(tld) menggunakan simulasi monte carlo

UNIVERSITAS INDONESIA
PENGARUH PERUBAHAN ENERGI TERHADAP RESPON DOSIS
THERMOLUMINESCENCE DOSIMETER (TLD) MENGGUNAKAN
SIMULASI MONTE CARLO
RINGKASAN SKRIPSI
YUNITA AFRIANTI
0806399312
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
PROGRAM STUDI FISIKA
DEPOK
2012
Pengaruh perubahan..., Yunita Afrianti, FMIPA UI, 2013
2
Nama
: Yunita Afrianti
NPM
: 0806399312
Pembimbing I: Supriyanto Ardjo Pawiro M.Si., Ph.D
Pembimbing II: Heru Prasetio, M.Si
Judul
: Pengaruh Perubahan Energi Terhadap Respon Dosis
Thermoluminisensi
Dosimeter
(TLD)
Menggunakan
Simulasi Monte Carlo
Judul
: Effect of change in the energy of the dose response
thermoluminescence dosimetry (TLD) using Monte Carlo
Simulation
Abstrak
Penelitian yang bertujuan untuk mengetahui pengaruh energi 10 keV
hingga 1500 keV terhadap nilai respon dosis thermoluminisence
dosimeter (TLD) LiF : Mg Ti menggunakan simulasi user kode Monte
Carlo yaitu DOSXYZnrc telah dilakukan. Pemodelan dilakukan dengan
meletakkan TLD di medium udara dengan jarak 100 cm dari sumber
radiasi dan luas lapangan radiasi 30 cm x 30 cm dalam simulasi
DOSXYZnrc. Dalam simulasi sumber dianggap sebagai berkas paralel
dan tegak lurus terhadap permukaan detektor. Pada pengukuran ini, nilai
hamburan nilainya kecil sehingga dapat dianggap diabaikan dan tidak
mempengaruhi dosis pada TLD 100. Hasil simulasi menunjukkan bahwa
respon dosis TLD sangat tergantung pada variasi energi berkas, nomor
atom efektif (Zeff),and komposisi material TLD. Selain itu, kemampuan
absorpsi TLD juga dipengaruhi oleh ketebalannya.
Kata kunci : Monte Carlo, DOSXYZnrc, dosis, TLD
Pengaruh perubahan..., Yunita Afrianti, FMIPA UI, 2013
3
Abstract
The study of the influence energy in the range of 10 KeV to 1500 KeV to a
dose response of thermoluminescence dosimeter (TLD) 100 LiF : Mg Ti.
The study was done using Monte Carlo Simulation with DOSXYZnrc code
has been done. The TLD was simulated took placed in the air medium with
source to object distance of 100 cm from the radiation source and filed
size of 30 cm x 30 cm. The geometry of radiation sources was assumed
as parallel beams and perpendicular with detector surface. In the
calaculation, the the scattering in air is very small so it was neglected and
did not affect the dose to the TLD 100. The simulation results indicated
that the TLD’s response depend on the energy of beams, effective atomic
number and compound composition of TLD. On the other hand, the
absorption of TLD is also affected by its thickness.
Keywords : Monte Carlo, DOSXYZnrc, dose, TLD
I. Pendahuluan
Untuk mengukur dosis radiasi yang dikeluarkan oleh pesawat radiasi
seperti sinar-x dibutuhkan detektor. Detektor yang umum digunakan dalam
radioterapi adalah detektor kamar ionisasi (ionisation chamber), dioda
semikonduktor, film radiochromic, termoluminesensi (TL), dan lain-lain.
Penggunaan detektor kamar ionisasi atau diode semikonduktor paling
sering digunakan karena dapat langsung mendapatkan hasil radiasi.
Namun, adakalanya pengukuran yang melibatkan kabel sulit untuk
dilakukan, misalnya dalam penumbra berkas atau pada kedalaman yang
sangat dangkal sehingga dosimetri film, TL dosimeter, gel baik untuk
digunakan. [Waldeland & Malinen, 2011]
Dalam pengukuran dosis radiasi in vivo, detektor termoluminisensi
LiF: Mg Ti (TLD-100) merupakan detektor yang paling sering digunakan
dalam pengukuran radiasi. Thermoluminisensi Dosimeter (TLD) sendiri
Pengaruh perubahan..., Yunita Afrianti, FMIPA UI, 2013
4
merupakan salah satu detektor yang dapat digunakan dalam mengitung
dosis serap. TLD telah diakui oleh IAEA dan WHO pada tahun 1969
sebagai dosimetri skala internasional yang dapat digunakan dalam
perhitungan penyerapan dosis pada radioterapi dan radiodiagnostik.
