Detektor merupakan suatu bahan yang peka terhadap radiasi, yang bila dikenai radiasi akan menghasilkan tanggapan mengikuti mekanisme yang ada. Akan tetapi 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 dapat mendeteksi radiasi neutron.
Detektor Sintilasi Ada
bermacam-macam
bahan
yang
dapat
memancarkan
kelipan
cahaya
(scintilation ) apabila berinteraksi dengan sinar gamma, partikel alpha dan partikel beta. Benda yang demikian disebut sintilator, bisa dalam bentuk padat atau cair, baik zat organik maupun anorganik. Berdasarkan proses kelipan tersebut benda demikian dapat digunakan
sebagai detektor sinar radioaktif dan disebut sebagai detektor sintilasi
atau detektor
sintilator ( scintillation detector ). Peristiwa pembentukan kelipan merupakan proses yang komplek, awalnya bahan sintilator menyerap energi yang menyebabkan keadaan beberapa atom yang tereksitasi atau terionisasi. Ketika kembali kepada keadaan dasar ( ground state) dalam waktu yang singkat disertai dengan cahaya atau emisi foton. Makin tinggi energi terserap dalam lintasan partikel dalam material, makin banyak atom-atom yang akan tereksitasi. Terdapat dua jenis tipe detektor kelipan yaitu kelipan organik dan kelipan inorganik Pada tabel di bawah ini dituliskan beberapa contoh detektor kelipan yang sering digunakan. Nama
Tipe
Detektor
Anthrance
Organic Solid
b
Pilot B
Organic Plastic
a
Nal (Tl)
Ingorganic
g
CsF
Ingorganic
Sinar-X
Detektor sintilasi yang paling sering digunakan untuk spektroskopi gamma adalah detektor NaI(Tl). Detektor sintilasi mampu mencacah jumlah partikel radioaktif dan energinya. Dua bagian utama Detektor Sintilator NaI(Tl) yaitu bagian sintilator NaI(Tl), dimana partikel yang terdeteksi akan menimbulkan kelipan cahaya dan yang kedua adalah
tabung pengubah pancaran cahaya menjadi elektron mengalami proses penggandaan dalam Photo Multiplier Tube (PMT).
Detektor sintilasi selalu terdiri dari dua bagian yaitu bahan sintilator dan photomultiplier. photomultiplie r. Bahan sintilator merupakan suatu bahan padat, cair maupun gas, yang yang akan menghasilkan percikan cahaya bila dikenai radiasi pengion. Photomultiplier digunakan untuk mengubah percikan cahaya yang dihasilkan bahan sintilator menjadi pulsa listrik. Mekanisme pendeteksian radiasi pada detektor sintilasi dapat dibagi menjadi dua tahap yaitu :
proses pengubahan radiasi yang mengenai detektor menjadi percikan cahaya di dalam bahan sintilator dan
proses pengubahan percikan cahaya menjadi pulsa listrik di dalam tabung photomultiplier
1. Bahan Sintilator
Didalam kristal bahan sintilator terdapat pita-pita atau daerah yang dinamakan sebagai pita valensi dan pita konduksi yang dipisahkan dengan tingkat energi tertentu. Pada keadaan dasar, ground state, seluruh elektron berada di pita valensi sedangkan di pita konduksi kosong. Ketika terdapat radiasi yang memasuki kristal, terdapat kemungkinan bahwa energinya akan terserap oleh beberapa elektron di pita valensi, sehingga dapat meloncat ke pita konduksi. Beberapa saat kemudian elektron-elektron tersebut akan kembali ke pita valensi melalui pita energi bahan aktivator sambil memancarkan percikan cahaya.
Jumlah percikan cahaya sebanding dengan energi radiasi diserap dan dipengaruhi oleh jenis bahan sintilatornya. sintilatornya. Semakin besar energinya energinya semakin banyak percikan cahayanya. cahayanya. Percikan- percikan cahaya ini kemudian „ditangkap‟ oleh photomultiplier. photomultiplier.
Berikut ini adalah beberapa contoh bahan sintilator yang sering digunakan sebagai detektor radiasi.
