Detektor HPGE

LAPORAN PRAKTIKUM ADPR High Purity Germanium Detector (HPGe Detector)

Disusun Oleh : Nama

: Elza Jamayanti

NIM

: 011400379

Prodi

: Teknokimia Nuklir

Semester

: III

Kelompok

: B5

Teman Kerja

: Irianto Rizaldi F

Asisten

: Maria Christina

SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NUKLIR BADAN TENAGA NUKLIR NASIONAL YOGYAKARTA 2015

DETEKTOR HPGe (HIGH PURITY GERMANIUM)

I.

TUJUAN

1. Agar mahasiswa mampu memahami teknik dasar pengukuran tenaga sinar gamma menggunakan detektor semikonduktor HpGe. 2. Menentukan FWHM. 3. Menghitung resolusi dan efisiensi detector. 4. Menentukan peak-to-compton.

II.

DASAR TEORI Detektor HPGe

Germanium detektor sebagian besar digunakan untuk spektroskopi gamma di fisika nuklir . Detektor ini juga disebut-kemurnian tinggi detektor germanium (HPGe) atau detektor hyperpure germanium. Sebelum teknik pemurnian saat yang disempurnakan, germanium kristal tidak dapat diproduksi dengan kemurnian yang cukup untuk memungkinkan penggunaannya sebagai detektor spektroskopi. Kotoran dalam elektron kristal perangkap dan lubang, merusak kinerja detektor. Akibatnya kristal germanium yang didoping dengan lithium ion (Ge (Li)), untuk menghasilkan intrinsik wilayah di mana elektron dan lubang akan mampu mencapai kontak dan menghasilkan sinyal. Pada 2012 HPGe detektor yang biasa menggunakan difusi lithium untuk +

membuat n kontak ohmik , dan implantasi boron untuk membuat p + kontak. +

Detektor koaksial dengan kontak n sentral disebut sebagai tipe-n detektor, sedangkan tipe-p detektor memiliki ap + kontak pusat. Ketebalan kontak ini merupakan lapisan mati di sekitar permukaan kristal di mana deposisi energi tidak menghasilkan sinyal detektor. Kontak sentral dalam detektor ini adalah berlawanan dengan kontak permukaan, membuat lapisan mati n-jenis detektor yang lebih kecil daripada lapisan mati dalam tipe-p detektor. Khas lapisan ketebalan mati beberapa ratus mikrometer untuk lapisan difusi Li, dan beberapa persepuluh mikrometer untuk lapisan implantasi B. Kelemahan utama dari detektor germanium adalah bahwa mereka harus didinginkan sampai nitrogen cair suhu untuk menghasilkan data spektroskopi. Detektor HpGe Elza Jamayanti Teknokimia Nuklir 2014

Pada suhu yang lebih tinggi, elektron dapat dengan mudah melintasi celah pita dalam kristal dan mencapai pita konduksi, di mana mereka bebas untuk merespon medan listrik, memproduksi terlalu banyak kebisingan listrik berguna sebagai spektrometer. Pendinginan sampai suhu nitrogen cair (77 K) mengurangi Eksitasi termal elektron valensi sehingga hanya interaksi sinar gamma dapat memberikan elektron energi yang diperlukan untuk menyeberangi celah pita dan mencapai pita konduksi. Pendinginan dengan nitrogen cair tidak nyaman, seperti detektor membutuhkan jam untuk mendinginkan untuk suhu operasi sebelum dapat digunakan, dan tidak dapat dibiarkan hangat saat digunakan. Ge (Li) kristal tidak pernah diizinkan untuk pemanasan, seperti lithium akan melayang keluar dari kristal, merusak detektor. HPGe detektor dapat diizinkan untuk hangat sampai suhu kamar bila tidak digunakan. Detektor germanium dioda semikonduktor yang memiliki struktur pin di mana intrinsik (I) wilayah sensitif terhadap radiasi, terutama sinar x dan sinar gamma pengion. Dalam reverse bias, medan listrik meluas di seluruh wilayah intrinsik atau habis. Ketika foton berinteraksi dengan materi dalam volume kehabisan detektor, biaya operator (lubang dan elektron) yang dihasilkan dan tersapu oleh medan listrik ke P dan N elektroda. Tuduhan ini, yang sebanding dengan energi yang disimpan dalam detektor oleh foton masuk, diubah menjadi pulsa tegangan dengan biaya preamplifier sensitif terpisahkan. Karena germanium memiliki band gap yang relatif rendah, detektor ini harus didinginkan untuk mengurangi generasi termal pembawa muatan (dengan demikian membalikkan kebocoran arus) ke tingkat yang dapat diterima. Jika tidak, kebocoran arus akibat bising menghancurkan resolusi energi detektor germanium. Nitrogen cair, yang memiliki suhu 77 ° K adalah media pendingin umum untuk detektor tersebut. Detektor germanium dipasang dalam ruang vakum yang melekat atau dimasukkan ke dalam LN 2 Dewar. Permukaan detektor sensitif sehingga terlindung dari kelembaban dan kontaminan condensible. Interaksi sinar gamma dengan materi.

