2.01 70
Prosiding Pertemua/J dan Pre:rentasi Ilmiah PPNY-BATAN. Yogyakarta 25-27 Apri11995
BukuI
OPTIMASI DIFRAKTOMETER NEU1RON SERBUK RESOLUSI TINGGI (HRPD) PPSM W. Prasuad, Epung S.B, Gunawan, Ridwan, Marsongkohadi PPSM-BATAN, Kawasan Puspitek Serpong, Tangerang 15310
ABSTRAK OPT/MAS! DIFRAKTOMETER NEUTRON SERB UK RESOLUSI TINGGI (HRPD) PPSM Karakteristik Difraktometer NeutronSerbukResolusi Tinggiyang telah dipasangdan dika lib ras"idiPPSM dilaporkan disini. Peralatan HRPD ini dipasang pada salah satu ujung tabling pemandu berkas neutron NGT-2. Komponen utama instrumen ini terdiri sistem monokromator dengan sndut hambur besoT, goniometer cuplikan serta tiga puluh duo 'line" kolimatoryang berkoresponsi dengan tiga puluh duo detektor. Faktor resolusi HRPD masih dibawah 0,50 sampai dengan sudut difraksi 1200. Analisa struktur Bi3GaSb20 11merupakan salah satu studi kasus struktur kristal menggunakan HRPD guna memperlihatkan keunggulan metode difraksi neutron untuk menentukan posisi atom-atom ringan di dalam kristal. Analisa struktur yang telah dilakukan adalah dengan 'memanfaatkon program analisa Rietveld versi terbaru, RlETAN'94.
ABSTRACT OPT/MATION OF HIGH RESOLUTION POWDER DIFFRACTOMETER (HRPD) PPSM. Characten'stics of High Resolution Powder Diffractometer which has been installed and calibrated recently at PPSM are reported. This HRPD was installed at the one end of Neutron Guide Tube (NGT-2). The main components of this instruments are monochromator system with high take off angle, sample goniometer as well as thirty two fine collimator which attached to thirty two detector. Resolution factor of this HRPD is below 0.5° at difJractionangles less than 120°. The Bi3GaSb:;O// compound has been chosen as a study case to showed supen'ority of neutron diffraction method in determining position of light atoms in the unit crystal. All the structure analysis have been done by means of the new Rietveld Analysis Program, RlETEN'94.
PENDAHULUAN
T
eknik difraksi neutron sebagai komplemen dati difraksi sinar X merupakan metoda yang sangat penting dalam analisa struktur mikroskopik suatu baron. Struktur mikroskopik ini sangat penting guna memahami mekanisme dasar yang membentuk sifat-sifat makro bahan. Mengingat sifat-sifat neutron yang unik, seperti mempunyai momen magnetik, panjang hamburan atom yang tidak bergantung nomor atom serta mempunyai daya tembus yang tinggi di dalam bahan, maka metode difraksi neutron mempunyai kelebihan tersendiri dibandingkan dengan sinar-x. Penentuan struktur rnagnetik, mekanisme transisi rasa, serta penentuan posisi atom-atom ringan secara akurat merupakan salah satu contoh pemakaian neutron dalam penelitian ilmu baron yang sangat sulit atau malahan tidak mungkin dilakukan dengan difraksi sinar-x. Beberapa waktu yang lalu di Pusat Penelitian SilinsMateri (pPSM) Serpong telah selesai dipasang sejumlah fasilitas spektrometri neutron. Fasilitas ini
W. Prasl1ad, dkk.
memanfaatkan empat dari enam tabling berkas neutron yang terdapat di Reaktor Serba Guna, RSG GAS Serpong. Difraktometer Serbuk Resolusi Tinggi yang selanjutnya disebut HRPD (High Resolution Powder Diffractometer) merupakan salah satu dari fasilitas yang terpasang. Pactamakalah ini akan dibahas secara lengkap langkah-langkah yang ditempuh guna meningkatkan optirnasi alat tersebut, baik dari segi efisiensi maupun akurasinya. Beberapa hasH yang telah diperoleh dengan me!lggunakanalat ini juga akan ditampilkan sebagai contoh.