Kristal NaI(Tl)
Kristal ZnS(Ag)
Kristal LiI(Eu)
Sintilator Organik
Di dalam kristal bahan sintilator terdapat pita-pita atau daerah yang dinamakan sebagai pita valensi dan pita konduksi yang dipisahkan dengan tingkat energi tertentu. Pada keadaan dasar (ground state) seluruh elektron berada di pita valensi sedangkan di pita konduksi kosong. Ketika terdapat radiasi yang memasuki kristal, terdapat kemungkinan bahwa energinya akan terserap oleh beberapa elektron di pita valensi, sehingga dapat meloncat ke pita konduksi. Beberapa saat kemudian elektron-elektron tersebut akan kembali ke pita valensi melalui pita energi bahan aktivator sambil memancarkan percikan cahaya. Jumlah percikan cahaya sebanding dengan energi radiasi diserap dan dipengaruhi oleh jenis bahan sintilatornya. Semakin besar energinya semakin banyak percikan photocatode. cahayanya. Percikan- percikan cahaya ini kemudian „ditangkap‟ oleh photocatode. Detektor kelipan inorganik yang sering digunakan untuk spektroskopi g adalah kristal tunggal alkali halida seperti NaI (Natrium Iodida). Karena NaI merupakan material isolator, maka pita valensi biasanya penuh sedangkan pita konduksi dalam keadaan kosong. Sebuah radiasi dapat mengeksitasi sebuah elektron menyeberangi celah pita dari pita valensi ke pita konduksi. Tetapi elektron ini akan kehilangan energinya dengan memancarkan sebuah photon dan kembali ke pita valensi. Untuk meningkatkan kebolehjadian emisi photon dan mengurangi serapan cahaya oleh kristal, sejumlah kecil material yang dinamakan aktivator ditambahkan ke dalam NaI . Aktivator yang banyak digunakan adalah thalium sehingga detektornya dinamakan NaI (Tl) (Suharyana, 2010). Thalium merupakan pengotor yang mempermudah terjadinya proses ionisasi. Hal ini karena Thalium mempunyai nomor atom besar (81), lebih besar nomor atom maka lebih jauh elektron terluarnya terluarnya dari inti atom dan lebih lemah gaya yang mengikatnya mengikatnya dari inti atom sehingga mudah mengalami ionisasi
Peran bahan aktivator Thalium
Peristiwa pembentukan kelipan cahaya dapat dipandang sebagai urut-urutan beberapa proses sebagai berikut : Sinar-g yang masuk ke dalam suatu detektor sintilator akan berinteraksi dengan atom-atom di dalamnya sehingga terjadi 3 mekanisme sebagai berikut : a. Efek fotolistrik Yaitu suatu gejala dimana suatu cahaya yang frekuensinya cukup tinggi dijauhkan pada suatu permukaan logam, maka akan terjadi pemancaran elektron dari permukaan logam tersebut. b. Produksi Pasangan Yaitu suatu peristiwa yang terjadi apabila suatu foton ditembakkan pada suatu initi atom sehingga inti atom tersebut akan memancarkan sepasang elektron (q = -e) dan positron (q = +e). Hal ini terjadi karena untuk memenuhi hukum kekekalan energi dan momentum linier serta hukum kekekalan muatan listrik. c. Hamburan Compton Yaitu suatu peristiwa dimana suatu foton menumbuk elektron dan kemudian mengalami hamburan dari arahnya semula sedangkan elektronnya menerima impuls dan bergerak. Dalam tumbukan ini foton dapat dipandang sebagai partikel yang kehilangan sejumlah energi yang besarnya sama dengan besarnya energi kinetik yang diterima elektron.
Melalui ketiga proses ini, sinar- g menyerahkan sebagian atau seluruhnya tenaganya pada materi detektor dan sebagai hasilnya melepaskan elektron - elektron bebas yang dipergunakan dalam proses deteksi selanjutnya. Segera setelah elektron (fotoelektron) dibebaskan keluar dari sistem atom, maka sebagai akibat dari pengaturan kembali
konfigurasi elektron akan dipancarkan sinar-x. Hampir semua sinar-x ini diserap oleh bahan detektor dan tenaganya diserahkan pada fotoelektron yang dilepaskan. Sebagian besar dari tenaga yang diserap oleh elektron ini akan dilepaskan dalam bentuk tenaga panas dan sebagian yang lain dilepaskan foton cahaya kelipan.
