MAKALAH FISIKA INTI DETEKTOR RADIASI
OLEH : Kelompok 4
Anggota
Prodi
: Putri Nurhaliza
(15033012)
Aris Alfikri
(15033028)
Efni Zalpita
(15033030)
Zara Zakiya
(15033052)
: Pendidikan Fisika B
Dosen Pembimbing Dra. Hidayati, M.Si
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENEGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS NEGERI PADANG 2018
BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang
Hal yang paling mendasar untuk mengendalikan bahaya radiasi adalah mengetahui besarnya radiasi yang dipancarkan oleh suatu sumber radiasi (zat radioaktif atau mesin pemancar radiasi), baik melalui pengukuran maupun perhitungan. Keberadaan radiasi tidak dapat dirasakan secara langsung oleh sistem panca indera manusia. Radiasi tidak bisa dilihat, dicium, didengar, maupun dirasakan. Oleh sebab itu, untuk keperluan mengetahui adanya dan mengukur besarnya radiasi, manusia harus mengandalkan pada kemampuan suatu peralatan khusus. Pada prinsipnya, pendeteksian dan pengukuran radiasi dengan menggunakan alat ukur radiasi memanfaatkan prinsip-prinsip kemampuan interaksi antara radiasi dengan materi. Setiap alat ukur radiasi selalu dilengkapi dengan detektor yang mampu mengenali adanya radiasi. Apabila radiasi melewati bahan suatu detektor, maka akan terjadi interaksi antara radiasi dengan bahan detektor tersebut (terjadi pemindahan energi dari radiasi yang datang ke bahan detektor). Perpindahan energi ini menimbulkan berbagai jenis tanggapan (response) response) yang berbeda-beda dari bahan detektor tersebut. Jenis tanggapan yang ditunjukan oleh suatu detektor terhadap radiasi tergantung pada jenis radiasi dan bahan detektor yang digunakan. Pendeteksian keberadaan dan atau besarnya radiasi dilakukan dengan mengamati tanggapan yang ditunjukan oleh suatu detektor. B. Rumusan Masalah
1. Apa saja jenis radiasi? 2. Bagaimana interaksi antara radiasi dengan materi? 3. Bagaimana prinsip kerja dari detektor radiasi? 4. Bagaimana penyelesaian soal yang berkaitan dengan detektor radiasi? C. Tujuan
1. Mengetahui apa saja jenis radiasi. 2. Mengetahui bagaimana interaksi antara radiasi dengan materi. 3. Mengetahui bagaimana prinsip kerja dari detektor radiasi. 4. Mengetahui bagaimana penyelesaian soal yang berkaitan dengan detektor radiasi.
BAB II PEMBAHASAN
1. Dalam membahas deteksi radiasi nuklir kita membutuhkan pengetahuan tentang jenis radiasi dan interaksinyan dengan materi. Jelaskanlah a. Jenis radiasi b. Interaksinya dengan materi Solusi: a. Jenis radiasi
Radiasi adalah pancaran energi yang berasal dari proses transformasi atom atau inti atom yang tidak stabil. Ketidak-stabilan atom dan inti atom mungkin memang sudah alamiah atau buatan manusia, oleh karena itu ada sumber radiasi alam dan sumber radiasi buatan. Sumber radiasi itu sendiri dapat dibedakan menjadi sumber yang berupa zat radioaktif dan sumber yang berupa mesin, seperti pesawat sinarX, akselerator, maupun reaktor nuklir. Adapun jenis radiasi dapat dibedakan menjadi radiasi partikel bermuatan, radiasi partikel tak bermuatan, dan gelombang elektromagnetik atau foton. 1) Radiasi Partikel Bermuatan
Radiasi ini merupakan pancaran energi dalam bentuk partikel yang bermuatan listrik. Beberapa jenisnya adalah radiasi alpha dan beta yang dipancarkan oleh zat radioaktif (inti atom yang tidak stabil), serta radiasi elektron dan proton yang dihasilkan oleh mesin berkas elektron ataupun aks elerator. o
Alpha
Partikel alpha terdiri dari dua buah proton dan dua buah neutron, identik dengan inti atom Helium, serta mempunyai muatan listrik positif sebesar 2 muatan elementer. Radiasi alpha dipancarkan oleh zat radioaktif, atau dari inti atom yang tidak stabil.
Gambar 1. Peluruhan alfa
o
Beta
Terdapat dua jenis radiasi beta yaitu beta positif dan beta negatif. Beta negatif identik dengan elektron, baik massa maupun muatan listriknya, sedangkan beta positif identik dengan positron (elektron yang bermuatan positif).
