Laporan Praktikum DPR 07-08-48500 [PDF]

Citation preview

DRAF/LAPORAN PRAKTIKUM DETEKSI DAN PENGUKURAN RADIASI SEMESTER I, TAHUN AKADEMIK 2020/2021 PRAKTIKUM PERCOBAAN 07-08 TENTANG DETEKTOR GEIGER MULLER ASISTEN PENGAMPU : 1.



Muhammad Guntur (17/413829/TK/46269)



2.



Muhammad Farhan Ramadhany (18/431325/TK/47918)



TANGGAL PRAKTIKUM : 10 MARET 2021 KELOMPOK PRAKTIKUM : A OLEH : RHENDIYA MAULANA ZEIN NIM:19/439770/TK/48500 PARTNER :



MATTHW PUNGGA CORNELIUS NATHANAEL GULTOM NIM: 18/425234/TK/46929 RIFQI MUHAMMAD NIM: 19/446721/TK/49826



LABORATORIUM TEKNOLOGI ENERGI NUKLIR DEPARTEMEN TEKNIK NUKLIR DAN TEKNIK FISIKA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS GADJAH MADA YOGYAKARTA 2021



ABSTRACT Online practicum DPR 07-08 The Geiger-Muller detector has been successfully done, radiation sources (Cs-137) were measured by experimenter with five experiment to determine the information of the optimum voltage, background count, limit detection, air attenuation coefficient, glass attenuation coefficient, water attenuation coefficient, and fluid level. Each experiment is done with different condition. This experiment results the optimum voltage is 945volt, background count is 0,68cps, limit detection is 1,106, air attenuation coefficient is 0,234cm-1, glass attenuation coefficient is 0,902cm-1, water attenuation coefficient 0,37cm-1, and fluid level is 2,2cm. The error value are; air attenuation coefficient is 246572.6%, glass attenuation coefficient is 422.3%, water attenuation coefficient is 378.5%, and the fluid level is 10.3 %.



Keywords: Geiger-Muller, detector, coefficient, attenuation, and error



II



INTISARI Praktikum DPR 07-08 Detektor Geiger-Muller sudah berhasil dilakukan secara daring, praktikan melakukan pengukuran cacah sumber radiasi (Cs-137) dengan enam kali percobaan untuk mendapatkan informasi tegangan optimum, cacah latah serta limit deteksi, koefisien atenuasi udara, koefisien atenuasi kaca, koefisien atenuasi air, dan ketinggian fluida. Perlakuan yang diterapkan pada setiap percobaan berbeda-beda. Praktikum ini menghasilkan data seperti tegangan optimum detektor GM yang digunakan adalah 945 Volt, cacah latar sebesar 0,68 cps, limit deteksinya 1,106 , koefisien atenuasi linier udara sebesar 0,234cm-1, koefisien atenuasi kaca 0,902cm-1, koefisien atenuasi air 0,37cm-1, dan ketinggian fluida 2,2cm. Nilai galat yang didapatkan pada koefisien atenuasi udara adalah 246572,6%, nilai galat yang didapatkan pada koefisien atenuasi kaca adalah 422,3%, nilai galat untuk koefsien atenuasi air adalah 378,5%, dan nilai galat untuk ketinggian fluida adalah 10,3%.



Kata kunci: Detektor, Geiger-Muller, koefisien, atenuasi dan galat



III



DAFTAR ISI ABSTRACT ............................................................................................................................. II INTISARI .............................................................................................................................. III DAFTAR ISI.......................................................................................................................... IV DAFTAR BAGAN .................................................................................................................. V DAFTAR GAMBAR ............................................................................................................... V DAFTAR TABEL ................................................................................................................. VI I.



TUJUAN PRAKTIKUM ................................................................................................ 7



II. TINJAUAN PUSTAKA ................................................................................................. 7 II.1



Jurnal tentang NDT ................................................................................................. 7



II.2



Jurnal Mengenai Praktikum DPR 07-08 (I) ............................................................. 8



II.3



Jurnal Mengenai Praktikum DPR 07-08 (I) ............................................................. 8



III.



DASAR TEORI........................................................................................................... 9



III.1



Detektor Geiger Muller ........................................................................................... 9



III.2



Interaksi Radiasi Gamma dengan Materi dan Konsep Atenuasi ........................... 14



III.3



Teknik Uji Tak Merusak........................................................................................ 18



IV.



