MAKALAH DETEKTOR GEIGER MULLER
NURATIKAH (E1Q009001) YOLANITA SEPTIANA (E1Q009023)
PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN UNIVERSITAS MATARAM 2012
KATA PENGANTAR
Puji syukur kehadirat Allah Swt. Yang telah memberikan kesempatan dan kesehatan sehingga penulisan makalah yang berjudul “Detektor Geiger Muller” dapat terselesaikan. Shalawat dan salam kita haturkan kepada junjungan Nabi Besar Muhammad SAW, keluarganya, sahabatnya, dan orang-orang yang senantiasa beriman kepadanya serta mencintai perbuatan baik. Kami menyusun makalah ini untuk meningkatkan kemampuan dalam menerapkan konsep Fisika khususnya tentang pendahuluan fisika inti. Akhirnya, kami berharap makalah ini dapat bermanfaat bagi kita semua.
Mataram, Februari 2012
Penulis
BAB I PENDAHULUAN
Radiasi merupakan suatu cara perambatan energi dari sumber energi ke lingkungannya tanpa membutuhkan medium atau bahan penghantar tertentu. Radiasi nuklir memiliki duasifat yang khas:
tidak dapat dirasakan secara langsung dan
dapat menembus berbagai jenis bahan.
oleh karena itu untuk menentukan ada atau tidak adanya radiasi nuklir diperlukan suatu alat, yaitu pengukur radiasi, yang digunakan utuk mengukur kuantitas, energi, atau dosis radiasi. Panca indera manusia secara langsung tidak dapat digunakan untuk menangkap atau melihat ada tidaknya zarah radiasi nuklir, karena manusia memang tidak mempunyai sensor biologis untuk zarah radiasi nuklir. Walaupun demikian, dengan bantuan peralatan instrumentasi nuklir maka manusia dapat mendeteksi dan mengukur radiasi nuklir. Jadi manusia sepenuhnya tergantung pada peralatan instrumentasi nuklir untuk mengetahui dan memanfaatkan zarah radiasi nuklir tersebut. Detektor merupakan suatu bahan yang peka terhadap radiasi, yang bila dikenai radiasi akan menghasilkan tanggapan mengikuti mekanisme yang telah dibahas sebelumnya. Perlu diperhatikan bahwa suatu bahan yang sensitif terhadap suatu jenis radiasi belum tentu sensitif terhadap jenis radiasi yang lain. Sebagai contoh, detektor radiasi gamma belum tentu dapatmendeteksi radiasi neutron. Detektor radiasi bekerja dengan cara mengukur perubahan yang disebabkan oleh penyerapan energi radiasi oleh medium penyerap. Sebenarnya terdapat banyak mekanisme yang terjadi di dalam detektor tetapi yang sering digunakan adalah proses ionisasi dan proses sintilasi. Apabila dilihat dari segi jenis radiasi yang akan dideteksi dan diukur, diketahui ada beberapa jenis detektor, seperti detektor untuk radiasi alpha, detektor untuk radiasi beta,detektor untuk radiasi gamma, detektor untuk radiasi sinar-X, dan detektor untuk radiasineutron. Kalau dilihat dari segi pengaruh interaksi radiasinya, dikenal beberapa macam detektor,
yaitu
detdktor
ionisasi,
detektor
proporsional,
detektor
Geiger
muller,
detektor sintilasi, dan detektor semikonduktor atau detektor zat padat. Walaupun jenis peralatan untuk mendeteksi zarah radiasi nuklir banyak macamnya, akan tetapi prinsip kerja peralatan tersebut pada umumnya didasarkan pada interaksi zarah
radiasiterhadap detektor (sensor) yang sedemikian rupa sehingga tanggap (respon) dari alat akansebanding dengan efek radiasi atau sebanding dengan sifat radiasi yang diukur. BAB II ISI Pencacah Geiger-Muller (GM) adalah detektor yang paling banyak digunakan untuk mendeteksi radiasi. Detektor ini terdiri dari sebuah s ebuah tabung aluminium yang diisi dengan gas argon bertekanan bertekanan rendah (10cmHg) dan seutas kawat yang membentang pada pusat tabung. Kawat ini dipertahankan agar memiliki potensial tinggi 400 V dc terhadap tabung.
