PERENCANAAN
DAN
PEMBUATAN
SUATU
"INVERTED
FILTER
NEUTRON
SrEKTROMBTBR", Marsongkohadi, I.T.B.
Departemen
Fisika,
Karsono
Linggoatmodjo
BATAN
-
Pusat
dan
BATAN
Reaktor
Atom
Bandung
Reaktor
Atom
Bandung
-
Pusat
Reaktor
Atom
Bandung
dan Zuharli
Amilius
BA TAN
-
Pusat
Abstrak
PERENCANAAN DAN PEMBUATAN SUATU "INVERTED FILTER NEUTRON SPEKTROMETER". Untuk pcnelitian dengan menggunakan teknik hamburan neutron inclastik, sedang dibuat suatu "inverted Filter Neutron Spektrometer". Alat inilah yang paling sesuai untuk reaktor berdaya rendah. Berkas neutron dengan penampang 5 em x 5 em, dipantulkan oleh bidang-bidang II) dari kristal tunggal Cu, guna memprodusir neutron monochromatik. Energi neutron datang dapat dirubah-rubah dari 20 - 150 meV. Sample yang akan diselidiki berada 120 em dari monochromator. Sebuah Soller slit ditaruh diantara monochromator dan sample. Sudut hamburan dapat dirubah-rubah sampai 1050. Pencacahan neutron dilakukan dcngan sebuah pencacah BF3 dan dipasang vertikal. Dimuka pencacah BF3 dipasang sebuah filter BeO yang panjangnya 20 em. Energi rata-rata dari filter "cut-off' ialah 2.5 meV. Keuntungan dan kerugian spektrometer ini dibahas. Kemungkinan penggunaan Spektrometer ini untuk penelitian diberbagai bidang diutarakan.
0
1.
Pendahuluan:
Dengan ditingkatkannya daya reaktor TRIGA MARK II menjadi I MW, maka terbukalah suatu bidang penelitian baru yang dapat dilakukan di Pusat Reaktor Atom Bandung, yakni penelitian "Condensed Matter" dengan teknik hamburan neutron inelastik. Biasanya teknik ini dilakukan dengan suatu Spektrometer yang dapat meng- . analisa energi neutron yang dihamburkan oleh sample, atau dengan perkataan lain dapat menentukan penampang hamburan differensial bcrganda (double differential cross-section). Hal ini dilakukan misalnya dengan Triple Axis Spectrometer, dimana energi neutron yang dihamburkan dianalysir dengan sebuah kristal tunggal (analysat6r). Akan tetapi dengan memakai dua kristal tunggal (satu untuk monochromator dan satu untuk analysator intensitasnya menjadi turun sekali. Hal ini bukan persoalan yang serious untuk reaktor yang berdaya tinggi. Akan tetapi untuk TRIGA MARK II yang berdaya 1 MW, Triple Axid Spectrometer tak mungkin dipakai. Cara lain untuk menganalysa energi ialah dengan methoda Time-of-Flight Spectroscopy, tetapi ini membutuhkan peratalan elektronik yang rumit dan maha!. Yang paling cocok untuk reaktor kita ialah suatu Spektrometer yang dapat menganalysa energi neutron yang dihamburkan dengan suatu "filter detector" yang tidak menurunkan intensitasnya secara serious dan mempunyai resolusi yang cukup baik. Untuk 124
ini maka suatu
"Inw-t('d
Filter
Neutron
Spektrometer"
sedang
dibuat.
a. In-pile collimator. b. Monochromator & Monochromator
Shield.
c. Specktrometer d. Filter detector (analysator). e. Counting system. Marilah kita bahas peralatan pokok itu satu persatu: a. In-pile Collimator: In-pile Collimator dipasang didalam ยท'brem port" dengan maksud untuk mendapatkan berkas neutron yang terkolimasi dengan ukuran penampang yang dikehendaki. Akan tetapi dengan adanya collimator tersebut fluks neutron sangat menurun. Bermacam-macam design dari Collimator telah dikemukakan untuk mencacah penurunan fluks yang drastis apabila neutron dari teras (core) reaktor melaluinya. Salah satu design yang kami pandang cukup baik ialah dengan menggunakan polykristal grafitsebagai monochromator yang dipasang dekat teras. Bagannya dapat dilihat pada gambar. 2. Sebuah pcnghalang berbentuk kerucut terbuat dari baja dan timbal, sebagai penghalang neutron dan sinar gamma; dipasang sedalam mungkin didalam beam port sehingga menghasilkan berkas neutron yang berbentuk konis. Berkas itu dijatuhkan pad a monochromator. Berdasarkan perhitungan dapat ditunjukkan bahwa untuk grafit dengan puncak kerucut 200, fluks neutron berbcntuk Maxwellian yang dihamburkan oleh grafit tersebut (refleksi pad a bidang 002) menghasilkan berkas dengan panjang gelombang 1.16 Ao. Kontaminasi neutron dengan panjang gelombang 0.70 K hanya 5%.