Gambar 2. Peluruhan beta
Radiasi beta dipancarkan oleh zat radioaktif atau inti atom yang tidak stabil. Ketika memancarkan radiasi beta negatif, di dalam inti atomnya terjadi transformasi neutron menjadi proton, sebaliknya pada saat memancarkan beta positif terjadi transformasi proton menjadi neutron. o
Elektron
Radiasi elektron mempunyai sifat yang sama dengan radiasi beta negatif, yang membedakan adalah asalnya. Partikel beta berasal dari inti atom sedangkan elektron berasal dari atom. Radiasi elektron dapat berasal dari zat radioaktif yang meluruh dengan cara internal conversion atau dari mesin berkas elektron (akselerator). o
Proton
Radiasi proton merupakan pancaran proton yang mempunyai massa 1 sma (satuan massa atom) dan mempunyai muatan positif sebesar satu muatan elementer. Radiasi proton dihasilkan dari akselerator proton. 2) Radiasi Partikel tak Bermuatan (Neutron)
Radiasi ini merupakan pancaran energi dalam bentuk partikel neutron yang tidak bermuatan listrik dan mempunyai massa 1 sma (satuan massa atom). Radiasi ini lebih banyak dihasilkan bukan oleh inti atom yang tidak stabil (radioisotop) melainkan oleh proses reaksi inti seperti reaksi fisi di reaktor nuklir. 3) Radiasi Gelombang Elektromagnetik (Foton)
Radiasi ini merupakan pancaran energi dalam bentuk gelombang elektromagnetik atau foton yang tidak bermassa maupun bermuatan listrik. Terdapat dua jenis
radiasi yang berbentuk gelombang elektromagnetik yaitu sinar gamma dan sinarX. o
Gamma
Radiasi gamma dipancarkan oleh inti atom yang dalam keadaan tereksitasi. Setelah memancarkan radiasi gamma, inti atom tidak mengalami perubahan baik jumlah proton maupun jumlah neutron.
Gambar 3. Peluruhan gamma o
Sinar-X
Sebenarnya dikenal dua jenis sinar-X yaitu yang dihasilkan oleh atom dalam keadaan tereksitasi (sinar-X karakteristik) dan yang dihasilkan oleh proses interaksi radiasi partikel bermuatan (brehmsstrahlung). Perbedaan kedua jenis sinar-X di atas, selain asal terjadinya, adalah bentuk spektrum energinya. Sinar-X karakteristik bersifat discreet pada energi tertentu sesuai dengan jenis unsurnya, sedangkan brehmsstrahlung bersifat kontinyu. b. Interaksi Radiasi Partikel Bermuatan
1. Partikel Bermuatan Berat Interaksi radiasi partikel bermuatan ketika mengenai materi adalah proses Coulomb, yaitu gaya tarik menarik atau tolak menolak antara radiasi partikel bermuatan dengan elektron orbital dari atom bahan
Ionisasi
Proses ionisasi adalah peristiwa lepasnya elektron dari orbitnya karena ditarik atau ditolak oleh radiasi partikel bermuatan. Elektron yang lepas menjadi elektron bebas sedang sisa atomnya menjadi ion positif. Setelah melakukan ionisasi energi radiasi akan berkurang sebesar energi ionisasi elektron. Peristiwa ini akan berlangsung terus sampai energi radiasi partikel bermuatan habis terserap. Radiasi alpha yang mempunyai massa maupun muatan lebih
besar mempunyai daya ionisasi yang lebih besar daripada radiasi yang lain
Gambar 4: proses ionisasi Ketika partikel bermuatan melintasi media, itu semakin kehilangan energi dengan mentransfer ke elektron dari atom medium. Tingkat kehilangan energi dapat diperkirakan dengan mempertimbangkan sebuah ion dengan massa mion dan muatan zione yang melewati dekat elektron bebas, seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 5 Untuk mempermudah perhitungan, pertama kita menganggap bahwa ion adalah non-relativistik, v << c, dan mion >> me. Karena mion >> me, gerakan ion hampir tidak terpengaruh oleh pertemuan dekat dengan elektron sehingga lintasannya, secara pendekatan berupa garis lurus dengan parameter dampak b.
