Penentuan Fluks Neutron Termal di Fasilitas

OMEGA
Jurnal Fisika dan Pendidikan Fisika
Vol 1, No 1 (2015)
ISSN: 2443-2911
Penentuan Fluks Neutron Termal di Fasilitas Kalibrasi Neutron dengan
Menggunakan Keping Indium
Tjipta
BATAN Serpong, Jakarta
E-mail: [email protected]
Abstract
The purpose of this study was to determine the magnitude of the thermal neutron flux in the neutron
calibration facility. Determination of the neutron flux in the neutron calibration facility has been carried
out by the method of activation puck. In the measurement of thermal neutron flux distribution using
Indium-116m puck as much as 17 pieces with the same distance that attaches to the front placed 80×80 cm
graphite. Results of the thermal neutron flux measurement has an average of 922.1139179 n/cm2 s. Thus
it can be said that the thermal neutron flux distribution in the neutron calibration facility fairly evenly
with a difference of less than 5%.
Keywords: Neutron flux, thermal neutron, activation, neutron calibration.
Pendahuluan
Dalam kehidupan sehari-hari, disadari atau
tidak, kita selalu terkena radiasi. Radiasi yang
dimaksud di sini adalah radiasi pengion yang berasal dari alam, yaitu dari sinar kosmik dan kerak
bumi. Radiasi pengion merupakan suatu radiasi yang menyebabkan terjadinya proses ionisasi
apabila menumbuk suatu bahan, misalnya sinar
gamma, sinar x, partikel alfa, beta, elektron dan
proton.
Di samping radiasi alam, ada juga radiasi buatan yang dihasilkan oleh aktivitas manusia. Radiasi tersebut pun menambah kontribusi radiasi latar,
namun bersifat insidental, misalnya radiasi medik,
radiasi dari kecelakaan nuklir dan jatuhan radioaktif (fall out). Radiasi nuklir tidak dapat ”dirasakan”
oleh panca indera manusia oleh karena itu alat ukur
radiasi mutlak diperlukan untuk mendeteksi dan
mengukur radiasi nuklir. Oleh karena itu, seiring dengan perkembangan teknologi nuklir dalam
berbagai bidang, peranan proteksi radiasi menjadi
sangat penting dan harus ditangani secara sungguhsungguh agar paparan radiasi dari kegiatan yang
dilakukan serendah mungkin.
Berbicara mengenai teknologi nuklir, di
PTKMR-BATAN terdapat ruang kalibrasi (Gambar 1). Kalibrasi merupakan proses untuk mem23
bandingkan model dengan hasil pengamatan dan
pengukuran lapangan. Pada fasilitas kalibrasi neutron PTKMR, terdapat 80 × 80 × 105 cm balok
grafit dan 35 × 80 × 91 cm balok policilin yang
terbagi dalam 10 × 80 × 91 cm balok pembatas dan
25 × 80 × 91 cm balok wadah sumber (Gambar 2).
Di dalam balok policilin berisi satu lubang kalibrasi
silindris (penempatan sumber) yakni 241 Am-Be (3
Ci) dan 252 Cf (5 Ci) yang memiliki aktivitas 40 µg.
Penempatan sumber 241 Am-Be dan 252 Cf dalam
wadah tersebut dimungkinkan akan memberikan
perubahan nilai laju dosis radiasi di ruang kalibrasi. Untuk mengetahui tingkat laju dosis radiasi di ruang kalibrasi diperlukan pemetaan dosis.
Pemetaan dosis radiasi di ruang kalibrasi dilakukan
untuk mengetahui nilai laju dosis radiasi di daerah
kalibrasi alat.
Penelitian ini bertujuan untuk menentukan fluks
neutron termal di dalam fasilitas kalibrasi neutron.
Fluks neutron merupakan banyaknya neutron yang
bergerak per satuan luas per detik. Berdasarkan
energi dan kecepatannya, fluks neutron dibedakan
menjadi tiga kategori yaitu: fluks neutron cepat,
fluks neutron epithermal dan fluks neutron thermal.
Dalam hal ini dibahas fluks neutron termal yang ditentukan dari hasil pengukuran aktivitas jenuh per
inti dari keping yang telah diiradiasi.