Pengayaan.................................................................................................................. 21



IV.1 Pertanyaan ............................................................................................................. 21 IV.2 Jawaban ................................................................................................................. 21 V. TATA LAKSANA PRAKTIKUM ............................................................................... 23 V.1



Alat dan Bahan ...................................................................................................... 23



V.2



Skema Alat ............................................................................................................ 25



V.3



Tata Laksana .......................................................................................................... 26



VI.



HASIL DAN PEMBAHASAN ................................................................................. 34



VI.1 Analisis Data.......................................................................................................... 34 VI.2 Pembahasan ........................................................................................................... 52 VII.



KESIMPULAN ......................................................................................................... 56



VIII. KESAN DAN SARAN ............................................................................................. 56 IX.



DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................... 57



X. PERHITUNGAN DOSIS ............................................................................................. 59 XI.



LAMPIRAN .............................................................................................................. 61



XI.1 LAPORAN SEMENTARA ................................................................................... 61 XI.2 Cek plagirism ......................................................................................................... 63



IV



DAFTAR BAGAN Bagan 1. Diagram alir utama ................................................................................................... 26 Bagan 2. menentukan daerah operasi geiger muller ................................................................ 27 Bagan 3. Mengukur Cacah Latar dan Menentukan Limit Deteksi .......................................... 28 Bagan 4. Menentukan Koefisien Atenuasi Berbagai Materi ................................................... 29 Bagan 5. Menentukan Koefisien Atenuasi Udara ................................................................... 30 Bagan 6. Menentukan Koefisien Atenuasi Kaca ..................................................................... 31 Bagan 7. Menentukan Koefisien Atenuasi Air ........................................................................ 32 Bagan 8. Menentukan Ketinggian Fluida ................................................................................ 33



DAFTAR GAMBAR Gambar 1. Daerah kerja detektor isian gas [3] ........................................................................ 10 Gambar 2. Kurva Plateu [3] ..................................................................................................... 12 Gambar 3. dead time, resolving time, dan recovery time ........................................................ 13 Gambar 4. Skema proses fotolistrik [10] ................................................................................. 14 Gambar 5. Skema proses hamburan compton [10] .................................................................. 15 Gambar 6. Skema proses produksu pasangan. [11] ................................................................. 16 Gambar 7. Ilustrasi transmisi radiasi [13] ................................................................................ 17 Gambar 8. Mistar ..................................................................................................................... 24 Gambar 9. Kabel konektor ...................................................................................................... 24 Gambar 10. Medium,tripod dan bejana ................................................................................... 24 Gambar 11. Tabung GM .......................................................................................................... 24 Gambar 12. Inverter ................................................................................................................. 24 Gambar 13. Pencacah dan Pengala .......................................................................................... 24 Gambar 14. Skema Alat ........................................................................................................... 25



V



DAFTAR TABEL Tabel 1. Tabel analisis GM ...................................................................................................... 34 Table 2. pengolahan data cacah latar ....................................................................................... 36 Tabel 3. Hasil pengolahan data atenuasi udara ........................................................................ 36 Table 4. Hasil pengolahan data atenuasi kaca ......................................................................... 37 Table 5. Hasil pengolahan data atenuasi air............................................................................. 38 Tabel 6. Nilai jarak dan transmisi radiasi di udara .................................................................. 39 Tabel 7. Nilai jarak dan transmisi radiasi di kaca .................................................................... 40 Tabel 8. Nilai jarak dan transmisi radiasi di kaca .................................................................... 40 Tabel 9. Tabel perhitungan teoritis atenuasi massa udara ....................................................... 42 Tabel 10. Pengolahan data ketinggian fluida ........................................................................... 50 Table 11. Penentuan daerah operasi detektor GM ................................................................... 61 Tabel 12. Pengukuran cacah latar ............................................................................................ 62 Tabel 13. Pengukuran atenuasi udara ...................................................................................... 62 Table 14. Pengukuran Atenuasi Kaca ...................................................................................... 62 Tabel 15. Pengukuran atenuasi air ........................................................................................... 63 Table 16. Pengukuran ketinggian fluida .................................................................................. 63



VI



I.



