EKSPERIMEN SPEKTROSKOPI ENERGI RADIASI BETA DAN GAMMA ( Fachrun Nisa (081211332010), Ihfadni Nazwa (081211331126), Firdaus Eka Setiawan (081211331147), Pooja Andini (081211333003), Muthia Ayu Paramitha (081211333007)Laboratorium Fisika Modern, Departemen FisikaFakultas Sains dan TeknologiUniversitas AirlanggaSurabayaAbstrakPada Eksperimen kali ini kita akan melakukan spektrofotometra radiasi ,Spektrometer radiasi nuklir terdapat dalam dua tipe, yaitu SCA (Single Channel Analyser) dan MCA (Multi Channel Analyser).Untuk mempelajari spectrum radiasi dan , maka digunakan spectrometer MCA (Multi Channel Analyser).Selain itu, digunakan pula detektor sintilator dengan bahan NaI (Tl) dalam pencacahan radiasi dan . Dengan menggunakan detektor NaI (Tl), tinggi pulsa yang dihasilkan oleh detektor akan sebanding dengan energy radiasi- yang masuk dalam detektor. Pencacahan dilakukan pada dua sumber radioaktif, antara lain Co-60 dan Cs-137. Selain itu, pengukuran Co-60 dilakukan pada tujuh nilai HV (High Voltage) yang berbeda, 675,700,725,750,800,825,850 dan 875 Volt, sedangkan Cs-137 pada 875 Volt. Hasil pengamatan menunjukkan bahwa resolusi energi radiasi lebih besar dari padrgi radiasi energi .Kata kunci : MCA(Multi Channel Analyser), detektor NaI,Co-60,Cs-137

Laboratorium Radiasi Universitas AirlanggaPage 22

1.PendahuluanSpektroskopi adalah ilmu yang mempelajari materi dan atributnya berdasarkan cahaya, suara atau partikel yang dipancarkan, diserap atau dipantulkan oleh materi tersebut. Spektroskopi juga dapat didefinisikan sebagai ilmu yang mempelajari interaksi antara cahaya dan materi. Suatu sumber radioaktif yang meluruh akan memancarkan partikel atau atau secara acak. Partikel-partikel ini memiliki energy tertentu. Partikel dan tidak dapat dilihat dengan mata telanjang manusia, karena itulah dibutuhkan detector untuk mendeteksi energy yang dipancarkan oleh suatu sumber radioaktif.Ada banyak jenis detector radiasi sumber radioaktif. Diantaranya adalah detector isian gas, detector kamar ionisasi, detector proporsional, detector Geiger-Muller, dan detector sintilasi. Untuk bisa menampilkan spectrum energy radiasi nuklir, diperlukan suatu detektor yang tidak hanya mampu mencacah intensitas radiasi yang memasukinya, namun juga harus bisa memberikan stimulant yang linear dengan energy radiasi yang memasukinya, misalnya detector stimulasi NaI(TL). Detector ini termasuk dalam jenis detector sintilasi. Dalam detektor Sintilasi, radiasi dirubah menjadi Kilatan cahaya. Radiasi berinteraksi dengan material sintilasi,seluruh energi kinetik radiasi diserap oleh sintilator untuk menghasilkan pulsa-pulsa cahaya yang jumlahnya sebandingan dengan energi radiasi.Output dari detector ini dihubungkan pada program MCA. Multi Channel Analyzer (MCA) adalah instrumen yang dapat menghitung distribusi dari sinyal input yang terdiri dari pulsa-pulsa. MCA menyediakan display visual dari hasil distribusi tersebut dan dapat menghasilkan output data pada computer atau printer untuk dianalisis lebih lanjut. Pada eksperimen ini dipelajari spectrum energy radiasi dan , serta energy radiasinya2.Dasar TeoriInteraksi radiasi gamma dengan MateriRadiasi gamma termasuk salah satu jenis gelombang elektromagnetik yang mempunyai energi paling besar. Radiasi ini dipancarkan dari inti radioaktif yang masih berada dalam keadaan tereksitasi yang masing masing isotopnya mempunyai karakteristik energi masing masing. Bila radiasi ini melewati suatu materi maka akan terjadi interaksi antara radiasi gamma dan atom pembentuk materi tersebut. Ada tiga macam kemungkinan interaksi yang akan terjadi jika foton gamma melewati suatu materi yaitu proses hamburan compton, efek fotolistrik dan produksi pasangan (pair production).Hamburan ComptonPeristiwa hamburan compton akan terjadi jika foton menumbuk elektron bebas atau elektron yang terikat lemah pada atomnya. Keadaan ini menyebabkan energi foton tidak akan terserap seluruhnya oleh elektron tersebut tidak seperti dalam perisitiwa fotolistrik sehingga elektron hanya akan menyerakhan sebagain energinya kepada elektron dan kemudian foton akan terhambur dengan sudut terhadap arah gerak mula mula dan tentunya dengan energi yang lebih rendah dari energi semula.Elektron yang terlepas dikenal juga dengan nama elektron Compton. Energi radias gamma yang dihamburkan setelah melewati materi merupakan fungsi energi radiasi gamma awal dan sudut yang dibentuk antara arah radiasi semula dan radiasi setelah dihamburkan.