TATA KERJA Komponen
Utama HRPD PPSM
Pactagambar I, secara skernatik dapat dilihat komponen utarna peralatan HRPD PPSM. Beberapa prinsip dasar yang dipegang dalam desain serta penempatan alat tersebut adalah :
ISSNO216-3128
Prosiding Pertemuan dan Presentasi llmiah PPNY-BATAN, Yogyakarta 25-27 April 1995
71
Buku I
DIFRAKTOMETER SERBUK .
RESOLUSJTINGGI (HRPD) I SH>IOlC>"" I ~4'~"'Jic":o'
~~~~-;t~~~
Jf;L-t~t< ~~~-y.~i'~~'.'f
~i"""~:"
'C~r;;~
,,~l1ti~~~ UOIIOI'.RCO
>OR
,
,
, :~l!!.!!i
~ rif)
.:,/
,
,
,~~"",,".cp')\
k(
"*7
~
"
0
"l)()'..
:
IV, :
1oETtiTOR uTmJ{
I I
"
~ W
~
~ I p."YHoP
Gambar
1. Skema peralatan
1.
Sudut difraksi (take off angle) daTi monokromator dipilih cukup besar dengan tujuan menghindarkan adanya berkas langsung yang sampai ke cuplikanJdetektor. 2. Penempatan dua buah kolimator dengan divergensi yang sangat kecil (fine collimator) masing-masing didepan cuplilean daD detektor akan dapat memberikan resolusi yang tinggi dari hasil pengukuran. 3. Adanya 32 sistem detektor yang terpisah satu sarna lain dalam jarak yang sarna 5°, memungkink an pengukuran untuk setiap selang sudut 0,05° antara 28 : 0
4.
- 160°
dalam interval
waktu yang tidak begitu lama. Penempatan HRPD ill pada tabling pemandu berkas neutron-2 (Neutron Guide Tube, NGT-2) yang terbuat dari gelas bokron yang dilapisi oleh Ni-58 sebagai reflektor serta mempunyai kelengkungan R = 3926 meter, maka gangguan efek cacah latar belakang dapat dihindari dengan baile. Secara lengkap data komponen HRPD ill dapat dilihat pactatebel 1..
IsSl\HJ216-3128
IJ
HRPD-PPSM
TabeJ 1.
Komponen utama HRPD-PPSM
Tabung pemandu neutron
NGT-2 pada S 5
Sudut monokromator
41,5°, 89° dan 130°
I I
Panjang gelombang 1,815 Meia cuplikan Kolimator
0° - 360° 29 m '0(004) 2,352, 0,(331) 1. al = 0,39 a3 = 0,166
2. a2 = 0,33 4.
I
3,
= 0,24
(PG-004), dan B = 0,39 (Ge-33 1) Sudut keIja detektor
170° < 28s < 110°
Jenis detektor
32 set, He-3 HBRAM NH-15
PEMBAHASAN Resolusi HRPD PPSM Pacta lahar awal instalasi fasilitas HRPDPPSM, monokromator yang digunakan sebagai
