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. Berdasarkan proses kelipan tersebut benda demikian dapat digunakan sebagai detektor sinar radioaktif dan disebut sebagai detektor sintilasi (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.

Detektor NaI(Tl)

Dalam spektroskopi gamma, sering digunakan detektor NaI(Tl), detektor ini terbuat dari kristal tunggal NaI dengan pengotoran sedikit talium, sehingga detektor ini dikenal sebagai detektor NaI(Tl). Karena kristal ini bersifat higroskopis, maka kristal tersebut ditutup rapat dalam wadah aluminium yang dilapisi kromium. Dalam wadah aluminium itu kristal NaI(Tl) dibungkus dengan reflektor yang biasanya adalah serbuk mangan oxida (MgO) atau aluminium trioxida (Al₂O₃) dan kemudian direkatkan pada sebuah tabung pelipatganda foton (Photo Multiplier Tube) menggunakan perekat bening yang terbuat dari silicon (silicon grease). Hal ini dimaksudkan agar kelipan cahaya yang dihasilkan sintilator dapat masuk secara ke dalam tabung pelipatganda foton tersebut. Skema sebuah detektor NaI(Tl) dengan tabung pelipatganda foton beserta rangkaian listriknya terlihat pada Gambar I. Biasanya kristal NaI(Tl) dibuat dalam bentuk silinder dan ukurannya bermacam-macam tergantung keperluan. Di ujung tabung pelipatganda foton terdapat elektroda yang peka cahaya yang disebut fotokatoda. Fotokatoda ini terbuat dari bahan yang peka cahaya, mempunyai potensial ioisasi rendah sehingga apabila permukaannya terkena foton gamma maka akan dilepaskan elektron. Cacah dan tenaga gerak elektron yang dilepaskan ini bergantung pada intensitas dan tenaga sinar gamma yang mengenai sintilator. Makin tinggi tenaga sinar gamma makin tinggi tenaga foton kelipan yang dihasilkan dan makin tinggi pula tenaga gerak elektron yang dilepaskan fotokatoda. Hal ini dinyatakan dalam tinggi pulsa yang dihasilkan. Sinar gamma yang mempunyai tenaga tinggi akan menghasilkan pulsa yang tinggi sedang sinar gamma yang bertenaga rendah akan menghasilkan pulsa yang rendah pula. Di lain pihak intensitas sinar gamma yang terdeteksi mempengaruhi cacah elektron yang dibebaskan. Makin tinggi intensitas sinar gamma makin banyak elektron yang dibebaskan dan makin banyak pula pulsa pulsa yang dihasilkan perangkat detektor. Antara fotokatoda dan anoda terdapat dinoda-dinoda yang diatur mempunyai tegangan tinggi besarnya meningkat terhadap dinoda yang berada di depannya. Elektron yang dilepaskan oleh fotokatoda akan dipercepat oleh medan listrik dalam tabung pelipat ganda foton atau lebih tepat dikatakan pelipatganda elektron menuju dinoda pertama. Dalam proses tumbukan akan dilepaskan elektron-elektron lain yang kemudian dipercepat menuju dinoda kedua dan demikian seterusnya. Sebuah tabung pelipatganda elektron biasanya mempunyai 10 tingkat dinoda atau lebih dan pada anoda bisa didapatkan faktor penggandaan sebesar 10⁷ – 10⁸ kali Mutu suatu tabung pelipatganda elektron ditentukan oleh

• Waktu yang diperlukan elektron mencapai anoda melalui deretan dinoda
• Kestabilan faktor penggandaan elektron

Gambar I. Blok Detektor Sintilasi & Photo Multiplier Tube

Detektor Isi Gas

Detektor Isi Gas

Detektor jenis isi gas dapat dibagi menjadi 3 kelas tergantung pada daerah kerja yang dipilih menjadi

• Ion chamber
• Proportional counter
• Geiger Muller

Detektor ini biasanya terbentuk dari sebuah tabung berdinding logam atau kaca yang diisi gas tertentu dengan terdapat 2 buah elektroda yaitu anoda dan katoda. Apabila dikenakan suatu perbedaan tegangan listrik antara anoda dan katoda melalui suatu rangkaian listrik seperti terlihat pada Gambar di bawah, maka akan timbul medan listrik antara elektroda-elektroda tersebut. Apabila ada partikel bermuatan melalui media gas maka akan terjadi proses ionisasi yang menghasilkan ion positip dan elektron bebas.