Menurut Mc. Kinlay, TLD adalah proses pengukuran radiasi pada material
yang
berbentuk
kristal
untuk
menyerap
energi
yang
kemudian
dipancarkan sebagai cahaya tampak jika dipanaskan.
Material TLD termasuk ke dalam golongan alkali halida yang
didoping dengan magnesium dan titanium yang berfungsi sebagai
aktivator dan banyak terdapat di alam namun hanya beberapa yang dapat
digunakan dalam pengukuran radiasi sedangkan TLD yang digunakan
dalam pengukuran personal harus memiliki nomor atom efektif (Zeff) yang
hampir sama dengan jaringan manusia yakni 7,4 yakni LiF.
Berdasarkan
materialnya,
TLD
menunjukkan
ketergantungan
terhadap energi [Vestad dkk, 2004. Waldeland, 2010a]. Oleh sebab itu,
untuk meningkatkan keakurasian kualitas radiasi dilakukan penelitian
respon dosis TLD dengan variasi energi yang dilakukan menggunakan
simulasi Monte Carlo DOSXYZ di BATAN (Badan Tenaga Nuklir
Nasional). Respon dosis pada TLD dapat didefinisikan ketergantungan
dosis serap yang diterima oleh detektor (TLD) terhadap energi yang
digunakan atau energi relatif monoenergi dengan radiasi untuk referensi
kualitas (biasanya digunakan sinar gamma pada 60Co atau 137Cs) [Attix,
1986]. Apabila ketergantungan energi tinggi berarti faktor koreksinya
besar berdasarkan nilai kalibrasi absolut pada referensi kualitas berkas.
Untuk memperkuat data dan hypothesis diatas, dalam penelitian ini
dilakukan simulasi Monte Carlo DOSXYZ untuk mengetahui respon dosis
pada TLD LiF : Mg Ti terhadap variasi energi dari 10 keV hingga 1500
keV. Hasil penelitian ini akan digunakan dalam tahap awal pembuatan
metode estimasi respon dosis TLD pada spektrum kontinyu.
Pengaruh perubahan..., Yunita Afrianti, FMIPA UI, 2013
5
II. Metode Penelitian
Penelitian yang dilakukan terdiri dari beberapa tahapan pemodelan
geometri antara lain:
1. Pemilihan Geometri Sumber
Pancaran sumber radiasi yang mungkin terjadi adalah geometri
sumber paralel dan isotropik. Pada studi kasus terhadap jarak tempuh
radiasi yang terjadi pada saat radiasi menembus medium TLD, sudut
geometri sumber isotropik yang mencapai titik terjauh (tepi) sebesarr
89,9o sehingga jika dibulatkan menjadi 90o setara dengan sudut pada
sumber paralel. Oleh karena itu, untuk memudahkan perhitungan
maka geometri sumber yang digunakan pada penelitian ini adalah
sumber paralel seperti Gambar 3.1. Pada Metode berkas sumber
paralel, intensitas radiasi yang terpancar akan sama pada semua titik
TLD sehingga akan mendapatkan dosis yang sama pula.
2. Pemilihan Geometri Fantom
Pemilihan geometri fantom yakni menentukan material fantom
dan bentuk yang digunakan serta koordinat pada kartesian. TLD yang
digunakan berbahan LiF dengan ukuran 3 mm x 3 mm x 1 mm
diletakkan di tengah permukaan fantom. Fantom yang digunakan
berbahan udara sejauh 100 cm dari sumber. Penggunaan udara pada
fantom dimaksudkan agar tidak ada gangguan hamburan dari mana-
Gambar 3.1 Metode Berkas Sumber Paralel
Pengaruh perubahan..., Yunita Afrianti, FMIPA UI, 2013
6
(a)
(b)
Gambar 3.2 (a). Pemodelan pengukuran. (b). Peletakkan TLD pada koordinat
pun sehingga nilai yang diperoleh merupakan besar dosis yang
terpancar
dari
sumber.
