopik. Kebolehjadian atau probabilitas tersebut bisa juga dinyatakan dalam bentuk tampang lintang makroskopik (Σ). Tampang lintang makroskopik digunakan dalam kaitannya
216
M.Fadila, dkk
SEMINAR NASIONAL VIII SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 31OKTOBER 2012 ISSN 1978-0176 dengan keboleh jadian atau probabilitas yang berhubungan dengan ketebalan suatu bahan yang
beda dan jenis interaksi yang berbeda, maka perumusannya adalah: Σx = Σx1 + Σx2 +…, ………….......(4)
berintegrasi dengan neutron. Tampang lintang makroskopik mengikuti persamaan : Σx = N σx ……………….………(2) Dimana: Σ = Tampang lintang makroskopik (cm-1)
Σx = N σx1 + N σx2 + …, ……...……(5) Bila neutron dilewatkan pada bahan dengan ketebalan x maka intensitas neutron setelah menembus bahan dapat dirumuskan sebagai berikut: I(x) = Io e-Σtx …….…………….(6)
N = Kerapatan bahan/densitas bahan (inti/cm3) σ = Tampang lintang mikroskopik (cm2)
Dimana:
x = Jenis interaksi (t, a, s, γ, f, …)
Ix = Intensitas neutron saat berintegrasi dengan bahan pada ketebalan x (neutron.cm-2s-1)
Tampang lintang makroskopik total adalah hasil penjumlahan semua jenis interaksi seperti tampang lintang mikroskopik, yaitu: Σt = Σa + Σs = (Σγ + Σf + Σn,a + ..) + (Σel + Σin) ....(3)
Io = Intensitas pada saat x = 0 (neutron.cm-2s-1) Σt = Tampang lintang makroskopik (cm-1) x = Ketebalan bahan (cm)
Tampang lintang makroskopik yang terdiri dari berbagai campuran dengan densitas yang berbeda-
Gambar 2. Koefisien Atenuasi Massa Dari Neutron Termal Dan Sinar-X 120 keV[4]
Interaksi antara neutron dan sinar-X terhadap suatu bahan sangat berbeda. Daya tembus neutron sangat besar jika dibandingkan dengan sinar-X, sehingga neutron mampu menembus bahan dengan ketebalan tinggi yang mana hal tersebut tidak mampu dilakukan jika menggunakan sinar-X. Sinar-X berinteraksi dengan elektron yang mengelilingi inti atom dari bahan dan interaksinya akan meningkat dengan meningkatnya nomor atom bahan. Sedangkan neutron berinteraksi dengan inti atomnya. Berkas neutron akan mengalami atenuasi yang besar bila melewati bahan dengan nomor atom yang kecil seperti air, hidrokarbon, cadmium dan boron. Sebaliknya untuk ketebalan yang sama, M.Fadila, dkk
neutron hanya sedikit mengalami atenuasi ketika menembus bahan yang bernomor atom besar seperti baja, timbal dan uranium[5]. Perbandingan koefisien atenuasi neutron dan sinar-X untuk berbagai jenis bahan terhadap nomor atom ditunjukan pada Gambar 2 yang menyatakan bahwa koefisien atenuasi bahan terhadap radiasi sinar-X berbentuk kurva kontinyu sedangkan koefisien atenuasi bahan terhadap neutron bersifat acak. Prinsip Kerja Radiografi Neutron Prinsip kerja radiografi neutron sama dengan radiografi sinar-X maupun sinar gamma, dimana variasi atenuasi sampel atau benda uji merupakan 217
STTN-BATAN & PTAPB-BATAN
SEMINAR NASIONAL VIII SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 31OKTOBER 2012 ISSN 1978-0176 hal utamanya. Berkas neutron termal dari reaktor diarahkan pada benda uji menggunakan kolimator. Berkas neutron yang melewati benda uji akan teratenuasi yang besarnya sesuai yang dengan koefisien atenuasi bahan itu sendiri. Berkas neutron yang lolos dari benda uji akan dilewatkan melalui konverter dan diubah menjadi radiasi yang dapat menghitamkan film dengan tingkat kehitamanya sebanding dengan berkas neutron yang lolos. Setiap ketidakseragaman dalam benda uji atau kerusakan seperti lubang (hole), celah (gap) dan benda asing memberikan faktor atenuasi yang berbeda. Perbedaan atenuasi ini akan diterjemahkan oleh alat yang disebut konverter menjadi gambar pada film yang memiliki densitas yang berbeda sehingga variasi kehitaman atau densitas film merupakan gambaran keadaan benda uji tersebut[6]. Prinsip kerja radiografi neutron ditunjukkan oleh Gambar 3.
alat radiografi. Besarnya resolusi tergantung pada kemampuan sipembaca film dalam melihat ukuran dan menghitung jumlah lubang dan celah yang dapat diamati oleh mata, semakin banyak jumlah lubang dan celah yang dapat diamati berarti kualitas radiograf neutron semakin baik, seperti terlihat pada Gambar 6. Semua standar yang digunakan dapat diambil sebagai hasil apabila nilai densitas backgroundnya memenuhi standar 2-3 [8], namun jika nilai densitas background film yang terukur pada densitometer tidak memenuhi standar maka tidak dapat diadakan pengamatan selanjutnya atau datanya tidak masuk dalam perhitungan. Untuk kategori peralatan radiografi ini telah ditentukan bahwa kriteria keberterimaannya adalah apabila jumlah garis dan lubang masing-masing 7 dan 4.