Selain dari itu system ini juga menunjukkan adanya kcnaikan fluks. Gambar 3 menunjukkan perbandingan fluks apabila system ini dipakai dan tanpa system tersebut. b. Monochromator
& Monochromator
Housing.
Monochromator yang dipakai adalah kristal tunggal Cu (111), yang ditaruh diatas meja monochromator. Meja ini dapat berputar secara otomatis dengan steps 15' atau 7.5'. Sudut monochromator dapat dibaca pada skala dengan vernier dengan ketelitian yang tinggi. Perputaran meja monochromator digandeng (coupled) dengan monochromator shield dengan perbandingan I : 2. ladi setiap kali monochromator berputar dengan sudut theta Soller collimator yang dipasang pada monochromator shield turut berputar dengan sudut 2 theta. Ini menjaga supaya setiap berkas neutron yang dipantulkan oleh kristal Cu (Ill) melalui Soller collimator, dan jatuh pada sample yang akan diselidiki. Konstriksi dari Monochromator housing hampir sama dengan Monochromator housing dari double Axis Spectrometer. Perbedaannya ialah bahwa drum yang ditengah ikut berputar pada waktu percobaan berjalan. c. Spectrometer: Spektrometer ini terdin dari sumbu pertama dan sumbu kedua. Pad a sumbu-sumbu itu masing-masing dipasang meja monochromator dan meja kristal (sample).
125
Kedudukan monochromator dan sample dapat dibaca dad skala dan vernier. Kedua meja itu dapat berputar secara independent. Bagian-bagian dari spektrometer Bombay, India.
ini sedang dibuat di Bhabha Atomic Research Centre,
d. Filter detector (Analysator) 2 Untuk filter dipakai BeO berupa balok dengan penampang 4 x 4 em dan panjangnya 20 em Energi "cut-off" rata-rata ialah 2.5 meV, sehingga resolusi energinya lebih baik dari pad a filter beryllium. Dibelakang filter tersebut dipasang pencacah BF3 secara vertikal. Panjang pencacah tersebut 15 em dan diameternya 5 em. System fUter dan pencacah ini ditaruh didalam "Detector Shielding". e. Counting system. Spektrometer ini memakai dua saluran pencacah, yakni pencacah monitor dan pencacah utama yang mencacah neutron yang dihamburkan oleh sample. Pencacahan neutron yang dihamburkan dinormalisir terhadap "preset count" dari monitor. Hal ini dimaksudkan untuk menghindari pengaruh fluktuasi daya reaktor pacta pencacahan. Diagram blok dari counting system tersebut dapat dilihat pacta gambar 4.
H. V
I i
BF3 COUNTER
BF3
MAIN DETECTOR
MONITOR
Pre ampl
Ampl
Ampl
Printing
Decade
Scaler
Scaler
Printer
Control Unit
Gambar 4
Diagram blok system pencacah 126
Spectrometer
2.
Prinsip Dasar suatu "Filter Detector Spectrometer".
Filter Detector Spectrometer pertama kali dibuat oleh Brockhouse et al (I, 2). Prinsipnya dapat dilihat pada gambar 1.
==:J
BF3
Gambar 1 Bagan "Filter Detector Spectrometer"
Suatu berkas neutron monochromatik yang clihasilkan oleh satu kristal tunggal, dapat dirubah-rubah energinya. Neutron itu, setelah melalui Soller slit jatuh pada sample yang akan diselidiki. Neutron yang dihamburkan dicacah dengan suatu pencacah BF3 yang didepannya dipasang sebuah blok beryllium sebagai filter. Karena cut-off energy dari beryllium ialah 0.005 eV maka hanya neutron dengan energi kurang dari 0.005 mV dapat masuk kedalam pencacah. Perpindahan energi (energy Eo -
transfer) dapat dituliskan,
< E' > )
....................................... (I)
) ~ Eo - 0.003 eV
>
dimana Eo energi neutron datang, <E' adalah "cut-off energy" rata-rata. Perpindahan energi ini dibarengi dengan perpindahan momentum (momentum transfer)
.....
..
ko- k'
Q
+
......................................... (2)
+
dimana ko dan k masing-masing vektor gelombang datang dan dihamburkan. Pencacahan neutron yang dihamburkan dinormalisir terhadap "pre-set count" dari monitor dan dapat ditentukan dari: N(Eo)
= C -<'>f R(e - Eo) de
S(E - e) dE
adalah fungsi distribusi neutron datang ditentukan instrumen ..
