PROSIDING SEMINAR PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR Pusat Teknologi Akselerator don Proses Bahan Yogyakarta, 28 Agustus 2008
MODIFIKASI SINGLE CHANNEL ANALYZER MENGGUNAKAN LM-311 SEBAGAI KOMP ARA TOR Jumari, Djuningran, Nurhidayat S Puslitbang Teknologi Maju - BATAN Yogyakarta
ABSTRAK
MOlJlFIKASI SINGLE CHANNEL ANAL YZER MENGGUNAKAN LM311 SEBAGAI KOMPARA TOR. Telah dilakukan modifikasi Single Channel Analyzer (SCA) dengan menggunakan IC LM311 sebagai komparator. IC komparator SCA yang lama menggunakan IC LM710, sedangkan IC tersebut sudah langka dan tidak ada dipasaran lokal, maka dari itu harus dicari IC tipe lain dengan karateristik yang sama sebagai pengganti. SCA yang dibuat terdiri dari rangkaian pembagi dua, Uper Level Discriminator, Lower Level Discriminator, dan rangkaian pembentuk pulsa. Pelaksanaan kegiatan meliputi review disain, pembuatan dan pengujian. Pengujian rangkaian dilakukan dengan menggunakan generator pulsa dan sumber radiasi standar Co-60 dan Cs-137. Dari data hasil pengujian menggunakan generator pulsa menunjukkan bahwa SCA sudah berfungsi dengan baik dan mempunyai amplitudo 4V serta lebar pulsa 5 jJS. Dari data hasil pengujian seluruh sistem dengan mengguna kan sumber radiasi standar didapatkan hasil untuk Co-60 letak tenaga ada dua, pertama pada 5,7 V dengan angka cacahan 730 cacah/10detik dan yang kedua pada 6,4 V dengan angka cacahan 631 cacah/10detik. Sedangkan letak tenaga sumber radiasi Cs-137 pada 3,2 V dengan cacahan 3205 cacah/10detik. Dari hasil uji fungsi dapat diketahui bahwa SCA yang dibuat telah berfungsi dengan baik dan memenuhi standar yang ditentukan dalam instrumentasi nuklir. ABSTRACT
MODIFICATION OF THE SINGLE CHANNEL ANALYZER USING IC LM311 AS CONIPARATOR. Modification of SCA using IC LM311 as comparator have been done. SCA is obsolent presently, therefore it should be find out the other IC type with similar characteristic for replacing the IC LM710. The constructed SCA consits of devicfer circuit, uper lever discriminator, lower lever discriminator, and pulse shaping circuit. Modification activity consists of design review, construction and function test. The circuit test was done by using pulse generator and standard radiation source Co60 and Cs-137. The test done using pulse generator shown that the SCA is running well with the amplitude of 4V, pulse width 511S.The test done by using radiation source it is shown that for Co-60 there are two energies, namely at 5. 7V with 730 count/10 seconds and at 6.4V with 631 count/10 seconds. Where as for Cs-137 the energy at 3.2V with 3205 count/10 seconds. From the test done it is concluded that the SCA is functioning properly and fulfilled the standard of nuclear instrumentation.
PENDAHUlUAN
Da'am bidang sumber penelitian,radiasi industri, yang radiografi dan radiologi banyak digunakan adalah radiasi sinar gamma, dan untuk keperluan pengukuran intensitas dan tenaga radiasi gamma tersebut dibutuhkan sistem spektrometer gamma. Perangkat elektronik pada sistem
Jumari, dkk.