W. Prasuad, dkk.
penyeleksi panjang gelombang berkas neutron adalah kristal tunggal 'Pyrolitic Graphite " PG(004). Monokromator ini dipasang sedemikian rupa menggunakan sistem pemokus berkas (focussing) untuk meningkatkan intensitas neutron di cuplikan. Meningat kristal PG mcmiliki sistem hexagonal berpusat dasar (c-based center) maka refleksi yang dipantulkan tidak hanya berasal dari bidang (004) namun juga dapat berasal dari pantulan bidangbidang (002) dan (006) yang berkorespondensi dengan panjang gelombang 1/2 dan 2/3. Untuk mengatasi hal ini, maka sebelum cuplikan telah dipasang kristal tunggal lainnya yang berfungsi sebagai filter. Sebagai konsekuensinya, intensitas neutron yang sampai kecuplikan berlmrang cukup besar akibat adanya faktor absorbsi ataupun hamburan lainnya. Selain dari pacta itu efek- efek panjang gelombang parasitik ini tidak dapat dieliminasi sepenuhnya, lihat gambar 2 dan 3. Sehinggajelas apabila kondisi ini tidak dapat diatasi, maka kesulitan dalam analisis struktur untuk kasus-kasus yang 'real' akan sangat menyulitkan dimasa mendatang. .800
600 .r. ~
..00
£
200
~ ;;
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah PPNY-BATAN, Yo1:.yakarta 25-27 April 1995
Buku I
72
0 0
20
40
60'80
100
120
140
160
28
Gambar 2. Pow difraksi neutron cuplikan Si serbuk menggunakan monokromator PG(OO4)
Terlepas dari masalah adanya panjang gelombang parasjtik ini, secara keseluruhan resolusi alat masih baik. Hal ini dapat dilihat pactagambar 4, plot antara lebar setengah puncak maksimum (FWHM) terhadap sudut difraksi 28. Berdasarkan basil pengamatan terhadap cuplikan standar TiO2,dan Si menunjukkan bahwa resolusi alat masih dibawah 0,5° untuk sudut difraksi dibawah 110°. Kurva resolusi ini juga sangat sesuai dengan basil perhitungan menggunakan persamaan Caglioti( 1) : (1)
(FWHM) = U(tg8sl + V(tg8&J + W dengan : u = ((1((112(122+ (11(32 +(122(3)] I (lam V
W
= (4(122(aI2
«(112 +a22 + 4(32)]
+ 2(32)] I (tgam «(112 + (122 + 4(32)]
= ((112(122+(112(132+(122.(132+4(32 (a22+a32)J / [(aI2+(122+4(32)]
dimana : a.!, a.2dan a.3adalah kolimator I, II dan III. Salah satu cara untuk menghindari efek panjang gelombang parasitik ini adalah mengganti monokromator PG(OO4)dengan Ge(33l). Berdasarkan sistem kristal Germanium ini, maka kemungkinan panjang gelombang lain yang ikut terdifraksi sangat ked!. Namun demikian perlu diingat bahwa kristal Germanium ini pacta umumnya sangat 'perfect" sehingga apabila kristal tersebut langsung digunakan sebagai monokromator tanpa dimodifikasi akan sangat merugikan. Walaupun panjang gelombang neutron yang diperoleh akan monokromatik namun total intensitasnya akan sangat rendah (FWHM sangat sempit). Oleh schab itu Ge(33 1)yang digunakan sebagai monokromator pactaHRPD-PPSM telah dimodifikasi melalui proses pemanasan disertai penekanan. Hal ini bertujuan untuk memperoleh kristal dengan 'mosaic spread' yang memadai. Peralatan yang digullakan dalam proses' hot press' ini sepenuhnya dibuat dan dioperasikan oleh staff/teknisi PPSM. 3.5 3.ol..
7000
...
r
2.5f..-=r-
6000 sooo
c
'000
:so
¥>DO
~
. ' . :o.-.caw. . .51
.% :z: !O ...
2.0f..~~-
-
L I
.
1.5f.. ..."'=1"
2000 1000 0
L......L 0
20
40
60
80 29
100
120
140
160
.~.:~..;---~+. O.CL.:..=..~=--=-~ 0
40
i. 80 2&
Gambar 3. Pow difraksi neutron cllplikan Ni serb Ilk menggunakan monokromator PG(OO4).
W:Prasuad,-dkk.
Gambar4.
' 120
I
l___' 160
200
-::- '-.
Kurva resoillsi HRPD-PPSM menggunakan monokromator PG(OO4)
ISSN 0216-3128
Prosiding Pertemuan dLJnPresentasi Ilmiah PPNY-BATAN, Yot:Yakarta 25-27 April 1995
Buku I
Pacta gambar Sa dan Sb dapat dengan jelas dibandingkan pola difraksi TiO2 yang diambil masing-masing dengan PG(004) yang berfungsi sebagai monokromator. Pacta gambar Sb puncakpuncak yang rendah tidak terlihat dalam pola difraksi yang acta. Hal ini menunjukkan bahwa panjang gelombang yang berasal daTimonokromator sudah sepenuhnya monokromatik.