Dengan me adalah massa elektron.Efek FotolistrikEfek fotolistrik akan terjadi jika radiasi gamma menumbuk elektron yang terikat kuat pada atomnya dan energi radiasi gamma lebih besar jika dibandingkan dengan energi ikat elektron pada atom tersebut. Energi radiasi akan terserap seluruhnya oleh elektron sehingga elektron mampu melepaskan ikatannya dari atom dan kelebihan energi yang diserap digunakan sebagai energi gerak elektron tersebut.

dengan Ek adalah energi kinetik elektron, E adalah energi radiasi gamma yang menumbuk elektron dan Eb adalah energi ambang atau energi ikat elektron.Elektron yang dilepaskan disebut fotoelektron sedangkan atom yang telah kehilangan elektron ini berada dalam keadaan tereksitasi sehingga untuk menjadi stabil elektron yang berada di tingkat energi yang lebih tinggi akan berpindah menuju ke tingkat energi yang lebih rendah dengan melepaskan kelebihan energinya dalam bentuk energi sinar X dan elektron yang bergerak turun ini dikenal dengan elektron Auger.Peristiwa Produksi Pasangan (Pair Production)Bila radiasi gamma memiliki energi yang cukup besar sehingga menuju mendekati inti atom. Radiasi gamma akan lenyap dan sebagai gantinya muncul sepasang elektron positron (e + dan e -). Peristiwa ini dikenal dengan istilah produksi berpasangan elektron positron. Massa elektron dan postiron masing masing setara dengan energi sebesar 0,511 MeV yang merupakan massa diam elektron. Dengan demikian efek pembentukan pasangan ini tidak akan terjadi kecuali bila energi radiasi gamma menimal sama dengan 2 x 0,511 MeV = 1,022 MeV. Bila energi radiasi gamma melebihi 1,022 MeV maa kelebihan energinya akan dibagi oleh elektron dan positron sebagai energi geraknya.

Dengan Ek + merupakan eenrgi kinetik positron dan Ek merupakan energi kinetik elektron.

Gambar 2.1 Proses Produksi Pasangan

Detektor Radiasi NaI (TL)Untuk bisa menampilkan spektrum energi radiasi nuklir, diperlukan suatu detektor yang tidak hanya mampu mencacah intensitas radiasi yang memasukinya seperti detektor geiger muller tetapi juga harus bisa memberikan stimulan yang linear dengan energi radiasi yang memasukinya, misalnya detektor sintilasi NaI (TL).Penganalisis Salur Ganda (Multi Channel Analyzer)Sebelum membahas mengenai salur ganda, sebaiknya perlu tahu terlebih dahulu tentang penganalisis salur tunggal SCA (Single Channel Analyzer). Penganalisis salur tunggal mempunyai satu jalur pencacahan yang dibatasi oleh suatu ambang batas (upper level) dan ambang bawah (lower level) yang jarak antara ambang tadi bisa diukur dan disebut dengan jendela (window). Hanya pulsa pulsa yang mempunyai tinggi amplitudonya berada didalam jendela saja yang akan diteruskan menuju alat pencacah. Sedangkan semua pulsa yang tingginya diluar jendela tidak akan tercacah.Contoh di modul akan tercacah sebanyak 5 pulsa yang akan diteruskan ke pencacah. Lebar tegangan antara upper level dan lower level dikenal sebagai lebar jendela. Posisi jendela ini bisa diset mulai dari tinggi pulsa yang paling rendah sampai tinggi yang digunakan yang dikenal dengan nomor kanal. Nomor kanal ini akan sebanding dengan energi partikel radiasi.Spektrum energi radiasi gamma bisa dibuat dengan cara membuat kurva hubungan antara nomor kanal dan besar intensitas yang tercacah pada masng masing nomor kanal. Penganalisis salur ganda boleh dianggap sebagai gabungan dari banyak SCA dan dapat membuat spektrum energi radiasi gamma secara sekaligus. Penganalisis salur ganda adalah sebuah alat yang lebih rumit dan terdiri dari beberapa bagian :1) Unit Analog to Digital Converter (ADC)2) Unit Memori3) Unit tambahan : Unit Pengolah data, amplifier, dll.

