STATISTIK PENCACAH RADIASI NUKLIR GEIGER MULER

STATISTIK PENCACAH RADIASI NUKLIR GEIGER MULER

Abstrak

Percobaan pencacahan radiasi ini dilakukan dengan menggunakan detektor Geiger-Muller dan bertujuan untuk mengetahui prinsip kerja dari detektor Geiger- Muller, Detektor merupakan suatu bahan yang peka terhadap radiasi, yang bila dikenai radiasi akan menghasilkan tanggapan mengikuti mekanisme yang telah dibahas sebelumnya. 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.

Detektor radiasi bekerja dengan cara mengukur perubahan yang disebabkan oleh penyerapan energi radiasi oleh medium penyerap. Sebenarnya terdapat banyak mekanisme yang terjadi di dalam detektor tetapi yang sering digunakan adalah proses ionisasi dan proses sintilasi.

1.Pendahuluan

1.1 Detektor Geiger Muller (GM)

Pencacah Geiger, atau disebut juga Pencacah Geiger-Muller adalah sebuah alat pengukur radiasi ionisasi. Pencacah Geiger bisa digunakan untuk mendeteksi radiasi alpha dan beta. Sensornya adalah sebuah tabung Geiger-Müller, sebuah tabung yang diisi oleh gas yang akan bersifat konduktor ketika partikel atau foton radiasi menyebabkan gas (umumnya Argon) menjadi konduktif. Alat tersebut akan membesarkan sinyal dan menampilkan pada indikatornya yang bisa berupa jarum penunjuk, lampu atau bunyi klik dimana satu bunyi menandakan satu partikel. Pada kondisi tertentu, pencacah Geiger dapat digunakan untuk mendeteksi radiasi gamma, walaupun tingkat reliabilitasnya kurang. Pencacah geiger tidak bisa digunakan untuk mendeteksi neutron.

Detektor Geiger-Muller (GM) beroperasi pada tegangan diatas detektor proporsional. Dengan mempertinggi tegangan akan mengakibatkan proses ionisasi yang terjadi dalam detektor menjadi jenuh. Pulsa yang dihasilkan tidak lagi bergantung pada ionisasi mula-mula maupun jenis radiasi. Jadi, radiasi jenis apapun akan menghasilkan keluaran sama.

Karena tidak mampu lagi membedakan berbagai jenis radiasi yang ditangkap detektor, maka detektor GM hanya dipakai untuk mengetahui ada tidaknya radiasi. Keuntungan dalam pengoprasian GM ini adalah denyut out put sangat tinggi, sehingga tidak diperlukan penguat (amplifier) atau cukup digunakan penguat yang biasa saja.

Gambar 2. Detektor Geiger Muller

Sumber : Laporan Praktikum Fisika lanjut oleh Septia Kholimatussa’diah

·           Katoda     : yaitu dinding tabung logam yang merupakan elektroda negatif. Jika tabung terbuat dari gelas maka dinding tabung harus dilapisi logam tipis.

·           Anoda      : yaitu kawat tipis atau wolfram yang terbentang di tengah-tengah tabung. Anoda sebagai elektroda positif.

·           Isi tabung : yaitu gas bertekanan rendah, biasanya gas beratom tunggal dicampur gas poliatom (gas yang banyak digunakan Ar dan He).

Detektor Geiger Muller (GM) terdiri dari suatu tabung logam atau gelas yang dilapisi logam yang diisi dengan gas mulia dan gas poliatom atau gas halogen. Pada proses tabung terdapat kawat logam yang berlku sabagai anoda, sedangkan dinding tabung berlaku sebagai anoda.

Bila ke dalam tabung masuk zarah pengion alfa atau beta maka akan terjadi ionisasi dan eksitasi pada atom-atom gas isian. Banyaknya pasangan ion yang terjadi sebanding dengan zarah yang datang. Hasil inonisasi ini yang disebut dengan ion-ion primer. Adanya tegangan tinggi menyebabkan electron tertarik ke anoda dan dan ion positif tertarik ke katoda. Dalam perjalanan ke anoda electron mendapatkan tambahan tenaga gerak dari medan listrik. Bila tenganya sudah kuat elektron-elektron tersebut dapat mengionisasi atom-atom gas isian, sehingga terjadi ionisasi sekunder. Elektron-elektron inipun akan mampu mengionisasi gas isian. Dengan demikian jumlah electron yang terkumpul di anoda jauh lebih banyak dari jumlah elektron yangterjadi pada ionisasi primer. Peristiwa terjadinya proses ionisasi terus menerus ini disebut Avalanche.