1. Bagian-bagian detektor
Katoda Katoda : yaitu yaitu dindi dinding ng tabung tabung logam logam yang yang meru merupak pakan an elektro elektrodaneg danegat atif if.. Jika Ji ka tabu ta bung ng terb te rbua uatt dari da ri gelas maka dinding tabung harus dilapisilogam tipis.
Anoda : yaitu kawat tipis atau wolfram yang terbentang di tengah-tengah tabung. Anoda sebagai elektroda positif.
Isi tabung : yaitu gas bertekanan rendah, biasanya gas beratom tunggaldicampur gas poliatom (gas yang banyak digunakan Ar dan He).
2. Prinsip kerja detektor Geiger muller Detektor Geiger Muller meupakan salah satu detektor yang berisi gas. Selain Geiger muller masih ada detektor lain yang merupakan detektor isian gas yaitu detektor ionisasi dan detektor proporsional. Ketiga macam detektor tersebut secara garis besar prinsipkerjanya sama, yaitu sama-sama menggunakan medium gas. Perbedaannya hanya terletak pada tegangan yang diberikan diberikan pada masing-masing detektor detektor tersebut. Apabila ke dalam labung masuk zarah radiasi maka radiasi akan mengionisasi gas isian.Banyaknya pasangan eleklron-ion yang
terjadi pada pada deleklor Geiger-Muller tidak
sebanding dengan tenaga zarah radiasi yang datang. Hasil ionisasi ini disebul elektron primer. Karena antara anode dan katode diberikan beda tegangan maka akan timbul medan listrik di antara kedua elektrode tersebut. Ion positif akan bergerak kearah dinding tabung (katoda) dengan kecepatan yang relative lebih lambat bila dibandingkan dengan elektron-elektron yang bergerak kea rah anoda (+) dengan cepat. Kecepatan geraknya tergantung pada brsarnya tegangan V. sedangkan besarnya tenaga yang diperlukan untuk membentukelektron dan ion tergantung pada macam gas yang digunakan. Dengan tenaga yang relatif tinggi maka elektronakan mampu mengionisasi atom-atom sekitarnya. sehingga menimbulkan pasangan elektron-ion sekunder. Pasangan elektron-ion sekunder inipun masih dapat menimbulkan pasangan elektron-ion
tersier
dan
seterusnya.
sehingga
akan terjadi
lucutan
yang
terus-
menerus(avalence). Kalau tegangan V dinaikkan lebih tinggi lagi maka peristiwa pelucutan elektron sekunder atau avalanche makin besar dan elektron sekunder yang terbentuk makin banyak. Akibatnya ,anoda diselubungi serta dilindungi oleh muatan negative elektron, sehingga peristiwa ionisasi akan terhenti. Karena gerak ion positif ke dinding tabung (katoda) lambat, maka ion-ion inidapat membentuk semacam lapisan pelindung positif pada permukaan dinding tabung.Keadaan yang demikian tersebut dinamakan efek muatan ruang atau space charge effect.
Tegangan yang menimbulkan efek muatan ruang adalah tegangan maksimum yang membatasi berkumpulnya elektron-elektron pada anoda. Dalam keadaan seperti ini detektor tidak peka lagi terhadap datangnya zarah radiasi. Oleh karena itu efek muatan ruang harus dihindari dengan menambah tegangan V. penambahan tegangan V dimaksudkan supaya terjadi pelepasan muatan pada anoda sehingga detektor dapat bekerja normal kembali. Pelepasan muatan dapat terjadi karena elektron mendapat tambahan tenaga kinetic akibat penambahan tegangan V. Apabila tegangan dinaikkan terus menerus, pelucutan alektron yang terjadi semakin banyak. Pada suatu tegangan tertentu peristiwa avalanche elektron sekunder tidak bergantung lagi oleh jenis radiasi maupun energi (tenaga) radiasi yang datang. Maka dari itu pulsa yang dihasilkan mempunyai tinggi yang sama. Sehingga detektor Geiger muller tidak bisadigunakan untuk mengitung energi dari zarah radiasi yang d atang. Kalau tegangan V tersebut dinaikkan lebih tinggi lagi dari tegangan kerja Geiger muler,maka detektor tersebut akan rusak, karena susunan molekul gas atau campuran gas tidak pada perbandingan semula atau terjadi peristiwa pelucutan terus menerusbyang menerusbyang disebut Conti Continou nouss disch dis charg argee.