spektrometer gamma ini terdiri dari detektor Nal (Tl), Pre Amplifier, Linear Amplifier, Single Channel Analyzer, Counter dan Timer serta Penyedia Daya Tegangan Tinggi DC dan Penyedia Daya Tegangan Rendah DC. Mekanisme deteksi radiasi adalah sinar radiasi gamma oleh detektor Nal (TI) akan dirubah menjadi pulsa listrik kemudian dimasukkan ke Pre Amplifier untuk
ISSN 1410 - 8178
443
PROSIDING SEMINAR PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR Pusat Teknologi Akselerator don Proses Bahan Yogyakarta,
28 Agustus 2008
dikuatkan tinggi pulsanya menjadi ratusan mV dan dibentuk menjadi pulsa "semi Gaussian". Pulsa semi Gaussian dimasukkan ke Amplifier untuk dikuatkan tinggi pulsanya menjadi maksimum 10 V dan dibentuk menjadi pulsa "Gaussian" [I). Setelah bentuk pulsa menjadi Gaussian kemudian dimasukkan ke SCA untuk dianalisa tinggi pulsanya dan dirubah menjadi pulsa digital dengan tinggi pulsa 3V - 5V dan lebar pulsa 5 ~S [2). Pulsa tersebut dimasukkan ke Counter yang sudah dilengkapi dengan Timer, untuk dicacah berapa pulsa radiasi yang ditangkap oleh detektor persatuan waktu. Setelah pulsa keluaran amplifier tersebut dianalisa maka akan dapat diketahui berapa intensitas dan tenaga radiasi gamma dengan cara melihat hasil cacahan pada Counter dan dibuat gambar spektrum dari sumber radiasi Cs-137 dan Co-60 tersebut. Sistem spektrometer gamma untuk pengukuran tenaga radiasi yang saat ini banyak digunakan adalah buatan "ORTEC" dan "CANBERRA", dimana kedua merk tersebut sudah terbukti berkualitas baik tetapi untuk pengadaan kedua merk perangkat elektronik tersebut memerlukan biaya yang sangat mahal, disamping itu apabila alat tersebut mengalami kerusakan maka untuk pengadaan komponen elektronik yang rusak sangat sulit karena komponennya sangat specific dan kebanyakan tidak ada dipasaran lokal. Karena hal tersebut maka telah dilakukan modifikasi dari sebagian Sistem Spektrometri Gamma, bagian yang dimodifikasi adalah SCA, yang mana fungsi SCA adalah untuk menganalisa tinggi pulsa keluaran linear amplifier yang merupakan pulsa Gaussian keluaran detektor yang sudah mengalami penguatan. Dalam kegiatan modifikasi SCA ini meliputi review design, pembuatan dan pengujian. Review design dititik beratkan pada bagian komparator yang tadinya menggunakan IC LM-71O diganti dengan IC r;ang mempunyai karateristik sarna yaitu LM-311 3), langkah selanjutnya adalah pembuatan dan pengujian spesifikasi teknis yang telah ditentukan. Dalam pengujian dilakukan dengan menggunakan generator pulsa dan sumber radiasi standar dan dari data hasil pengujian menunjukkan bahwa SCA hasil modifikasi telah berfungsi dengan baik sesuai standar yang ditentukan. Dengan telah berhasilnya dilakukan modifikasi SCA tersebut maka manfaatnya sangat besar yaitu dapat memanfaatkan komponen lokal dan mudah untuk mendapatkannya, kualitas hasil produk cukup baik dan ORalat tersebut telah terbukti dapat berfungsi secara efektif dan efisien. Efektif karena dapat berdaya guna dan berhasil gun a, serta efisien karena alatnya sangat sederhana dan harganya jauh lebih murah dibandingkan dengan kalau harus beli dari luar negeri.
DASAR TEORI Single Channel Analyzer merupakan bagian utama pada sistem Spektrometri y. Adapun blok diagram rangkaian SCA adalah seperti terlihat pad a Gambar I. ·sv UL
SCA
INPUT
CN~J:::---...
OUTPUT
LL
Gambar I. Blok diagram timing single channel analyzer Pada blok diagram gambar 1 terlihat bahwa tiap pulsa input dilengkapi kedua diskriminator Lower Level (LL) dan Uper Level (UL), dan tiap diskriminator membangkitkan sebuah pulsa keluaran jika masing-masing ambang melebihi sinyal masukan. Untuk operasi Integral LL berfungsi sebagai batas bawah sedangkan UL tidak digunakan, prinsipnya kalau ada pulsa yang tingginya diatas LL akan dilewatkan. Operasi Differential ada dua macam yaitu Differential Jendela dan Differential Normal. Pada operasi Differential Jendela LL berfungsi sebagai batasan bawah sedangkan UL berfungsi sebagi lebar jendela, dimana kalau ada pulsa masukan yang tingginya di atas LL sampai lebar jendela tertentu maka pulsa tersebut akan dilewatkan. Untuk operasi Differential Normal, LL berfungsi sebagai batasan bawah sedangkan UL berfungsi sebagai batasan atas, dimana kalau ada pulsa yang tingginya berada diatas LL sampai pada harga UL maka pulsa tersebut akan dilewatkan. Timing diagram cara kerja TSCA adalah seperti pada Gambar 2 :
-- --lLV
---------
DIFITRENTIAl SCAour
Ildl INTEGRAl.