OMEGA
Jurnal Fisika dan Pendidikan Fisika
Vol 1, No 1 (2015)
ISSN: 2443-2911
tas kalibrasi neutron dengan menggunakan bahan
keping Indium sebanyak 17 keping yang memiliki
massa berbeda-beda sebagai akibat dari pengaruh
iradiasi sumber neutron 241 Am-Be dan 252 Cf.
Kajian Teori
Neutron
Atom tersusun dari proton, neutron dan elektron. Proton dan neutron sebagai penyusun inti
atom, sedangkan elektron bergerak mengelilingi inti
atom. Neutron dalam inti seperti sinar gamma dapat menembus suatu bahan dengan mudah. Interaksi neutron dengan inti atom berbeda dengan interaksi partikel radioaktif.
Neutron merupakan zarah elementer penyusun
inti atom yang tidak mempunyai muatan listrik.
Energi diam sebuah neutron hampir sama dengan massa sebuah proton, yaitu sebesar 1, 67492 ×
Gambar 2 Struktur balok pada fasilitas kalibrasi
10−24 gram atau 939, 6 MeV/c2 . Neutron dilneutron PTKMR-BATAN.
ambangkan dengan 10 n, sedangkan cacah neutron
Pengukuran fluks neutron dilakukan dengan dalam inti atom biasa dilambangkan dalam huruf
berbagai metode baik secara langsung maupun N .
tidak langsung. Salah satu cara pengukuran fluks Metode Pengukuran Fluks
neutron secara langsung adalah metode detektor
Fluks neutron adalah banyaknya neutron yang
swadaya. Dan pada penelitian ini akan dilakukan lewat pada tiap satuan luas per sekon. Secara
penentuan fluks neutron secara tidak langsung matematis dapat ditulis
yaitu dengan menggunakan metode aktivasi neutron keping (foil detector). Bahan yang digunakan
φ = nv
(1)
adalah keping Indium (In). Prinsip dari metode
2
Dengan φ menyatakan fluks neutron (n/cm s), n
tersebut cukup sederhana yaitu dengan mengakadalah banyaknya neutron (n/cm3 ), v kecepatan
tifkan suatu material (foil) yang telah diketahui
neutron (cm/s).
kadar dan karakteristiknya bila bereaksi dengan
Pada penelitian ini pengukuran fluks neutron
neutron, kemudian material (foil) tersebut diukur
termal di fasilitas kalibrasi neutron dilakukan unaktivitasnya dengan sistem peralatan Spektrometri
tuk mengetahui seberapa besar fluks neutron terGamma. Seperti yang telah dijelaskan di atas,
mal dan bagaimana karakteristik distribusi fluks
pada kesempatan ini penulis akan meneliti dalam
neutron termal di fasilitas kalibrasi neutron dengan
sebuah penelitian kolokium yang berjudul: ”Penenmetode aktivasi.
tuan Fluks Neutron Termal di Fasilitas Kalibrasi
Neutron dengan Menggunakan Keping Indium”.
a. Aktivasi Foil
Metode aktivasi keping merupakan suatu produksi isotop radioaktif melalui penyerapan neutron.
Rumusan Masalah
Metode ini dilakukan dengan cara meletakkan cupUntuk memperjelas arah dan tujuan penelitian
likan di dalam medan neutron. Inti-inti atom yang
ini, masalah yang dirumuskan dan akan dicarikan
berada dalam cuplikan akan menyerap neutron dan
penyelesaiannya melalui penelitian ini adalah ”Beberubah menjadi isotop radioaktif yang mampu merapakah besarnya fluks neutron termal di fasilitas
mancarkan sinar gamma. Energi sinar gamma yang
kalibrasi neutron yang ditentukan dari hasil pendipancarkan bersifat sangat spesifik untuk setiap
gukuran aktivitas keping yang telah diiradiasi seunsur cuplikan. Energi sinar gamma ini dapat dilama waktu tertentu?”.
identifikasi dengan spektrometer gamma.