II.



TUJUAN PRAKTIKUM 1.



Memahami pemanfaatan detektor Geiger



2.



Memahami konsep atenuasi



3.



Memahami aplikasi radiasi sebagai media Non-Destructive Testing (NDT)



TINJAUAN PUSTAKA II.1 Jurnal tentang NDT Jurnal berjudul “Phase-contrast THz-CT for non-destructive testing” ditulis oleh Peter Fosodeder, Simon Hubmer, Alexander Ploier, Ronny Ramlau, Sandrine Van Frank, dan Christian Rank. Jurnal ini memberikan alternatif pendekatan untuk Computed tomography (CT) dengan menggunakan radiasi THz. CT adalah sebuah metode pada Non-Destructive Testing (NDT) yang umumnya menggunakan radiasi sinar-x tetapi pada jurnal ini digunakan radiasi THz. Radiasi terahertz (THz) adalah radiasi elektromagnetik yang memiliki rentang frekuensi dengan nilai hampir sama dengan frekuensi molekul air, radiasi ini tidak berbahaya pada manusia dan lingkungan sehingga tidak membutuhkan absorber atau shielding tambahan saat dioperasikan. Pada jurnal ini dilakukan evaluasi performa radiasi THz pada NDT yang disebut THz computed tomography (THz-CT) untuk mengidentifikasi plastik dengan sistem THz-TDS. Pengidentifiksian dilakukan dengan menggunakan metode Different Sinogram Mapping dan metode pendekatan Different Reconstruction untuk mempresentasikan efisiensi THz-CT secara komputasi sedangkan untuk mempresentasikan bentuk geometri digunakan evaluasi kunatitatif ketebalan dari dinding. [1] Pada saat dilakukan metode Different Sinogram Mapping dan metode pendekatan Different Reconstruction untuk menentukan efisiensi THz-CT didapatkan bahwa amplitudo sinyal yang dihasilkan rentan terhadap bekas serapan gelombang tetapi hal ini membuat representasi dari geometri sampel labih baik, didapatkan juga bahwa struktur panjang gelombang (ukuran) yang dimiliki radiasi THz membuat gambar yang dihasilkan hanya sebagai representasi objek yang dituju karena dapat membayang struktur objek lain yang tidak diinginkan. Pada evaluasi kuantitatif untuk merepresentasikan bentuk geometri objek yang digunakan menghasilkan akurasi ±0,1 mm (objek berbentuk planar). Hasil yang didapatkan membuktikan bahwa THz-CT adalah metode yang bagus untuk identifikasi plastik dengan metode NDT. [1] 7



II.2 Jurnal Mengenai Praktikum DPR 07-08 (I) Jurnal yang ditulis oleh Lay Thi Tar OO DAN Aye Myat Mon dengan judul “Determination of Water Content of Guava Leaves on Radiation Attenuating Characteristics” bertujuan untuk mencari koefisien atenuasi massa dan kandungan air pada daun jambu biji menggunakan metode transmisi beta. Pada jurnal ini digunakan radioisotop Sr-90 dengan energi 546 KeV sebagai sumber radiasi dan partikel beta dicacah dengan Pencacahn Geiger Muller berjenis portable radiation counter (ST-360). Koefisien atenuasi massa dengan cara regresi linier statistik sedangkan presentase kandungan air dicari dengan metode atenuasi dengan direct weighing (pengukuran langsung). Kandungan air di daun jambu adalah faktor penting untuk menunjukan ketersedian air di perkebunan. Keberadaan embun (uap air) menjadi faktor signifikan yang mempengaruhi transmisi radiasi melewati benda (daun). Jambu biji merupakan buah yang memiliki dampak baik bagi kesehatan tak terkecuali daunnya, daun jambu biji dapat menjadi obat herbal untuk berbagai penyakit. [2] Pada jurnal ini ditemukan bahwa semakin besar koefisien atenuasi massa maka menunjukan bahwa daun itu semakin kering. Karena daun segar memiliki densitas yang lebih besar maka koefisien atenuasi massa daun segar lebih kecil daripada daun kering. Daun pada tanaman bertindak sebagai absorber alami. Nilai koefisien atenuasi massa sangat baik untuk mengevaluasi interaksi radiasi dengan daun pada tanaman. Semakin banyak jumlah kandungan air pada daun menunukkan absorbsi partikel beta semakin banyak sehingga intensitas radiasi yang lolos semakin sedikit. Penemuan ini menjadi fondasi yang baik bagi perkembangan teknologi agricultural modern. [2] II.3 Jurnal Mengenai Praktikum DPR 07-08 (I) Jurnal kedua ini ditulis oleh Wandi Wantoro, Suryasatriya Trihandaru, dan Alvama Pattiserlihum yang berjudul “Effects of air pressure changes on gamma linear attenuation coefficient in the air”. Jurnal ini mengukur koefisien atenuasi linier gamma dengan memvariasikan tekanan untuk mencari pengaruhnya dengan suhu ruangan 18℃ dan kelembaban 18%. Percobaan dilakukan dengan menggunakan LND 72 Geiger Muller dan Co-60 sebagai sumbernya. [3] Perubahan tekanan mempengaruhi koefsien atenuasi linier. Peningkatan tekanan menyebabkan koefisien atenuasi linier juga meningkat. [3]