(3) oleh resolusi 127
S(E)
adalah fungsi distribusi neutron yang dihamburkan.
Ef
"cut-off'
energy dari filter.
Untuk merubah-rubah Eo maka monochromator diputar secara selangkah-selangkah (steps) dan untuk menjaga geometry yang tetap dari ham buran, maka setiap perubahan monochromator diikuti perubahan meja sample dengan perbandingan sudut I : 2. Spektrum dari neutron yang dihamburkan didapat dengan mencatat intensitas neutron yang dihamburkan (yang dicatat oleh filter detector) sebagai fungsi dari perpindahan energi (berbandingan lurus dengan sudut monochromator). Puncak-puncak teIjadi apabila Eo - h v j = <Ef> dimana
Eo
]
V'
<Ef>
(4)
energi neutron datang frakwensi dari mode ke
j dimana neutron memberikan energinya.
energi rata-rata dari cut-off
'"
0.003 eV.
Oleh karena neutron yang dipakai adalah neutron thermis dan sample biasanya didinginkan pad a suhu nitrogen cair, maka methode yang dipakai ialah methode "energy loss". Dalam methode ini neutron datang memberikan sebagian energynya pada' system vibrasi/rotasi sample. Keuntungan dan kerugian dari Filter detector Spectrometer ini ialah: Keun tungan-k eun tungan: I. 2.
Konstruksi dapat sederhana seperti Double Axis Spectrometer. Effisiensi dari system analysator (filter detector) konstan sehingga intensitas yang dicatat tak perlu dikoreksi dengan fungsi kepekaan dari system analysator.
3.
Karena methoda "energy loss' yang dipakai maka perpindahan energi yang cukup tinggi tetap dapat diamati. Berbeda dengan methoda". energi gain" dimana besarnya perpindahan energi yang diamati dibatasi oleh faktor populasi exp ( IkT).
4.
Keadaan percobaan dapat diatur sedemikian rupa sehingga pencacah dapat mencakup sudut ruang yang lebih besar sehingga intensitasnya bertambah. Penggunaan filter detector dapat mengurangi kontaminasi neutron orde tinggi.
5. 6.
Apabila pencacah monitor mempunyai fungsi kepekaan I lv, maka ia dapat melenyapkan faktor k Ik dari penampang hamburan differensial sehingga hanya didapat hukum hambu
Kerugian-kerugian: I.
Resolusi alat kurang.
2.
Karena vektor gelombang yang dihamburkan kecil, maka besarnya perpindahan momentum terbatas, untuk suatu perpindahan energi tertentu.
3.
Perpindahan energi yang besar menyebabkan adanya proses multi phonen.
3.
Instrumentasi: Peralatan pokok dari suatu "Inverted Filter Neutron Spectrometer"
128
ialah:
Selama percobaan dengan spektrometer (sudut hamburan phi) dipasang tetap. Monochromator berputar secara diskontinu, berdiam pada suatu posisi sampai saat dimana pencacah monitor mencapai "pre-set count". Dalam interval waktu inilah pencacah utama mencacah neutron yang dihamburkan, mencetak (print) dan mereset, kedua scaler "(monitor scaler dan printing scaler). Monochromator berputar pada stop berikutnya dan kedua scaler distart, dan seterusnya. Kerjasama antara spektrometer diatur oleh Control unit.
dengan kedua counting system ini
Skema dari control unit tersebut dapat dilihat pada gambar 5. 4.
Kemungkinan-kemungkinan pemakaian "Filter tuk penelitian diberbagai bidang. a. Spektroskopi
MolekuljDynamika
Detector Spectrometer"
un-
Molekul dalam Kristal.