Adapun analisis spektrum energi sinar gamma
Batasan Masalah
bertujuan untuk menentukan jenis radioisotop
Permasalahan dalam penelitian ini dibatasi dalam cuplikan. Sedang hasil pencacahan (countpada penentuan fluks neutron termal di fasili- ing) untuk perhitungan fluks neutron serta analisis
Gambar 1 Denah fasilitas kalibrasi neutron
PTKMR-BATAN.
24
OMEGA
Jurnal Fisika dan Pendidikan Fisika
Vol 1, No 1 (2015)
ISSN: 2443-2911
pencocokan kurva (curve fitting) untuk menentukan sukkan dalam dawar nitrogen cair. Sistem ini disefungsi distribusi fluks neutron pada fasilitas kali- but sebagi ”cryostat”. Sedangkan perangkat sistem
brasi neutron tersebut.
pencacah dapat dilihat pada Gambar 3 di bawah
ini.
b. Metode Analisis Aktivasi Neutron (AAN)
AAN adalah suatu metode analisis unsur
berdasarkan radioaktivitas imbas jika suatu cuplikan diiradiasi dengan menggunakan neutron.
Teknik AAN mampu mengidentifikasi unsur kelumit (trace element yaitu unsur dalam kadar yang
sangat rendah) dalam orde bagian per juta (ppm),
bahkan untuk beberapa kasus mampu hingga orde
bagian per milyar (ppb). Di samping itu, teknik
AAN tidak terpengaruh oleh perlakuan kimia dan
tidak merusak terhadap bahan yang dianalisis.
Dengan teknik AAN dimungkinkan analisis terGambar 3 Perangkat sistem pencacah.
hadap sekitar 50 jenis unsur yang berbeda dalam
Keterangan: (1) HV, (2) Detektor HPGe, (3)
satu cuplikan secara simultan.
Pre-amp, (4) Amplifier, (5) ADC, (6) Komputer, (7)
c. Sistem Pencacah
Suatu gejala radiokaktivitas tidak dapat langsung diamati dengan panca indra manusia. Oleh
karena itu untuk dapat melakukan pengukuran radioaktivitas maka diperlukan suatu detektor yang
dapat berinteraksi secara efisien dengan sinar radioaktif yang diselidiki. Ada bermacam-macam detektor radiasi yang dapat dibagi menurut 3 golongan yaitu detektor isian gas, detektor sintilasi dan
detektor semikonduktor.
Pada bab ini ditekankan pada detektor yang digunakan untuk pengukuran fluks neutron, yaitu detektor semikonduktor. Apabila sinar gamma mengenai detektor semikonduktor maka terjadi interaksi yang membentuk pasangan elektron-hole, pada
daerah intrinsik dalam detektor. Oleh karena pengaruh medan listrik yang dikenakan, elektron akan
bergerak menuju lapisan-n dan hole akan bergerak
menuju lapisan-p. Pada ujung-ujung elektroda,
elektron dan hole akan mengakibatkan perubahan
beda potensial yang menimbulkan pulsa. Tinggi
pulsa akan sebanding dengan tenaga gamma yang
berinteraksi dengan detektor. Sinyal pulsa yang dihasilkan langsung diterima oleh penguat awal yang
peka terhadap muatan. Karena kesenjangan energi dalam Kristal Germanium sangat kecil (∆E =
0, 7 eV) maka untuk mengatasi arus bocor balik,
detektor HPGe (High Pure Germanium) harus dioperasikan pada suhu yang sangat rendah. Apabila
hal ini tidak dilakukan, arus akan bocor maka akan
menimbulkan derau yang akan merusak daya pisah
(resolusi) detektor. Nitrogen cair yang mempunyai suhu 77 K (−196 ◦ C) adalah medium pendingin yang biasa dipakai untuk mendinginkan detektor HPGe. Oleh sebab itu detektor HPGe biasanya
ditempatkan dalam suatu wadah hampa yang dima25
Printer, dan (8) Cryostat.
Spektrometer Gamma
Sinar-γ merupakan bagian dari gelombang elektromagnetik yang memiliki kisaran energi antara 50
keV hingga 4 MeV. Sinar-γ dapat dihasilkan dari
proses aktivasi suatu unsur dan bersifat diskrit untuk setiap unsur tertentu. Dalam metode Analisis
Aktivasi Neutron (AAN), sinar-γ yang dihasilkan
dari proses aktivasi kemudian dianalisis menggunakan spektrometer-γ.
