Analisa dengan menggunakan metode sinar X

Analisa dengan menggunakan metode sinar X-Ray sudah
diterapkan untuk sebagian besar peralatan laboratorium sejak
tahun 1960-an, hal ini dilakukan kerena model alat ini dapat
memberikan hasil yang lebih besar pada sisi quantity, accurasi
dan kecepatan analisa disbanding dengan metode lain.
Teory dan prinsip kerja X-Ray Spectrometer
Radiasi Xray merupakan gelombang electromaghnet yang
sama dengan gelombang cahaya yang visible ( terlihat).
Characteristik utama yang dimiliki oleh Radiasi X-Ray adalah
energi yang besar, inilah alasan kenapa radiasi sinar ini dapat
menembus materilal solid ( material yang tidak transparan ).
Radiasi X-Ray merupakan bagian dari dari spectrum
elecromagnetik dengan besaran 0,1 – 200 A (satuan Angstrom
dimana 1A = 10 pangkat –10 m). dari specrum tersebut hanya
sebagian kecil saja yaitu 0,2 – 20 A yang digunakan oleh X-Ray
Spectrometer convensional. (Fe = 3A, Na=11A).
Pada X-Ray spectrometer diperlukan teori tentang panjang
gelombang dan terminology energi untuk menjelaskan radiasi
sinar X. Enegi dan panjang gelombang adalah berbanding terbalik
seperti formula berikut. Energi akan semakin besar jika panjng
gelombang bertambah kecil.
E= h.c/
E = Energi (kilo electron volt keV)
= Panjang gelombang (A)
c = Kecepatan Cahaya ( 3 x 10 8 m/s)
h = Constanta planck ( 6,6x 10 –34)
Setiap element mempunyai karakteristik spectrum emisi sendirisendiri tergantung pada konfigurasi electronic seperti terlihat
pada hokum Moseley
1/ = K ( z- ) 2
z = Nomor atom
K = Konstanta
 = Shielding Constan
Pembangkitan sinar X
Setiap atom mempunyai inti atom ( nucleus ) yang
bermuatan positiv dan dikelilingi oleh electron yang bermuatan
negativ. Electron mengelilingi inti atom pada lingkaran-lingkaran
level energi yang disebut K, L, N, M dsb.
Ketika elemen dibombardir dengan photon, electron yang
ada pada orbit level energi didalam akan berexitasi ke orbit level
energi yang lebih tinggi yang orbitnya kosong.
1. incoming photon, atom dibombardir dengan electron yang
bergerak sangat cepat atau dengan radiasi X-Ray.
2. Scattered electron, electron yang berpindah dari orbit energi
yang lebih rendah kepda energi yang lebih tinggi karena
menyerap radiasi X-Ray.
3. Orbit yang ditinggal oleh electron yang berpindah akan
kosong dinamakan “positif hole”.
4. Electron filling the gap, electron pada orbit yang lebih luar
akan berpindah ke orbit yang kosong, karena efek
perpindahan orbit level energi ini maka electron yang
berpindah ke orbit yang lebih rendah akan melepaskan
energi, proses ini disebut flouroscent, electron yang mengisi
tempat kosong tersebut banyak sekali sehingga energi yang
dilepas akan sangat besar. Panjang gelombang inilah yang
kemudian di deteksi dan digunakan untuk menghitung
konsentrasi dari material.
Pesawat Sinar-X
Pesawat sinar-X adalah pesawat yang dipakai untuk memproduksi
sinar-X. Pesawat ini terdiri atas tabung sinar-X dan variasi
rangkaian elektronik yang saling terpisah. Sinar-X dibangkitkan
dengan jalan menembaki target logam dengan elektron cepat
dalam suatu tabung vakum. Elektron sebagai proyektil dihasilkan
dari pemanasan filamen yang juga berfungsi sebagai katoda.
Filamen ini dipasang pada bidang cekung untuk memfokuskan
elektron menuju daerah sempit pada target (anoda).
Pada saat arus listrik dari sumber tegangan tinggi dihidupkan,
filamen katoda akan mengalami pemanasan sehingga kelihatan
berwarna putih. Dalam kondisi ini, katoda akan memancarkan
elektron (sinar katoda). Elektron selanjutnya ditarik dan
dipercepat gerakannya hingga mencapai ribuan km/s melalui
ruang hampa menggunakan tegangan listrik berorde 102 - 106
Volt. Elektron yang bergerak sangat cepat itu akhirnya
ditumbukkan ke target logam bernomor atom tinggi dan bersuhu
leleh juga tinggi. Ketika elektron berenergi tinggi itu menabrak
target logam, maka sinar-X akan terpancar dari permukaan logam
tersebut. .