Pada
posisi
penyinaran,
posisi
TLD
didefinisikan dalam koordinat dengan posisi X = 2, Y = 2 dan Z = 1
seperti pada gambar 3.2
3. Pemilihan Energi
Energi yang digunakan pada penelitian ini adalah energi foton
monoenergi. Energi yang digunakan dari 10 keV hingga 1500 keV.
Pemilihan variasi energi disebabkan energi terendah yang mungkin
pada penyinaran sinar-x dalam aplikasi medis adalah 10 keV dan
energi tertinggai yang mungkin pada penyinaran sinar gamma pada
aplikasi medis adalah 1330 keV yakni pada pesawat cobalt.
Pengaruh perubahan..., Yunita Afrianti, FMIPA UI, 2013
7
Setelah
melakukan
pemodelan
geometri
eksperimen,
dilakukan
pengukuran yang dilakukan secara tidak langsung atau simulasi
menggunakan simulasi Monte Carlo DOSXYZnrc.
Sebelum menjalankan simulasi, dilakukan pemasukan data untuk
komposisi material, geometri fantom, geometri sumber, parameter
simulasi, dan jumlah history. Data yang dimasukkan pada komposisi
material yakni udara untuk mendefinisikan fantom dan lingkungan, LiF
untuk TLD dan batasan energi yang dapat dihitung pada simulasi untuk
elektron maupun foton. Parameter simulasi dengan mengaktifkan interaksi
yang mungkin terjadi (efek fotolistrik, efek Compton, hamburan Rayleigh
dan produksi pasangan) dan jumlah history 10 8.
III. Hasil dan Pembahasan
Hasil simulasi menggunakan perhitungan data material PEGS4
diperoleh probabilitas interaksi radiasi dengan material TLD seperti
gambar 4.1. Probabilitas interaksi ini menunjukkan bahwa pada rentang
energi 10 keV-100 keV terjadi interaksi fotolistrik yakni interaksi foton
dengan elektron dimana energi foton seluruhnya diserap oleh elektron
agar dapat lepas dari atom. Efek Compton terjadi pada > 100 keV karena
interaksi foton dengan elektron tapi tidak semua energi diserap oleh
elektron untuk terlepas dari atom sehingga sebagian energi sisa
digunakan untuk berinteraksi dengan elektron lain yang disebut proses
ionisasi sekunder. Sedangkan hamburan Rayleigh dan produksi pasangan
tidak banyak berkontribusi karena pada hamburan raylegh yang terjadi
pada 10 keV- 110 keV nilainya kecil dan produksi pasangan mulai terjadi
pada 1,02 MeV. Probabilitas interaksi yang terjadi pada TLD 100
mempengaruhi nomor atom efektif (Zeff) dimana semakin besar energi
yang diberikan maka semakin banyak jumlah elektron bebas yang keluar
dari ikatan kovalen.
Pengaruh perubahan..., Yunita Afrianti, FMIPA UI, 2013
8
Gambar 4.1 Probabilitas interaksi pada TLD 100
Respon dosis TLD 100 pada gambar 4.2 dipengaruhi oleh energi
datang yang mempengaruhi interaksi yang terjadi pada TLD dan nomor
atom efektif (Zeff) TLD, komposisi material pada TLD 100 yang dibuktikan
oleh Edward dkk pada tahun 2005 yakni material yang memiliki nomor
atom
efektif
sama
namun
komposisi
materialnya
berbeda
akan
mempengaruhi nilai dosis dan kemampuan absorbs TLD tergantung pada
ketebalan.
Pengaruh perubahan..., Yunita Afrianti, FMIPA UI, 2013
9
Gambar 4.2 Respon Dosis TLD 100
IV. Kesimpulan
Berdasarkan hasil pengukuran dan pembahasan data penelitian
pada penyerapan dosis TLD, dapat disimpulkan bahwa respon dosis TLD
sangat tergantung pada variasi energi. Ketergantungan ini dipengaruhi
oleh beberapa parameter antara lain
 Energi yang datang sehingga mempengaruhi jenis interaksi yang
terjadi pada material dan nomor atom efektif (Zeff) material
berkaitan dengan interaksi foton yang terjadi pada material
 Komposisi material yang digunakan
 Kemampuan absorpsi TLD dipengaruhi oleh ketebalannya
Pengaruh perubahan..., Yunita Afrianti, FMIPA UI, 2013
10
Daftar Acuan
Attix, F.H., (1986). Introduction to Radiological Physics and Radiation
Dosimetry. John Wiley & Sons, Inc.
