PENGEMBANGAN SPEKTROMETER GAMMA PORTABEL BERBIAYA MURAH MENGGUNAKAN SOUND CARD USB

Seminar Nasional Keselamatan Kesehatan dan Lingkungan IX Jakarta, 19 Juni 2014

PENGEMBANGAN SPEKTROMETER GAMMA PORTABEL BERBIAYA MURAH MENGGUNAKAN SOUND CARD USB Rasito, Putu Sukmabuana, Ade Suherman, dan Tri Cahyo L. Pusat Sains dan Teknologi Nuklir Terapan – BATAN, Jl. Tamansari No.71 Bandung Email: [email protected]

ABSTRAK PENGEMBANGAN SPEKTROMETER GAMMA PORTABEL BERBIAYA MURAH MENGGUNAKAN SOUND CARD USB. Alat untuk keperluan pengukuran radioaktivitas tanah secara insitu telah dibuat spektrometer gamma portabel berbiaya murah dengan memanfaatkan sound card USB sebagai ADC dan penguat sinyal. Berbeda dengan spektrometer gamma konvensional, spektrometer gamma hasil pengembangan ini menggunakan mekanisme peubah sinyal keluaran PMT detektor NaI(Tl) menjadi sinyal audio, kemudian diperkuat dan didigitalisasi menggunakan sound card USB. Analisis saluran ganda menggunakan program komputer perekam sinyal audio untuk menampilkan spektrum. Spektrometer gamma portabel ini diperlukan perangkat detektor NaI(Tl) beserta PMT dan rangkaian pembagi tegangan, rangkaian HV portabel, rangkaian filter, sound card USB, dan program perekam sinyal audio dalam sebuah laptop. Spektrometer gamma hasil pengembangan ini memiliki unjuk kerja yang sangat baik berdasarkan dua uji yang dilakukan yaitu uji kelinearan dan uji kestabilan pencacahan. Spektrometer gamma hasil pengembangan ini dapat digunakan untuk pengukuran radioaktivitas gamma baik dengan meode sampling maupun secara in-situ. Kata kunci : spektrometer gamma, biaya murah, detektor sintilasi, sound card USB ABSTRACT DEVELOPMENT OF LOW COST GAMMA SPECTROMETER PORTABLE USING USB SOUND CARD. Tool for the purposes of measurement of in-situ soil radioactivity has created a low cost portable gamma spectrometer by using a USB sound card as an ADC and signal amplifiers. Different with conventional gamma spectrometry, gamma spectrometer results of this development using variable mechanism PMT output signal detector NaI(Tl) into the audio signal, then amplified and digitized using a USB sound card., and analyzed to multi-channel with a recording audio signals computer code into a spectrum display. To make this portable gamma spectrometer device needs NaI(Tl) detector and PMT and voltage divider circuit, portable HV circuit, filter circuit, USB sound card, and program for recording audio signals in a laptop. Gamma spectrometer results of this development has excellent performance on two tests performed i.e count linearity and stability test. The gamma spectrometer results of this development is best used for gamma radioactivity measurements of both the sampling and the in-situ method. Keywords : gamma spectrometer, low cost, scintilation detector, USB sound card

I.

PENDAHULUAN Dalam rangka penyiapan data dukung

Pengukuran

radioaktivitas

pemancar

gamma dari tanah permukaan dapat dilakukan

program dekomisioning reaktor TRIGA 2000

menggunakan

spektrometer

telah dilakukan pengukuran radioaktivitas tanah

dengan metode in-situ ataupun sampling.

permukaan di kawasan reaktor. Salah satu data

Namun karena dalam pengukuran dilakukan

ukur yang diperlukan dalam program ini adalah

pada area yang cukup luas sementara alokasi

tingkat radioaktivitas tanah. Radioaktivitas

waktu pengerjaan yang cukup singkat maka

tanah yang diukur meliputi gross alfa dan beta

dipilih metode in-situ. Untuk dapat melakukan

serta radionuklida pemancar gamma.

pengukuran radioaktivitas tanah secara in-situ

PTKMR-BATAN, Universitas Indonesia, KEMENKES-RI, Universitas Pakuan

gamma

baik

73


maka dirancang sebuah perangkat spektrometer

gamma

detektor

sintilasi

gamma portabel. Karena biaya pengadaan

diperlihatkan pada Gambar 1.

konvensional

spektrometer gamma portabel konvensional cukup mahal maka dilakukan pengembangan spektrometer gamma portabel baru yang murah biayanya. Spektrometer gamma konvensional Spektrometer gamma konvensional adalah spektrometer gamma yang saat ini lazim digunakan.