2. Photo Multiplier Tube (PMT)
Bila bahan sintilator berfungsi untuk mengubah energi radiasi menjadi percikan cahaya maka tabung photomultiplier ini berfungsi untuk mengubah percikan cahaya tersebut menjadi berkas elektron, sehingga dapat diolah lebih lanjut sebagai pulsa / arus listrik. Tabung photomultiplier terbuat dari tabung hampa yang kedap cahaya dengan photokatoda yang berfungsi sebagai masukan pada salah satu ujungnya dan terdapat beberapa dinode untuk menggandakan elektron seperti terdapat pada gambar. Photokatoda yang ditempelkan pada bahan sintilator, akan memancarkan elektron bila dikenai cahaya dengan panjang gelombang yang sesuai. Elektron yang dihasilkannya akan diarahkan, dengan perbedaan potensial, menuju dinode pertama. Dinode tersebut akan memancarkan beberapa elektron sekunder bila dikenai oleh elektron.
Elektron-elektron sekunder yang dihasilkan dinode pertama akan menuju dinode kedua dan dilipatgandakan kemudian ke dinode ketiga dan seterusnya sehingga elektron yang terkumpul pada dinode terakhir berjumlah sangat banyak. Dengan sebuah kapasitor kumpulan elektron tersebut akan diubah menjadi pulsa listrik.
Skema dari PhotoMultiplier Tube (PMT)
Prinsip kerja detektor kelipan ditunjukkan pada gambar. Radiasi memasuki detektor sehingga mengakibatkan elektron atom - atom penyusun material detektor tereksitasi. Ketika kembali ke keadaan dasarnya, elektron orbit memancarkan cahaya. Cahaya ini akan menumbuk katoda yang permukaannya dilapisai photosensitive photosensitive yang biasanya terbuat dari antimony dan cesium. Akibatnya katoda akan menghasilkan paling sedikit sebuah elektron
tiap photon yang mengenainya melalui mekanisme efek photolistrik. Di belakang katoda terdapat tabung pegganda elektron yang dinamakan photomultiplier photomultiplier tube PMT yang terdiri atas beberapa elektroda yang dinamakan dynode yang masing - masing dihubungkan dengan tegangan listrik searah yang secara progresif bertambah besar. Karena antara dynode pertama dengan photocatode terdapat medan listrik, maka photoelektron photoelektron akan dipercepat geraknya oleh medan listrik menuju dynode pertama. Elektron yang dipercepat ini memiliki energi yang cukup untuk mengeluarkan elektron - elektron dari dynode pertama. Untuk sebuah photoelektron yang mengenai dynode, bergantung pada efisiensi PMT , akan menghasilkan sekitar 10 buah elektron sekunder. Elektron sekunder ini
diarahkan geraknya sehingga dipercepat oleh medan listrik antara dynode kedua dengan pertama sehingga dari dynode kedua dihasilkan elektron tersier yang jumlahnya berlipat. Proses seperti ini diulang - ulang sampai akhirnya elektron yang keluar dari dynode terakhir mampu menghasilkan arus keluaran yang besarnya lebih dari sejuta kali dibandingkan arus yang keluar dari katoda. Arus ini masih berupa pulsa muatan sehingga belum dapat dianalisa. Pulsa keluaran PMT dimasukkan ke penguat muka preamplifier preamplifier dan sinyal yang keluar dari penguat muka sudah dalam bentuk pulsa tegangan dalam orde milivolt. Contoh unsur radioaktif
137
Cs yang dideteksi dengan detektor NaI(Tl)
Jika energi radiasi yang dipancarkan oleh unsur radioaktif
137
Cs diserap seluruhnya
oleh elektron-elektron pada kristal detektor NaI(Tl) maka interaksi ini disebut efek
fotolistrik yang menghasilkan puncak energi ( photopeak ) pada spektrum gamma (gambar 3) pada daerah energi 662 keV. Apabila foton gamma berinteraksi dengan sebuah elektron bebas atau yang terikat lemah, misal elektron pada kulit terluar suatu atom, maka sebagian energi photon akan diserap oleh elektron dan kemudian terhambur. Interaksi ini disebut dengan hamburan Compton
137
Pengukuran spektrum Cs dengan menggunakan detektor NaI(Tl) (Departement of physisc Integrated Laboratory).