SCAOUT
I DIFFERENTIAL
---
----
_n~ _ n ~ULV
UlOUT
.•
SL
•
IL rL
INTEGRAL
444
Gambar 2. Timing diagram pulsa input dan out put SCA
ISSN 1410 - 8178
Jumari, dkk
PROSIDING SEMINAR PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR Pusat Teknologi Akselerator don Proses Bahan Yogyakarta, 28 Agustus 2008 HASIL PENGUJIAN Pada timing diagram gambar 2 digambarkan dua kemungkinan kondisi pulsa input. Pertama adalah sebuah pulsa yang melebihi am bang Pengujian Single Channel Analyzer dengan Generator Pulsa LL tanpa melebihi UL, dan pulsa lainnya adalah pulsa yang melebihi kedua ambang. Jika dipilih Tabel I. Data hasil pengujian spesifikasi teknis operasi integral, sebuah pulsa keluaran SCA SCA dibangkitkan untuk setiap pulsa input pada saat Pulsa kotak positip kotak 4 Volt oositio pulsa input naik melintasi batasdiuji LLD. Jika dipilih diharapkan Tinggi Lebar pulsa pulsa pulsa 5Pulsa JlS Bagian yangHasil yang keluaran No. Sentuk keluaran -5 5JlS Volt Hasil4 pengukuran operasi differential 2. (salahkeluaran satu normal 1.ataujendela), 3. sebuah pulsa keluaran SCA dibangkitkan untuk pulsa pertama tapi tidak untuk pulsa yang kedua. Ambang LL dapat diatur dari 0 sid +10 V, sedangkan pengaturan ambang UL ditentukan oleh penetapan operasi. Bila ditetapkan pada operasi Integral maka UL tidak digunakan, sedang kan bila operasi differential Normal UL dapat diatur dari 0 sid + 10 V diukur terhadap ground. Bila operasi Tabel 2. Data hasil pengujian operasi integral ditetapkan pada posisi differential jendela maka UL dengan generator pulsa biasanya diatur 0 sid IV, diukur terhadap ambang ulsa masukar Respon SCA yang tinggi 986543,0 731. 09528,5 bawah Kesaulsa masuka -109.0 SCA terukur 5,5 3,95 ,0,5 --105,0 0,1 21,0 -102,0 -107,0 10 5,95 0,1-10 -10 7,5 2,5 -10 1,48-10 2,45 -10 0,5 6,5 9,5 9621038754.0 5,5 8,0 3,5 ,1-10 2,95 3,45 -(Volt) 10 8,5 1,5 7410 0,98 4,5 -~ 6,45-10 ,5 -10 ~ eluaran SCI Sentuk pulSe Respon tinggi ~an(o/c Aras
LL 7. 12. 4. 6. 16. 17. 18. 19. 5. 9. 14. 20. 10. 13. 8. 2. 15. 11. 3.
(Volt)
harapkan 1. (Vol No
TAT A KER.JA I. Review disain rangkaian PCB.
dan disain Lay Out
2. Pembuaum PCB Single Channel Analyzer. 3. Pengujian komponen yang akan dipasang baik pasip maupun aktif. 4. Pemasangan komponen pada PCB Single Channel Analyzer. 5. Pengujian sistem operasi SCA meliputi operasi Integral, Differential Jendela, dan Differential Normal dengan menggunakan sinyal masukan dari Pulse Generator berpolaritas positip dengan frekuensi I kHz. 6. Pengujian pencacahan dan analisa tinggi pulsa dengan menggu nakan sumber standard Cs-137. 7. Pengujian pencacahan dan analisa tinggi pulsa dengan menggunakan sumber standard Co-60. Alat yang dligunakan I. Pulse Generator model: GL-3. 2. Frequency Counter Kenwood model: FC-756. 3. Multimeter Digital model: Fluke-83 4. Oscilloscope 40 MHz Kenwood 40 MHz model : CS-5130. 5. Unit sistem spektrometri gamma model: NIM Modul ORTEC 401A.