Penyempurnaan berikutnya dilakukan pada 1913 oleh fisikawan
Amerika William David Coolidge (1873-1975). Tabung Coolidge
sangat vakum dan di dalamnya terdapat filamen yang dibuat dari
kawat pijar dan target. Tabung Coolidge pada prinsipnya
merupakan tabung vakum termionik dengan katodanya
memancarkan elektron secara langsung karena mengalami
pemanasan oleh aliran listrik yang teratur. Elektron yang
dipancarkan dari filamen panas dipercepat menuju ke arah anoda
dengan menggunakan tegangan tinggi yang dipasang di
sepanjang tabung. Karena elektron menabrak anoda dengan
kuatnya, maka dari anoda itu terpancar sinar-X. Jika tegangan
anoda dinaikkan, semakin tinggi pula kecepatan gerak elektron
menuju anoda, sehingga energi sinar-X yang dipancarkannya juga
semakin tinggi.
Meskipun efisiensi diusahakan setinggi mungkin, pada umumnya
kurang dari 1% energi elektron yang dapat diubah menjadi sinarX, sedang sisanya muncul sebagai panas. Oleh karena itu, target
harus dibuat dari bahan yang memiliki titik leleh sangat tinggi
dan harus mampu mengalirkan panas yang timbul. Bagian anoda
pesawat sinar-X biasanya memiliki radiator bersirip di bagian luar
tabung untuk membantu proses pendinginan target. Pesawat
sinar-X yang dioperasikan pada tegangan sangat tinggi, anodanya
memiliki lubang pendinginan untuk mengalirkan minyak atau air
ke dalamnya.
Sebagian besar tabung sinar-X yang beroperasi dewasa ini
menggunakan model tabung Coolidge yang dimodifikasi. Tabung
yang lebih besar dan lebih kuat memiliki sistem pendingin air
pada anti katodanya untuk mencegah pelelehan akibat panas
yang timbul dari penembakan elektron. Bersamaan dengan
berkembangnya pengoperasian pesawat sinar-X, tumbuh pula
industri pesawat pembangkit sinar-X beserta peralatan,
perlengkapan, dan suku cadangnya.
Untuk mendapatkan sinar-X dengan energi yang sangat tinggi,
para ilmuwan telah membangun mesin pembangkit sinar-X yang
sangat kuat. Salah satu di antaranya adalah mesin pembangkit
yang diberi nama betatron. Sebagian besar betatron dapat
menghasilkan elektron berenergi kira-kira 20 MeV sehingga dapat
dipancarkan sinar-X berenergi sangat tinggi,. Mesin pembangkit
sinar-X energi tinggi yang lainnya adalah jenis akselerator linier
(LINAC). Alat ini dapat dipakai untuk mempercepat partikel hingga
berenergi di atas 1 BeV.
Prinsip kerja dari X-Ray spectrometer
Ada tiga bagian besar pada sitem X ray
1. Primary source unit
2. Spectrometer unit
3. Instrument pengukur yang terhubung dengan komputer
1. Primary source unit, bagian ini pada umumnya terdiri dari
sebuah tabung sinar X ( X Ray tube ) yang di supply oleh
High Voltage Generator yang sangat satbil dan dapat
mengalirkan energi 2 – 5 kW pada tegangan sampai 100 kV.
X-ray tube berbentuk metal cylinder yang terdiri dari
cathoda (tube head) dan anoda yang terbuat dari W , Cr dan
Rh.. Pada X-Ray tube semua komponen selain anoda adlah
ground potensial, karena anoda sangat panas maka
digunakan water cooled untuk mendinginkannya.