Titik batas antara interaksi Compton dan foto listrik menghasilkan puncak energi yang disebut Compton edge. Puncak Backscatter disebabkan oleh foton yang telah dihamburkan keluar ternyata didefleksi balik kedalam detektor sehingga terdeteksi ulang. Spektrum di atas merupakan contoh karakteristik spektra dari isotop
137
Cs, setiap isotop
mempunyai karakteristik pola spektral yang berbeda-beda yang dapat digunakan untuk mengidentifikasi isotop-isotop tersebut.
Sintilator Cair (Liquid Scintillation)
Detektor ini sangat spesial dibandingkan dengan jenis detektor yang lain karena berwujud cair. Sampel radioaktif yang akan diukur dilarutkan dahulu ke dalam sintilator cair ini sehingga sampel dan detektor menjadi satu kesatuan larutan yang homogen. Secara geometri pengukuran ini dapat mencapai efisiensi 100 % karena semua radiasi yang dipancarkan sumber akan “ditangkap” oleh detektor. Metode ini sangat diperlukan untuk mengukur sampel yang memancarkan radiasi b berenergi rendah seperti tritium dan C.
Masalah yang harus diperhatikan pada metode ini adalah
quenching
yaitu
berkurangnya sifat transparan dari larutan (sintilator cair) karena mendapat campuran sampel. Semakin pekat konsentrasi sampel maka akan semakin buruk tingkat transparansinya sehingga percikan cahaya yang dihasilkan tidak dapat mencapai photomultiplier photomultiplier .
Keunggulan - Kelemahan Detektor
Dari pembahasan di atas terlihat bahwa setiap radiasi akan diubah menjadi sebuah pulsa listrik dengan ketinggian yang sebanding dengan energi radiasinya. Hal tersebut merupakan fenomena yang sangat ideal karena pada kenyataannya tidaklah demikian. Terdapat beberapa karakteristik detektor yang membedakan satu jenis detektor dengan lainnya yaitu efisiensi, kecepatan dan resolusi. Efisiensi detektor adalah suatu nilai yang menunjukkan perbandingan antara jumlah
pulsa listrik yang dihasilkan detektor terhadap jumlah radiasi yang diterimanya. Nilai efisiensi detektor sangat ditentukan oleh bentuk geometri dan densitas bahan detektor. Bentuk geometri sangat menentukan jumlah radiasi yang dapat 'ditangkap' sehingga semakin luas permukaan detektor, efisiensinya semakin tinggi. Sedangkan densitas bahan detektor mempengaruhi jumlah radiasi yang dapat berinteraksi sehingga menghasilkan sinyal listrik. Bahan detektor yang mempunyai densitas lebih rapat akan mempunyai efisiensi yang lebih tinggi karena semakin banyak radiasi yang berinteraksi dengan bahan. Kecepatan detektor menunjukkan selang waktu antara datangnya radiasi dan
terbentuknya pulsa listrik. Kecepatan detektor berinteraksi dengan radiasi juga sangat mempengaruhi pengukuran karena bila respon detektor tidak cukup cepat sedangkan
intensitas radiasinya sangat tinggi maka akan banyak radiasi yang tidak terukur meskipun sudah mengenai detektor. Resolusi detektor adalah kemampuan detektor untuk membedakan energi radiasi yang
berdekatan. Suatu detektor diharapkan mempunyai resolusi yang sangat kecil (high resolution) sehingga dapat membedakan energi radiasi secara teliti. Resolusi detektor disebabkan oleh peristiwa statistik yang terjadi dalam proses pengubahan energi radiasi, noise dari rangkaian elektronik, serta ketidak-stabilan kondisi pengukuran. Aspek lain yang juga menjadi pertimbangan adalah konstruksi detektor karena semakin rumit konstruksi atau desainnya maka detektor tersebut akan semakin mudah rusak dan biasanya juga semakin mahal. Adapun tabel berikut akan menjelaskan kelebihan dan kekurangan detektor sintilasi berdasarkan beberapa pertimbangan di atas. Spesifikasi
Baik
Efisiensi
Kecepatan
Kurang Baik
Resolusi
Konstruksi
Pemilihan
detektor
harus
mempertimbangkan
spesifikasi
keunggulan
dan
kelemahan dari detektor tersebut. Detektor yang cocok digunakan pada alat ukur untuk radiasi alam (intensitas sangat rendah) sebaiknya adalah detektor sintilasi.