Jumari, dkk.
ISSN 1410 - 8178
445
PROSIDING SEMINAR PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Yogyakarta,
28 Agustus 2008
Tabel 3. Data hasil pengujian operasi differensia! dengan generator pulsa, lebar jendela 0,1 Volt.
°SL SL SL
masukar Respon linggi bawah sa-Iaha 525,95SCA keluaran Pulsa lerukur 8654132ulsa 97 Seniuk 1,5 9,5 4,5 3,5 3,5 46,5 1,5-1 ,5 3,6 4,6 1,483,45,6 4,54,6 1,58 3,55 5,5 0,5 0,5 5,59,50,6 5,6 9,6 9,5 5,50,5-(Volt) 5,6 0,6 9,6 6,5 2-2,1 6,456,6 2,0-2,1 6,55 8,5 8,5 8,6 8,58,6 7,5 2,5 2,57,52,6 7,6 2,457,52,55 7,6 0,1 0,1 - 03,950,2 0,10,2 9-9,1 4-4,1 3-3,1 78-8,1 -7,1 2,959-9,1 78-8,1 -7,1 4,05 3,05 1-1,1 ,981,08 5-5,1 5-5,1 6-6,1 6,05 ("!o) Respon linggi pulsa masukan SCA harapkan (Vol Aras
9 7 13 12 11 10 8 24 21 22 25 23 18 20 19 2 32 29 34 27 4 14 15 16 17 28 35 3 26 33 30 6 5 31 36
Amplifier, Penyedia Daya Tegangan Rendah dan Tinggi DC, Counter dan Timer serta sistem NIM Modul. Tabel 5. Data hasil peneaeahan dengan sumber radiasi y Cs-137 Aktivitas Cs-137 = 10 flCi (tanggal pembuatan : 9 Januari 198 I), tanggal penguj ian = 29 April 2008, Sistem operasi Differensial Jendela (Window), Lebar jendela (Upper Level) = 0,1 Volt, Jarak sumber radiasi dengan detektor = 5 em. No.
Aras bawah, (Volt) 12 1370 1060 895 722 677 664 1064 635 3205 68 693 1024 623 624 647 872 522 148 320 134 192 3 1102 1857 460 333 942 916 125 2542 12 1437 19Cacah/10detik 165 1008 952 1,3 1,5 0,8 1,7 0,3 0,2 3,7 3,5 1,9 2,2 2,3 2,4 3,4 1,1 1,2 1,4 0,9 1,6 1,8 2,1 2,6 2,5 3,3 2,9 3,2 0,4 0,5 2,8 2,7 0,7 3,1 0,6 3,6
1
Tabel 4. Data hasil pengujian operasi differensial nonnal dengan generator pulsa.
r
Aras pulsa Tinggi pulsa pul han Kesa(Ofc AI fTinggi asukan SCA enluk keluaran No I bawah (Vall) ras (Vall) yang SC masukan lerukur (Volt) SCA dihara kan
1
1
2
1 1 1 1 1 1 1 1
1
10
1-10
213 314 415 516 617
718 819 9
2 3 4 5 6 7 8 9
0,96- 2,0 0,96- 2,96 0,96- 3,96 0,96-5,0 0,96- 5,96 0,96-7,0 0,96- 8,0 0,96- 9,0
4 4 4 4 4 4 4 4
0,96-9,96
4
Pengujian SCA Menggunakan Radiasi Cs-137 dan Co-GO.
Sumber
Pad a pengujian SCA dengan sumber radiasi ini SCA dilengkapi dengan detektor NaI (TI), dan perangkat "ORTEC" seperti Pre Amplifier, 446
Dari data hasil pengujian Tabel 5 dengan sumber radiasi y Cs-137 kemudian disajikan dalam bentuk spektrum seperti pada Gambar 3.