Gambar 3. Prinsip Radiografi Neutron[7]
Kualitas Radiografi Neutron Kualitas citra radiografi neutron dapat ditentukan berdasarkan pada analisis data dari citra indikator kualitas neutron. Ada dua jenis indikator kualitas citra yang digunakan yaitu sampel standar Beam Purity Indicator (BPI) dan sampel standar Sensitifity Indicator (SI) Sensitifity Indicator (SI) yang merupakan standar dari ASTM E545. Untuk mengetahui apakah kualitas citra apakah sudah memenuhi standar ASTM maka sample standar SI biasanya disertakan saat pengambilan gambar radiografi. Sensitifitas citra radiografi neutron dapat ditentukan secara kualitatif dari citra lubang dan celah sampel standar SI. Konfigurasi SI terdiri dari empat step yang seperti tangga dan terbuat dari acrylic resin dengan ukuran panjang dan lebar 25,4 mm x 25,4 mm serta ketebalan step mulai dari 0,64 mm hingga 5,08 mm. Pada SI ini terdapat tiga lempengan (shim) dan celah. Ketiga lempeng tersebut masing-masing diberi kode posisi A, B, C yang masing-masingnya mempunyai 4 buah lubang berukuran muali dari 0,13 mm hingga 0,51 mm. Sedangkan celah/garis terbuat dari plat aluminium dengan ukuran 0,013 mm hingga 0,25 mm yang terpasang diantra blok-blok acrylic resin. Lubang dan celah berfungsi untuk mengukur resolusi dari STTN-BATAN & PTAPB BATAN
Gambar 6. Sampel Standar Sensivity Indicator (SI)
METODA PERCOBAAN Bahan dan Alat Penelitian ini menggunakan film radiografi Agfa D7 dan D3 dengan ukuran (4 x 10) inchi. Bahan lain yang digunakan adalah larutan developer, terdiri dari campuran serbuk developing agent 50 g AGFA G-230 A dan 283,5 g AGFA G230 B yang dilarutkan dalam 2,5 liter air. Larutan fixer, terdiri dari campuran 590,65 g serbuk fixing agent AGFA G-305 yang dilarutkan dalam 2,5 liter air. Sedangkan komponen elektrik yang diuji dapat dilihat pada Gambar 7 dibawah ini.
Gambar. 7 Komponen Elektrik
218
M.Fadila, dkk
SEMINAR NASIONAL VIII SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 31OKTOBER 2012 ISSN 1978-0176 Peralatan yang digunakan adalah Peralatan proteksi radiasi yaitu monitor radiasi personil dan surveymeter. Peralatan radiografi yaitu fasilitas radiografi neutron termal dari tabung S2 reaktor G.A Siwabessy daya 15 MW, fasilitas ruangan gelap, viewer, densitometer, timer, thermometer, kaset, skrin konverter gadolinium (K-125), sigmat, dryer. Cara Kerja
film (metoda langsung) yang ditunjukkan pada Gambar 8. Berkas neutron yang mengenai obyek sebagian akan ditransmisikan dan kemudian berkas yang ditransmisikan tersebut akan ditangkap oleh film dan konverter yang keduanya tersimpan dalam sebuah kaset. Melalui interaksi neutron- konverterfilm akan dihasilkan citra radiografi yang akan dapat terlihat setelah melalui pemrosesan film. Metoda film ini adalah sama dengan yang dijumpai pada metoda radiografi pada umumnya.
Metoda yang dipakai untuk mengamati struktur internal komponen elektrik, adalah metoda
Gambar 8. Metode Langsung Dengan Film Radiograf i[9]
Pemasangan benda uji pada kaset yang digunakan didampingi oleh sampel standar SI, bertujuan untuk menganalisa hasilnya apakah sudah cukup memadai untuk memberikan informasi yang akan dilihat. Sampel di tempelkan pada sala satu sisi dari kaset film. Selanjutnya dilakukan penembakan dengan berkas neutron menggunakan film AGFA D3, konverter gadolinium 125 dan waktu penyinaran selama 6 menit 45 detik.
HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil radiografi neutron untuk sampel MCB ditunjukkan pada Gambar 9. Gambar 9 menunjukkan radiorafi neutron dari sampel dalam
keadaan baik (tidak rusak) dan sampel dalam keadaan rusak. Dari kedua gambar struktur internalnya tampak bahwa radiografi neutron mampu membedakan antara MCB dalam keadaan baik dan rusak dari kondsi tuasnya (tasnda panah dalam lingkaran). Pada MCB dalam keadaan baik ketika pada posisi ON tuas saklarnya dalam keadaan terhubung namun pada MCB yang rusak posisi tuas saklarnya dalam keadaan terbuka. Dari kondisi tersebut kita dapat mengetahui keadaan MCB tanpa harus merusak barangnya. Dari percobaan ini juga tampak bahwa radiografi neutron mampu menembus bahan platik (casing MCB) dengan didnding yang tipis.