Menurut Parry (1991), komponen spektrometerγ dapat dibagi menjadi 5 bagian, yaitu detektor,
catu daya tegangan tinggi, rangkaian pembentuk
pulsa, Multi Channel Analyszer (MCA), dan penampil spektrum.
Gambar 4 Spektrometer sinar-γ di laboratorium cacah
PTKMR.
Detektor merupakan komponen yang berfungsi
mengubah energi radiasi yang mengenai detektor
menjadi pulsa listrik. Catu daya tegangan tinggi
merupakan komponen yang berfungsi menyediakan
tegangan listrik untuk detektor. Rangkaian pembetuk pulsa berfungsi untuk mengubah pulsa listrik
keluaran detektor menjadi bentuk spektrum melalui
OMEGA
Jurnal Fisika dan Pendidikan Fisika
Vol 1, No 1 (2015)
ISSN: 2443-2911
komponen preamplifier dan amplifier. MCA merupakan komponen yang berfungsi menampilkan distribusi intensitas iradiasi terhadap energi. Penampil spektrum berfungsi untuk menampilkan
spektrum hasil analisis spektrometer-γ.
Hasil keluaran suatu pencacahan oleh detektor dalam sistem spektrometer-γ adalah distribusi
tinggi pulsa yang memberikan gambaran dari spektrum energi yang terserap oleh detektor. Dengan melakukan analisis terhadap spektrum tersebut
maka dapat diketahui masing-masing energi yang
terserap dan besar aktivitas sumbernya. Adapun
hasil keluaran tadi, sebenarnya merupakan akibat
dari interaksi sinar-γ dengan detektor yang diolah
pada perangkat elektronik sehingga terjadi pulsapulsa cacahan.
Metodologi Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di PTKMR (Pusat
Teknologi Keselamatan Meterologi Radiasi)
BATAN (Badan Tenaga Nuklir Nasional) Jl. Cinere
Raya, Lebak Bulus, Jakarta Selatan.
Adapun metode dalam penelitian ini terdiri atas
2 metode, yaitu:
a. Metode Eksperimen
Peneliti menggunakan metode
dalam penelitian ini karena untuk
banyaknya konsentrasi radon pada
udara dan gas LPG harus melakukan
langsung di BATAN.
eksperimen
memperoleh
kelembaban
pengamatan
tuk pengukuran neutron termal (162 barn) dan
waktu paruhnya yang cocok yaitu 54,1 menit. Untuk mengukur fluks neutron termal pada fasilitas kalibrasi neutron yakni berdasarkan radioaktivitas yang terinduksi pada indium. Dan adanya
pelepasan partikel gamma tersebut maka dapat dimanfaat untuk menentukan nilai aktivitas indium
menggunakan spektrometer gamma.
Tabel 1 Data Geometri dan Massa Keping.
Jenis Keping In-116m, Tebal 0,5 mm, dan
Diameter 1,4 cm.
Massa (mg)
1483,7
1450,7
1484,8
1463,7
1484,4
1467,0
1500,5
1495,0
1455,7
1453,7
1473,2
1486,1
1443,1
1480,4
1473,3
1491,5
1513,9
Kemurnian (%)
99,993
99,993
99,993
99,993
99,993
99,993
99,993
99,993
99,993
99,993
99,993
99,993
99,993
99,993
99,993
99,993
99,993
Spektrometer gamma yang digunakan pada
penelitian ini adalah spektrometer gamma dengan detektor High Purity Germanium (HPGe)
tipe GEM60 buatan ORTEC. Adapun penggunaan
spektrometer gamma ini yaitu untuk menentukan
nilai counting dari proses selama iradiasi tersebut. Setelah didapat nilai counting tersebut, maka
bisa ditentukan nilai fluks neutron termal tersebut.