ISSN 1410 - 8178
Jumari, dkk
PROSIDING SEMINAR PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Yogyakarta,
28 Agustus 2008 No.
77 71 44 78 80 76 73 72 70 69 68 66 64 63 59 58 49 54 57 48 45 47 56 46 37 41 42 43 39 35 79 74 75 67 65 60 61 62 52 50 51 53 55 38 36 40
19 20 21 18 17 25 7 29 42 132 60 453 251 631 199 220 446 5 260 255 388 600 730 267 285 396 4 382 Cacah/10detik 380 8 19 16 6 160 350 563 266 315 847 337 313 403 411 397 404 400 413 369 7,7 7,6 7,3 5,5 3,5 7,9 8,1 7,8 7,4 7,5 7,2 7,1 6,9 6,7 6,8 6,5 6,6 6,1 6,2 6,3 6,4 5,9 5,8 4,9 5,1 5,2 5,3 5,4 5,6 5,7 4,6 4,7 4,8 4,2 4,3 4,4 4,5 3,8 3,9 3,6 3,7 Aras bawah 4,1 (Volt)
34
1000
o o
0,$
1,5
__
1
2.5
(v.~)
Gambar 3. Spektrum sumber radiasi standar Cs-137 Letak tenaga radiasi y Cs-137 pada 3,2 Volt (3205 eaeah/IO det). Tabel 6. Data hasil peneaeahan dengan sumber radiasi y Co-60. Waktu peneaeahan = 30 April 2008, Jarak sumber radiasi dengan detektor = 0, I em No.
499 3 364 380 361 366 375 391 372 394 389 382 408 416 445 443 472 565 547 513 12 537 629 556 457 572 568 563 527 370 374 390 387 Cacah/10detik 2,9 3,1 2,4 1,3 1,4 0,5 0,6 0,9 3,3 3,4 3,2 2,8 2,7 2,6 2,5 2,3 2,1 2,2 1,9 1,8 1,6 1,5 0,8 1,2 0,2 0,3 0,4 0,7 1,1 1,7 Aras bawah (Volt)
Dari data hasil pengujian peneaeahan pada Tabel 6 dengan sumber radiasi y Co-60 kemudian disajikan dalam bentuk spektrum seperti terlihat pada Gambar 4.
Jumari, dkk.
ISSN 1410 - 8178
447
PROSIDING SEMINAR PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Yogyakarta,
28 Agustus 2008
9'YJ
KESIMPULAN
-!OO
Dari data hasil pengujian dalam modifikasi Single Channel Analyzer dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut : I. Dalam pembuatan SCA dari hasil pengujian dan pembahasan terbukti bahwa SCA yang dibuat telah berfungsi dengan baik dan telah dapat dipakai untuk menga'1alisa tinggi pulsa, dan membentuk menjadi pulsa kotak dengan lebar pulsa 5 /lS, tinggi pulsa 4V, baik pulsa dari generator pulsa maupun sumber radiasi .
• 5 •••••e•••••• IV"'"
2. Gambar 4. Spektrum sumber radiasi standar Co - 60 Letak tenaga radiasi puncak I pada 5,7 V (730 cacah/IO detik), dan puncak 2 pada 6,4 V (631 cacah/IO detik). PEMBAHASAN I. Pada pengujian SCA dilakukan dengan menggunakan Generator Pulsa dan menggunakan Sumber Radiasi Standar Cs-137 dan Co-60. Keluaran pulsa output SCA berbentuk pulsa kotak positip dengan tinggi pulsa 4 Volt dan lebar pulsa 5 /lS dan hal itu sudah sesuai dengan yang diinginkan. 2. Untuk pengujian operasi Integral dari harga LL = 0,1 V sampai dengan 9,5 V terjadi kesalahan rata-rata = (2+2+5+5+5+5+5+5)% / 20 = 1,7%. 3. Pada pengujian operasi Differential Jendela UL diset pada 0, I V kemudian diteruskan dengan pengaturan LL dari 0,1 V sampai dengan 9,5 V, terjadi kesalahan rata-rata sarna dengan pada operasi integral sebesar 1,7%. 4. Pada pengujian operasi Differential Normal disini antara LL dan UL berdiri sendiri-sendiri (independent), dalam hal ini kalau ada pulsa yang tingginya diantara LL sampai dengan UL maka pulsa terse but akan dilewatkan dan dari hasil pengujian didapatkan kesalahan rata-rata sebesar 4 %. 5. Dari pengujian analisa tinggi pulsa untuk mencari letak tenaga dan intensitas sumber radiasi standar Cs-137 dari Gambar 3 didapatkan bahwa letak tenaga sumber radiasi y standar Cs-137 pada 3,2 Volt dengan angka cacahan sebesar 3205 cacah/lOdetik. 6. Kemudian dari pengujian analisa tinggi pulsa untuk mencari letak tenaga dan intensitas sumber radiasi standar Co-60 dari Gambar 4 spektrum Co-60 didapatkan bahwa letak tenaga sumber radiasi y standar Co-60 ada dua, pertama pada 5,7 Volt dengan angka cacahan 730 cacah/IOdetik dan yang kedua pada 6,4 Volt dengan angka cacahan 63 I cacah/I 0 detik.