Gambar 10. Foto MCB Satu Phasa dan Hasil Film Radiografi Neutronnya
Disamping itu pada Gambar 11 ditunjukan citra radiografi neutron dari sirine yang casingnya terbuat dari bahan logam dan didalamanya terdapat komponen yang terbuat dari plastik atau karet . Dari gambar tersebut terlihat dengan jelas bahwa neutron
M.Fadila, dkk
mampu menembus bahan logam sehingga struktur internal dari sirine dapat terlihat dengan jelas.
219
STTN-BATAN & PTAPB-BATAN
SEMINAR NASIONAL VIII SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 31OKTOBER 2012 ISSN 1978-0176
UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada kepala PRSG – BATAN dan teman-teman di bidang operasi reaktor yang telah menyediakan neutron dalam penelitian ini. Terima kasih juga kami sampaikan kepada staf bidang spektrometri neutron khususnya bapak Setiawan, bapak Fahrurrozi serta semua pihak yang telah membantu dalam penyiapan alat dukung untuk penelitian ini
DAFTAR PUSTAKA 1.
ASTM E 545-05. Standar Test Method for Determining Image Quality in Direct Thermal Neutron Radiografic Examination. ASTM Internasional, (2005)
2.
BATAN. 2008. Pedoman Tentang Prinsip Umum Dan Aturan Dasar Uji Radiografi Neutron Termal Untuk Uji Tak Rusak (SB 005ISO 11537 : 2008). Jakarta : BATAN.
3.
Domanus, J.C 1992. Pratical Neutron Radiography. Kluwer Academic Publisher. Dordrecht/Boston/London. 1992.
4.
Gunawan, dkk. Penentuan Karakteristik Fasilitas Radiografi Neutron di BATAN Serpong dengan Metode Film Konverter Tunggal. Prosiding Pertemuan Ilmiah Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Bahan. PTBINBATAN. Serpong. 2008.
5.
Julyani, dkk. Uji Tak Merusak Komponen Lock Actuator Menggunakan Teknik Radiografi Neutron. Prosiding Seminar Nasional VI SDM Teknologi Nuklir Yogyakarta. PTBIN-BATAN. PTBINBATAN.Serpong. 2010.
6.
PTBIN. 2010. Pratikum Radiografi Neutron Metoda Film. Pelatihan Coaching Aplikasi Teknik Radiografi Neutron Sebagai Uji Tak Rusak untuk Bahan Industri. Serpong: PTBINBATAN
7.
Rahmi, Nasihatul. 2007. Pengaruh Jenis Film Dan Waktu Penyinaran Terhadap Kualitas Citra Radiografi Neutron. Universitas Sriwijaya. Palembang.
8.
Sutiarso, dkk. Radiografi Neutron; Teknik Komplementer Dari Radiografi Sinar-X Untuk Uji Tak Rusak Produk Indusri. Prosiding Pertemuan Ilmiah Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Bahan. PTBIN-BATAN. Serpong. 2008.
9.
Sutiarso, dkk. Tomografi Neutron 3D Di Reaktor RSG-Gas Untuk Uji Tak Rusak Komponen Industri. Prosiding Seminar
220
M.Fadila, dkk
Gambar 11. Citra Radiografi Neutron Dari Sampel Sirine
Gambar 12 menunjukkan citra radiografi neutron dari sampel kapasitor yang banyak digunakan orang. Dari citra radiografinya tampak bahwa struktur internal dari kapasitor tidak dapat diamati karena bagian dalam dari kapasitor terselubungi oleh semacam polimer dimana dengan warna gelap diseluruh bagian dalam kapasitor.
Gambar 12. Citra Radiogafi Neutron Dari Kapasitor Beserta Test Destruktifnya Sebagai Pembanding
Dari percobaan pengujian ini dapat diketahui bahwa radiografi neutron mampu digunakan untuk mengamati struktur internal komponen-komponen elektrik terutama yang tersusun dari bahan logam dan non logam dengan batasan seperti pada percobaan ini .
KESIMPULAN Dari hasil percobaan ini dapat diambil kesimpulan radiografi neutron mampu mengamati struktur internal komponen-komponen elektrik baik yang casingnya terbuat dari logam maupun nonlogam secara tidak merusak sehingga dapat diketahui apakah komponen tersebut kondisinya masih baik atau tidak.
STTN-BATAN & PTAPB BATAN
SEMINAR NASIONAL VIII SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 31OKTOBER 2012 ISSN 1978-0176 Penelitian Dan Pengelolaan Perangkat Nuklir. PTBIN-BATAN. Serpong. 20011.
M.Fadila, dkk
221
STTN-BATAN & PTAPB-BATAN