73
u -'-
aJr..-'I'Ii ...
.1 !
,....
'..
'..
I' ,. .'.0 0.' ~'.'
".'>to
- 6000 ~
..o.-~ ...
~.-'_. ..
,..
II
~
i
I
+.
I.$t """"'_"-"1 .....,
---_.
Bcao
..;
. .
Gambar 6. Kurva resolusi HRPD-PPSM menggunakan metoda analisa Rietveld, RlETAN'94J3,4J
4000 2000
0
25
0
50
75
. -2~
100
125
150
-
Gambar Sa. Pola difraksi neutron cuplikan TiO2 menggunakan monokromator PG(OO4)
5000 6000
E
]
1
~oooc 2000
0 0
25
so
75
:ze'OO
125
150
Gambar 5b. Pola difraksi neutron cuplikan TiO2 menggunakan monokromator Ge(33])
Resolusi alat ditinjau daTi penggantian monokromator tidak banyak berbeda. Pactagambar 6, terlihat resolusi alat terlihat masih di bawah O,So sampai sudut difraksi sekitar 1200 atau dengan kala lain akurasi alat semakin baik sete1ah penggantian monokromator.
Analisa Struktur Kristal Bi3GaSb2011 Bahan BbGaSb2O11merupakan salah satu contohyang baik dalam pemanfaatan difraksi neutron untuk analisa struktur kristal. Pactabahan ini dapat dilihat bahwa nomOIatom oksigen akan sangat kecil apabila dibandingkan dengan atom-atom lainnya. Apabi1a menggunakan difraksi sinaI-X, maka
ISSN 0216-3128
hamburan yang berasal daTiatom-atom Bi, Ga atau Sb akan sangat dorninan. Sehingga akan sangat sulit untuk menentukan dengan tepat posisi ala-atom oksigen di da1am kristal. Berbeda halnya dengan difraksi sinar-X, keempat jenis atom dalam bahan BbGaSb2O11interaksinya terhadap neutron memberikan efek panjang hamburan sebanding satu sarna 1ain[2].Oleh karena itu dengan menggunakan metoda difraksi neutron tidak akan dihadapi kesulitan dalam menentukan posisi atom-atom oksigen di dalam kristal tersebut dengan akurasi yang tinggi. A1'lalisa struktur kristal BbGaSb2O11yang telah dilakukan dengan menggunakan metoda analisa Rietveld, RIETAN'94[3,4]menunjukkan kesesuaian basil yang tinggi antara basil perhitungan daTI observasi seperti ditunjukkan pad a gambar 7, 'Refinement' akhir mencapai konvergensi dengan Rwp = 14,44%, Rp = 14,13% daTI Si = 1,6%. Parameter kristal beserta posisi atom secara lengkap dapat dilihat pactalabel 2. Tabel 2.
Hasil analisa struktur kristal BbGaSb20J] dengan metoda Rietveld (RIETAN'94)
Parameter kisi(A) Faktor 'R' (%)
a 9.48161
b 9.48161
c 9.48161
Rwp Rp 14.44 11.13
RI s 1,61 7,15
RF Re 4,97 8,97 z
Posisi Atom (A)
n
x
Bi(l)
1
0,38116 0,38116
0,38116
Bi(2)
1
0,0
0,0
0,0
GaSB
1
0,5986
0,75
0,25
0(1)
1
0,14827 0,14827
0,14827
0(2)
1
0,61004 0,25
0,25
0(3)
1
0,59052 0,53824
0,24766
y
W. Prasuad, dkk.
74
Prosiding Pertemuan dan Presentasi llmi.ah PPNY-BATAN, Yogyakarta 25-27 April 1995
Bllkul
KESIMPULAN
3.