Spektrometer

gamma

portabel

umumnya

menggunakan

detektor

sintilasi,

misalnya

NaI(Tl).

Diagram

Gambar 1. Diagram spektrometer gamma

spektrometer

sintilasi [1] Prinsip kerja spektrometer gamma detektor

Sinyal yang diperkuat digitalisai oleh analog –

sintilasi NaI(Tl) adalah sebagai berikut; jika ada

digital converter (ADC) dan MCA (6) untuk

radiasi gamma mengenai kristal sintilator (1)

memisahkannya ke dalam kanal berdasarkan

maka dengan mekanisme fluoresensi akan

tingkat energinya [1].

dihasilkan cahaya tampak dalam rentang warna kuning dengan panjang gelombang 410 nm. Cahaya

yang

selanjutnya

Spektrometer gamma yang dikembangkan

diarahkan ke permukaan katoda PMT (2) dan

adalah dengan menambahkan rangkaian filter

dengan mekanisme fotokatoda akan dihasilkan

(5) dan menggantikan amplifier dan ADC

elektron. Elektron yang terbentuk di katoda

dengan perangkat yang sangat murah yaitu

akan dipercepat dan diperkuat hingga 106 kali

sound card USB (6). Adapun penganalisis

oleh tegangan antar dinoda-dinoda dan anoda

digunakan program komputer perekam sinyal

yang diatur oleh rangkaian pembagi HV (3)

(7)

dari

spektrometer

sumber

dihasilkan

tegangan

ini

Spektrometer gamma pengembangan

HV

(4).

Pada

audio

yang

bebas

gamma

biaya. sintilasi

Diagram hasil

spektrometer konvensional sinyal keluaran

pengembangan menggunakan sound card USB

dikuatkan oleh pre-amp dan amplifier (5).

diperlihatkan

pada


Gambar

2

berikut.

74


Gambar 2. Diagram spektrometer gamma sintilasi dengan sound card USB Perbedaan antara sistem konvensional

komputer

[1].

Alessio,

dkk

di

samping

dengan sistem yang baru adalah terletak pada

mengeluarkan program Theremino MCA juga

pengolahan sinyal

hingga

menawarkan konsep rangkaian PMT adapter

terbentuknya spektrum cacahan. Dengan sistem

berupa rangkaian filter, amplifier dan HV yang

baru

perangkat

disatukan [2]. Sementara Steven Sesselmann,

spektrometer gamma menjadi jauh lebih murah.

dkk bahkan telah mengkomersialkan kesatuan

Pengembangan

rangkaian filter, amplifier dan HV, namun

ini

biaya

keluaran

PMT

pembuatan

spektrometer

gamma

menggunaan sound card telah dikembangkan

masih

menggunakan

oleh Sugihara, dkk (2013) namun masih

komputer [3].

sound

card

internal

menggunakan amplifier dan sound card internal

II. TATA KERJA

Dalam rancangan ini diperlukan beberapa komponen yaitu detektor sintilasi untuk mengubah radiasi menjadi sinyal listrik, filter sinyal untuk memisahkan sinyal dengan tegangan detektor, USB sound card untuk penguat sinyal dan ADC, serta program perekam sinyal audio dalam sebuah PC atau laptop untuk penganalisis saluran ganda. 2.1 Detektor sintilasi Sistem detektor sintilasi terdiri dari kristal sintilator, tabung photomultiplier (PMT) dan rangkaian pembagi tegangan tinggi (HV). Kristal sintilator yang digunakan adalah jenis NaI(Tl) dengan ukuran kristal 2” x 2”. Detektor dan PMT yang telah dipasang perisai dan rangkaian pembagi HV yang digunakan diperlihatkan pada Gambar 3 berikut. Pembagi HV menggunakan sebuah rangkaian resistor dipasang secara seri yang berfungsi sebagai pembagi tegangan HV untuk setiap elektroda PMT. Tegangan operasional PMT ini atau untuk katoda-anodanya adalah 900 – 1000 volt, katoda-dinoda 130 volt dan dinoda-dinoda 75 volt. PTKMR-BATAN, Universitas Indonesia, KEMENKES-RI, Universitas Pakuan

