Penentuan Koefisien Serapan Sinar Gamma Dan Tebal Paruh Lead Dan Polyethylene Menggunakan Isotop 137Cs Dengan Multi Channel Analyzer*
*oleh : M Khairurais, Rudi Susanto
Abstrak
Dilakukan percobaan serapan sinar gamma untuk menentukan koefisien serapan sinar gamma dan tebal paroh dari bahan lead dan polyethylene menggunakan detector MCA. Isotop yang digunakan adalah 137Cs. Untuk material lead, dari percobaan diperoleh hasil yaitu harga koefisien serapan sinar gamma adalah 0,9833cm-1 dan tebal paroh lead adalah 0,70477 cm. Untuk material polyethylene, diperoleh harga koefisien serapan sinar gamma adalah 0,0127 cm-1, dan tebal paroh polyethylene 54,5669 cm.
Kata kunci : Koefisien serapan sinar gamma, Tebal paro, 137Cs, Lead, Polyethylene.
I. PENDAHULUAN
Salah satu pengukuran yang penting dalam spektrometri inti adalah pengukuran pulsa listrik yang dihasilkan bilamana radiasi diserap dalam suatu detector radiasi. Amplitude-amplitudo pulsa dihasilkan oleh campuran radiasi dari energi-energi yang berbeda dapat dipakai untuk menentukan spektrrum energi dari radiasi yang diserap detector. MCA ( Multi Chanel Analyzer ) merupakan kunci dari system spektrometri nuklir. Pulsa dalam bentuk analog dirubah menjadi digital melalui ADC ( Analog to Digital Converter ).
Spektrometri gamma berehubungan erat dengan teori radioaktivitas. Radioaktivitas merupakan gejala perubahan keadaan inti atom secara spontan yang disertai berupa zarah dan atau radiasi elektromagnetik.
Radioaktivitas merupakan gejala yang sangat berperan dalam perkembangan fisika nuklir. Pada percobaan ini akan ditentukan harga koefisien serapan sinar gamma dan tebal paroh dari bahan lead dan polyethylene menggunakan isotop 137Cs. Diharapkan dapat menjadi acuan bagi penelitian selanjutnya terutama dalam penentuan material yang baik untuk penyerap sinar gamma.
II. DASAR TEORI
Terdapat tiga interaksi utama sinar gamma dapat kehilangan energi ketika melewati suatu materi:
1. Efek Fotolistrik; yaitu foton dapat mentransfer seluruh energinya pada electron atomic materil penyerap
2. Hamburaan Compton; yaitu foton dating memberikan sebagian energinya pada electron atomic penyerap, foton baru yang muncul memiliki frekuensi yang lebih rendah.
3. Produksi Pasangan; yaitu foton dating yang berenergi sekurang-kurangnya 1.02 MeV dapat melakukan materialisasi menjadi pasangan electron-elektron ketika melewati dekat inti, kehadiran inti diperlukan supaya kekekalan momentum dipenuhi.
Dalam semua kasus itu energi foton ditransfer pada electron yang diikuti dengan kehilangan energi terutama disebabkan oleh proses eksitasi atau ionisasi atom dalam penyerap.
Pada energi foton yang rendah, efek fotolistrik merupakan mekanisme utama dari kehilangan energi. Pentingnya efek fotolistrik berkurang dengan bertambahnya energi, diganti oleh hamburan Compton. Lebih besar nomor atomic penyerapnya, lebih tinggi pula energi ketika efek fotolistrik memegang peranan penting. Dalam unsur ringan, hamburan Compton berperan utama pada energi foton beberapa puluh keV, sedangkan pada unsure berat peranan utamanya baru terlihat pada energi 1 MeV. Produksi pasangan peluangnya lebih meningkat lebih besar energinya dari energi ambang 1.02 MeV. Lebih besar nomor atomic penyerapnya, lebih rendah ketika produksi pasangan mengambil alih mekanisme utama dari kehilangan energi oleh sinar gamma. Dalam unsure terberat energi persilangn ini ialah sekitar 4 MeV, tetapi untuk unsure yang lebih ringan energi itu melebihi 10 MeV. Jadi sinar gamma dalam daerah energi yang biasa terjadi dalam peluruhan radioaktif berinteraksi dengan material terutama melalui hamburan Compton.
Ketika sinar gamma melewati material, maka sebagian sinar gamma tersebut diserap oleh material. Intensitas dari sinar akan berkurang sesuai dengan formula: I=Io . e pangkat (-ux) dengan I0 adalah intensitas awal, x jarak lintasan sinar gama ( tebal medium penyerap ).