8



III. DASAR TEORI III.1 Detektor Geiger Muller Detektor Geiger Muller atau yang biasa dikenal pencacah Geiger atau detektor GM adalah alat yang digunakan untuk deteksi dan pengukuran radiasi alfa, beta, dan gamma. Detektor GM terdiri dari 2 jenis elektrode dan dikelilingi oleh gas karena detektor ini merupakan detektor jenis isian gas. Umumnya detektor ini berbentuk silinder dimana selimut tabung berfungsi sebagai elektroda negatif (katoda) dan kawat tipis di tengaj tabung bertindak sebagai elektroda positif (anoda). Medan listrik yang terdapat di sekitar anoda (kawat tipis) mempunyai nilai yang sangat besar Nδ ∼ 1 dan faktor multipikasi muatan (M) sangat besar karena dioperasikan di tegangan yang tinggi. Pasangan ion yang primer yang terbentuk memicu guguran elektron dalam jumlah besar, tetapi sinyal output yang dihasilkan hanya bergantung pada ionisasi primer. [4], [5] Detektor mempunyai counter dan power supply yang berfungsi sebagai pengatur tegangan dan waktu cacah. Tegangan tinggi dilewatkan pada kawat sehingga memiliki medan listrik yang tinggi. Ketika radiasi masuk pada tabung, radiasi tersebut mengionisasi molekul gas pada tabung sehingga elektron keluar dari atom dan atom berisi partikel positif karena elektron memiliki massa yang lebih kecil daripada muatan positif. Medan listrik pada kawat (anoda) menarik elektron dan muatan positif menuju katoda, kejadian ini menghasilkan pulsa listrik pada anoda dan dapat dihitung, lalu ion bermuatan dinetralisir sehingga detektor dapat digunakan kembali. Penggunaan detektor Geiger Muller harus dengan voltase yang sesuai, jika voltase terlalu rendah maka detektor tidak dapat menghasilkan pulsa listrik, jika voltase terlalu tinggi maka akan merusak detektor. [4], [6], [7] Pengoperasian detektor GM lebih sulit dibandingkan alat pencacah lain tetapi yang paling sederhana jika dibandingkan detektor spektroskopi lain karena tidak membutuhkan pre-amplifier dan amplifier. Detektor isian gas ini beroperasi pada daerah 4. Ketika elektron dipercepat pada sekitar anoda oleh medan listrik, elektron dihasilkan sehingga terjadi guguran elektron karena adanya eksitasi besar-besaran pada atom dan molekul dari gas. Atom dan molekul tersebut memproduksi foton ketika dalam kondisi deeksitasi, foton memproduksi fotoelektron pada bagian selain anoda. Guguran elektron terjadi disekitar anoda dan menyebar keseluruh detektor. Ketika guguran elektron terjadi, anoda menangkap elektron dan partikel 9