75


Gambar 3. Kristal sintilator NaI(Tl) 2” x 2” dan PMT dilengkapi perisai dan rangkaian pembagi HV Dalam

penggunaannya

PMT

harus

2.2 Filter sinyal

dibungkus dengan bahan kedap cahaya dan

Filter sinyal merupakan sebuah rangkaian

perisai magnet, karena masuknya cahaya akan

elektronik yang berfungsi untuk memblokir HV

menjadi

(noise).

dan melewatkan sinyal atau pulsa yang akan

Untuk bahan kedap cahaya dan perisai magnet

diumpankan ke sound card. Rangkaian filter

digunakan plat logam dan selotip warna hitam.

sinyal ini tersusun atas komponen resistor dan

Untuk memastikan ada tidaknya kebocoran

kapasitor yang dipasang secara seri dan paralel.

pada perisai dapat dilakukan pencacahan

Rangkaian filter sinyal diperlihatkan pada

dengan kondisi bagian muka PMT ditutup

Gambar 4 berikut;

sinyal-sinyal

pengganggu

lembaran logam.

Gambar 4. Rangkaian filter

Rangkaian filter berupa kapasitor (C1) 10

47 nF/3 kV. Fungsi kapasitor adalah untuk

nF/3 kV dan resistor (R1) 220 k yang disusun

memblokir

secara seri dan diparalel dengan kapasitor (C2)

sedangkan

HV

dan

resistor


melewatkan

sinyal,

difungsikan

untuk 76


menurunkan arus agar kerja dari sound card

sebuah wadah logam berbahan aluminium.

tidak terlalu berat. Untuk mengurangi noise

Tampilan

maka rangkaian filter ini ditempatkan di dalam

aluminium diperlihatkan pada Gambar 5.

rangkaian

filter

dalam

wadah

Gambar 6. Sound card USB Sound card USB umumnya memiliki Gambar 5. Rangkaian filter dalam wadah Aluminium

yang

sinyal (laju sampling) 44,1 kHz hingga 48 kHz, bandwidth 20 kHz, resolusi 16 bit dan tegangan pulsa maksimum ±2 V. Ada

2.3 Sound card USB Sinyal

spesifikasi, diantaranya dapat mendigitalisasi

telah

dipisahkan

oleh

kelebihan lainnya, jika yang digunakan adalah

rangkaian filter selanjutnya diumpankan ke

sound

sound card USB. Sound card USB merupakan

mendigitalisasi

perangkat yang sangat mudah ditemukan di

sintilasi hingga 96 kHz.

pasaran karena umumnya digunakan sebagai asesoris komputer. Selain bentuk USB, sebenarnya dapat juga menggunakan sound card internal yang ada di komputer PC ataupun laptop. Namun penggunaan internal sound card disamping akan sulit dan mahal perbaikannya jika terjadi kerusakan juga dapat menerima noise dari beberapa aplikasi, seperti jam yang ada di komputer [1]. Keuntungan sound card USB adalah tidak terdapat kelemahan seperti diatas, dan dari sisi biaya sangat murah, harga per USB sekitar Rp.25.000. Tampilan salah satu jenis sound card USB yang ada di pasaran

card

internal sinyal

PC

yaitu

keluaran

dapat detektor

2.4 Program perekam sinyal audio Kebutuhan selanjutnya adalah sebuah program perekam sinyal audio yang telah terinstal dengan baik dalam sebuah komputer atau laptop. Program komputer ini harus dapat menyusun sinyal suara berdasarkan tinggi tegangan pulsa dan jumlah pulsa ke dalam bin atau kanal-kanal menjadi sebuah tampilan spektrum. Beberapa program tersebut telah dikembangkan

bahkan

digratiskan,

diantaranya adalah Pulse Recorder and Analyser

atau

PRA,

Theremino

MCA,

Fitzpeaks NaI, dan BecqMoni [2 – 5].

diperlihatkan pada Gambar 6.


77


tegangan listrik. Rangkaian HV portabel menggunakan sumber tegangan listrik dari baterai dapat dibuat dengan mudah. Namun demikian rangkaian HV portabel juga dapat kita peroleh dari surveimeter bekas, dengan syarat tegangan keluaran dari HV surveimeter sesuai dengan kebutuhan PMT detektor sintilasi. Dalam kegiatan ini, HV diambilkan dari portabel analyzing ratemater TA PRS-5. ambar 7. Tampilan Theremino MCA [2]

Tegangan keluaran bisa mencapai 2500 V, namun dapat diset pada 900 V sesuai dengan tegangan operasi PMT detektor NaI(Tl) yang digunakan. Selain HV, alat lain yang diperlukan untuk menjalankan sistem ini adalah sebuah komputer atau laptop yang telah diinstal program Theremino MCA dan Fitzpeaks NaI. Dalam