Disamping itu ionisasi juga terjadi karena atom-atom yang tereksitasi akan memancarkan foton. Foton tersebut dapat menimbulkan foto elektron lewat fotolistrik. Ion-ion positif yang timbul akibat adanya ionisasi akan membentuk selubung disekitar anoda, sehingga sesudah sebagian besar elektron terkumpul di anoda kuat medan listrik disekitar anoda akan mengalami penurunan. Akibatnya elektron yang masih bergerak ke anoda tak lagi mampu mengadakan avalanche. Oleh karena itu, jumlah electron yang terkumpul di anoda mula-mula sedikit lalu naik sampai maksimal kemudian turun sampai elektron terkumpul, terjadilah satu pulsa setiap terjadi ionisasi primer. Tinggi pulsa detektor GM tidak tergantung pada banyaknya ion primer yang terjadi, dengan demikian juga tidak tergantung pada tenaga zarah yang dating. Akibatnya detektor GM tidak dapat mengukur besarnya tenaga dan hanya dapat mendeteksi banyaknya radiasi yang datang.

Jika ion-ion positif sampai di dekat katoda, maka akan menarik electron keluar dari katoda untuk membentuk atom netral. Dalam penetralan ini ada kelebiahan tenaga yang dipancarkan sebagai foton. Foton ini yang akan membebaskan elektron sehingga akan dapat mengakibatkan terjadinya avalanche yang tidak dikehendaki. Untuk menghindarkan terjadinya avalanche ini, dapat digunakan suatu rangkaian elektronik (rangkaian Nehr Harper) atau dengan menambahkan kedalam tabung gas poliatom atau gas halogen yang biasa disebut sebagai gas “quelencing”. Detektor yang menggunakan gas quelencing dikenal dengan detektor self quelenching. Sedang yang menggunakan rangkaian elektronik dinamakan detektor non self quelenching.

1.1.1 Prinsip kerja  detektor Geiger muller

Detektor Geiger Muller meupakan salah satu detektor yang berisi gas. Selain Geiger muller masih ada detektor lain yang merupakan detektor isian gas yaitu detektor ionisasi dan detektor proporsional. Ketiga macam detektor tersebut secara garis besar prinsip kerjanya sama, yaitu sama-sama menggunakan medium gas. Perbedaannya hanya terletak pada tegangan yang diberikan pada masing-masing detektor tersebut.

Apabila ke dalam labung masuk zarah radiasi maka radiasi akan mengionisasi gas isian. Banyaknya pasangan elektron-ion yang terjadi pada detektor Geiger-Muller tidak sebanding dengan tenaga zarah radiasi yang datang. Hasil ionisasi ini disebul elektron primer. Karena antara anode dan katode diberikan beda tegangan maka akan timbul medan listrik di antara kedua eleklrode tersebut. Ion positif akan bergerak kearah dinding tabung (katoda) dengan kecepatan yang relatif lebih lambat bila dibandingkan dengan elektron-elektron yang bergerak kea rah anoda (+) dengan cepat. Kecepatan geraknya tergantung pada brsarnya tegangan V. sedangkan besarnya tenaga yang diperlukan untuk membentuk elektron dan ion tergantung pada macam gas yang digunakan. Dengan tenaga yang relatif tinggi maka elektron akan mampu mengionisasi atom-atom sekitarnya. sehingga menimbulkan pasangan elektron-ion sekunder. Pasangan elektron-ion sekunder inipun masih dapat menimbulkan pasangan elektron-ion tersier dan seterusnya. sehingga akan terjadi lucutan yang terus-menerus (avalence).

Kalau tegangan V dinaikkan lebih tinggi lagi maka peristiwa pelucutan elektron sekunder atau avalanche makin besar dan elektron sekunder yang terbentuk makin banyak. Akibatnya, anoda diselubungi serta dilindungi oleh muatan negatif elektron, sehingga peristiwa ionisasi akan terhenti. Karena gerak ion positif ke dinding tabung (katoda) lambat, maka ion-ion ini dapat membentuk semacam lapisan pelindung positif pada permukaan dinding tabung. Keadaan yang demikian tersebut dinamakan efek muatan ruang atau space charge effect.

Tegangan yang menimbulkan efek muatan ruang adalah tegangan maksimum yang membatasi berkumpulnya elektron-elektron pada anoda. Dalam keadaan seperti ini detektor tidak peka lagi terhadap datangnya zarah radiasi. Oleh karena itu efek muata ruang harus dihindari dengan menambah tegangan V. penambahan tegangan V dimaksudkan supaya terjadi pelepasan muatan pada anoda sehingga detektor dapat bekerja normal kembali. Pelepasan muatan dapat terjadi karena elektron mendapat tambahan tenaga kinetic akibat penambahan tegangan V.