2. Spectrometer Unit
X-Ray tube memancarkan sinar ke sample (material yang di
analisa ) sinar ini disebut X-Ray primary radiation, berkas ini
kemudian akan dipantulkan oleh material, berkas cayaya ini
terdiri dari bermacam-macam panjang gelombang dari semua
element yang terdapat pada sample, yang dipancarkan ke semua
arah (polychromatic). Melalui primary collimator sebagian berkas
ini dikirim ke crystal penganalisa atau disebut monocromator
yang masing-masing sudah mempunyai panjang gelombang
yang spesifik sesuai dengan unsur/komponen yang dianalisa ,
sesuai hukum bragg. Berkas yang sudah diseleksi dan hanya
mengandung satu panjang gelombang (monochromatic) tersebut
kemudian dikirimkan oleh Secondary collimator ke Detector
( Counter ), dimana berkas tersebut akan dihitung.
Sebuah Crystal dengan struktur yang spesial digunakan
untuk memisahkan berkas cahaya dari policromatik( berkas
dengan banyak panjang gelombang ) menjadi berkas
monocromatik ( berkas cahaya dengan hanya satu macam
panjang gelombang ). Panjang gelombang dihitung
berdasarkan sudut diffraksi pada hokum bragg
n.  = 2dsin
d = jarak kisi-kisi pada crystal
 = sudut diffraksi
n = orde dari garis energi
 = panjang gelombang dalam A
Gelombang sinar X yang dipantulkan oleh susunan yang
teratur dari atom-atom yang terpisah dengan jarak d akan
mengalami penguatan jika semua kondisi terpenuhi. ( hukuk
Bragg)
Untuk mencari bidang crystal dan untuk mendapatkan n (orde
diffraksi ) maka setiap panjang gelombang pada incident X-ray
harus di Diffraksi pada pada sudut-sudut tertentu. Panjang
gelombang maximum yang bisa di diffraksikan adalah 2d dimana
sin =1, oleh karena itu maka cristal untuk diffraksi ini dibuat
dengan perbedaan 2d untuk membedakan antara panjang
gelombang unsur satu dengan yang lain pada system priodic.
Beberapa cristal yang dipakai untuk diffraksi ini ada yang terbuat
dari an organik (LiF) dan ada yan terbuat dari unsur organik
seperti(PET).
Dispertion power
Cystal juga mempunyai spesifikasi yang disebur dispertion
power adalah kemampuan dari kristal untuk memisahkan
panjang gelombang dengan sangat efektif. Hal ini
tergantung dari:
1. 2d spacing yang dipakai oleh crystal.
2. Sudut Bragg
3. Tingkat energi diffraksi ( orde diffraksi ).
Dari rumus tersebut bisa kita lihat bahwa:
1. Semakin kecil 2d spacing maka dispersi akan semakin bagus
2. Jika sudut difraksi lebih besar maka dispersi akan semakin
besar
3. semakin tinggi orde diffraksi maka akan semakin
memperbesar dispersi
Sebuah contoh dari hubungan ini ditunjukkan pada gambar
dibawah dimana dengan spektrum yang sama dan dengan
menggunakan crystal yang berbeda. Masing-masing adalah
Lif200 (2d=4.028), LiF220 (2d = 2.848 ) dan LiF420 ( 2d =
1.802 ). Dapat disimpulkan bahwa hasil separasi yang terbaik
adalah ketika menggunakan crystal LiF420. satu yang harus
diingat bahwa dispersi yang lebih tinggi kadang-kadang
berarti puncak intensitas menjadi rendah.
Stability
Stability dari cystal adah faktor yang sangat penting untuk
menghasilkan pengukuran yang reliable, crystal mungkin
mengalami perubahan fisik diakibatkan oleh pergeseran
temperature, terkena radiasi atau polusi kimia dalam
spectrometer. Maka sangat penting untuk menjaga kristal pada
konstan temperatur dan melindungi dari kontaminasi. Karena
beberapa kristal sangat sensitif pada perubahan
temperature.dengan kata lain jika temp berubah maka 2d
kristal akan berubah ini akan menyebabkan sudut bragg
berubah yang pada gilirannya tidak bisa mengukur peak
position. PET adalah salah satu cristal yang sangat sensitif
terhadap temp, pada X-Ray ARL sudah dilengkapi dengan
rangkaian pengatur panas yang akan menjaga temp pada
kisaran +/-0.5 derajat, hal ini untuk meminimalisir perubahan
yang besar pada kristal.
Cristal yang cekung pada umumnya digunakan pada specro
multi channel dimana monocromator mempunyai sudut yang
tetap serta menggunakan primary dan secondary collimator.
Detector
Dua macam detector yang sering dipakai pada
comersial spectrometer adalah:
1. Gas filled proporsional counter untuk panjang gelombang
menengah sampai panjang.
