DETEKTOR PHOTON
1.
Photoemisiv
Radiasi elektomagnetik yang mempunyai energi cukup mengenai permukaan
logam dan akan terserap oleh logam, sehingga elektron dipermukaan logam akan
terpancar, fenomena ini disebut dengan photoemisiv atau efek photolistrik.
Photon berenergi hv mengenai logam dan kemungkinan energi ini akan diserap
elektron untuk mencapai permukaan logam serta keluar menjadi emisi photo
listrik.
Jenis Detektor Radiasi
Detektor merupakan suatu bahan yang peka
terhadap radiasi, yang bila dikenai radiasi akan menghasilkan tanggapan
mengikuti mekanisme yang telah dibahas sebelumnya. Perlu diperhatikan bahwa
suatu bahan yang sensitif terhadap suatu jenis radiasi belum tentu sensitif
terhadap jenis radiasi yang lain. Sebagai contoh, detektor radiasi gamma belum
tentu dapat mendeteksi radiasi neutron.
Sebenarnya terdapat banyak jenis detektor,
tetapi di sini hanya akan dibahas tiga jenis detektor yaitu, detektor isian
gas, detektor sintilasi, dan detektor semikonduktor.
Detektor isian gas merupakan detektor yang
paling sering digunakan untuk mengukur radiasi. Detektor ini terdiri dari dua
elektroda, positif dan negatif, serta berisi gas di antara kedua elektrodanya.
Elektroda positif disebut sebagai anoda, yang dihubungkan ke kutub listrik
positif, sedangkan elektroda negatif disebut sebagai katoda, yang dihubungkan
ke kutub negatif. Kebanyakan detektor ini berbentuk silinder dengan sumbu yang
berfungsi sebagai anoda dan dinding silindernya sebagai katoda sebagaimana
berikut.
Radiasi yang memasuki detektor akan
mengionisasi gas dan menghasilkan ion-ion positif dan ion-ion negatif
(elektron). Jumlah ion yang akan dihasilkan tersebut sebanding dengan energi
radiasi dan berbanding terbalik dengan daya ionisasi gas. Daya ionisasi
gas berkisar dari 25 eV s.d. 40 eV. Ion-ion yang dihasilkan di dalam detektor
tersebut akan memberikan kontribusi terbentuknya pulsa listrik ataupun arus
listrik.
Ion-ion primer yang dihasilkan oleh radiasi
akan bergerak menuju elektroda yang sesuai. Pergerakan ion-ion tersebut akan menimbulkan
pulsa atau arus listrik. Pergerakan ion tersebut di atas dapat berlangsung bila
di antara dua elektroda terdapat cukup medan listrik. Bila medan listriknya
semakin tinggi maka energi kinetik ion-ion tersebut akan semakin besar sehingga
mampu untuk mengadakan ionisasi lain.
Ion-ion yang dihasilkan oleh ion primer
disebut sebagai ion sekunder. Bila medan listrik di antara dua elektroda
semakin tinggi maka jumlah ion yang dihasilkan oleh sebuah radiasi akan sangat
banyak dan disebut proses ‘avalanche’.
Terdapat tiga jenis detektor isian gas yang
bekerja pada daerah yang berbeda yaitu detektor kamar ionisasi, detektor
proporsional, dan detektor Geiger Mueller (GM).
Detektor Kamar Ionisasi (ionization chamber)
Sebagaimana terlihat pada kurva
karakteristik gas di atas, jumlah ion yang dihasilkan di daerah ini relatif
sedikit sehingga tinggi pulsanya, bila menerapkan pengukuran model pulsa,
sangat rendah. Oleh karena itu, biasanya, pengukuran yang menggunakan detektor ionisasi
menerapkan cara arus. Bila akan menggunakan detektor ini dengan cara pulsa maka
dibutuhkan penguat pulsa yang sangat baik. Keuntungan detektor ini adalah dapat
membedakan energi yang memasukinya dan tegangan kerja yang dibutuhkan tidak
terlalu tinggi.
Detektor Proporsional
Dibandingkan dengan daerah ionisasi di
atas, jumlah ion yang dihasilkan di daerah proporsional ini lebih banyak
sehingga tinggi pulsanya akan lebih tinggi. Detektor ini lebih sering digunakan
untuk pengukuran dengan cara pulsa.