lnteraksi sinar gamma dengan materi melalui tiga proses yaitu :  proses photolistrik;  efek Compton;  bentukan pasangan. Detektor HpGe Elza Jamayanti Teknokimia Nuklir 2014

Pada pancaran sinar gamma tidak ada tebal tertentu yang dapat menyerap semua sinar gamma dalam materi, seperti untuk sinar alpha dan sinar beta. Besar intensitas sinar gamma yang melalui materi akan turun secara eksponensial sesuai dengan persamaan :



=



0

-µx

e

Harga µ disebut koeffisien absorpsi linier sinar gamma yang nilainya tergantung pada jenis materi dan energi sinar gamma. µ = µ pl + µ c + µ pp µ pl = Koeff absorpsi sinar gamma akibat proses efek photo listrik µ c = Koeff absorpsi sinar gamma akibat proses efe k Compton µ pp = Koeff absorpsi sinar gamma akibat proses bentukan pasangan

1. Efek Photolistrik.

Pada peristiwa ini sinar gamma berinteraksi dengan elektron yang terikat oleh inti atom menimbulkan elektron terlepas dari ikatannya. Besar energi kinetik elektron tersebut sama dengan besar energi sinar gamma dikurangi energi ikat elektron.

 = ℎ −  Ek = Energi Ikat Elektron hv = Energi Sinar Gamma W = Energi Ikat Elektron Kebolehjadian peristiwa ini terjadi untuk sinar gamma yang berenergi < 1 MeV.

2. Efek Compton

Pada peristiwa ini sinar gamma berinteraksi dengan elektron bebas atau ataom yang terikat lemah suatu atom sehingga mengakibatkan elektron terlepas dan terjadi hamburan sinar gamma. Proses tersebut dapat dil ihat pada gambar.

Detektor HpGe Elza Jamayanti Teknokimia Nuklir 2014

Gambar 1. Peristiwa Proses Compton Jika energi sinar gamma mula-mula adalah hv, dan energi sinar gamma yang dihamburkan adalah hv’, dan besar sudut hamburan Ɵ, adalah maka hubungan antara energi sinar gamma mula-mula dengan yang dihamburkan dapat ditulis seperti dalam rumus berikut:

ℎ =

ℎ

1+(1

− cos Ɵ) ℎ/

2

dan besarnya energi kinetik elektron yang terlepas adalah Ɵ) ℎ /  = 1 + (−1 cos − cos Ɵ) ℎ 2

(1

2

Kebolehjadian ini terjadi untuk energi sinar gamma sekitar 0,5 MeV - 5 MeV. Dalam hal ini khusus apabila terjadi backscattering (sudutƟ sama dengan180˚) maka energi sinar gamma yang terhambur adalah :

ℎ = 1 +4 3. Efek Produksi Pasangan

Pada peristiwa ini sinar gamma berinteraksi dengan materi, sinar gamma akan lenyap dan timbut pasangan positron dan elektron negatif. Peristiwa ini terjadi apabila energi sinar gamma lebih besar dari 1,02 MeV. Besarnya energi kinetis kedua partikel tersebut sama dengan besarnya energi sinar gamma dikurangi besarnya energi yang hilang untuk membentuk positron dan elektron. Maka

 = ℎ − 2

2

ℎ − 1,02 

= Detektor HpGe Elza Jamayanti Teknokimia Nuklir 2014

Dengan Ekin adalah energi gerak positron dan elektron. Hasil akhir ketiga peristiwa tersebut adalah elektronyang dapat dimanfaatkan untuk sistem deteksi sehingga akhirnya lewat ketiga peristiwa tersebut dapat dideteksi intensitas dan energi sinar gamma.