Apabila tidak ada medan listrik antara anoda dan katoda tersebut maka ion positip dan elektron akan bergabung kembali, tetapi jika ada medan listrik maka elektron akan ditarik menuju kawat anoda dan ion positip bergerak menuju katoda. Biasanya elektron bergerak lebih cepat dibandingkan dengan ion positip. Sebagai akibatnya di anoda akan terkumpul muatan negatip sebesar Q yang akan menimbulkan perubahan tegangan sebesar :

V = Q/C_o.

Perubahan potensial sesaat ini akan menimbulkan pulsa listrik yang dapat diproses lebih lanjut oleh penguat awal (preamplifier) dan seterusnya. Bentuk pengukuran intensitas radiasi seperti terlihat pada Gambar bagian kiri. adalah dalam bentuk mode pulsa yang dicacah, namun bisa juga diukur dalam mode arus seperti terlihat pada Gambar bagian kanan. Cacah ion yang terbentuk bergantung pada besarnya tegangan listrik pada masing-masing elektroda detektor. Gambar berikut memperlihatkan hubungan banyaknya cacah ion yang terjadi terhadap besarnya tegangan pada detektor.

Pada daerah 1, ketika tegangan yang dikenakan pada detektor masih rendah, elektron dan ion positip yang terbentuk akan segera bergabung kembali. Oleh sebab itu daerah tersebut disebut daerah rekombinasi (recombination region). Apabila tegangan detektor ditingkatkan maka elektron dan ion positip bergerak dengan cepat kearah elektroda yang berlawanan muatannya sehingga memperkecil kemungkinan penggabungan elektron dan ion positip. Kalau tegangan terus dinaikkan maka kemungkinan penggabungan elektron dan ion positip dapat diabaikan sehingga pada elektroda akan terbentuk sinyal pulsa listrik. Daerah ini (2) disebut daerah kamar ionisasi (ion chamber region). Detektor yang bekerja pada daerah ini adalah ion chamber.

Karena kenaikkan tegangan pada daerah 3, elektron yang dibebaskan akan mempunyai tenaga gerak yang cukup besar untuk mengakibatkan timbulnya ionisasi sekunder, yaitu mengionkan atom-atom gas lainnya karena tumbukan dengan ion-ion primer. Hal ini mengakibatkan kenaikan jumlah muatan yang terkumpul pada elektroda sehingga menaikkan tinggi pulsa yang terjadi. Pada daerah awal 3, tinggi pulsa yang terjadi sangat tergantung pada tenaga sinar gamma, partikel alpha dan partikel beta yang terdeteksi. Kesebandingan antara tinggi pulsa yang terjadi dengan tenaga radiasi memungkinkan penggunaan detektor pada daerah ini (3) untuk membedakan tenaga-tenaga radiasi yang terdeteksi. Daerah ini disebut daerah proporsional (proportional region), dan detektor yang bekerja pada daerah ini disebut proportional counter.

Daerah 4 disebut restricted proportional tidak digunakan. Pada daerah 5, tegangan terus dinaikkan maka tidak ada lagi kesebandingan energi dan tinggi pulsa tidak lagi bergantung pada besar tenaga radiasi yang dideteksi. Semua pulsa yang terjadi akan mempunyai tinggi pulsa yang sama tidak peduli berapa besar tenaga radiasi yang menyebabkannya. Daerah ini disebut daerah Geiger Muller dan detektor yang digunakan pada daerah ini disebut Geiger Muller Tube. Di atas daerah Geiger Muller, apabila tegangan kerja detektor terus dinaikkan maka akan terjadi lecutan listrik secara terus menerus yang dapat menyebabkan rusaknya detektor. Daerah ini disebut adalah daerah self discharge.