Gambar 8. Tampilan Fitzpeaks NaI [5] Pada pengambangan spektrometer ini program yang digunakan adalah Theremino MCA dan Fitzpeaks NaI. Theremino MCA digunakan untuk membaca cacahan, karena memiliki respon paling baik meski dengan masukan sinyal yang lemah, sedangkan Fitzpeaks NaI digunakan untuk analisis spektrum

hasil

pencacahan

karena

kemampuan ini tidak dimiliki Theremino MCA. Tampilan spektrum dari program tersebut juga seluruhnya dapat disimpan dalam format text sehingga dapat juga diolah secara mudah menggunakan program MS

sistem

tersebut

masih

digunakan

netbook

sistem operasi Windows 7. Setelah seluruhnya terpasang dengan baik maka spektrometer gamma ini diuji pulsa keluarannya dengan melakukan pencacahan sumber radioaktif. Sinyal keluaran Uji sinyal keluaran dilakukan dengan menempatkan sumber radioaktif

137

Cs dekat

detektor. Dengan pemberian radiasi gamma dari sumber radioaktif ini akan meningkatkan jumlah

sinyal

keluaran.

Sumber

137

Cs

memiliki energi gamma tunggal yaitu 662 keV.

Energi

gamma

tersebut

mampu

menghasilkan sinyal atau pulsa setinggi 0,3 Adapun

aktivitas

sumber

akan

memberikan pengaruh terhadap jumlah pulsa

III. HASIL DAN PEMBAHASAN

Pada

ini

dengan processor 1,5 GHz, RAM 2 GB dan

volt.

excel.

kegiatan

perlu

yang terbentuk.

ditambahkan rangkaian HV dan sumber PTKMR-BATAN, Universitas Indonesia, KEMENKES-RI, Universitas Pakuan

78


Pulsa yang keluar dari rangkaian filter

pencacahan dan uji kestabilan pencacahan.

selanjutnya diumpankan ke rangkaian sound

Spektrometer gamma yang baik adalah jika

card USB. Pulsa yang dihasilkan dapat

cacahan dalam setiap kanalnya linear dan

diproses oleh sound card USB karena

stabil. Untuk uji kelinearan pencacahan

maksimum tinggi pulsa input adalah 2 volt.

dilakukan dengan mencacah sinyal dari

Sound

pulsa

generator pulsa dengan dua variasi yaitu

rangkaian

variasi frekuensi untuk memberikan variasi

perekam audio yang berfungsi sebagai ADC.

hasil cacahan dan variasi tegangan pulsa

Disamping ADC, di dalam sound card juga

untuk variasi kanal. Spektrometer gamma

terdapat

rangkaian

yang baik adalah jika memiliki kelinearan

penghasil sinyal audio. Dalam pengembangan

pencacahan (R) mendekati atau sama dengan

spektrometer gamma ini hanya digunakan

1 untuk setiap kanal. Dari hasil pencacahan

fasilitas perekam audionya saja. Namun

diperoleh grafik kelinearan cacahan pada

demikian fasilitas DAC pada sound card juga

setiap kanal diperlihatkan pada Gambar 10.

card

keluaran

akan

filter

DAC

mendigitalisasi

tersebut

yang

oleh

berupa

dapat dimanfaatkan untuk memperdengarkan sinyal audio pencacahan yaitu dengan cara menghubungkannya pada speaker. Bentuk pulsa keluaran sound card USB dalam tampilan Theremino MCA diperlihatkan pada Gambar 9.

Gambar 10. Grafik kelinearan pencacahan Adapun

uji

kestabilan

pencacahan

dilakukan dengan mencacah sinyal dari generator

pulsa

pada

frekuensi

tertentu

dengan variasi tegangan pulsa. Pada setiap variasi dilakukan pencacahan sebanyak 21 kali (minimal 10 kali). Tingkat kestabilan Gambar 9. Pulsa keluaran sound card USB

pencacahan diukur dari nilai chi-square (2). Spektrometer gamma dinilai baik jika untuk

Uji kelinearan dan kestabilan pencacahan Untuk

mengetahui

unjuk

jumlah pengulangan pencacahan 21 kali pada kerja

spektrometer gamma ini dilakukan uji unjuk

rentang nilai probabilitas 0,1 sampai 0,9 memiliki nilai 2

antara 13,24 < 2 <

kerja terhadap dua aspek yaitu uji kelinearan PTKMR-BATAN, Universitas Indonesia, KEMENKES-RI, Universitas Pakuan

79


28,41[6]. Nilai chi-square tersebut dihitung

komputer ini akan menganalisis pulsa untuk

menggunakan persamaan;

ditempatkan

ke

berdasarkan

tinggi

(𝑋𝑖 − 𝑋)2 𝑥2 = 𝑋

dalam

tegangan

Pencacahan sumber radioaktif perangkat

ini

kanal-kanal pulsa.