Bielajew AF. (1993). How to manage the EGS4 system. National
Research Council of Canada report PIRS-0391, Ottawa.
Bielajew AF. (1993). Running EGS4 on different architectures. National
Research Council of Canada report PLRS-0392, Ottawa.
Bushberg Jerrold T, Anthony Sieberst, Edwin M Leidholdt, John M Boone.
(2002).The Essential Physics of Medical Imaging. Philadelphia,
USA.
C.-M. Ma, P. Reckwerdt, M. Holmes, D. W. O. Rogers, and B. Geiser.
(1995). DOSXYZ Users Manual. NRC Report PIRS 509b.
Edwards. C R, Mountford. P J, Green. S, Palethrope. J E, and Moloney A
J.
The
low
energy
X-ray
response
of
the
LiF:Mg:Cu:P
thermoluminescent dosemeter: a comparison with LiF:Mg:Ti.
University Hospital Birmingham, Edgbaston, Birmingham.
I. Kawrakow, E. Mainegra-Hing, and D. W. O. Rogers. (2006).
EGSnrcMP: the multi-platform environment for EGSnrc. Technical
Report PIRS–877, National Research Council of Canada, Ottawa,
Canada.
International Atomic Energy Agency (2006). Basic Radiation Physics. Mc
Gill University, Montreal : IAEA
J. A. Treurniet and D. W. O. Rogers. (1999). BEAM, DOSXYZ and
BEAMDP GUI User’s Manual. NRC Report PIRS 0623(rev A)
Ma C-M, Reckwerdt F, Holmes M, Rogers DWO, Geiser B, Walters B.
(1998). BEAM users manual. NRCC report PIRS-0509B (Rev. C),
Ottawa Mc Kinlay A. F, (1981). Thermoluminescent Dosimetry.
Medical Physics Handbook N°5,Adam Hilger, Ltd
Olarinoye
I.O.
(2011).
Effective
atomic
numbers
of
some
thermoluminescence and phantom materials with photon energies.
Pengaruh perubahan..., Yunita Afrianti, FMIPA UI, 2013
11
Department of Physics, Federal University of Technology, Minna,
Nigeria
Podgorsak, E.B. (2005). Radiation Oncology Physics:A Handbook for
Teachers and Student. IAEA. Austria : IAEA.
Rogers DWO, Faddegon BA, Ding GX, Ma C-M, We J. BEAM: (1995). a
Monte Carlo code to simulate radiotherapy treatment units. Med
Phys;22(5):503-524.
Sujadi, Dede .(2007). Pengukuran dosis optimum penyinaran sinar x untuk
radiografi terhadap keselamatan pasien. Pusat penelitian Kalibrasi,
Instrumentasi dan Metrologi LIPI.
Taylor. ML, RL Smith, F Dossing and RD Franich. (2012). Robust
calculation of effective atomic numbers: The Auto-Zeff software,
Medical Physics 39 1769-1778. Applied Physics RMIT University,
Australia.
Verdianto, Ariono . (2012).
Peningkatan akurasi proses pembacaan
detector TL pada TLD reader harshaw model 3500. Depok :
Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan
Alam, Universitas Indonesia.
Vestad, T.A., Malinen, E., Olsen, D.R., Hole, E.O., Sagstuen, E., (2004).
Electron paramagnetic resonance (EPR) dosimetry using lithium
formate in radiotherapy: comparison with thermoluminescence (TL)
dosimetry using lithium fluoride rods. Physics in Medicine and
Biology 49, 4701-4715.
Waldeland. Einar, Malinen. Eirik .(2011). Review of the dose-to-water
energy dependence of alanine and lithium formate EPR dosimeters
and LiF TL-dosimeters e Comparison with Monte Carlo simulations,
Department of Medical Physics, Oslo University Hospital, The
Norwegian Radium Hospital, Norway.
Pengaruh perubahan..., Yunita Afrianti, FMIPA UI, 2013