positif yang bergerak lebih lambat tetap berada di mulut detektor dan membentuk lubang sehingga partikel positif bertindak seperti tampilan elektrostatis, hal ini mengurangi kekuatan medan listrik sehingga memungkinkan partikel untuk berhenti bergerak. Walaupun ion positif menolak elektron ketika mereka sudah berada dikatoda tetapi medan listrik kembali pada nilai keadaan awal yang besar sehingga guguran elektron terjadi kembali dan akan terus seperti itu. Oleh karena itu dibutuhkan partikel pemberhenti (quench) agar tidak terjadi guguran elektron yang tidak terkendali yang dapat merusak detektor. [5], [6]. Detektor jenis ini beroperasi dengan memanfaatkan ionisasi yang diproduksi oleh radiasi ketika melewati gas. Umumnya, detektor terdiri dari 2 elektrode dengan voltase tertentu yang dilewatkan, ruang antara dua elektrode diisi dengan gas. Radiasi penguon yang lewat menghasilkan pasangan ion, elektron dan ion yang bergerak mempengaruhi medan listik. Muatan yang diproduksi dapat diubah menjadi pulsa listrik lalu dihitung (dicacah). Terdapat 2 jenis detektor isian gas berdasarkan pulsa yang dihitung yaitu current or integrating chamber dimana arus searah yang diproduksi diukur dan pulse chamber dimana pulsa individu dicacah. [4] Pada detektor isian gas ionisasi primer terjadi saat energi radiasi dari sumber menumbuk ion di detektor sehingga elektron keluar. Pada sebagian besar detektor isian gas medan listrik sangat kuat sehingga mempunyai energi kinetik yang cukup untuk membuat elektron baru dari pasangan ion yang disebut ionisasi primer, juga dapat terjadi ionisasi tersier hingga terjadinya guguran elektron tergantung dengan energi kinetik yang dipunyai. [4] Pulsa yang dihasilkan dan dicacah detektor bergantung pada tegangan yang diterapkan, jika tegangan yang diterapkan naik maka pulsa yang dicacah akan naik sehingga keadaan dapat dijelaskan dengan sebuah grafik Gambar 1. Daerah kerja detektor isian gas [3] yang dikenal sebagai grafik kerja detektor isian gas. Pada Gambar 1 detektor isian gas terdapat 5 wilayah kerja yang mana setiap detektor jenis isian gas bekerja pada wilayah yang berbeda-beda dan kejadian pada setiap wilayah 10



berbeda-beda. [4] Daerah I adalah daerah rekombinasi. Pada daerah ini tegangan sangat rendah sehingga medan listrik di detektor lemah, elektron dan ion pada detektor bergerak sasngat lambat sehingga mereka melakukan kombinasi dalam jumlah yang banyak (Fc > Fe). Tidak ada detektor isian gas yang bekerja pada daerah ini. Ketika nilai tegangan (V) dipertinggi, medan listrik semakin kuat dan kecepatan rekombinasi semakin kecil. Ionisasi primer akan terjadi jika tegangan bernilai V1 (V = V1). [4] Daerah II dikenal dengan daerah ionisasi atau kamar ionisasi. Daerah II bekerra pada tegangan I (VI) sampai tegangan 2 (VII). Muatan (elektron dan ion positif) yang diterima elektroda berjumlah stabil walau tegangan yang diaplikasikan berubah karena kecepatan rekombinasi tetap dan tidak ada muatan baru yang diproduksi, jumlahnya sebanding dengan jumlah partikel yang diproduksi pada ionisasi primer. Nilai pulsa tidak bergantung pada tegangan yang diterapkan tetapi bergantung pada jumlah ion yang diproduksi saat ionisasi primer ketika partikel sumber radiasi masuk ke detektor. Kamar ionisasi merupakan daerah kerja detektor yang tidak mempunyai faktor multipikasi ion pada ionisasi sekunder atau dalam kata lain faktor ampilfikasi gas bernilai 1. Amplitudo dari sinyal sebanding dengan jumlah energi yang diterima pada daerah aktif detektor. Kaamar ionisasi adalah rerata arus yang dihasilkan oleh radiasi yang diukur, detektor yaang bekerja pada daerah ini biasa digunakan untuk mengukur dosis radiasi. Ionization Chamber Counter merupakan salah satu detektor yang bekerja pada daerah ini. [4] Daerah III dikenal sebgai daerah proporsional yang bekerja pada tagangan II (VII) sampai tegangan III (VIII). Pada daerah ini muatan yang diterima mulai naik karena elektron dihasilkan pada ionisasi sekunder yang merupakan multfikasi muatan. Ionisasi sekunder dapat terjadi karena medan listrik bernilai tinggi pada sebagian volum detektor sehingga elektron hasil ionisasi primer mempunyai cukup energi kinetik untuk melakukan ionisasi tambahan (ionisasi sekunder) karena adanya tumbukan dan faktor amplifikasi gas lebih dari satu. Walaupun terjadi ionisasi sekunder, sinyal keluaran hanya bergantung pada ionisasi primer. Tinggi atau nilai pulsa sebanding dengan energi yang diberikan di dalam detektor sehingga memungkinkan untuk mengidentifikasi partikel dan energinya. Detektor yang bekerja pada daerah ini memiliki satu kelemahan utama yaitu sinyal keluaran yang lemah sehingga dibutuhkan amplifier atau skala keluaran yang lebih teliti. 11