Gambar 4.1 Lintasan dari partikel bermuatan di sekitar atom. (Sumber : Basdevant,Rich, and Spiro. , 2004 hal 257) Elektron mengalami gaya Coulomb karena adanya ion dan karena itu mundur setelah melintasi ion. Momentum elektron dapat dihitung dengan mengintegrasikan gaya. Integral tidak nol hanya dalam arah tegak lurus lintasan:
pe(b, v) Fydt
z ion e 2 4 0
x
bdx / v 2
b2
3/ 2
z ion e 2 2 0 vb
(1)
Rumus ini berlaku untuk nilai b yang cukup besar bahwa selama melintas, elektron mundur melalui jarak yang kecil dibandingkan dengan b. Hilangnya energi dari ion, ΔE, adalah energi kinetik dari elektron mundur:
z ione 2 2 E (b, v) 2me 4 0 v 2b 2 me pe
2
(2)
Kehilangan energi sebanding dengan v−2 karena semakin lambat ion, semakin lama waktu yang elektron mengalami medan listrik dari ion. Energi yang hilang sebanding dengan b-2 jadi kita perlu untuk mengambil rata-rata lebih dari parameter dampak. Prosedur berikut tepat apa yang kita lakukan di Chap. 3 ketika kita menghitung probabilitas reaksi Kita ambil kotak volume L3 yang mengandung satu elektron.
dalam hal penampang.
Kehilangan energi rata-rata untuk parameter dampak acak adalah
E (v)
bmax
1
2 bdb v b m
2
L
2
2
e
1 2
2 4 z ion e 2
L v me
2
L me c
2
2
2
ln( bmax / bmin ) 4 0
(c) 2 4
2
bmin
z ione 2 4 0
2
( z ion ) 2 ln( bmax / bmin )
(3)
dimana β = vion/c dan α adalah konstanta struktur halus. Untuk Ne elektron dalam kotak, total kehilangan energi diperoleh dengan mengalikan dengan Ne. Laju kehilangan energi, dE/dx, kemudian diperoleh dengan membagi dengan panjang kotak L dE dx
(c) 2 ne 4 me c
2
2
( z ion ) 2 ln( bmax / bmin )
(4)
dimana ne = Ne/L3 adalah densitas elektron dalam kotak. 2. Radiasi Partikel tak Bermuatan (Neutron) Radiasi ini merupakan pancaran energi dalam bentuk partikel neutron yang tidak bermuatan listrik dan mempunyai massa 1 sma (satuan massa atom). Radiasi ini lebih banyak dihasilkan bukan oleh inti atom yang tidak stabil (radioisotop) melainkan oleh proses
reaksi inti seperti contoh sumber AmBe di atas ataupun reaksi fisi di reaktor nuklir. karena tidak bermuatan listrik, mekanisme interaksi radiasi neutron lebih dominan secara mekanik, yaitu peristiwa tumbukan baik secara elastik maupun tidak elastik. Sebagaimana radiasi partikel bermuatan, radiasi neutron juga mempunyai potensi melakukan reaksi inti.
Tumbukan elastik Tumbukan elastik adalah tumbukan di mana total energi kinetik partikel- partikel
sebelum dan sesudah tumbukan tidak berubah. Dalam tumbukan elastik antara neutron dan atom bahan penyerap, sebagian energi neutron diberikan ke inti atom yang ditumbuknya sehingga atom tersebut terpental sedangkan neutronnya dibelokkan/dihamburkan.
Gambar 6: peristiwa tumbukan elastik Tumbukan elastik terjadi bila atom yang ditumbuk neutron mempunyai massa yang sama, atau hampir sama dengan massa neutron (misalnya atom Hidrogen), sehingga fraksi energi neutron yang terserap oleh atom tersebut cukup besar.
Tumbukan tidak Elastik Proses tumbukan tak elastik sebenarnya sama saja dengan tumbukan elastik, tetapi
energi kinetik sebelum dan sesudah tumbukan berbeda. Ini terjadi bila massa atom yang ditumbuk neutron jauh lebih besar dari massa neutron. Setelah tumbukan, atom tersebut tidak terpental, hanya bergetar, sedang neutronnya terhamburkan.
Gambar 7: peristiwa tumbukan tidak elastik
Dalam peristiwa ini, energi neutron yang diberikan ke atom yang ditumbuknya tidak terlalu besar sehingga setelah tumbukan, energi neutron tidak banyak berkurang. Oleh karena itu, bahan yang mengandung atom-atom dengan nomor atom besar tidak efektif sebagai penahan radiasi neutron.