2. Scintillator counter untuk panjang gelombang pendek
Gas Filled Counter
Detector type ini ada dua macam: Flow Proporsional Counter
(FPC) dan Sealed detector.FPC menggunakan Gas yang di
regualasi aliran dan pressurenya. Umumnya ditutup dengan
polipropilene alumunium coated window ( kertas alumunium
untuk seal antara aliran gas dan detector yang tebalnya 1-2
micron ) untuk meningkatkan kecepatan sinar X-ray dengan
panjang gelombang tinggi.
Sedang yang Sealed detector ada dua macam yaitu Exatron dan
Multitron yang mempunyai window yang terbuat dari berrilium.
Sealed detector dipakai untuk fix channel walaupun ukurannya
kecil. FPC dipakai untuk Light element ( unsur yang sangat kecil ),
misal pada X-Ray kita FPC hanya dipakai untuk mengukur Na
( karena sangat kecil ). Prinsip operasinya sama perbedaannya
adalah FPC menggunakan aliran gas sedang sealaed detector
tidak, gasnya sudah ada didalamnya. Tegangan tinggi diberikan
diantara 2 electrode, sedang casing di groundkan.
Primary inonisation
Detector diisi dengan gas He, Ne, Ar, Kr dan Xe yang dicampur
dengan metane . X-ray photon memasuki detector kemudian
mengionisasi gas dan membuat pasangan-pasangan electron-ion.
Banyaknya pasangan electron ion tergantung pada type gas dan
energi yang diberikan oleh photon. Contoh gas Ar memerlukan
potensial 26 eV untuk membuat ionisasi yang efektif dan
menghasilkan pasangan electron ion. Demikin juga ketika sebuah
photon Cu Ka ( panjang gelombang 1.542A, energi
12.4/1.542=8040 eV) memasuki detektor setiap photon akan
menghasilkan 304 pasangan electron-ion. Jika photon dengan
energi 2 kali( pada contoh tersebut) memasuki detector maka
pasangan electron-ion yang dihasilkan juga menjadi 2 kali. Jika
semua photon yang masuk menghasilkan pasangan electron-ion
maka banyaknya pasangan electron-ion akan sebanding dengan
energi photon. Inilah mengapa detector itu di sebut proporsional
counter. Kemudian muatan listrik yang dihasilkan tersebut akan di
hitung, maka akan kita dapatkan harga intensitas pada panjang
gelombang yang didefinisikan. Banyaknya pasangan electron-ion
yang dihasilkan pada proses ionisasi ini masih belum cukup untuk
dideteksi, satu hal yang harus dilakukan sebelum menghasilakan
signal yang bagus adalah Avalance atau Gas Amplification.
Avalance ( Gas Amplification )
Ketika sebuah X-ray photon memasuki ruangan detector, maka
akan menghasilkan pasangan elektron-ion terus-menerus
sehingga energinya habis. Ketika detektor diberi tegangan
elektron kemudian akan ditekan spanjang filamen dan ion akan
bergerak sangat cepat sepanjang body detector, ketika electron
mendekati filamen mereka mendekati medan magnet yang lebih
kuat yang berakibat akan lebih mempercepat gerak electron
tersebut., ketika tegangan menjadi rendah maka electron bersatu
kembali dengan ion positif sebelum dia mencapai anoda. Ini
adalah area unsaturation. Ketika tegangan kembali dinaikkan
maka penyatuan electron dan ion positif menjadi komplit dan
kemudian semua primary elektron mencapai anoda. Ionisation
chamber terjadi pada area ini. ketika sudah tidak ada secondary
ionisasi berikutnya maka maka penguatan gas menjadi 1 lagi.
Ketika tegangan cukup tinggi untuk mempercepat electron maka
terjadilah tumbukan antara electron dengan atom gas dan ini
memicu secondari ionisation. Satu permulaan untuk mendapatkan
penguatan yang subtansial pada pembawa muatan.
Perkalian/penguatan akan terus naik selama electron semakin
mendekati anoda.