Berdasarkan mekanisme interaksi neutron dengan bahan, maka metoda difraksi neutron mempunyai keunggulan tersendiri dibandingkan dengan metoda difraksi sinar-X, dimana penentuan posisi atom-atomringan di dalam struktur kristal akan lebih mudah dilakukan dengan akurat apabila digunakan difraksi neutron. Pemilihan sistem monokromator yang tepat sangatlah renting dalam memperoleh berkas sumber monokromatik sehingga tidak menyulitkandalam analisa struktur dalamlahar lebih lanjut. Resolusi alai adalah merupakan faktor yang sangat renting dalam metoda difraksi sistem bubuk ini. Hal ini mengingat makin tinggi resolusi alai maka puncak-puncak yang berhimpitan dapat dipisahkan dengan baik, yang pacta akhimya akan dapat memberikan informasi mengenai parameter kristal dengan akurasi yang tinggi. Dari hasil kalibrasi didapatkan harga resolusi peralatan mencapai sudut 1200 dengan FWHM 0,5. Dengan demikian peralatan ini sudah siap untuk digunakan pada percobaan yang sesungguhnya. HRPD ditinjau daTi segi 'hardware' maupun 'software' sangatlah kompleks. Oleh sebab itu sejak bahan instalasi sampai proses kalibrasi daD standardisasinya memakan waktu yang cukup lama.
4.
UCAP AN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Prof. Y. Harnaguchi serta Mr. N. Minakawa yang banyak membantu selama kalibrasi HRPD dilakukan, juga terimakasihdiucapkankepadaDr. F. Izumiyang telah mengizinkan pemakaian program RIETAN'94 versi terbaru sehingga memungkinkan analisa struktur kristal dapat dilakukan. Terima kasih dan penghargaan yang sebagian besarnya penulis sampaikan kepada semua staff daD teknisi PTSN-PPSM yang penuh dedikasi membantu daTi sejak instalasi alai hingga proses kalibrasi daD standarisasi selesai dilaksanakan.
DAFTAR PUSTAKA 1.
CAGLIOTI, G., PAOLETTI, A and RICCI, S.P., Nuc!. Instr. 3, 1958. 2. GASON, G.D., Neutron Diffraction, Clarendon Press, Oxford, 1975.
W. Prasuad, dkk.
5. 6.
IZUMI, F., The Rietveld Method, ed. by R.A. Young, Oxford University Press, Oxford, Chap. 13, 1993. KTM. Y 1. and'IZUMI, F., J. Caram. Soc. lpn., 102,401,1994. Equipment Specification ofHRPD, 1991. Komunikasi Pribadi dengan Prof. Y.Harnaguchi.
TANYAJAWAB Agus Baskoro Melihat judulnya apakah and a melakukan optimasi untuk memperoleh resolusi yang tinggi, Bila ya'parameter apa saja yang berpengamh daD bagaimana cara penanganannya? Bila tidak, apa yang anda maksudkan dengan optimasi? Mohon dijelaskan serta sedikit logika daTi program RIETAN'94? Mohon dijelaskan cara kerjaJkarakteristik daTi monokromator P.G004/GE 331. Prasuad -
Parameter yang digunakan adalah tingginya daerah 28s yang mempunyai FWHM < 0,7 dan hasi/ perhitungan Refinement Rietved. - Rietan adalah proses upemiltiyan antara hasi/ perhitungan dan hasi/ observasi. PG (004) mempunyai gelombang harmonik. Tri Mardji Atmono Apakah dengan diffraksi neutron bisa ditentukan besamy.a maIDen magnetik suatu sampel yang bersifat magnetik. Mohon penjelasan! Suatu sampel mempunyai struktur amorph. Informasi apa saja yang bisa diperoleh daTi penelitian dengan diffraktometer neutron ini? Berapakah divergensi daTiberkas neutron? Pacta kesimpulan ditampilkan FWHM daTi 2 monokromator yang berbeda. Apakah optimasi yang dilakukan "hanya" memperbaiki atau mengganti monokromator saja. Prasuad Dapat, dari hasi/ perhitungan rietan. Parameterkisi,posisi atom,jarak atom,fasa-fasa yang terbentuk. Divergensi ditebal darifaktor U, V, Wdan aI, a2, a3. Tidak, langkah lain adalah memperbaiki soliar kollimator dan efisiensi 32 detektor.
ISSN 0216-3128