448
Dengan melakukan desain ulang dalam rangka modifikasi Single Channel Analyzer ini maka tujuan kegiatan telah tercapai yaitu telah dapat memenuhi kebutuhan sebagian sarana dari sistem spektrometer gamma dengan memanfaatkan komponen lokal yang mudah dicari dipasaran sehingga dapat menghemat biaya yang begitu besar apabila dibandingkan dengan membeli SCA produk dari luar negeri.
UCAPAN TERIMA KASIH Diucapkan terimakasih kepada Bp. Juwarno, Bp. Bambang Sumanto staf BEM dan Nurhalis Majid mahasiswa teknik elektronika UNY dan pejabat struktural BEM-PT APB atas bantuan dan kerjasama yang baik sehingga kegiatan modifikasi SCA ini dapat beIjalan dengan lancar. DAFTAR PUSTAKA I. WISNU SUSETYA (1988), Sistem Spektrometri Gamma, Fakultas Tcknik UGM, Yogyakarta. 2. ORTEC (1991), Operating and Service Manual of Timing Single Channel Analyzer model 551, USA. 3. LINEAR DATA BOOK (1982), "National Semi Conductor" Santa Clara, California, USA 4. SUDIONO, dkk (2004), Petunjuk Praktikum Elektronika Nuklir, Bidang Studi Elektronika dan Instrumentasi, STTN BATAN, Yogyakarta. 5. ATOMITRON (1980), Buku Petunjuk Pemakaian dan Perbaikan TSCA DIN-482, PPBMI - BATAN, Yogyakarta.
TANYA JAWAB
Kiswanto ~ Untuk pengujian SCA hasil modifikasi, dari tabel terlihat bahwa persentase kesalahan 0-5% dan
ISSN 1410 - 8178
Jumari, dkk
PENELITIAN
PROSIDING SEMINAR DAN PENGELOLAAN PERANGKAT
NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator don Proses Bahan Yogyakarta,
tidak stabil, apakah pengujian dilakukan beberapa kali ? ~ Apakah kesalahan tersebut sarna untuk setiap kali pengujian ? Jumar; <}
<}
Dari hasi pengujian persentase kesalahan 0-5% terkesan belum stabil hal ini karena kemungkinan dari toleransi harga komponen sebesar 5%. Pengujian dilakukan 3 kali. Kesalahan untuk masing-masing pengujian besarna sama.
Suhartono ~ Mengapa uji INL, DNL tidak dibahas (karena faktor tersebut juga rnernpengaruhi keandalan SCA).
Jurnari, dkk.
28 Agustus 2008
Jumar; <}
Untuk uji INL dan DNL tidak dibahas karena sebetulnya untuk mencari INL dari data hasil pengujian operasi integral harga INL sudah dapat dicari yaitu dari harga penyimpangan LL terbesar dibagi LL mak.
~V Besar INL = --I 00% Vmak _ 0,005V
= 0,5263 %
9,5V
Untuk INL dan DNL pada pengujian SCA sebetulnya tidak perlu dilakukan.
ISSN 1410 - 8178
449