Terlihat pada kurva karakteristik di atas
bahwa jumlah ion yang dihasilkan sebanding dengan energi radiasi,
sehingga detektor ini dapat membedakan energi radiasi. Akan tetapi, yang
merupakan suatu kerugian, jumlah ion atau tinggi pulsa yang dihasilkan sangat
dipengaruhi oleh tegangan kerja dan daya tegangan untuk detektor ini harus
sangat stabil.
Detektor Geiger Mueller (GM)
Jumlah ion yang dihasilkan di daerah ini
sangat banyak, mencapai nilai saturasinya, sehingga pulsanya relatif tinggi dan
tidak memerlukan penguat pulsa lagi. Kerugian utama dari detektor ini ialah
tidak dapat membedakan energi radiasi yang memasukinya, karena berapapun
energinya jumlah ion yang dihasilkannya sama dengan nilai saturasinya. Detektor
ini merupakan detektor yang paling sering digunakan, karena dari segi elektonik
sangat sederhana, tidak perlu menggunakan rangkaian penguat. Sebagian besar
peralatan ukur proteksi radiasi, yang harus bersifat portabel, terbuat dari
detektor Geiger Mueller.
Detektor sintilasi selalu terdiri dari dua
bagian yaitu bahan sintilator dan photomultiplier. Bahan sintilator merupakan
suatu bahan padat, cair maupun gas, yang akan menghasilkan percikan
cahaya bila dikenai radiasi pengion. Photomultiplier digunakan untuk mengubah
percikan cahaya yang dihasilkan bahan sintilator menjadi pulsa listrik.
Mekanisme pendeteksian radiasi pada detektor sintilasi dapat dibagi menjadi dua
tahap yaitu :
proses pengubahan
radiasi yang mengenai detektor menjadi percikan cahaya di dalam bahan
sintilator dan proses pengubahan
percikan cahaya menjadi pulsa listrik di dalam tabung photomultiplier Bahan Sintilator
Proses sintilasi pada bahan ini dapat
dijelaskan dengan Gambar 4. Di dalam kristal bahan sintilator terdapat
pita-pita atau daerah yang dinamakan sebagai pita valensi dan pita konduksi
yang dipisahkan dengan tingkat energi tertentu. Pada keadaan dasar, ground
state, seluruh elektron berada di pita valensi sedangkan di pita konduksi
kosong. Ketika terdapat radiasi yang memasuki kristal, terdapat kemungkinan
bahwa energinya akan terserap oleh beberapa elektron di pita valensi, sehingga
dapat meloncat ke pita konduksi. Beberapa saat kemudian elektron-elektron tersebut
akan kembali ke pita valensi melalui pita energi bahan aktivator sambil
memancarkan percikan cahaya.
Jumlah percikan cahaya sebanding dengan
energi radiasi diserap dan dipengaruhi oleh jenis bahan sintilatornya. Semakin
besar energinya semakin banyak percikan cahayanya. Percikan-percikan cahaya ini
kemudian ‘ditangkap’ oleh photomultiplier.
Berikut ini adalah beberapa contoh
bahan sintilator yang sering digunakan sebagai detektor radiasi.
Kristal NaI(Tl) Kristal ZnS(Ag) Kristal LiI(Eu) Sintilator Organik Sintilator Cair (Liquid Scintillation)
Detektor ini sangat spesial dibandingkan
dengan jenis detektor yang lain karena berwujud cair. Sampel radioaktif yang
akan diukur dilarutkan dahulu ke dalam sintilator cair ini sehingga sampel dan
detektor menjadi satu kesatuan larutan yang homogen. Secara geometri pengukuran
ini dapat mencapai efisiensi 100 % karena semua radiasi yang dipancarkan sumber
akan “ditangkap” oleh detektor. Metode ini sangat diperlukan untuk mengukur
sampel yang memancarkan radiasi b berenergi rendah seperti tritium
dan C14.
Masalah yang harus diperhatikan pada metode
ini adalah quenching yaitu berkurangnya sifat transparan dari
larutan (sintilator cair) karena mendapat campuran sampel. Semakin pekat
konsentrasi sampel maka akan semakin buruk tingkat transparansinya sehingga
percikan cahaya yang dihasilkan tidak dapat mencapai photomultiplier.