Gambar 2.4 Detektor Radiasi NaI (TL)

Gambar 2.5 Ilustrasi Penentuan FWHM

Daya Pisah Energi Radiasi (Resolusi)Kemampuan sistem spektrometer energi radiasi untuk memisahkan antara energi radiasi yang masuk sangat penting diketahui akrena untuk memberikan infromasi seberapa valid informasi energi radiasi yang muncul dalam spektrum radiasi yang dihasilkan. Resolusi energi radiasi tergantung dari berbagai variabel diantaranya adalah jenis bahan yang digunakan sebagai detektor radiasi dan tegangan tinggi (HV atau High Voltage) yang dioperasikan. Semakin jelas dua buah energi radiasi yang berdekatan yang dipisahkan, semakin baik untuk kerja spektrometer tersebut. Nilai Resolusi bisa dihitung dengan menggunakan persamaan :

dengan R merupakan resolusi spektrometer, FWHM (Full Width Half Medium) dan adalah jarak antara dua energi.Kalibrasi Energi Radiasi GammaUntuk memeproleh spektrum energi radiasi gamma yang bersatuan keV dan MeV perlu dilakukan kalibrasi energi terlebih dahulu. Dengan menggunakan detektor NaI (TL) tinggi pulsa yang dihasilkan oleh detektor akan sebanding dengan energi radiasi gamma yang masuk kedalam detektor. Tinggi pulsa yang berada dalam jendela tertentu akan dicatat dalam nomor kanal tertentu yang juga sebanding dengan energi radiasi gamma. sehingga satuan nomor kanal bisa diubah denganc ara membuat persamaan garis lurus antara nomor kanal dengan energi radiasi. Untuk mengkalibrasinya perlu digunakan sumber radiasi pemancar gamma yang energinya sudah diketahui.

Gambar 2.6 Kalibrasi energi Radiasi Terhadap Nomor Kanal

Intensitas Radiasi yang tercacahIntensitas radiasi yang tercacah merupakan luasan daerah dibawah kurva seperti yang ada didalam modul fisika eksperimental II bagian Laboratorium Fisika Modern dengan judul ekseperimen radiasi beta dan gamma.

Intensitas radiasi tercacah (G) adalah itnensitas sesungguhnya (R) ditambah dengan intensitas latar (B) sehingga intensitas sebenarnya :