Spektrum Energi dan Kalibrasi Energi serta Efisiensi Pencacahan


Untuk memperoleh spektrum energi sumber radioaktf, dapat menggunakan peralatan Multi Channel Analyser atau Single Channel Analyser (MCA/SCA) kedua alat tersebut tidak lain adalah penganalisa tinggi pulsa ( Pulse Hight Analyser PHA). SCA pada prinsipnya adalah dua buah diskriminator yaitu

diskriminator atas dan bawah. Selisih tinggi diskriminator atas dan bawah dikenal dengan nama jendela (window), yang lebarnya dapat dibuat tetap misal 0,2 Volt. Pulsa yang tingginya berada diantara diskriminator bawah ditambah lebar jendela akan tercacah, sedangkan diluarnya tidak tercacah. Untuk mendapatkan spektrum dilakukan pencacahan pada setiap ketinggian diskrimanator bawah yang biasa disebut nomor kanal. Dengan melakukan pencacahan untuk setiap nomor kanal akan diperoleh cacah setiap nomor kanal. Dari hasil yang diperoleh dapat dibuat grafik antara cacah vs. nomor kanal yang tidak lain adalah spektrum energi dari suatu sumber radioaktif. Contoh spektrum energi seperti gambar berikut :

Gambar 3. Spektrum Energi dari Cs-137 Dengan menggunakan sumber standar yang ada, antara lain: Co-60; Cs-137 atau Na-22 dapat diperoleh grafik kalibrasi energi yaitu grafik antara energi Vs


nomor kanal. Ketiga sumber radioaktif tersebut masing masing memancarkan energi 1,17 dan 1,33 MeV; 0,662 MeV dan 1,274 MeV. Untuk menetukan energi suatu sumber yang belum diketahui besarnya, dapat diperoleh dengan menggunakan grafik kalibrasi yaitu grafik energi vs. nomor kanal puncak, seperti pada gambar

Gambar 4. Grafik Kalibrasi Sedangkan untuk untuk mengetahui efisiensi pencacahan, dilakukan perhitungan hasil luasan dibawah puncak tersebut yang sebelumnya dikurangi background dibandingkan dengan aktivitas dari sumber standard yang telah

diketahui maka akan didapatkan effisiensi sistem deteksi dari detektor Nal(TI). Percobaan kalibrasi efisiensi vs energi dilakukan dengan menggunakan sumber standard Na-22; Mn-54 ; Cs-137 dan Co-60 . Dilakukan pula perhitungan effisiensi, untuk berbagai intensitas yang masuk ke detektor Nal(Tl) dengan cara mengubah jarak antara detektor dan sumber standard Cara melakukan perhitungan luasan daerah dibawah grafik spektrum yaitu dengan menggambarkan spektrum sinar gamma diatas kertas , kemudian dilakukan pengurangan intensitas cacah total dikurangi intensitas cacah akibat background sehingga didapat intensitas cacah yang diakibatkan oleh sumber standard. Luasan dibawah intensitas cacah akibat sumber standard dibandingkan dengan aktivitas sumber standard setelah dikoreksi dengan waktu lamanya


meluruh dari saat sumber dibuat sampai saat percobaan dilakukan dan fraksi disitegrasi dari sinar gamma.

III.

ALAT DAN BAHAN •

Alat yang digunakan : Detector HPGe •

•

IV.

Accuspec. Detektor CdTe & Preamp Model XR-100T-CdTe.

•

Power Supply & Amplifier Model PX2T.

•

Sumber radioaktif.

LANGKAH KERJA

1. Sistem dihubungkan seperti gambar berikut:

2. Sumber standar Cs-137 diletakkan dengan jarak ± 1 cm di depan jendela detektor HPGe. 3. Accuspec, modul power supply dan amplifier model PX2T dihidupkan 4. Keluaran amplifier dengan CRO diamati, kemudian tinggi pulsa sesuai diat ur kebutuhan dengan memutar knop gain. 5. Waktu cacah (livetime preset atau realtime preset) diatur sebesar 90 sekon. Detektor HpGe Elza Jamayanti Teknokimia Nuklir 2014

6. Accuspec dijalankan dengan mengaktifkan akuisisi, tunggu beberapa saat hingga proses selesai. 7. Hasil cacahan dicatat. 8. Sumber diganti dengan sumber X, proses akuisisi diulang. 9. Kalibrasi tenaga dilakukan dengan terlebih dulu memasukkan data energi gamma dan nomor saluran puncak untuk masing-masing sumber radioaktif. 10. Identifikasi dilakukan terhadap sumber x berdasarkan besarnya energi gamma yang diperoleh melalui proses kalibrasi.