Meningkatkan tegangan sumber akan menyebabkan meningkatnya guguran elektron yang tersebar di sekitar anoda, di sisi lain nilai tegangan sumber sebanding dengan tinggi pulsa keluaran. Faktor amplifikasi gas bergantung pada dimater elektroda penerima dan tekanan gas, semakin besar diameter semakin sedikit partikel yang diserap anoda dan sebaliknya, semakin kecil nilai tekanan gas semakin tinggi nilai faktor multifikasi gas dan sebaliknya. Detektor yang bekerja pada wilayah ini sangat sensitif dengan perubahan tegangan dimana kenaikan voltase dalam jumlah kecil dapat meningkatkan laju cacah dalam jumlah besar. [4] Daerah IV adalah daerah Geiger–Müller (GM) yang terletak antara VIII dan VIV, dimana medan listrik di dalam detektor sangat kuat sehingga mampu untuk membuat pasangan electron–ion menghasilkan guguran pasangan electron–ion. Guguran yang terbentuk mampu untuk memproduksi sinyal keluaran dengan bentuk dan nilai yang independen terhadap ionisasi primer dan jenis partikel. Sinyal keluaran hanya dipengaruhi oleh tegangan masukan dari sumber arus (power supply). Karena dioperasikan di tegangan yang tinggi maka detektor jenis ini tidak dapat mengidentifikasi jenis radiasi (partikel) yang dicacah tetapi dalam pengoperasiannya tidak dibutuhkan amplifier dan atau preamplifier. Tinggi pulsa keluaran tidak dipengaruhi oleh energi dendapan gas. [4] Detektor GM bekerja pada daerah IV, daerah kerjanya disebut kurva plateu pada Gambar 2. Jika tegangan yang diaplikasikan sangat rendah (V < VA), laju cacah akan bernilai nol (0) karena tinggi pulsa keluaran hasil ionisasi dibawah diskriminator. Gambar 2. Kurva Plateu [3]



batas Ketika



ambang tegangan



dinaikkan dari VA menuju VB maka terjadi ionisasi dan laju cacah terukur



semakin bertambah, pulsa keluaran yang dihasilkan dapat dicacah karena telah melewati batas ambang diskriminator. Lalu, ketika tegangan tetap dinaikkan hingga lebih dari VB (V > VB) ionisasi dan tinggi pulsa tetap bertambah tetapi semua pulsa sudah melewati batas ambang diskriminator. Karena itu, pulsa tetap dicacah tanpa peningkatan laju cacah hingga tegangan mendekati VC. Jika tegangan tetap dinaikkan hingga melewati VC maka laju cacah akan kembali naik karena tegangan terlalu tinggi dan pulsa dihasilkan dua kali. Penggunaan detektor tidak boleh melewati VC karena dapat terjadi guguran elektron berlebih dan 12



merusak detektor sendiri. [4], [8] HV Plateu atau daerah operasi adalah daerah yang memiliki nilai kemiringan kecil yang terletak antara VB dan VC. Parameter ini menunjukkan jangkau operasional detektor. Pada daerah HV plateu kemiringannya tidak sepenuhnya datar, kemiringan dan panjang HV plateu digunakan untuk mengukur kualitas sebuah detektor GM. Detektor GM disebut good jika memiliki kemiringan kurang dari sepuluh persen (