Dari persamaan diatas dapat dicari hubungan antara tebal penyerap x yang diperlukan untuk mereduksi intensitas berkas sinar gamma menjadi harga tertentu dinyatakan dalam koefisien atenuasi, µ. Rasio antara intensitas akhir dengan awal adalah :
I/ Io = e -ux
ln( I/ Io) = e -ux
III. PROSEDUR PERCOBAAN
Pada percobaan serapan sinar gamma peralatan yang digunakan dalam percobaan ini terdiri dari Multi Channel Analyzer (MCA), Detektor, Isotop 137Cs sebagai sumber radiasi gamma, bahan penyerap berupa lempeng lead dan polyethylene.
Langkah-langkah percobaan adalah sebagai berikut:
1. Pencacahan radiasi latar
2. Pencacahan sumber radiasi 137Cs
3. Pencacahan sumber radiasi 137Cs dengan bahan penyerap
4. Membuat grafik –(ln (I/Io)) vs x
5. Analisa data dan hasil perhitungan
a. Koefisien serapan sinar gamma
b. Tebal paruh lead dan polyethylene
IV. DATA HASIL PERCOBAAN
Bahan isotop 137Cs
I Cs = 63480 I
I latar = 1223 (background)
No Bahan D (inch/mg/cm2) I
1. lead 0,250 / 7200 34725
2. lead 0,125 / 3600 47292
3. lead 0,062 / 1800 55233
4. lead 0,032 / 900 58706
5. polyethylene 0,250 / 610 62709
6. polyethylene 0,125 / 305 62696
7. polyethylene 0,062 / 151 63026
8. polyethylene 0,030 / 73 63538
9. polyethylene 0,020 / 49 62840
10. polyethylene 0,008 / 20 63073
11. polyethylene 0,004 / 10 63122
V. PEMBAHASAN
1. Koefisien Serapan Sinar Gamma
Koefisien serapan sinar gamma merupakan suatu konstanta pembanding yang menghubungkan antara besarnya intensitas sumber radioaktif yang terserap dengan ketebalan suatu bahan penyerap. Besarnya koefisien serapan sinar gamma dapat ditentukan dengan mencacah intensitas sumber radioaktif 137Cs yang memancarkan sinar gamma dengan detektor MCA. Untuk mendapat cacahan yang murni dari sinar gamma, maka dalam percobaan perlu dicari cacah latar terlebih dahulu. Setelah cacahan latar ini diperoleh maka cacahan latar ini nantinya digunakan untuk mengurangi dari jumlah cacahan atau intensitas yang diperoleh, maksudnya bahwa intensitas sebenarnya yang dapat dipakai dalam perhitungan adalah intensitas yang dihasilkan oleh isotop tanpa bahan penyerap ataupun isotop dengan bahan penyerap dikurangi dengan intensitas dari cacah latar. Hal ini dikarenakan bahwa di alam sekitar terdapat unsur-unsur radioaktif yang dapat terdeteksi oleh detektor.
Jika bahan penyerap yang berupa lempengan lead diletakkan diantara sumber sinar gamma 137Cs dan detektor, maka intensitas yang terbaca pada MCA akan berkurang karena sebagian intensitas terserap oleh lempeng lead. Dapat dikatakan bahwa harga intensitas radiasi menurun secara ekponensial terhadap ketebalan bahan penyerap sinar gamma yang mempunyai tenaga tinggi akan menghasilkan pulsa yang tinggi sedangkan sinar gamma bertenaga rendah akan menghasilkan pulsa yang rendah pula. Di lain pihak intensitas sinar gamma yang terdeteksi mempengaruhi cacah elektron yang dibebaskan. Makin tinggi intensitas sinar gamma makin banyak electron yang dibebaskan dan makin banyak pula pulsa yang dihasilkan oleh detektor.
Ketebalan lead yang digunakan sebagai bahan penyerap masing-masing adalah 0.250 inch; 0.125 inch; 0.062 inch; dan 0.032 inch. Besarnya nilai merupakan slope dari grafik hubungan antara intensitas sumber sinar gamma terhadap beberapa ketebalan lempeng lead. Dimana dalam bentuk grafik sumbu X sebagai fungsi ketebalan dari bahan penyerap dan sumbu Y sebagi fungsi dari nilai –ln . Dengan analisa regresi linier diperoleh besarnya nilai serapan sinar gamma adalah 0,9833cm-1.
Hasil dari dari percobaan tidak dapat dibandingkan dengan data referensi, karena nilai tergantung pada energi foton sumber sinar gamma dan bahan penyerap yang digunakan dalam percobaan.
2. Tebal Paruh Lempeng Lead dan Polyethylene
Dengan diketahuinya nilai koefisien serapansinar gamma, maka kita dapat mengunakanya untuk memetukan harga tebal paruh (X1/2) dari lempeng Lead dan Polyethylene yang digunakan sebagai bahan penyerap. Tebal paruh merupakn sifat karakteristik dari suatu bahan, sehingga besarnya tergantung pada jenis bahannya. Sinar gamma yang terserap akan berinteraksi dengan electron-elektron yang ada pada lempengan bahan serapan. Kita ketahui bahwa sinar gamma adalah radiasi gelombnag elektromagnetik yang dapat pula ditinjau sebagai paket-paket catu tenaga yang dinamakan foton gamma. Apabila sinar gamma berinteraksi dengan materi maka tenaga akan diserahkan pada atom-atom materi yang dilaluinya.
Grafik [tidak di tampilakan]
Dari berbagai proses tersebut hanya ada tiga proses yang penting untuk diperhatikan dalam serapan sinar gamma, yaitu : Hamburan Compton (terjadi antara foton gamma dan sebuah elektron bebas atau yang terikat lemah), Efek Fotolistrik (adanya interaksi antara foton gamma dengan sebuah elektron yang terikat kuat), dan Pembentukan Pasangan (pasangan antara elektron dengan positron). Ketiga proses tersebut menghasilkan pembebasan elektron dari atom-atom materi yang berinteraksi dengan sinar gamma. Efek fotolistrik penting pada daerah tenaga sinar gamma di bawah 1 MeV, Hamburan Compton penting pada daerah jangkauan tenaga yang sangat lebar, sedangkan pembentukan pasangan hanya penting untuk tenaga sinar gamma lebih besar dari 1,022 MeV. Pada peristiwa pembentukan pasangan harus memenuhi ketiga hokum kekekalan, yaitu:
1. Hukum kekekalan massa dan tenaga
2. Hukum kekekalan muatan listrik
3. Hukum kekekalan momentum
Dengan demikian, efek pembentukan pasangan tidak akan terjadi kecuali jika tenaga sinar gamma yang berinteraksi lebih besar dari 2 X 0,511 MeV = 1,022 MeV. Apabila tenaga sinar gamma mula-mula adalah Eo MeV maka kelebihan tenaga sebesar ( Eo – 1,022 MeV ) akan dibagikan antara elektron dan positron dalam bentuk tenaga gerak.
Dari percobaan yang dilakukan diperoleh harga tebal paroh lempeng lead sebesar 0,70477 cm, maksudnya bahwa ketebalan bahan sebesar itu akan menyerap tepat separuh dari radiasi sinar gamma yang dating. Sehingga setelah melewati lempeng lead intensitas dari sinar gamma yang tercacah oleh detektor tinggal separuhnya.
VI. KESIMPULAN
Berdasarkan dari percobaan yang dilakukan mengenai penentuan koefisien serapan sinar gamma dan tebal paroh lempeng lead menggunakan isotop 137Cs sebagai sumber radiasi dapat disimpulkan sebagai berikut:
1. Intensitas sinar gamma mengalami penurunan setelah melewati material.
2. Besarnya koefisien serapan sinar gamma terhadap suatu material, berbanding terbalik dengan tebal paro dari material tersebut.
3. Lead lebih baik dari Polyethylene sebagai penyerap sinar gamma.
4. Nilai koefisien serapan sinar gamma lead sebesar (0,9833 )cm-1.
5. Nilai dari tebal paroh lead sebagai bahan penyerap sebesar (0,70477 ) cm.
6. Harga koefisien serapan sinar gamma polyethylene adalah (0,0127 ) cm-1.
7. Nilai tebal paroh polyethylene sebesar (54,5669 ) cm.
VII. DAFTAR PUSTAKA
» Beiser A. 1983. Konsep Fisika Modern. Edisi ketiga, Penerbit Erlangga, Jakarta.
» Irawan, Dimas. 2002. Karakteristik Detektor Proporsional 4 . Jurusan Fisika FMIPA UNS
» Tipler, Paul A. 2001b. FISIKA Untuk Sains dan Teknik. Jilid 2, Edisi Ketiga. Erlangga. Jakarta.
» Handono, Ari. 2004. Fisika Zat Padat I. Jurusan Fisika FMIPA UNS.
» Krane, K. 1992. Fisika Modern (terjemahan oleh Hans.J. Wospakrik dan Sofia Niksolihin), Penerbit Universitas Indonesia, Salemba, Jakarta.
» Akhadi, Mukhlis. 2007. Puslitbang Keselamatan Radiasi dan Biomedika Nuklir. Badan Tenaga Nuklir Nasional, Jakarta.
keterangan : dalam makalah ini ada berapa bagian yang tidak di posting kalo memang menbutuhkan silahkan tinggalkan coment