Kalau dalam gambar bentuk blok maka skema untuk pengolahan sinyal Detektor Isi Gas jenis Ion Chamber dan Proportional Counter adalah seperti Gambar di bawah ini. Untuk sinyal yang memperhatikan energi dari sumber radiasi yang diukur makan blok pengolahan sinyal detektor memerlukan preamplifier dan amplifier seperti Gambar pada bagian kiri. Sedangkan pada penggunaan detektor Geiger Muller karena tidak memperhatikan energi radiasi dari sunber yang diukur maka pengolahan sinyal detektor cukup dengan blok pembentuk pulsa untuk menghasilkan pulsa standar yang bisa dicacah.

Instrumentasi Nuklir

Radiasi radioaktif tidak dapat dirasakan dengan panca-indera secara langsung, tetapi interaksi antara radiasi dengan media terpilih yang dilalui radiasi pada daerah yang efektif memberikan pengaruh pengaruh yang dapat digunakan untuk menentukan intensitas dan dalam beberapa hal menentukan enersi dari radiasi melalui penggunaan teknik elektronika. Instrumentasi Nuklir adalah instrumentasi yang melibatkan penggunaan detektor nuklir yang umumnya digunakan untuk pengukuran atau pendeteksian gejala radioaktivitas. Untuk dapat mengadakan pengukuran radioaktivitas diperlukan detektor yang dapat berinteraksi secara efisien dengan sinar radioaktif yang diselidiki. Komponen dari keseluruhan sistem pengukur yang mendeteksi radiasi dan mengubahnya ke sinyal listrik adalah detektor radiasi, sedangkan unit yang mengolah dan mencatat sinyal dari detektor disebut sebagai alat ukur (measuring equipment / instrument). Pada prinsipnya tujuan dari teknik pengukuran nuklir adalah menentukan parameter integral atau bagian dari partikel partikel yang membentuk radiasi tertentu. Umumnya pengukuran radiasi nuklir adalah mengukur intensitas radiasi tertentu dengan atau tanpa memperhatikan energinya atau mengukur intensitas dari partikel partikel yang membentuk radiasi tertentu.

Jenis Detektor

Kebutuhan kebutuhan yang diharapkan dari suatu detektor nuklir adalah :

• Sebagai sensor radiasi dengan efisiensi tinggi
• Unjuk kerja yang tegantung atau tidak terhadap energi radiasi
• Memberikan sinyal listrik yang tinggi agar proses elektronik menjadi sederhana
• Kebutuhan catu tegangan operasi detektor yang rendah
• Kinerja yang tidak sensitif terhadap flukstuasi catu tegangan
• Kinerja yang tidak sensitif terhadap perubahan temperatur dan cuaca
• Tahan terhadap kejutan dan vibrasi
• Tahan lama dengan operasi yang stabil
  
• Harga yang relatif murah
  

Tidak semua kebutuhan yang disebutkan di atas dapat dipenuhi oleh detektor dalam penggunaan yang umum. Jenis detektor selalu dipilih berdasar kepada permasalahan yang dihadapi untuk memenuhi kondisi yang cocok dengan permasalahan khusus.

Efek yang paling banyak digunakan dalam deteksi radiasi adalah :

• Ionisasi : Atom atom dari gas atau bahan solid (mis. semikonduktor) yang ditembus oleh radiasi terionisasi pada tingkat yang proporsional dengan intensitas radiasi.
• Luminescence : Penyerapan radiasi menimbulkan kerlip cahaya atau sintilasi pada bahan tertentu

Tambahan pada kedua hal tersebut di atas, fenomena fisis lain dapat juga digunakan untuk deteksi radiasi seperti radiasi yang menghitamkan film X ray.
Detektor radiasi nuklir yang digunakan untuk pengukuran diklasifikasikan menurut prinsip kerjanya seperti sifat interaksi antara radiasi dengan media dalam detektor.

Secara umum detektor nuklir terbagi dalam :

• Detektor Isi Gas (Gas Filled Detector)
  
• Detektor Sintilasi
• Detektor Semikonduktor

Pemilihan detektor disesuaikan dengan macam radiasi yang akan dideteksi dan didasarkan pada tujuan pengukuran yang diinginkan