137

menghasilkan

Cs dengan tampilan

spektrum gamma sebagaimana diperlihatkan (1) dengan

Xi

adalah

pada Gambar 12, 13, dan 14. nilai

cacah

setiap

pengukuran dan 𝑥 adalah nilai rata-rata cacahan. Dari hasil pencacahan diperoleh grafik kestabilan cacahan pada setiap kanal diperlihatkan pada Gambar 11.

Gambar 12. Pengujian pencacahan sumber radioaktif 137Cs (point source)

Gambar 11. Grafik kestabilan pencacahan Dari hasil pencacahan sebanyak 21 kali pada setiap variasi tegangan pulsa diperoleh nilai 2 yaitu 27,9 - 28,2. Nilai 2 tersebut masih berada dalam rentang 13,24 < 2 < 28,41. Oleh karena itu dari hasil uji kestabilan pencacahan

menunjukkan

Gambar 13. Tampilan spektrum 137Cs dengan Theremino MCA

bahwa

spektrometer gamma hasil pengembangan ini memiliki unjuk kerja yang baik. Pencacahan sumber radioaktif Pulsa keluaran sound card USB untuk selanjutnya diproses oleh program Theremino MCA menjadi tampilan spektrum. Program PTKMR-BATAN, Universitas Indonesia, KEMENKES-RI, Universitas Pakuan

80


pengukuran

radioaktivitas

gamma

baik

dengan sampling maupun secara in-situ. V. UCAPAN TERIMA KASIH

Ucapan terima kasih disampaikan kepada Mr K. Endoh Sugihara atas diskusi dan pemberian makalahnya. Kepada Mr. Steven Sesselmann dan rekan-rekan yang tergabung dalam Gambar 14. Tampilan spektrum Fitzpeaks NaI

137

Cs dengan

[email protected] atas diskusi dan tukar pengalamannya. Kepada

IV. KESIMPULAN

Mr. Alessio dan Mr. Jim Fitzgerald atas

Spektrometer gamma portabel berbiaya murah

telah

memanfaatkan

dikembangkan sound

card

USB

dengan yang

berfungsi sebagai penguat dan ADC. Dari serangkaian

uji

yang

dilakukan

dapat

penggunaan program Theremino MCA dan Fitzpeaks NaI. Juga kepada bapak Zainal Arifin atas ijin penggunaan ratemeter TA PRS-5 untuk dimanfaatkan sumber HV portabelnya.

disimpulkan bahwa spektrometer gamma portabel hasil pengembangan memiliki unjuk kerja yang baik. Oleh karena itu spektrometer gamma portabel ini dapat diaplikasikan untuk

DAFTAR PUSTAKA 1. Sugihara K., Satoshi N. Nakamura, Nobuyuki Chiga, Yuu Fujii, Hirokazu Tamura, Development of the low-cost multi-channel analyzer system for -ray spectroscopy with a PC sound card, Am. J. Phys. Vol.81, No.10, October 2013, 792 – 797. 2. http://www.theremino.com/downloads/radi oactivity

6. Holnizar dan Agung Agusbudiman, Uji kestabilan pencacah radiasi dose calibrator, Prosiding pertemuan dan presentasi ilmiah fungsional teknis non peneliti, 18 Desember 2008, 228 – 236. TANYA JAWAB 1. Penanya : Tatin RH Pertanyaan : -

3. http://www.gammaspectacular.com/softwa re-downloads/becqmoni

dikembangkan pernah dikomparasi dengan spktrometer gamma yang telah

4. http://www.physics.usyd.edu.au/~marek/pr a/index.html 5. http://www.jimfitz.demon.co.uk/fitzpeak.ht m

Apakah Spetrometer gamma yang

diproduksi secara komersial? Jawaban : -

Belum pernah


81

PENGEMBANGAN SPEKTROMETER GAMMA PORTABEL BERBIAYA MURAH MENGGUNAKAN SOUND CARD USB

Recommend Documents