Scintillator Counter
Scintillator counter beroperasi dengan cara yang berbeda
dengan gas filled detector scintillator terdiri atas dua bagian
esensial sebuah material scintillator ( disebut phospor ) dan
sebuah photo multiplier. Kristal scintillator seperti NaI:T1+
mempunyai perilaku yang menarik bahwa dimana ketika X
ray photon memasuki cristal merka mengeluarkan cahaya
yang bisa dilihat ( biasanya biru ), selanjutnya mereka
mengubah Xray photon menjadi visible photon. Gambar
berikut adalah scintillator counter
Scintillator kristal disatukan secara optik dengan photo
multiplier tube (PM). PM terdiri dari banyak elektrode
positifyang dinamakan dynides yang di tujukan untuk
menaikkan posititif potensial. Maka kemudian electron dapat
dipercepat oleh dynodes dan kemudian melepas lebih
banyak photoelectron. Demikian proses penguatan terjadi
terus sampai dynodes terakhir. Hasil adalah penguatan
internal sampai orde 105-106 tergantung dari banyaknya
dynodes dan tegangan tinggi yang diberikan pada PM.
Pulsa Height Discriminator
Gas detector dan scintillator counter yang dipakai pada XRF
adalah proporsional detector, artinya energi yang yang
diberikan dari X-ray photon akan menentukan ukuran dari
pulsa tegangan yang dihasilkan oleh detektor. Sebuah PHD
dipakai dengan tujuan untuk hanya memilih pulsa tegangan
dengan rage yang sangat sempit, dan kemudian menbuang
semua pulsa yang tidak diinginkan. X-ray photon dengan
orde yang berbeda-beda akan memasuki detektor jika sudut
braggnya sesuai. Seperti terlihat pada gambar dibawah
ketinggian pulsa dari orde diffraksi yang berbeda adlah tidak
sama. Sebuah alat electronik Penganalisa ketinggian pulsa
yang yang mempunyai adjustable upper dan lower threshold
membentuk sebuah “window”. Window ini hanya menerima
pulsa-pulsa dari detector dengan amplitudo lebih tinggi dari
pada lower threshold dan lebih kecil dari upper threshold.
Pulsa-pulsa tersebut dapat melewati window dan selanjutnya
sampai ke output amplifiet sedangkan yang lain akan
dibuang. Selanjutnya dengan setting threshold dan window
yang tepat maka akan secara significan menurunkan atau
bahkan mengeliminir contribusi dari orde diffraksi yang lebih
tinggi. Setting ini juga membantu menurunkan signal
background radiation ( sinyal pengganggu).
Final Output
Akhirnya output dari amplifier atau PHD analizer harus di
interpretasikan, metodenya adalah mengintegrasikan pulsapulsa yang diterima pada sebuah electronic integrator. Jika N
adalah banyaknya hitungan pulsa dalam satuan waktu t
detik. Maka akan didapatkan banyaknya pulsa/detik atau
count rate adalah N/t count persecond (cps). Lalu kemudian
output signal dari spectrometer untuk kebutukan praktis
dipresentasikan denga count persecond (cps) atau kilo count
persecond (kcps). Harga ini adalah harga intensitas
kemudian harga tersebut akan diubah ke dalam bentuk
harga konsentrasi melalui metode yang berbeda-beda
(calibration,empiric coefisien atau fundamental parameter).
Pada saat quantitative analisis intensita (cps) akan di
tampilkan langsung pada display pada saat scan goniometer
sepanjang sudut bragg yang berbeda-beda sebagai hasil
spektru.
High voltage calibration
Setiap monocromator disetup secara selective hanya
untuk mendeteksi /menghitung photon dengan panjang
gelombang yang spesifik atau sesuai untuk masing – masing
element. Semua detector yang dipakai untuk banyak
monocromator menghasilkan sinyal yang proposional pada
outputnya dengan energi X-ray yang diukur.
Panjang gelombang Xray dan energi adalah berbanding
terbalik. Dimana semakin tinggi panjang gelombangnya
maka akan semakin besar sudutnya
Pada system pengukur, diperlukan pulsa-pulsa yang
berukuran konstan pada system counter. Untuk itu maka
adalah sangat penting pada setiap monocromator untuk
memberikan supply high voltage yang sesuai dengan sudut
pada setiap monocromator.
Pada X-Ray 98 maka pengubahan energi ini dilakukan
dengan cara kalibrsi HV, untuk mendapatkan amplitudo yang
tinggi pada harga 75 step
Segdang pada X-Ray 86 HV calibration ini dilakukan dengan
jalan memutar trimpot untuk mendapatkan amplitudo yang
tinggi pada 1100 mv.