Hubungan antara besar tegangan yang dipakai dan banyaknya ion yang dapat dikumpulkan dapat dilihat pada gambar dibawah ini:
Pembagian daerah tegangan kerja tersebut berdasarkan jumlah ion yang terbentuk akibat kenaikan tegangan yang diberikan kepada detektor isian gas. Adapun pembagian tegangantersebut dimulai dari tegangan terendah adalah sebagai berikut: I.
Daerah rekombinasi
II.
Daerah ionisasi
III.
Daerah proporsional
IV.
Daerah proporsioanl terbatas
V.
Daerah Geiger Muller
VI.
daerah
Kurva yang atas adalah ionisasi Alpha, sedangkan kurva bawah adalah ionisasi oleh Beta. Kedua kurva menunjukkan bahwa pada daerah tegangan kerja tersebut, detektor ionisasi dan detektor proporsional masih dapat membedakan jenis radiasi dan energi radiasi yang datang. Dengan demikian, detektor ionisasi dan detektor proporsional dapat digunakan pada analisis spectrum energi. Sedangkan detektor Geiger Muller tidak dapat membedakan jenis radiasi dan energi radiasi.
Tampak dari gambar tersebut bahwa daerah kerja detektor Geiger Muller terletak pada daerah V. pada tegangan kerja Geiger Muller Muller elektron primer dapat dipercepat dipercepat membentuk elektron sekunder dari ionisasi gas dalam tabung Geiger Muller. Dalam hal ini peristiwa ionisasi tidak tergantung pada jenis radiasi dan besarnya energi radiasi. Tabung Geiger Muller memanfaatkan ionisasi sekunder sehingga zarah radiasi yang masuk kedetektor Geiger Muller akan menghasilkan pulsa yang tinggi pulsanya sama. Atas dasar hal ini, detektor Geiger Muller tidak dapat digunakan untuk melihat spectrum energi, tetapi hanya dapat digunakan untuk melihat jumlah cacah radiasi saja. Maka detektor Geiger Muller sering disebut dengan detektor detektor Gross Beta gamma karena tidak bisa membedakan membedakan jenis radiasi yang datang. Besarnya sudut datang dari sumber radiasi tidak mempengaruhi banyaknya cacah yang terukur karena prinsip dari detektor Geiger Muller adalah mencacah zarah radiasi selama radiasi tersebut masih bisa diukur. Berbeda dengan detektor lain misalnya detektor sintilasi dimana besarnya sudut datang dari sumber radiasi akan mempengaruhi mempengaruhi banyaknya pulsa yang dihasilkan.
3.
Tabung Geiger-Muller Detektor tabung ionisasi, tabung proposional dan tabung Geiger-Muller adalah sekeluarga, karena bentuk dasarnya sama. Masing-masing detektor menggunakan ruang tertutup yang diisi gas atau campuran gas. Ruang tersebut diberi elektroda yaitu anoda dan katoda dengan bentuk geometri sedemikian rupa sehingga medan listriknya memungkinkan hasil pengumpulan ionisasi yang efisien. Tabung ionisasi sekedar mengumpulkan ionisasi tanpa memperbolehkan terjadinya ionisasi sekunder. Tabung proporsional memanfaatkan ionisasi sekunder sedemikian rupa sehingga setiap radiasi yang datang menghasilkan satu pulsa yang tingginya sebanding dengan besar energi radiasi pengion. Tabung Geiger-Muller (GM) memanfaatkan ionisasi sekunder sehingga setiap radiasi pengion yang datang menghasilkan satu pulsa tetap sama tinggi, tidak bergantung besar kecilnya energi radiasi pengion. Daerah tegangan kerja tabung GM yang menghasilkan keadaan itu disebut daerah GM dan lebih terkenal dengan sebutan plato. Lebar tegangan palto dengan tabung GM yang baik mencapai daerah 200 volt. Beda tegangan antara anoda dan katoda pada pada tabung GM jauh lebih tinggi daripada tabung ionisasi untuk jenis campuran gas yang sama. Sebagai detektor maka tabung GM hanya mampu mencacah saja, tetapi jauh lebih sensitif