V.

DATA PENGAMATAN

1. Sumber Radiasi Co-60 Waktu Cacah = 90 s •

•

Photopeak 1 FWHM

= 1,93

Gross Area

= 44412

Nett Area

= 32340 ± 497

E1

= 1165,95 keV

E2

= 1177,52 keV

E puncak

= 1173,90 keV

Photopeak 2 FWHM

= 1,94

Gross Area

= 34923

Nett Area

= 26236 ± 351

E1

= 1330,45 keV

E2

= 1335,73 keV

E puncak

= 1333,20 keV

2. Comptons Co-60 No

Energi (keV)

Counts

1.

1040,24

53

2.

1045,33

56


VI.

3.

1050,43

52

4.

1055,52

52

5.

1060,61

45

6.

1065,70

51

7.

1070,79

44

8.

1075,03

45

9.

1080,12

56

10.

1085,22

47

11.

1090,31

41

12.

1095,40

43

13.

1096,25

54

 = 1070,073

̅ = 49

PERHITUNGAN

1. Menghitung Aktifitas Sumber Co-60 -3

A0 = 1 µCi = 1 x 10 Ci -3

A0 = 1 x 10 Ci A0 = 37000 Bq



3,7 10 10



1

1





  = 37000 dps

t = November 2011 (diasumsikan pada tanggal 1) t = 1 November 2011 – 1 Desember 2015 = 4,02 tahun

1/2

T = 5,27 tahun x

ℎ 1 ℎ

365

1/2

T = 1923 hari



ln 2

At = A0  1/2



 A = 37000 dps  − At = 37000 dps

−

0,693 1923

ℎ 1467 ℎ

0,528

t

At = 21821,98 dps

2. Menghitung Resolusi Energi •

Photopeak 1




ℎ = 1467 hari 1 ℎ

365

Resolusi = Resolusi =

∆ �2−  1   100%  1177,52 −1165,95  1173,90

 100%

Resolusi = 0,985 %

•

Photopeak 2

•

Resolusi =

•

Resolusi =

∆ �2−  1   100%  1335,73 −1330,45  1333,20

Resolusi = 0,396 %

3. Menghitung Efisiensi Detektor •

Photopeak 1

 32340  90  Efisiensi =  Efisiensi =

359,33 21821,98

 100%

 100%

Efisiensi = 1,646%

•

Photopeak 2

 26236  90  Efisiensi =  Efisiensi =

291,51 21821,98

 100%

 100%

Efisiensi = 1,335%

Efisiensi = 0,696%

4. Menghitung peak to compton •

Photopeak 1


 100%

Peak to compton =

Peak to compton =

ℎ  − ℎ  32340 49

Peak to compton = 660

•

Photopeak 2

Peak to compton =

34923 49

Peak to compton = 712,7

VII.

PEMBAHASAN

Percobaan ini bertujuan agar dapat memahami teknik dasar pengukuran tenaga sinar gamma menggunakan detektor semikonduktor HpGe, menentukan efisiensi dan resolusi detektor serta menentukan perbandingan antara peak to compton. Detektor Detektor ini bekerja dengan suhu yang rendah menggunakan nitrogen cair sebagai pendingin. Hal itu bertujuan untuk menjaga kemurnian dari germanium yang sangat sensitif terhadap temperatur. Prinsip kerja detektor HPGe berdasarkan pada kemampuan elektron mengalami ionisasi dan tereksitasi bila dikenai radiasi sehingga elektron dapat berpindah dari pita valensi ke pita induksi yang akan menghasilkan pulsa listrik. Pulsa listrik inilah yang akan diolah dan diperkuat yang kemudian ditampilkan dalam bentuk photopeak pada komputer. Tinggi pulsa sebanding dengan tenaga foton gamma yang berinteraksi dengan detektor. Dalam percobaan, sumber radioaktif yang digunakan adalah Co-60 yang memiliki waktu paruh berkisar 5,27 tahun. Ketika meluruh, Co-60 akan mengemisikan satu buah beta dan dua buah gamma. Percobaan pertama dilakukan dengan mencacah latar (background), dimana cacah latar ini bertujuan untuk mengidentifikasi besarnya radiasi yang berada di lingkungan sekitar seperti cahaya, udara dan sebagainya.