Energy-loss Neutron Spectroscopy" dengan menggunakan "Filter Detector Spectrometer" telah banyak dipakai dalam Spektroskopi Molekul. Zat-zat yang diselidiki terutama yang mengandung atom hydrogen, karena penampang hamburan inkoherennya sangat besar. Ketiga tehnik, Spektroskopi Infra Merah, Spektroskopi Raman dan Spektroskopi Neutron, saling bantu-membantu (complementary) dalam memecahkan persoalan Spektroskopi Molekul. Suatu review yang lengkap mengenai ini ditulis oleh l.W. White. (3) dari ion NH+4 dalam Technique" amonium-halide denganDynamika menggunakan "Filter Detector (4). telah diungkapkan Venkataraman et al (4) bahkan dapat memisahkan puncak yang timbul dari anharmonisitas dengan menggunakan suatu filter detector khusus yakni window filter. Gerak librasi dari molekul H")O dalam crystal hydrates telah dapat diselidiki dengan "Filter Detector Spec." oleh Thaper et al (5, 6) Dengan menggunakan sample kristal tunggal dimana ~ dapat diatur sehingga: sejajar atau tegak lurus pada vektor H-H, mereka dapat mengindentifisir gerak rocking, twisting dan waving. b. Penelitian dibidang zat cairo Bersama-sama dengan Rotating Crystal Spectrometer, Filter Detector Spectrometer dapat dipakai untuk menyelidiki zat cairo Liquid Zinc telah di selidiki dengan tehnik ini. Suatu penjajagan kemungkinan pemakaian tehnik ini diketemukan dalam "Seminar" ini. c. Pengukuran Fonon (Dynamika kisi). Pengukuran fonon-fonon berfrekwensi tinggi biasanya sulir dilakukan dengan Triple Axis Spectrometer apabila reaktor yang dipakai berfIuks medium. Pada permulaannya orang berpendapat bahwa "Filter Detector Spectrometer" tak mungkin dipakai, karena ketidak pastian dari vektor k' (disebabkan karena sifat dari filter), menyebabkan sulitnya menentukan besar dan arahnya vektor gelombang fonon. ~ Akan tetapi apabila kita dapat memilih k' effektip, penggunaan filter detector dapat dilakukan dengan baik. Teknik ini peitama kali dilakukan oleh Bergsma, (7) kemudian juga oleh Haywood dan Collins.(8) 129
Dengan menggunakan filter BeO maka k' berkorespondensi dengan energi 2.5 meV. Pengukuran-pengukuran "Optical modes" dari kurva dispersi dengan dalam cara "Constant Q" dandan "Constant dilakukan [OOO~J [O~~OJ E" telah dan juga untuk untuk CaO Beryl(10) liumW), arah dalam arah [100], [110 J. [Ill ] . Hasilnya sangat memuaskan. Catatan : Gambar-gambar: 2, 3 dan 5 harap dilihat halaman berikut. KEPUST AKAAN : 1.
Brockhouse, B.N. Sakamoto, M, Sinclair, R.N. Woods, A,D,B, Bull. Phys.Soc. 5 (1960, 373.)
2.
Woods, A.D.B, Brockhouse, B.N., Sakamoto, N, and Sinclair, R.N. Proc. Symp "Inelastic Scattering of Neutrons" Vienna, 1960, 487.
3.
J .W.
4.
Venkataraman, G, Usha Deniz,K, Iyengar, P.K, Roy, A.P. Vijayaraghavan pPR J .Phys.Chem.Solids 27, 1103 (1966).
White, Proc. Symp. "Inelastic Scattering of Neutrons" Grenoble, 1972.
5.
C.L. Thaper, A.Sequera, B, A.Dasannacharya, and P.K. Iyengar, Phys. Stat. Sol. 34,279, (1969).
6.
C.L. Thaper, B.A. Dasannacharya, A. Sequera, P.K.Iyengar, Solid State Comm. 8, 497, 1970.
7.
Bergsma, Petten Report RCN-121, 1970.
8.
Haywood and Collins, Harwell report, AERE-PRjPMD2, 1970.
9.
c.L. Thaper, B.A. Dasannacharya, Srinivasan; Mithani, Iyengar, Annual Report, N.P.D. 1970, Bhabha Atomic Research Centre, 81.
10.
Vijayaraghavan, P.R., Marsongkohadi, and P.K.Iyengar, Proc.Symp. "inelastic Scattering of Neutron", Grenoble, 1972.
DISKUS1: IJOS SUBKI: Apakah performance dari Inverted Filter Spe.ctrometer dapat diperbaiki dengan operasi pada pulsing mode. MARSONGKOHADI : Memang benar dengan "pulsed reactor" kita mendapat fluks yang jauh Iebih tinggi, sehingga pengukuran intensitas Iebih teliti. Akan tetapi "pulsed reactor" Iebih cocok digunakan dengan "Time-of-Flight" Spectroscopy, dimana kita tidak usah menggunakan chopper Iagi. BAMBANG PERMADI: Bagaimanakah pendapat pembicara pada kemungkinan digunakannya neutron guide tube di TRIGA kita bandingkan dengan time of flight maupun BDS.; dilihat dari sudut keuntungan teknis penelitian maupun pembiayaan. MARSONGKOHADI: Neutron guide tubes sangat sulit pembuatannya dan mahal sekali harganya. Menurut Saudara Djajusman yang pernah bekerja dengan alat ini, harganya US.$ ~OO,- per meter, sedangkan yang dibutuhkan sampai 140 meter. Teranglah bahwa ini diluar kemampuan kita. 130