Akan tetapi dalam penentuan fluks neutron termal
Hasil dan Pembahasan
tersebut perlu diperhatikan faktor absorpsi diri foil
indium. Hal ini dikarenakan dalam penentuan fluks
Deskripsi Hasil Penelitian
neutron termal tersebut menggunakan foil indium
Berdasarkan hasil penelitian yang dilakukan di
yang cukup tebal. Selain itu indium memiliki daya
PTKMR BATAN, didapatkan hasil seperti ditunserap yang kuat terhadap neutron termal. Sehingga
jukkan dalam Tabel 1.
hasil dari perhitungan fluks neutron ini nantinya
Pembahasan Hasil Penelitian
akan dikalikan dengan faktor absorpsi diri foil inDalam penentuan fluks neutron ini dilakukan dium ( G1th ) yaitu sebesar 1,38.
Hasil yang didapat untuk keping indium
secara tidak langsung yakni dengan menggunakan
metode analisis pengaktifan neutron dengan meng- bermassa 1483,7 mg memiliki fluks neutron termal
gunakan bahan cuplikan yakni indium (In-116m). sebesar 1274,493403, sedangkan untuk keping inAlasan penggunaan indium pada penelitian ini dium bermassa 1513,9 mg memiliki fluks neutron
dikarenakan indium merupakan bahan yang co- termal sebesar 628,8454117. Dan dari ke 17 keping
cok dengan memiliki cross section yang tinggi un- indium dengan massa foil yang bervariasi tersebut
b. Metode Literatur
Selain menggunakan metode eksperimen,
peneliti juga menggunakan metode literatur dalam
penyusunan laporan akhir kolokium ini, karena
dalam penyusunan laporan membutuhkan literatur
buku-buku yang relevan untuk menunjang hasil
pengamatan di BATAN.
26
OMEGA
Jurnal Fisika dan Pendidikan Fisika
Vol 1, No 1 (2015)
ISSN: 2443-2911
memiliki nilai fluks neutron termal yang berbedabeda dengan rata-rata 922,1139179. Adapun perbedaan tersebut terlihat bahwa massa foil tidak mempengaruhi nilai fluks neutron termal tetapi jarak antar masing-masing keping terhadap sumber neutron
(241 AmBe dan 252 Cf) itulah yang mempengaruhi
besar kecilnya nilai fluks tersebut. Dimana semakin
dekat jarak keping terhadap sumber neutron maka
semakin besar nilai fluks neutron termalnya, seperti
yang terlihat pada Gambar 5.
posisi iradiasi pada jarak aksial teratas yakni pada
massa indium 1453,7 mg mempunyai fluks neutron
lebih kecil yaitu 593,7710240 n/cm2 s, dibandingkan
pada jarak aksial terbawah yakni pada massa indium 1450,7 mg mempunyai fluks neutron lebih
besar yaitu 1317,129828 n/cm2 s. Hal ini dikarenakan, posisi keping terbawah mendapat interaksi
neutron lebih besar. Untuk mendapatkan hasil
yang baik dalam proses reaksi aktivasi neutron termal dengan penyerapan di posisi terdekat sumber
neutron. Dengan demikian, semakin dekat jarak
keping terhadap sumber neutron, maka semakin
besar nilai fluks neutron termalnya.
Referensi
Gambar 5 Grafik hubungan fluks neutron termal
dengan massa foil In-116m.
Kesimpulan
Dari hasil pengukuran fluks neutron termal di
fasilitas kalibrasi neutron dengan menggunakan
keping indium di atas dapat disimpulkan bahwa
27
[a] L.Y. Suparman, Widarto, Y. Wiyatmo, dalam
Prosiding Seminar Nasional ke-17 dan Keselamatan PLTN serta Fasilitas Nuklir (2011).
[b] Syarip, GANENDRA V (1).
[c] I. Jaka, A. Sufmawan, K. Mustofa, dalam
Seminar Nasional VI SDM Teknologi Nuklir,
(Yogyakarta, 2010).
[d] L. Risalatul, Bunawas, Teknik Aktivasi Foil
Indium untuk Menentukan Distribusi Neutron
Termal Dalam Fantom Padat di Bawah Iradiasi LINAC 15MV, (2013).
[e] Affandy, Pengukuran Radionuklida Alam
Pada Bahan Bangunan Plasterboard Fosfogipsum dengan menggunakan Spektrometer
GAMMA, (Fisika UI, Tidak Diterbitkan).