dibandingkan dengan tabung ionisasi dan pencacah proporsional. Pulsa yang dihasilkan oleh tabung GM juga jauh lebih tinggi, yakni berkisar beberapa volt, seribu kali lebih besar dibandingkan dengan pulsa tabung proporsional. Hal ini menyederhanakan alat elektronik yang diperlukan. Oleh karena itu tabung GM menjadi alat pencacah yang termurah . dinding ruang tabung GM untuk sinar gamma dapat terbuat seluruhnya dari logam atau gelas tebal. Tabung GM yang untuk zarah jenis elektron dan proton dapat masuk kedalam ruang gas. Tabung GM yang diberi tegangan dibawah daerah daerah plato mempunyai sifat mendekati tabung proporsional. Akan tetapi jika diberi tegangan lebih tinggi dari daerah tegangan plato, maka akan terjadi lucutan kontinu yang dapat merusak susunan molekul gas didalam tabung. Medan listrik didekat kawat sepanjang sumbu silinder tbung GM sangat kuat sehingga Dn mendekati 1 dan faktor multiplikasi gas sangat tinggi. Pada detektor GM, pasangan tuggal elektron ion-primer memicu sejumlah besar runtuhan beruntun. Oleh karena itu sinyal keluaran tidak bergantung pada ionisasi primer. Cara kerja detektor GM jauh lebih ruit daripada pencacah proporsional. Jika elektronelektron dipercepat dalam medan listrik yang kuat disekitar kawat , elektron-elektron itu akan menghasilkan atom-atom dan molekul-molekul gas dalam keadaan tereksitasi, disamping itu juga mengahsilkan runtuhan elektron-elektron yang baru. Atom-atom dan molekul-molekul tereksitasi ini selanjutnya akan menghasilkan foton ketika terjadi deeksitasi. Kemudian foton-foton itu menghasilkan fotoelektron-fotoelektron di tempat lain didalam detektor. Jadi runtuhan elektron yang mula-mula terjadi disekitar kawat, kemudian menyebar dengan cepat dalam sebagian besar volume ruang. Dalam selang waktu tersebut, elektron-elektron dikumpulkan secara terus menerus oleh kawat anoda, sedangkan ion-ion positif yangb bergerak jauh lebih lambat masih berada dalam detektor dan membentuk selubung positif disekitar anoda. Pada saat elektron-elektron telah terkumpul, selubung positif inti bekerja pada layar elektrostatis dan menurunkan medan lsitrik sedemikian hingga lucutan seharusnya berhenti. Namun demikian peristiwa ini tidak terjadi karena ion-ion postif melepaskan elektron jika akhirnya menumbuk katoda, dan karena menjelang saat itu medan listrik telah dikembalikan pada nilai awal yang tinggi, runtuhan baru mulai terjadi lagi, dan proses tersebut terulang terulang kembali. Oleh karena karena itu diperlukan beberapa beberapa cara agar lucutan berhenti atau “padam” secara permanen. Ada dua macam metode pemadaman lucutan
yakni pemadamanan eksternal dan pemadaman diri. Dalam pemadaman eksternal, tegangan operasi pencacah diturunkan, setelah mulai terjadi lucutan sampai ion ion mencapai katoda. Penurunan tegangan operasi dilakukan
sampai pada suatu nillai yang mengakibatkan faktor multiplikasi gas dapat diabaikan. Penurunan ini dapat dicapai dengan pemilihan rangkaian RC yang terdapat pada gambar :
Gambar 3. Rangkaian untuk pemadaman eksternal pada detektor Geiger Muller
Nilai resistor R tinggi sehingga sehingga terjadi penurunan tegangan tegangan padanya, karena arus yang ditimbulkan oleh lucutan id menurunkan tegangan pencacah dibawah ambang yang diperlukan untuk mengawali lucutan (tegangan netonya adalah VO- idR). konstatnta waktu RC adalah jauh lebih besar daripada waktu yang diperlukan untuk pengumpulan ionion. Akibatnya pencacah tidak bekerja selama periode waktu yang sangat panjang. Dengan perkataan lain, waktu matinya terlalu panjang. Metode pemadaman diri diperoleh dengan dengan menambah sedikit gas organik organik poliatimok atau gas halogen pada gas utama dalam detektor. Pada saat terionisasi molekulmolekul gas poliatomik akan kehilangan energinya karena terjadinya disosiasi daripada proses fotolistrik. Oleh karena itu jumlah foto elektron yang akan menyebar dan melanjutkan runtuhan menjadi sangat berkurang. Di samping it pada saat ion-ion organik menumbuk permukaan katoda, mereka lebih banyak terdisosiasi daripada menyebabkan terlepasnya elektron-elektron baru. Oleh karena it runtuhan-runtuhan baru tidak terjadi. Detektor GM yang menggunakan gas organik sebagai bahan pemadam mempunyai umur terbatas, karena adanya disosiasi molekul-molekul organik. Biasanya detektor GM bertambah jika digunakan gas halogen sebagai pemadam. Molekul-molekul halogen juga terdiisosiasi selama proses pemadaman,tetapi terdapat derajat regenegerasi tertentu dari molekul-molekul ini, sehingga umur pemakaian detektor menjadi lebih lama.