Dengan B adalah luas trapesium dibawah kurva.3. Alat dan Bahan EksperimenPada percobaan ini akan digunakan beberapa macam peralatan yaitu sebagai berikut ini :1) Power Supply 1,5 kV / 1 mA (Leybold 522 36)2) Preamplifier (MCA Cassy 529 780) dan Detektor Sintilator (Leybold 559 90)3) Interface4) Komputer (PC)5) Printer4. Prosedur Percobaan Pada percobaan ini, didalam memperoleh datanya, digunakan prosedur prosedur sebagai berikut yaitu :1) Pertama susun peralatan yang akan dibutuhkan didalam eksperimen seperti pada gambar dalam modul dimana (a) menunjukan power supply 1,5 kV 1 mA dan kemudian (b) menunjukkan preamplifier dan detektor sintilator sedangkan (c), (d) dan (e) berturut turut adalah interface, PC dan Printer.2) Setelah itu nyalakan semua tombol beserta komputer dan lalu masuk kedalam program atau aplikasi MCA melewati direktor Cassy / mca.3) Kemudian setelah itu jalankan program MCA hingga sistem siap melakukan perekaman spektrum radiasi yang akan diuji4) Kemudian, ambil sumber Co 60 sebagai isotop kalibrator, dan kemudian atur nilai HV antara 675 825 V sehingga diperoleh nilai resolusi yang optimal.5) Setelah itu pastikan peralatan bekerja pada nilai HV Optimal yang ditentukan pada bagian 4 tersebut.6) Lalu buat sebuah kurva kalibrasi hubungan antara nomor kanal dan energi Co 60 (E1 = 1173,208 keV dan E2 = 1332,464 keV)7) Kemudian buat persamaan fungsi garis lurus antara energi radiasi dan nomor kanal misalkan dengan m dan c adalah tetapan.8) Ganti sumber Co 60 tersebut dengan sumber sumber lain baik dengan pemancar gamma ataupun beta dan diamati hasil spektrum energinya.9) Lalu pada akhirnya ditentukan karakteristik energi gamma dan energi beta maksimum dari sampel tersebut dan dibandingkan dengan tabel karakteristik energi gamma dan energi beta serta menentukan intensitas radiasi gamma atau beta yang tercacah detektor.5. Tabel Hasil PengamatanPada eksperimen ini akan didapatkan hasil data data yang diungkapkan didalam sajian tabel dan dikarenakan banyak data yang diberikan, maka tabelnya akan dituliskan didalam lampiran I.6. Hasil dan DiskusiBerdasarkan hasil eksperimen yang dilakukan didapatkan daerah HV yang optimal untuk kalibrator Co60 adalah HV 825. Hal ini dipilih berdasarkan pertimbangan resolusi spektrometer yang juga terkait dengan FWHM dan perbedaan energi. Daerah optimal HV yang digunakan adalah HV yang memiliki resolusi paling kecil diantara resolusi dari variasi HV lain, dan setelah dilakukan pengukuran kami mendapatkan resolusi 23,3% pada HV 825 sehingga HV 675 lah yang digunakan sebab resolusi menyatakan mengenai daya pisah energi yang mampu dilakukan oleh spektroskop MCA. Dari hasil kalibrasi Co60 pada HV 675, kami mendapatkan nilai maksium energi E1 berada pada kanal 224 dan E2 pada kanal 254 dan tentunya pada HV ini. Sehingga dari hubungan energi maksimum dan nomor kanalnya diperoleh grafik seperti pada lampiran dan persamaan garis lurus antara energi dengan nomor kanal yaitu Berdasarkan persamaan garis lurus tersebut, diperoleh energi maksimum untuk masing masing isotop uji yaitu Co-60 dengan energi maksimum dan dalam bentuk radiasi partikel gamma, adapun presentase kesalahan dari energi keduanya menunjukan angka 0%. Hal ini dibenarkan karena referensi untuk kedua energi maksimum Co-60 di berikan tepat dan mangharuskan tidak adanya presentase kesalahan.Resolusi optimal dari bahan radiasi Co-60 didapatkan 23,3% dengan HV 825, dan dengan HV demikian akan digunakan untuk HV bahan radiasi selanjutnya yaitu Cs-137, akan tetapi dalam eksperiment kami menggunakan HV 825 untuk Cs-137 Untuk bahan inti Cs-137 dengan HV 825 diperoleh energi maksimum dalam bentuk radiasi partikel gamma dan presentase kesalahan sebesar 49,9 %. Dari hasil diatas prosentase kesalahan yang tersebut kemungkinan dikarenakan adanya pemilihan resolusi yang kurang tepat atau dalam pengukuran FHWM juga kurang tepat dan kemudian untuk menentukan grafik dan persamaan garisnya terjadi eror.Kedua bahan radioaktif diatas memancarkan radiasi partikel gamma dikarenakan tranduser dari MCA (Multi Channel Analyzer) di setting hanya untuk memancarkan radiasi partikel gamma. 7. Kesimpulan dan SaranEnergi maksimum untuk masing masing isotop uji yaitu Co-60 dengan energi maksimum dan dalam bentuk radiasi partikel gamma, adapun presentase kesalahan dari energi keduanya menunjukan angka 0%. Hal ini dibenarkan karena referensi untuk kedua energi maksimum Co-60 di berikan tepat dan mangharuskan tidak adanya presentase kesalahan. Untuk bahan inti Cs-137 dengan HV 825 diperoleh energi maksimum dalam bentuk radiasi partikel gamma dan presentase kesalahan sebesar 49,9%. Dari hasil diatas prosentase kesalahan yang tersebut kemungkinan dikarenakan adanya pemilihan resolusi yang kurang tepat atau dalam pengukuran FHWM juga kurang tepat dan kemudian untuk menentukan grafik dan persamaan garisnya terjadi eror.