Percobaan kedua adalah mencacah Co-60 selama 90 detik. Detektor semikonduktor kemurnian tinggi seperti detektor HPGe mempunyai daerah depletion region (daerah intrinsik). Radiasi dari Co-60 yang masuk ke dalam daerah intrinsik ini maka akan terbentuk pasangan electron (ion negatif) dan hole (ion positif). Elektron akan bergerak menuju ke elektroda positif dan hole akan bergerak menuju ke elektroda negatif. Pada ujung-ujung elektroda akan terjadi perubahan beda potensial yang menghasilkan pulsa listrik. Pulsa listrik ini akan diolah menjadi spektrum Co-60 yang terlihat pada komputer. Spektrum yang terlihat memiliki dua puncak yang terpisah. Pada penentuan FWHM telah diketahui dengan melihat data pada photopeak. Efisiensi detektor menunjukkan perbandingan jumlah radiasi yang diserap oleh detektor terhadap radiasi yang sampai ke detektor. Efisiensi pada dua photopeak mempunyai nilai yang berbeda, hal ini disebabkan oleh kemampuan detektor memiliki batasan dalam mendeteksi suatu sumber radioaktif. Semakin tinggi energi suatu sumber, maka nilai efisiensinya semakin kecil karena semakin banyak radiasi yang tidak mengenai detektor. Menurut litelatur, efisiensi detektor HPGe sangat tinggi pada energi 3 keV sampai 100 keV, sedangkan Co-60 memiliki energi 1173 keV dan 1333 keV. Resolusi detektor menunjukkan kemampuan detektor dalam memisahkan dua puncak yang berdekatan, semakin kecil nilai resolusi berarti semakin baik detektor dalam memisahkan dua puncak. Resolusi yang didapat dalam perhitungan kecil, hal ini menunjukkan kemampuan detektor HpGe yang berfungsi baik dalam memisahkan dua puncak energi. Resolusi terbaik pada detektor HPGe berkisar pada energi 3 keV ≤ E ≤ 1000 keV. Penentuan peak to compton bertujuan untuk mengetahui rasio cacahan pada sumber dengan jumlah hamburan comptonnya. Compton terjadi karena suatu tumbukan lenting sempurna antara sebuah foton dan sebuah elektron bebas. Dimana foton berinteraksi dengan elektron yang dianggap bebas (tenaga ikat elektron lebih kecil dari energi foton datang). Compton yang diinginkan pada rasio peak to compton adalah kecil. Setelah melakukan perhitungan nilai compton yang didapat lebih kecil dibandingkan cacahan pada sumber dengan rasio peak to compton pada photopeak 1 dan photopeak 2 secara berturut-turur sebesar 660 dan


712,7. Hal ini menunjukkan bahwa compton bernilai lebih sedikit dibandingkan cacahan bersih yang dilakukan oleh detektor.

VIII. KESIMPULAN

1. Prinsip kerja detektor HPGe berdasarkan pada kemampuan elektron mengalami ionisasi dan tereksitasi bila dikenai radiasi sehingga elektron dapat berpindah dari pita valensi ke pita induksi yang akan menghasilkan pulsa listrik. Pulsa listrik inilah yang akan diolah dan diperkuat yang kemudian ditampilkan dalam bentuk photopeak pada komputer. 2. Semakin tinggi energi suatu sumber, maka nilai efisiensinya semakin kecil karena semakin banyak radiasi yang tidak mengenai detektor. 3. Resolusi detektor menunjukkan kemampuan detektor dalam memisahkan dua puncak yang berdekatan, semakin kecil nilai resolusi berarti semakin baik detektor dalam memisahkan dua puncak. 4. Rasio peak to compton pada photopeak 1 dan photopeak 2 secara berturutturur sebesar 660 dan 712,7.

IX.

DAFTAR PUSTAKA

http://charismaprillia.blogspot.co.id/2014/02/interaksi-sinar-x.html diakses pada tanggal 26 Desember 2015 http://papers.sttn-batan.ac.id/prosiding/2013/makalah05.pdf diakses pada tanggal 26 Desember 2015 http://digilib.itb.ac.id/files/disk1/555/jbptitbpp-gdl-umihabibah-27724-3-2007ta2.pdf diakses pada tanggal 26 Desember 2015 http://dokumen.tips/documents/hpge-susi1.html

diakses

pada

tanggal

Desember 2015

Yogyakarta, 18 Januari 2016 Dosen Pembimbing

Praktikan

Maria Christina P

Elza Jamayanti


26


Detektor HPGE

Recommend Documents