Neutron
Neutron dalam range MeV berinteraksi dengan materi kebanyakan oleh hamburan elastis pada inti. Hal ini menyebabkan hilangnya secatra progresif energi kinetik neutron sampai mereka mengalami termalisasi dengan energi rata-rata, ~kT, yang diberikan oleh suhu medium (Gambar 5.14). Neutron kemudian terus melakukan gerak random dengan kecepatan v~2000 ms-1 sampai mereka diserap, biasanya oleh (n, γ) reaksi. Dalam media homogen yang mengandung inti dari nomor massa A, waktu rata-rata untuk penyerapan sesudah termalisasi adalah
τ
1 n
σv
6μμ
A g cm
ρ
3
1 b
(
)
σ
di mana n dan ρ adalah jumlah dan kerapatan massa inti dan σ adalah rata-rata penampang termal pada T = 300K. Perhatikan bahwa waktu penyerapan secara substansial lebih pendek dari umur rata-rata sebuah neutron bebas, ~886.7s. 3.
Interaksi Radiasi Gelombang Elektromagnetik
Interaksi radiasi gelombang elektromagnetik ketika mengenai materi lebih menunjukkan sifat dualisme gelombang - partikel yaitu efek foto listrik, efek Compton, dan produksi pasangan.
Efek Foto Listrik
Dalam peristiwa efek foto listrik, foton yang mengenai materi akan diserap sepenuhnya dan salah satu elektron orbital akan dipancarkan dengan energi kinetik yang hampir sama dengan energi foton yang mengenainya.
Gambar 8: peristiwa efek foto listrik
Efek Compton
Peristiwa efek Compton sangat menyerupai efek foto listrik kecuali energi foton yang mengenai materi tidak diserap sepenuhnya sehingga masih ada sisa energi foton yang dipantulkan atau dibelokkan.
Gambar 9: peristiwa efek Compton
Produksi Pasangan
Peristiwa ini menunjukkan kesetaraan antara massa dengan energi sebagaimana diperkenalkan pertama kali oleh Einstein. Bila sebuah foton yang mengenai materi berhasil “masuk” sampai ke daerah medan inti (nuclear field) dan mempunyai energi lebih besar dari 1,022 MeV maka foton tersebut akan diserap habis dan
akan dipancarkan pasangan
elektron – positron. Positron adalah anti partikel dari elektron, yang mempunyai karakteristik sama dengan elektron tetapi bermuatan positif.
Gambar 10: peristiwa produksi pasangan
2. Jelaskan prinsip kerja dari detektor: a. Elektroskop b. Ruang Ionisasi c. Pencacah Sebanding d. Tabung Geiger-Muller e. Pencacah Kelipan f. Detektor Semikonduktor Solusi: a. DETEKTOR ELEKTROSKOP 1. Pengertian Detektor Elektroskop
Elektroskop adalah suatu piranti yang dapat digunakan untuk mendeteksi ada tidaknya muatan listrik pada suatu benda. Daun-daun elektroskop akan mengembang apabila kepala elektroskop dimuati baik dengan cara induksi listrik atau secara konduksi listrik.
Gambar 11. Elektroskop
Elektroskop adalah salahsatu alat yang paling pertama digunakan untuk mendeteksi radiasi ion, Ini merupakan suatu alat sederhana yang dapat mengukur potensial dari satu muatan. Ini biasanya terdiridari dua daun emas. Radiasi dikeluarkan
oleh sumber radio aktif sebab gas dalam elektroskop menjadi ion. Muatan yang dikumpulkan oleh daun membuat merka berkumpul nilainya adalah perbandingan secara langsung pada sekeliling ionisasi dan sebabitu pada sekeliling radiasi. 2. Prinsip Kerja Detektor Elektroskop
Di dalam sebuah peti kaca terdapat dua buah daun elektroskop yang dapat bergerak (kadang-kadang yang dapat bergerak hanya satu daun saja), biasanya dibuat dari emas. Daun-daun elektroskop ini dihubungkan ke sebuah bola logam yang berada di luar peti kaca melalui suatu konduktor yang terisolasi dari peti. Apabila benda yang bermuatan negatif didekatkan ke bola logam, maka terjadi induksi yang menarik muatan positif untuk berkumpul di puncak, sedangkan di daun elektroskop bermuatan negatif. Karena pada dua sisi daun bermuatan negatif maka daun tersebut tolak-menolak dan akhirnya melebar. Pada setiap kasus, makin besar muatan, maka makin lebar pemisahan daun-daun elektroskop. Meskipun demikian, perlu dicatat bahwa dengan cara ini, anda tidak dapat menentukan tanda muatan, karena dalam setiap kasus, kedua daun elektroskop saling menolak satu dengan yang lain. Meskipun demikian, suatu elektroskop dapat digunakan untuk menentukan “tanda muatan” jika pertama-tama pemisahan muatan dilakukan dengan cara konduksi, misalnya secara negatif, sebagaimana ditunjukkan dalam Gambar 3a. Sekarang, jika benda bermuatan negatif didekatkan, sebagaimana ditunjukkan pada
Gambar 3b, maka lebih banyak elektron diinduksi untuk bergerak ke bawah
menuju daun-daun elektroskop sehingga kedua daun ini terpisah lebih lebar. Di sisi lain, jika muatan positif didekatkan, maka elektron-elektron akan diinduksi untuk bergerak ke atas, sehingga menjadi lebih negatif dan jarak pisah kedua daun ini menjadi berkurang (menjadi lebih sempit), seperti pada Gambar 3c.
Gambar 12. Elektroskop yang pertama-tama dimuati dapat digunakan untuk menentukan tanda dari suatu muatan yang diberikan.
Kecepatan mendekat dua sisi daun emas ini sebanding dengan kecepatan terbentuknya pasangan ion oleh unsur radioaktif, sehingga keaktifan unsur radioaktif dapat diukur dan diketahui. b. DETEKTOR RUANG IONISASI
Ruang ionisasi merupakan tempat atom diubah menjadi ion.
Ruang ionisasi terbuat dari sebuah volume dari gas yang terdiri dari sebuah ruang didalamnya ada dua elektroda, di pertahankan pada perbedaan potensial tinggi dengan sebuah sumber tegangan. Radiasi ini diberikan kedalam ruangan yang mana radiasi menyebabkan ionisasi ion yang dihasilkan dikumpulkan oleh masing- masing elektroda psitif dan negative, tegangan dijaga cukup tinggi.
Penjelasan tentang apa yang tejadi
1.
Keadaan hampa udara Penting bagi ion-ion yang telah dibuat dalam ruang ionisasi untuk dapat bergerak lurus dalam mesin tanpa bertabrakan dengan molekul-moleku udara.
2.
I onisasi Atom di ionisasi dengan mengambil satu atau lebih electron dari atom tersebut
supaya terbentuk ion positif. Ini juga berlaku untuk unsur-unsur yang biasanya membentuk ion-ion negatif (sebagai contoh,klor) atau unsur – unsur yang tidak pernah membentuk ion (sebagai contoh Argon).
Spectrometer masa selalu bekerja hanya dengan ion positif.
Sampel yang berbentuk gas (vaporized sample) masuk ke dalam ruang ionisasi. Kumparan metal yang dipanaskan dengan menggunakan listrik ‘melepaskan‘ elektronelektron yang ada pada sampel dan elektron-elektron lepas itu menempel pada perangkap electron2 (electron trap) yang mempunyai muatan positif. Partikel-partikel dalam sampel tersebut (atom atau molekul) dihantam oleh banyak sekali elektron-elektron, dan beberapa dari tumbukan tersebut mempunyai energy cukup untuk melepaskan satu atau lebih electron dari sampel tersebut sehingga sampel tersebut menjadi ion positif. Kebanyakan ion-ion positif yang terbentuk itu mempunyai muatan +1 karena jauh akan lebih sulit untuk memindahkan elektron lagi dari sampel yang sudah menjadi ion positif. Ion-ion positif yang terbentuk ini diajak keluar dan masuk kebagian mesin yang merupakan sebuah lempengan metal yag bermuatan positif (ion repellel). Seluruh ruang ionisasi ini dilakukan dengan menggunakan tegangan listrik positif yang besar (10.000V). Ketika kita bicara tentang dua lempeng bermuatan positif, berarti lempengan tersebut mempunyai muatan lebih dari 10.000V.
3.
Percepatan
Ion-ion positif yang ditolak dari ruang ionisasi yang sangat positif itu akan melewati 3 celah, dimana celah terakhir itu bermuatan 0V. Celah yang berada
ditengah mempunyai voltase menengah. Semua ion-ion tersebut dipercepat sampai menjadi sinar yang sangat terfokus.
4.
Pembelokan
Ion yang berbeda-beda akan dibelokkan secara berbeda pula oleh medan magnet. Besarnya pembelokan yang dialami oleh sebuah ion tergantung pada : a. Massa ion tersebut Ion-ion yang bermassa ringan akan dibelokkan lebih dari pada ion-ion yang bermassa berat. b. Mutan ion Ion yang mempunyai muatan +2 (atau lebih) akan lebh dibelokkan lebih dari pada ion yang bermuatan +1. Dua faktor diatas digabungkan dalam perbandingan massa/muatan. Perbandingan ini mempunyai simbol m/z (ataum/e).Sebagai contoh : apabila sebuah ion mempunyai massa 28 dan bermuatan +1, maka perbandingan massa/muatan ion tersebut adalah 28. Ion yang mempunyai massa 56 dan bermuatan +2 juga mempunyai perbandingan massa/muatan yang sama adalah 28. Pada gambar diatas, sinar A mengalami pembelokan yang paling besar, yang berarti sinar tersebut terdiri dari ion-ion yang mempunyaiperbandingan massa/muatan yang terkecil. Sedangkan sinar C mengalami pembelokan yang paling kecil, berarti ia terdiri dari ion-ion yang mempunyai perbandingan massa/muatan yang paling besar. Akan jauh lebih mudah membahas masalah ini jka kta menganggap bahwa muatan semua ion adala +1. Hampir semua ion yang lewat dalam spektrometer massa ini bermuatan +1, sehinnga besarnya perbandingan massa/muatannya akan sama dengan massa ion tersebut.
Tambahan : Anda juga harus mengerti bahwa ada kemungkinan adanya ion bermuatan +2 (atau lebih), tetapi kebanyakan soal-soal akan memberikan spectrum massa dimana ion-
ionnya hanya bermuatan +1. Kecuali bila ada petunjuk dalam soal tersebut, anda bisa menganggap bahwa ion yang sedang dibicarakan dalam soal tersebut adalah bermuatan +1. Jadi dengan menganggap semua ion bermuatan +1, maka sinar A terdiri dari ion yang paling ringan, selanjutnya sinar B dan yang terdiri dari ion yang paling berat adalah sinar C. ion-ion yang ringan akan lebih dibelokkan daripada ion yang berat.
5.
Pendeteksian
Pada gambar diatas hanya sinar B yang bisa melaju sampai ke pendetektor ion. Ion-ion lainnya bertubrukan dengan dinding dimana ion-ion akan menerima elektron dan akan dinetralisasi. Pada akhirnya, io-ion yang telah menjadi netral tersebut akan dipisahkan dari spectrometer massa oleh pompa vakum.
Ketika sebuah ion menubruk kotak logam, maka ion tersebut akan dinetralisasi oleh electron yang berpindah dari logam ke ion (gambar kanan). Hal ini akan menimbulkan ruang antara electron-elektron yang ada dalam logam tersebut, dan electron-elektron yang berada dalam kabel akan mengisi ruang tersebut. Aliran electron di dalam kabel itu di deteksi sebagai arus listrik yang bisa diperkuat dan dicatat. Semakin banyak ion yang datang, semakin besar arus listrik yang timbul.
Mendeteksi ion-ion lainnya Sinar A dibelokkan paling besar, berarti ia mempunyai nilai m/z yang paling kecil(ion yang paling bermuatan +1) untuk membuat sinar ini sampai ke detector ion, anda perlu membelokkan sinar tersebut dengan menggunakan medan magnet yang lebih kecil(gaya luar yang lebih kecil). Untuk membuat ion-ion yang mempunyai nilai m/z yang besar (ion yang berat bila bermuatan +1) sampai ke detector ion, maka anda perlu membelokkannya dengan menggunakan medan yang paling besar. Dengan merubah besarnya medan magnet yang digunakan, maka anda bisa membawa semua sinar yang ada secara bergantian ke detector ion, dimana disana ion-ion
tersebutkan menimbulkan arus listrik dmana besarnya berbanding lurus dengan jumlah ion yang dating. Massa dari semua ion yang dideteksi itu tergantung pada besarnya medan magnet yang digunakan untk membawa sinar tersebut ke detector yang lain. Mesin ini dapat disesuaikan untuk mencatat arus listrik(yang merupakan jumlah ion-ion) dengan m/z secara lansung. Massa tersebut diukur dengan menggunakan skala massa C12. Tambahan : skala massa C12 adalah isotop C12 memunyai berat tepat 12 unit.
A. Detektor Geiger Muller
a. Bagian-bagian detektor
•
Katoda
: yaitu dinding tabung logam yang merupakan elektroda
negatif. Jika tabung terbuat dari gelas maka dinding tabung harus dilapisi logam 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 tunggal dicampur gas poliatom (gas yang banyak digunakan Ar dan He).
b. 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 isiann gas yaitu detektor ionisasi dann detektor proporsional. Ketiga macam detektor tersebut secara garis besar prinsip kerjanya sama, yaitu sama-sama menggunakan medium gas. Perbedaannya hanya terletak pada tegangan yang diberikan pada masing-masing detektor tersebut.Apabila ke dalam labung masuk zarah radiasi maka radiasi akan mengionisasi gas isian. Banyaknya pasangan eleklron-ion yang lerjadi 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 eleklrode 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 terga ntung pada macam gas yang digunakan. Dengan tenaga yang relatif tinggi maka elektron akan 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 ini dapat 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 muata 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 bisa digunakan untuk mengitung energi dari zarah radiasi yang datang. Kalau tegangan V tersebut dinaikkan lebih tinggi lagi dari tegangan kerja Geiger muler, maka detektor tersebut akan rusak, karena sususan molekul gas atau campuran gas tidak pada perbandingan semula atau terjadi peristiwa pelucutan terus menerusbyang disebutcontinous
discharge. 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 tegangan tersebut dimulai dari tegangan terendah adalah sebagai berikut: I. II.
= daerah rekombinasi = daerah ionisasi
III.
= daerah proporsional
IV.
= daerah proporsioanl terbatas
V. VI.
= daerah Geiger Muller = 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 digunakna 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 elektron primer dapat 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 ke detektor 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 Gross Beta gamma karena tidak bisa 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 banyaknya pulsa yang dihasilkan.
E. PENCACAH KELIPAN
Prinsip kerja
Pencacah Kelipan berlandaskan pemancaran cahaya oleh zat tertentu bila terkena radiasi ioniasi. Bahan yang mampu bersifat demikian disebut sintilator. Sifat utama yang dimiliki sintilator ialah intensitas cahaya yang timbul sebanding dengan energi radiasi. Untuk mengubah pulsa cahaya menjadi pulsa listrik digunakan Tabung Photo Multiplier (PMT).
Detektor sintilasi selalu terdiri dari dua bagian, yaitu: bahan sintilator dan photomultiplier. Detektor sintilasi bekerja memanfaatkan radiasi fluoresensi (biasanya cahaya) yang dipancarkan ketika elektron dari keadaan tereksitasi kembali ke keadaan dasarnya pada pita valensi. Bahan yang dipilih sebagai bahan detektor adalah bahan yang memungkinkan peristiwa kerlipan cahaya tersebut dapat terjadi dalam waktu yang sangat cepat (kira-kira 1 µsekon). Bahan sintilator merupakan suatu bahan padat, cair maupun gas, 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 kerlipan cahaya di dalam bahan sintilator; • Proses pengubahan kerlipan cahaya menjadi pulsa listrik di dalam tabung photomultiplier. Penyerapan radiasi gamma yang berenergi 1 MeV dalam detektor sintilasi menghasilkan kira-kira 10.000 eksitasi elektron, dan jumlah radiasi elektromagnetik dalam bentuk cahaya. Efisiensi pendeteksian detektor gas terhadap radiasi gamma sangat rendah kira-kira 1%. Dengan mengguakan kristal sintilasi padat, dapat diperoleh efisiensi pendeteksian radiasi gamma yang cukup tinggi, bervariasi antara 20 s.d. 30 %. F. DETEKTOR SEMIKONDUKTOR
Prinsip kerja Detektor Semikonduktor memanfaatkan kenyataan bahwa lapisan tipis pada kedua sisi sambungan p-n kekurangan muatan pembawa. Bila bias balik dipasang pada kristal, setiap elektron
dan lubang yang ditimbulkan dalam daerah kekurangan (deplesi) oleh partikel
pengion akan tertarik ke ujung kristal sehingga menimbulkan tegangan. Konduktivitas dapat didefinisikan sebagai kemampuan suatu bahan untuk mengalirkan arus listrik. Detektor semikonduktor, pada prinsipnya bekerja melalui konsep pengukuran perubahan konduktivitas suatu bahan yang disebabkan oleh adanya radiasi ionisasi. Detektor semikonduktor memiliki kesamaan dengan jenis detektor isian gas dalam beberapa prinsip sistem kerjanya. Semikonduktor adalah bahan-bahan yang dapat mengalirkan arus listrik, namun kemampuan daya hantarnya tidak sebaik bahan konduktor, juga dapat menghambat aliran arus listrik, namun daya hambatnya tidak sebaik bahan insulator. Pada dasarnya, terdapat juga bahan-bahan isolator yang terbuat dari bahan semikonduktor tidak dapat mengalirkan arus listrik. Hal ini disebabkan semua elektronnya berada di pita valensi, sedangkan di pita konduksinya tidak ditempati oleh elektron.