DAFTAR PUSTAKA1) Alonso, M. dan Finn, E.J., Fundamental University Physics, Volume II, Addison Wisley, 1983.2) Kusminarto, Esensi Fisika Modern, 2012. Bandung : Penerbit Andi.

LAMPIRAN Analisa FWHM dan Resolusi Untuk Kalibrator Co 60 Berbagai HVBerdasarkan percobaan yang telah dilakukan mengenai eksperimen radiasi gamma dan beta, maka akan diperoleh analisa data sebagai berikut ini:Analisa FWHM dan Resolusi Untuk Kalibrator Co 60 Pada HV : 675Tinggi Maksimum dari kurva pada HV 675 adalah 797 dan kemudian untuk memperoleh FWHM maka akan digunakan cara membagi 797 dengan 2 sehingga didapatkan 389,4 kemudian jika ditarik lebarnya, maka akan didapatkan FWHM sebesar

Sehingga didapatkan nilai Resolusi R :

FWMH

Analisa FWHM dan Resolusi Untuk Kalibrator Co 60 Pada HV : 700

FWHM

Pada HV 700, diperoleh tinggi pulsa adalah 630 sehingga untuk menentukan FWHM kita harus membagi 2 sehingga diperoleh 6000/2 = 315. batas atasnya adalah masing masing 130 dan 150 sehingga diperoleh :

Sedangkan energi pertamanya adalah 142 dan energi keduanya adalah 158 jadi :

Analisa FWHM dan Resolusi Untuk HV : 725Pada HV 725, diperoleh bahwa tinggi pulsa adalah 515 dan untuk menghitung FWHM nya maka akan dibagi 2 terlebih dahulu menjadi 515/2 = 257,5

FWMHUntuk batas bawah dan atas yang diperoleh dari titik hasil pembagian yaitu 257,5, maka akan diperoleh 171 dan 183 sehingga :

Sedangkan energi energinya adalah bagian bawahnya adalah 177 dan bagian atasnya adalah 198 sehingga didapatkan :

Analisa FWHM dan Resolusi Co 60 : HV 750Untuk menentukan FWHM pada HV 378, kita harus membagi tinggi pulsanya terlebih dahulu dengan dua. Dimana tinggi pulsanya adalah 378 / 2 = 189

Dari hasil tersebut diperoleh bahwa batas bawah dan batas atas untuk FWHM adalah 216 dan 232 sehingga FWHM :

Sedangkan energi pertamanya adalah 340 dan energi keduanya adalah 460 sehingga selisih energinya adalah 256 224 = 32 jadi :

Analisa FWHM dan Resolusi Kalibrator Co 60 pada HV : 775

Tinggi pulsa pada HV 775 adalah 297 sehingga untuk menentukan FWHM kita bagi 297 dengan 2 sehingga diperoleh 298/2 = 148,5. Setelah itu diperoleh batasan bawah sebesar 262 dan batasan atas sebesar 290 jadi :

Sedangkan energi pertamanya adalah 280 dan energi keduanya adalah 320 sehingga diperoleh selisih energi 320 280 = 40 dan didapatkan resolusi :

Analisa FWHM dan Resolusi Kalibrator Co 60 pada HV ; 800

Tinggi pulsa pada HV 800 adalah 208 sehingga jika dilakukan pembagian terhadap 2 maka akan dihasilkan 104 yang nantinya akan digunakan untuk FWHM.Pada bagian diatas diperoleh bahwa batas bawah untuk FWHM adalah 420 dan batas atas untuk FWHM adalah 427 sehingga :

Untuk energi pertamanya adalah 224 dan energi keduanya adalah 252 sehingga selisih energinya adalah 441 227 = 14 yang mana memberikan resolusi :