4.
Bentuk Pulsa Detektor Geiger-Muller Pengamatan pulsa detector GM dapat dilakukan dengan menggunakan osiloskop. Osiloskop yang digunakan harus triggered sweep level, trigger srability, pulse
polarity selection, dan sweep speed sampai dengan 1 mikrosekon tiap skala. Rangkaian detector GM dengan osiloskop disajikan pada gambar :
Gambar 4. Rangkaian Detektor Geiger Muller dengan Osiloskop
Sumber bahan radioaktif dipilih yang mempunyai intensitas yang cukup besar agar semua kejadian dapat diamati. Detector GM harus dioperasikan pada tegangan kerja, di sekitar titik tengah plato. Diperlukan keahlian tersendiri dalam pemutaran knop osiloskop sehingga diperoleh gambar yang tajam dan tidak bergerak-gerak. Jika intensitas bahan radioaktif cukup besar dan pemutaran knop tepat maka akan diperoleh pulsa listrik tabung GM. Penyebab terjadinya pulsa adalah terkumpulnya electron di anoda. Oleh karena itu polaritas tabung GM selalu negative. Jika N menyatakan jumlah electron di anoda dan e adalah muatan, maka tinggi pulsa sama dengan (Ne)/C. kedatangan electron pada anoda bergantung pada mobilitas masing-masing electron sejumlah electron N sebenarnya merupakan fungsi waktu N (t), oleh sebab itu pulsa maka bentuk pulsa digambarkan pada waktu. Pada gambar 5 terdapat beberapa interval waktu sebagai berikut : 1.
Rise time pulsa (t) diukur dari 10% s/d 90% tinggi pulsa. Tinggi pulsa sekedar (1 s/d 10) mikrosekon.
2. Fall time (t) diukur dari 90% sampai dengan 100% tinggi pulsa, yang besarnya sekitar 100 mikrosekon. 3. Dead time/waktu (td), selama waktu mati ini radiasi yang masuk detector tidak dapat menimbulkan pulsa lagi , kecuali pulsa pertama hasil radiasi pengion yang masuk awal. Sesudah waktu mati, pulsa mulai terlihat muncul lagi, mula-mula kecil pada daerah dekat ujung td. 4. Recovery time/waktu pemulihan (tR) dalam selang waktu ini meskipun radiasi pengion yang masuk dapat menimbulkan pulsa akan tetapi pulsa belum normal, baru dibagian penghujung tR tinggi pulsa normal kembali.
5. Selang waktu td+ tR disebut resolving time, ialah selang waktu detector yang mampu mendeteksi radiasi pengion yang masuk berikutnya, resolving time menentukan kemampuan kecepatan hitung detector. Detector dengan resolving time 200 mikrosekon mempunyai batas kecepatan hanya sampai 5000 pulsa berturutan, jika ditembus oleh radiasi pengion 5000 kali berturutan tiap-tiap detiknya.