Tabung Photomultiplier
Sebagaimana telah dibahas sebelumnya,
setiap detektor sintilasi terdiri atas dua bagian yaitu bahan sintilator dan
tabung photomultiplier. Bila bahan sintilator berfungsi untuk mengubah energi
radiasi menjadi percikan cahaya maka tabung photomultiplier ini berfungsi untuk
mengubah percikan cahaya tersebut menjadi berkas elektron, sehingga dapat
diolah lebih lanjut sebagai pulsa / arus listrik.
Tabung photomultiplier terbuat dari tabung
hampa yang kedap cahaya dengan photokatoda yang berfungsi sebagai masukan pada
salah satu ujungnya dan terdapat beberapa dinode untuk menggandakan elektron
seperti terdapat pada gambar 5. Photokatoda yang ditempelkan pada bahan
sintilator, akan memancarkan elektron bila dikenai cahaya dengan panjang gelombang
yang sesuai. Elektron yang dihasilkannya akan diarahkan, dengan perbedaan
potensial, menuju dinode pertama. Dinode tersebut akan memancarkan beberapa
elektron sekunder bila dikenai oleh elektron.
Elektron-elektron sekunder yang dihasilkan
dinode pertama akan menuju dinode kedua dan dilipatgandakan kemudian ke dinode
ketiga dan seterusnya sehingga elektron yang terkumpul pada dinode terakhir
berjumlah sangat banyak. Dengan sebuah kapasitor kumpulan elektron tersebut
akan diubah menjadi pulsa listrik.
Bahan semikonduktor, yang diketemukan
relatif lebih baru daripada dua jenis detektor di atas, terbuat dari unsur
golongan IV pada tabel periodik yaitu silikon atau germanium. Detektor ini
mempunyai beberapa keunggulan yaitu lebih effisien dibandingkan dengan detektor
isian gas, karena terbuat dari zat padat, serta mempunyai resolusi yang lebih
baik daripada detektor sintilasi.
Pada dasarnya, bahan isolator dan bahan
semikonduktor tidak dapat meneruskan arus listrik. Hal ini disebabkan semua
elektronnya berada di pita valensi sedangkan di pita konduksi kosong.
Perbedaan tingkat energi antara pita valensi dan pita konduksi di bahan
isolator sangat besar sehingga tidak memungkinkan elektron untuk berpindah ke
pita konduksi ( > 5 eV ) seperti terlihat di atas. Sebaliknya, perbedaan
tersebut relatif kecil pada bahan semikonduktor ( < 3 eV ) sehingga
memungkinkan elektron untuk meloncat ke pita konduksi bila mendapat tambahan
energi.
Energi radiasi yang memasuki bahan
semikonduktor akan diserap oleh bahan sehingga beberapa elektronnya dapat
berpindah dari pita valensi ke pita konduksi. Bila di antara kedua ujung bahan
semikonduktor tersebut terdapat beda potensial maka akan terjadi aliran arus
listrik. Jadi pada detektor ini, energi radiasi diubah menjadi energi listrik.
Sambungan semikonduktor dibuat dengan
menyambungkan semikonduktor tipe N dengan tipe P (PN junction). Kutub positif
dari tegangan listrik eksternal dihubungkan ke tipe N sedangkan kutub
negatifnya ke tipe P seperti terlihat pada Gambar 7. Hal ini menyebabkan
pembawa muatan positif akan tertarik ke atas (kutub negatif) sedangkan pembawa
muatan negatif akan tertarik ke bawah (kutub positif), sehingga terbentuk
(depletion layer) lapisan kosong muatan pada sambungan PN. Dengan adanya lapisan kosong muatan ini maka
tidak akan terjadi arus listrik. Bila ada radiasi pengion yang memasuki lapisan
kosong muatan ini maka akan terbentuk ion-ion baru, elektron dan hole, yang
akan bergerak ke kutub-kutub positif dan negatif. Tambahan elektron dan hole
inilah yang akan menyebabkan terbentuknya pulsa atau arus listrik.