Analisa FWHM dan Resolusi Kalibrator Co 60 pada HV ; 825

Tinggi pulsa pada HV 825 adalah 378 sehingga jika dilakukan pembagian terhadap 2 maka akan dihasilkan 189 yang nantinya akan digunakan untuk FWHM.Pada bagian diatas diperoleh bahwa batas bawah untuk FWHM adalah 217 dan batas atas untuk FWHM adalah 224 sehingga :

Untuk energi pertamanya adalah 224 dan energi keduanya adalah 254 sehingga selisih energinya adalah 30 yang mana memberikan resolusi :

Berdasarkan berbagai hasil resolusi yang didapat, dipilih sebuah resolusi pada HV tertentu yang dianggap optimal. Hasil resolusi yang optimal adalah yang memiliki nilai terkecil sehingga yang harus dipilih adalah HV : 825

LAMPIRAN IIIAnalisa Pembuatan Tabel Kalibrator Co 60 Tabel kalibrator Co 60 dibuat berdasarkan HV yang dianggap optimal pada analisa sebelumnya yakni HV 825 Hasil hasil tersebut didasarkan pada tabel hasil data pengamatan Kalibrator Co 60 Pada HV 825 yang berada pada lampiran 1 dan dari data diatas diperoleh tabel kalibrator Co 60 Sebagai berikut :NoE (keV)Nomor Kanal

11173,208224

21331, 464252

LAMPIRAN IVAnalisa Pembuatan Grafik Data Kalibrator Co 60 pada HV 825 dan Persamaan GarisBerdasarkan tabel yang diperoleh pada lampiran III sebagai berikut :NoE (keV)Nomor Kanal

11173,208224

21331,464252

Maka Dapat dibuat grafik sebagai berikut ini :

Dari Bentuk grafik tersebut, maka kita dapat mencari persamaan garisnya yaitu dengan :

Jadi didapatkan bahwa :

sedangkan :

Sehingga diperoleh :

LAMPIRAN VAnalisa FWHM dan Resolusi Untuk Kalibrator Cs-137 dengan HV :825Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan mengenai eksperimen radiasi gamma dan beta, dari sumber radiasi Co-60 didapatkan resolusi optimal sebesar 23,3% dengan HV 825, SehinggaHV untuk sumber Cs-137 adalah 825 .Tinggi Maksimum dari kurva pada HV 825 adalah 867 dan kemudian untuk memperoleh FWHM maka akan digunakan cara membagi 867 dengan 2 sehingga didapatkan 433,5 kemudian jika ditarik lebarnya, maka akan didapatkan FWHM sebesar

Sehingga didapatkan nilai Resolusi R :

LAMPIRAN V1Penentuan Energi Maksimum Pemancar Gamma dan BetaPada bagian ini akan dianalisa penentuan energi maksimum pemancar gamma dan beta untuk beberapa isotop radioaktif yaitu sebagai berikut : Analisa Energi Maksimum radiasi oleh isotop Co-60 Nomor kanal untuk energi maksimum pada isotop Co-60 adalah nomor kanal 105 sehingga energi yang dimiliki adalah :

Sedangkan untuk maksimum berikutnya ada pada kanal 130 sehingga :

Analisa Energi Maksimum radiasi oleh isotop Cs-137Nomor kanal untuk energi maksimum pada isotop Cs-137 adalah nomor kanal 40 sehingga energi yang dimiliki adalah :

Prosentase Kesalahan dan PenentuannyaBerdasarkan Literatur yang digunakan, energi maksimum masing masing isotop adalah sebagai berikut ini :1) Emax (Co-60) = memancarkan radiasi beta dengan energi maksimum dan memancarkan radiasi gamma dengan energi maksimum 2) Emax (Cs-137) = Menghasilkan radiasi gamma dengan energi maksimum Sehingga dari hasil yang diberikan diperoleh bahwa:Analisa Emax dan Prosentase Kesalahan Co-601) Emax untuk Co-60 yang sebesar berasal dari sinar beta dan energi maksimum dari sinar gamma, sehingga mana jika dibandingkan dengan literatur akan memberikan prosentase kesalahan sebesar :

Analisa Emax dan Prosentase Kesalahan Cs-137Emax untuk Cs-137 yang sebesar berasal dari sinar gamma sehingga: