Arabiyatuna Arabiyatuna
D. Detektor Pencacah Radioaktif
Pengukuran radiasi pada penelitian ini menggunakan detektor nuklir yaitu detektor Geiger Muller (GM). Detektor ini termasuk jenis detektor isian gas (gas filled detector). Detektor ini biasanya terdiri dari sebuah tabung berdinding logam yang diisi dengan gas dan mempunyai kawat di tengahnya. Dinding tabung merangkap sebagai katoda sedang kawat yang di tengah itu sebagai anoda (Wisnu Susetyo, 1988 : 39).
Katodanya berasal dari logam silindris yang dilapiskan pada dinding tabung. Antara anoda dan katodanya di pasang suatu tegangan tinggi dengan polaritas positif pada anoda. Karena itu perlu isolasi yang baik antara anoda dan katoda.
Katoda Anoda
C
Co R
V
Gambar 2. Skema detektor Geiger Muller (Cameron dkk, 1978 : 454)
Apabila dikenakan tegangan sebesar V antara katoda (dinding tabung) dan anoda (kawat tengah) melalui tahanan luar R maka akan timbul medan listrik dalam tabung yang berisi gas itu. Kapasitas elektroda dan seluruh sistem adalah Co.
Apabila sinar melalui gas dalam tabung detektor, maka sinar akan berinteraksi dengan atom – atom gas melalui proses fotolistrik, hamburan Compton dan pembentukan pasangan. Ketiga proses tersebut menghasilkan pembebasan elektron dari atom – atom yang berinteraksi dengan sinar . Efek fotolistrik penting pada daerah tenaga sinar di bawah 1 Mev; hamburan Compton penting untuk daerah jangkau tenaga yang sangat lebar; sedang pembentukan pasangan hanya penting untuk tenaga sinar > 1,022 Mev.
Pada detektor Geiger Muller interaksi sinar akan menghasilkan elektron bebas dan ion positif. Apabila tidak ada medan listrik maka elektron akan kembali bergabung dengan ion positif sedangkan jika ada medan listrik, elektron akan bergerak menuju kawat anoda dan ion positif menuju katoda. Elektron akan bergerak dengan kelajuan yang lebih tinggi dibanding dengan ion positif dan sebagai akibatnya di anoda (elektroda positif) akan terkumpul muatan negatif netto sebagai Q yang akan menimbulkan perubahan potensial sebesar Q / Co. Perubahan potensial ini akan menimbulkan signal pulsa listrik yang dapat diproses lebih lanjut oleh suatu penguat awal (preamplifier). Sedangkan emisi tunggal sinar beta yang masuk dalam tabung Geiger Muller akan mengionisasi gas dan melepaskan muatan listrik dengan menghasilkan pulsa listrik yang besar.
Tegangan tinggi menyebabkan elektron – elektron (ion – ion negatif) tertarik ke anoda dengan cepat, sebaliknya ion – ion positif bergerak ke katoda jauh lebih lambat karena massanya jauh lebih besar. Selama geraknya, elektron – elektron terus memperoleh tenaga gerak dari medan listrik antara anoda dan katoda. Sesudah tenaganya cukup tinggi untuk bisa mengionisasi atom – atom gas mulia terjadi ionisasi sekunder, timbul ion – ion sekunder dan elektron – elektron sekunder. Elektron ini dan elektron yang semula dipercepat ke arah anoda, setiap kali tambahan tenaganya mencukupi, terjadi ionisasi dan di samping itu juga terjadi eksitasi kalau elektron mempengaruhi kulit elektron atom pada jarak yang agak jauh ke dalam.
Jadi dari sejumlah elektron ion dan elektron primer terjadi secara beranting sejumlah elektron dan ion positif yang jauh lebih banyak sehingga elektron yang terkumpul di anoda = N jauh lebih banyak dari pada elektron yang timbul dari ionisasi primer = n, peristiwa ionisasi beranting ini disebut avalanche. Hal ini bisa dirumuskan sebagai berikut :
N = Mn ; M = Faktor multiplikasi yang besarnya 1
Elektron tidak hanya timbul dari ionisasi saja. Atom – atom yang tereksitasi dalam waktu yang cepat akan kembali ke keadaan semula dengan memancarkan foton – foton. Pada tabung Geiger Muller dengan isian tunggal, maka foton – foton ini akan sampai ke katoda sehingga akan timbul fotoelektron lewat efek fotolistrik. Fotoelektron ini akan menambah jumlah elektron dalam ruang dan ini muncul hampir di semua bagian dari tabung ionisasi berangkai terjadi di seluruh bagian dalam tabung.. Ion – ion positif yang terjadi dari avalanche membentuk selubung di sekitar anoda karena rapat ionisasi tertinggi adalah di sekitar anoda karena medan listrik sangat besar. Jumlah pasangan ion pada Geiger Muller tersebut terkumpul di anoda, muatan positif dari selubung begitu besar yang berakibat mengurangi kuat medan di sekitar anoda. Akibatnya elektron – elektron yang masih ada dan bergerak ke anoda tidak lagi mampu mengadakan avalanche dan selanjutnya terjadi quenching.
Oleh karena itu cacah elektron yang terkumpul di anoda mula – mula sedikit lalu naik sampai maksimal dan turun akibat quenching sampai semua elektron terkumpul dan terjadi suatu pulsa dengan durasi yang singkat (berorde ). Jadi tiap – tiap ada ionisasi primer terjadi suatu pulsa yang rendah sekali bila dibandingkan dengan tegangan V antara anoda dan katoda. Tiap daerah Geiger Muller, pulsa yang timbul tidak bergantung pada banyaknya ion primer sehingga juga tidak bergantung pada tenaga zarrah pengionnya. Akibatnya alat ini hanya bisa dipakai sebagai pendeteksi zarrah pengion yang masuk. Sesudah waktu yang cukup lama ion akan sampai di katoda dengan tenaga tinggi. Sewaktu ion – ion gas mulia sampai di dekat katoda, ion – ion ini akan menarik elektron – elektron keluar dari katoda dan bersatu dengan ion – ion tadi sehingga menjadi atom yang netral. Tetapi tenaga ionisasi dari gas mulia jauh lebih besar daripada workfunction dari logam yaitu tenaga yang diperlukan untuk membebaskan suatu elektron keluar dari logam. Akibatnya ada sisa tenaga yang dilepaskan sebagai foton. Foton ini segera akan menimbulkan efek dalam katoda sehingga jika fotoelektron sudah terjadi maka akan menimbulkan avalanche yang sebenarnya justru tidak diinginkan. Jadi pada detektor dengan isian gas tunggal, avalanche yang sudah terhenti akan memulai lagi aktivitasnya begitu selubung ion mencapai katoda. Hal ini harus dihindari kalau detektor tadi akan digunakan untuk mendeteksi zarah – zarah pengion satu persatu dengan cara memakai suatu rangkaian elektronik yang secara otomatis memperendah beda tegangan antara anoda – katoda dalam waktu yang cukup lama sesudah avalanche yang pertama dan terkumpulnya elektron timbulnya pulsa (Rangkaian Neher – Harper).
Proses avalanche juga dapat dihindari dengan mengisikan quenching gas ke dalam detektor misalnya gas polyatomic atau gas halogen. Ion gas mulia yang positif tidak akan bisa mencapai katoda tanpa mengalami tumbukan yang seiring dengan molekul – molekul gas. Karena potensial ionisasi gas lebih rendah dari potensial ionisasi gas mulia, akhirnya dalam satu tumbukan akan terjadi pemindahan elektron dari molekul gas ion ke ion gas mulia, ion – ion gas mulia akan ternetralisasi sedangkan ion – ion gas akan bergerak ke katoda.
Pada katoda, ion – ion gas ini akan menetralkan diri dengan elektron – elektron dari katoda. Seperti halnya dengan gas mulia, potensial ionisasi dari gas akan lebih besar dari workfunction dari logam hingga gas sesudah menangkap elektron masih ada dalam keadaan tereksitasi.
Tenaga eksitasi ini tidak dilepaskan sebagai pancaran foton tetapi dipakai untuk berdisosiasi. Tidak adanya foton – foton yang terpancar pada waktu ion – ion positif tiba di katoda memungkinkan tidak terjadi avalanche lagi yang akan menimbulkan pulsa tambahan. Jadi detektor dengan gas isian gas mulia – polyatomic atau gas mulia – halogen, tidak memerlukan alat quenching dari luar sehingga detektor ini disebut dengan iquenching detector.
Gas halogen lebih sulit penangannya pada waktu pengisian karena sifatnya yang memakan gelas tetapi lebih menguntungkan karena sesudah mengurai atom – atomnya bisa bergabung lagi menjadi molekul – molekul halogen misalnya Br akibatnya daya quenching tidak terbatas umurnya.
Cacah ion (cpm)
10 I II III I V V
10
10
10
10
500 1000 Tegangan (V)
Gambar 3. Variasi cacah ion yang terbentuk terhadap tegangan
dalam detektor isi gas (Tsoulfanidis, 1983 : 167)
Keterangan :
Daerah I : Pada daerah ini potensialnya masih sangat rendah dan Energi (E) dalam pencacah tidak terlalu kuat. Jika potensial (V) dinaikkan maka energi akan bertambah dan muatan yang dihasilkan oleh radiasi pengion akan terkumpul. Dengan adanya peristiwa ini maka daerah I sering dikenal sebagai daerah ionisasi.
Daerah II : Pada daerah ini tidak ada perubahan jumlah muatan walaupun potensial (V) diubah – ubah. Pada kondisi ini laju rekombinasinya = nol sehingga tidak ada muatan baru yang terbentuk. Sehubungan dengan peristiwa ini maka daerah II ini sering disebut sebagai daerah rekombinasi.
Daerah III : Pada daerah ini mulai terjadi ionisasi primer dan sekunder sehingga diperlukan energi yang jauh lebih besar dalam fraksi tertentu dari volume pencacah. Kondisi ini akan mengakibatkan adanya penggandaan muatan yang dapat dituliskan dalam persamaan sebagai berikut :
N = Mn ; dengan :
N = Ionisasi total = ionisasi primer + ionisasi sekunder
M = Faktor multiplikasi yang besarnya 1
n = Ionisasi primer yang menghasilkan ion – ion primer
Pada daerah ini identifikasi partikel dan pengukuran energi (E) dapat dilakukan sehingga daerah ini disebut daerah proporsional.
Daerah IV : Pada daerah ini jika potensial dinaikkan maka pasangan ion dibangkitkan sehingga cukup untuk memulai avalanche sehingga daerah ini dinamakan daerah Geiger Muller .
Daerah V : Pada daerah ini jika potensial dinaikkan melebihi potensial daerah IV maka proses ionisasi yang sedang berlangsung akan terhenti, counter tidak akan mencacah lagi. Jika counter dipaksakan beroperasi pada potensial yang tinggi melebihi potensial daerah IV bisa mengakibatkan kerusakan.