Pada umumnya bahan semikonduktor yang sering digunakan adalah silikon (Si) dan Germanium (Ge). Untuk meningkatkan daya hantar listrik-nya, maka ditambahkan bahan pengotor (doping). Apabila bahan pengotor memiliki kelebihan elektron sehingga aliran listrik adalah pergerakan muatan negatif dalam bahan, yang dikenal dengan sebutan semikonduktor tipe – n. Apabila bahan pengotor menambah hole, aliran listrik disebabkan oleh adanya pergerakan efektif muatan positif dalam bahan, yang dikenal dengan sebutan semikonduktor tipe – p. Detektor terdiri dari tipe – n dan tipe – p. Semikonduktor tipe – n dihubungkan dengan kutub positif dari tegangan listrik, sedangkan semikonduktor tipe – p dihubungkan dengan kutub negatif dari tegangan listrik. Hal ini menyebabkan pembawa muatan positif akan tertarik ke kutub negatif (atas), dan pembawa muatan negatif akan tertarik ke kutub positif (bawah). Hal ini menyebabkan timbulnya lapisan kosong muatan (depletion layer). Lapisan kosong muatan ini sama dengan halnya volume sensitif pada ruangan dalam kamar ionisasi. Dengan timbulnya lapisan muatan yang kosong ini, maka tidak akan timbul arus listrik. Bila ada radiasi pengion memasuki daerah ini, akan terbentuk pasangan “ion-ion” baru, yaitu elektron dan hole yang masing-masing akan bergerak ke kutub positif dan kutub negatif. Tambahan elektron dan hole inilah yang akan menyebabkan terbentuknya pulsa atau arus listrik. Jadi pada detektor ini, energi radiasi diubah menjadi energi listrik.
3. Sebuah partikel α kehilangan semua energinya di dalam gas sebuah tabung ionisasi dan menghasilkan 12.000 pasangan ion. (a) Berapakah jumlah muatan listrik total dengan tanda yang sama yang dikumpulkan pada pelat. (b) Jika ruang ionisasi memiliki kapasitansi 50 pF dan V = 250 volt, berapakah perbedaan potensial yang ditimbulkannya. Solusi : (a) (b)
Q = ne = 12.000 x 1,6 x 10 -19 C = 1,92 x 10 -15 C V = Q/C = (1,92 x 10 -15 C/ 50 x 10 -12 F) = 3,84 x 10 -5 volt Q = CV = 50 x 10 -12 F x 250 volt = 1,25 x 10 -8 C V
= 250 volt - 3,84 x 10 -5 volt
4. Partikel alfa berenergi 4,5 Mev memasuki ruang ionisasi yang berisi udara, dengan laju 300 per detik. Jika semua energi hilang di dalam tabung berapakah arus rata-rata dalam tabung.
Secara rata-rata setiap partikel alfa menghasilkan pasangan ion
membutuhkan energi 35,2 ev. Solusi :
4,5 x 106 ev
Jumlah pasangan yang dihasilkan partikel
35,2 ev/pasanga n
1,278 x 105 pasangan
Dalam 1 detik pasangan yang dihasilkan = 300 x 1,278 x 105 pasangan = 3, 834 x 10 7 pasangan. Muatan yang dihasilkan perdetik = 3, 834 x 10 7 pasangan x 1,6 x 10 -19 C = 6,1344 x 10 -12 C Kuat arus rata-rata dalam tabung, I
Q
t
6,1344 x 10
-12
A
5. Sebuah tabung Geiger beroperasi pada tegangan 1200 volt. Kawat sumbu mempunyai diameter 0,3 mm dan silinder luar mempunyai diameter 6 cm. Berapakah medan listrik di antara kedua elektroda?
=
(⁄)
keterangan: E = kuat medan listrik V = tegangan yang diterapkan r = jarak dari kawat elektroda a = jari-jari kawat b = jari-jari silinder elektroda Diketahui: V = 1200 volt
= 0,3 ÷ 2 = 0,15 = 0,15 × 10− = 6 ÷ 2 = 3 = 3 × 10− Ditanya: E = ....? Solusi:
=
ln (⁄)
= = =
1200 ln(3 × 10−⁄0,15 × 10− ) 1200 ln 200 1200 5,29
=
226,8
⁄
6. Partikel alfa memasuki jendela mika tabung GM dengan laju tetap 800 cacah per menit. Jika 107 elektron dikumpulkan dalam tabung untuk setiap lucutan, berapakah arus rata-rata dalam tabung. Solusi : Jumlah cacah =
800
menit
13,33 / s
Jumlah pasangan = 13,33 x 10 7/s Arus rata-rata dalam tabung = 13,33 x 107/s x 1,6 x 10 -19 C = 21,328 x 10 -12 A = 2,1328 x 10-13 A.