Gambar 5 pulsa listrik Detektor Geiger Muller Plato detektor Griger-Muller
Daerah plato detector GM maupun pencacah proporsional dapat ditentukan percobaan yang skemanya disajikan pada gambar 12.10. bahan radioaktif yang memancarkan zarah tertentu diletakkan pada jarak tertentu dari detector. Sinyal dari detector diperkuat dengan bantuan preamplifier (penguat awal) dan amplifier (penguat). Sinyal ini kemudian dilewatkan melalui diskriminator dicacah dengan penskala. Laju cacah penskala dicatat sebagai fungsi fungsi tegangan tegangan tinggi. tinggi.
Hasil eksperimen ini disajikan pada pada
gambar 6 :
Gambar 6 diagram eksperimen lengkap pencacah GM
Pada gambar 7 dapat dijelaskan sebagai berikut : untuk tegangan sangat rendah (VVB, ionisasi masih bertambah, tinggi pulsa juga bertambah, tetapi sekarang semua pulsa berada di atas tingkat diskriminator. Karena semua pulsa dicacah dengan cara tiap pulsa direkam sebagasi satu pulsa tanpa memandang tinggi pulsa, sehingga laju cacah tidak berubah. Peristiwa ini berlanjut sampai dengan tegangan detector mendekati VC . Di luar titik ini laju cacah mulai naik lagi karena pada tegangan yang sedemikian tinggi menimbulkan terjadinya pulsa-pulsa berganda. Pencacah tidak diperkenankan beroperasi di atas tegangan Vc. Daerah antara VB dan VC disebut plato tegangan tinggi yang menggambarkan jangkauan pencacah. Walaupun pabrik pembuat detector memberikan informasi plato pada pengguna, dalam praktik perlu ditentukan plato dari pencacah yang baru sebelum dipergunakan untuk pengukuran yang pertama kali. Plato yang disajikan pada gambar 12.11 tampak benar-benar datar. Sebagaian besar pencacah, memiliki plato dengan kemiringan positif (kekanan), yang mungkin disebabkan oleh cacah lancung atau kenaikan efesiensi pencacah, atau pengaruh keduanya. Penyelidikan pencacah proporsional menunjukkan bahwa kemiringan positif plato disebabkan oleh kenaikan efisiensi pencacah, atau pengaruh keduanya. Penyelidikan pencacah proporsional menunjukkan bahwa kemiringan positif plato disebabkan oleh kenaikan efisiensi detector, sebaliknya untuk pencacah GM, kemiringan plato disebabkan oleh produksi cacah yang makin lancung.
Gambar 7a tingkat diskriminator dan 7b kurva plato tegangan tinggi
Tampilan plato pencacah diungkapkan dalam kemiringan (slope) plato yang dinyatakan dalam bentuk :
Dengan menyatakan perubahan laju pencacah relatif bersesuaian dengan perubahan tegangan . Persamaan diatas seringkali dinyatakan dalam persentase perubahan laju pencacah per perubahan tegangan tinggi 100 volt, sehingga diperoleh :
BAB III KESIMPULAN
Berdasarkan penjelasan diatas, maka dapat ditarik kesimpulan : 1.
Kelebihan Detektor Geiger Muller
Konstruksi simple dan Sederhana
Biaya murah
Operasional mudah
2. Kekurangan Detektor Geiger Muller
Tidak dapat digunakan untuk spektroskopi karena semua tinggi t inggi pulsa sama
Efisiensi detektor lebih buruk jika dibandingkan dengan detektor jenis lain
Resolusi detektor lebih rendah
Waktu mati besar, terbatas untuk laju cacah yang rendah
DAFTAR PUSTAKA
Wardhana, Wisnu Arya. 2007. Teknologi Nuklir Proteksi Radiasi dan Aplikasinya . Yogyakarta: Andi Offset. Wiyatmo, Yusman. Fisika Nuklir . 2009. Yogyakarta: Pustaka Pelajar. Prinsip
Dasar
Pengukuran
Radiasi .
Diambil
pada
tanggal
4
maret
2012
dari
http://www.batan.go.id/pusdiklat/elearning/Pengukuran_Radiasi/Dasar_04.htmSanto, Agus dan d an Surakhman. Surakh man. Penga engaru ruh h Tekanan Isian terhadap t erhadap Operasi O perasi Detektor Geiger Muller. Yogyakarta.