Oleh karena daya atau energi yang dibutuhkan
untuk menghasilkan ion-ion ini lebih rendah dibandingkan dengan proses ionisasi
di gas, maka jumlah ion yang dihasilkan oleh energi yang sama akan lebih
banyak. Hal inilah yang menyebabkan detektor semikonduktor sangat teliti dalam
membedakan energi radiasi yang mengenainya atau disebut mempunyai resolusi
tinggi. Sebagai gambaran, detektor sintilasi untuk radiasi gamma biasanya
mempunyai resolusi sebesar 50 keV, artinya, detektor ini dapat membedakan
energi dari dua buah radiasi yang memasukinya bila kedua radiasi tersebut
mempunyai perbedaan energi lebih besar daripada 50 keV. Sedang detektor
semikonduktor untuk radiasi gamma biasanya mempunyai resolusi 2 keV. Jadi
terlihat bahwa detektor semikonduktor jauh lebih teliti untuk membedakan energi
radiasi.
Sebenarnya, kemampuan untuk membedakan energi
tidak terlalu diperlukan dalam pemakaian di lapangan, misalnya untuk melakukan
survai radiasi. Akan tetapi untuk keperluan lain, misalnya untuk menentukan
jenis radionuklida atau untuk menentukan jenis dan kadar bahan, kemampuan ini
mutlak diperlukan.
Kelemahan dari detektor semikonduktor adalah
harganya lebih mahal, pemakaiannya harus sangat hati-hati karena mudah rusak
dan beberapa jenis detektor semikonduktor harus didinginkan pada temperatur
Nitrogen cair sehingga memerlukan dewar yang berukuran cukup besar.
Dari pembahasan di atas terlihat bahwa
setiap radiasi akan diubah menjadi sebuah pulsa listrik dengan ketinggian yang
sebanding dengan energi radiasinya. Hal tersebut merupakan fenomena yang sangat ideal karena
pada kenyataannya tidaklah demikian. Terdapat beberapa karakteristik detektor
yang membedakan satu jenis detektor dengan lainnya yaitu efisiensi, kecepatan
dan resolusi.
Efisiensi detektor adalah suatu nilai
yang menunjukkan perbandingan antara jumlah pulsa listrik yang dihasilkan
detektor terhadap jumlah radiasi yang diterimanya. Nilai efisiensi detektor
sangat ditentukan oleh bentuk geometri dan densitas bahan detektor. Bentuk
geometri sangat menentukan jumlah radiasi yang dapat 'ditangkap' sehingga
semakin luas permukaan detektor, efisiensinya semakin tinggi. Sedangkan
densitas bahan detektor mempengaruhi jumlah radiasi yang dapat
berinteraksi sehingga menghasilkan sinyal listrik. Bahan detektor yang
mempunyai densitas lebih rapat akan mempunyai efisiensi yang lebih tinggi
karena semakin banyak radiasi yang berinteraksi dengan bahan.
Kecepatan detektor menunjukkan selang
waktu antara datangnya radiasi dan terbentuknya pulsa listrik. Kecepatan
detektor berinteraksi dengan radiasi juga sangat mempengaruhi pengukuran karena
bila respon detektor tidak cukup cepat sedangkan intensitas radiasinya sangat
tinggi maka akan banyak radiasi yang tidak terukur meskipun sudah mengenai
detektor.
Resolusi detektor adalah kemampuan
detektor untuk membedakan energi radiasi yang berdekatan. Suatu detektor
diharapkan mempunyai resolusi yang sangat kecil (high resolution) sehingga
dapat membedakan energi radiasi secara teliti. Resolusi detektor disebabkan
oleh peristiwa statistik yang terjadi dalam proses pengubahan energi radiasi,
noise dari rangkaian elektronik, serta ketidak-stabilan kondisi pengukuran.
Aspek lain yang juga menjadi pertimbangan
adalah konstruksi detektor karena semakin rumit konstruksi atau desainnya
maka detektor tersebut akan semakin mudah rusak dan biasanya juga semakin
mahal.
Tabel berikut menunjukkan karakteristik
beberapa jenis detektor secara umum berdasarkan beberapa pertimbangan di atas.
Pemilihan detektor harus mempertimbangkan
spesifikasi keunggulan dan kelemahan sebagaimana tabel di atas. Sebagai contoh,
detektor yang digunakan pada alat ukur portabel (mudah dibawa) sebaiknya adalah
detektor isian gas, detektor yang digunakan pada alat ukur untuk radiasi alam
(intensitas sangat rendah) sebaiknya adalah detektor sintilasi, sedangkan
detektor pada sistem spektroskopi untuk menganalisis bahan sebaiknya detektor
semikonduktor.
0 komentar:
Posting Komentar