Apabila tegangan dinaikkan terus menerus, pelucutan alektron yang terjadi semakin banyak. Pada suatu tegangan tertentu peristiwa avalanche elektron sekunder tidak bergantung lagi oleh jenis radiasi maupun energi (tenaga) radiasi yang datang. Maka dari itu pulsa yang dihasilkan mempunyai tinggi yang sama. Sehingga detektor Geiger muller tidak bisa digunakan untuk mengitung energi dari zarah radiasi yang datang.

Kalau tegangan V tersebut dinaikkan lebih tinggi lagi dari tegangan kerja Geiger muler, maka detektor tersebut akan rusak, karena sususan molekul gas atau campuran gas tidak pada perbandingan semula atau terjadi peristiwa pelucutan terus menerusbyang disebut continous discharge.

Pada detektor GM, jika tegangan dioperasikan dari nol samapi tegangan yang tinggi dan hasil cacahannya digambarkan maka akan ada bagian yang datar. Daerah ini disebut plateau. Pada daerah plateau, jika ada perubahan tegangan, hasil cacahan tidak berubah secara signifikan. Tegangan kerja yang mulai timbulnya cacah disebut starting voltage. Bila  adalah tegangan mulainya plateau,  adalah tegangan batas dari plateau.

Bagian kurva potensial yang hampir datar jumlah cacahannya disebut “plateau”. Atau daerah plateau adalah daerah yang mendekati nilai konstan dan pada grafik ditunjukkan dengan garis mendatar/hampir datar. Tegangan ambang adalah tegangan saat mulai terjadi nilai cacahan. Tegangan operasi adalah tegangan yang diperlukan untuk terjadinya pencacahan pada daerah plateau. Tegangan high ketika tejadi ionisasi tingkat tinggi. Pada potensial yang lebih tinggi akan terjadi penaikkan pulsa radiasi yang cepat meningkat. Hal ini akibat sudah terjadi efek lucutan, dimana electron dari katoda dapat langsung sampai ke anoda dalam jumlah yang besar. Apabila potensial terus dinaikkan, lucutan akan semakin cepat meningkat dan dapat menyebabkan detektor rusak. Untuk menghindari kerusakan detektor variasi tegangan untuk percobaan ini dioperasikan tidak melebihi 560 V

1.2 Radiasi

          Radiasi merupakan suatu cara perambatan energi dari sumber energi ke lingkungannya tanpa membutuhkan medium atau bahan penghantar tertentu. Panca indera manusia secara langsung tidak dapat digunakan untuk menangkap atau  melihat ada tidaknya zarah radiasi, karena manusia memang tidak mempunyai sensor biologis untuk zarah radiasi. Detektor merupakan suatu alat yang peka terhadap radiasi, yang bila dikenai radiasi akan menghasilkan tanggapan mengikuti mekanisme tertentu

          Radiasi yang dikeluarkan oleh atom dalam bentuk radiasi elektromagnetik, sangat sulit dideteksi oleh tubuh manusia. Tidak semua radiasi elektromagnetik berdampak baik bagi manusia, radiasi juga akan berdampak buruk bagi  manusia. Kerusakan yang diakibatkan oleh radiasi biasanya dikatagorikan ke dalam dua jenis: kerusakan somatik dan kerusakan genetik. Untuk menghindari bahaya radiasi tersebut, maka perlunya diadakan pembelajaran  statistik pancaran radiasi ini. Selain itu, perlunya pengetahuan dalam mengaplikasikan alat detektor radiasi menjadi hal yang penting dalam mengetahui kuantitas radiasi.

1.3 Statistik Peluruhan Radioaktif

Jika kita mengulangi satu jenis pengamatan secara berulang, maka hasilnya sering kali tidak sama, tetapi berkisar pada sebuah nilai rata-rata tertentu. Lebarnya hasil distribusi tersebut ditandai dengan adanya deviasi standar. Dalam hal peluruhan radioaktif, jumlah partikel yang dihasilkan dari sebuah sumber tiap satuan waktu rata-rata dapat dijelaskan dengan sebuah distribusi yang disebut Distribusi Poisson. Distribusi ini cukup baik untuk sederetan peristiwa yang sungguh-sungguh acak.

Selain distribusi Poisson, terdapat distribusi lain yaitu Distribusi Gauss. Distribusi ini sangat baik diterapkan untuk peristiwa yang tidak acak, tetapi hanya terganggu akibat ketidaktelitian dalam proses pengukuran. Di sini nilai cacah rata-rata m dan deviasi standar σ merupakan dua besaran lepas satu terhadap lainnya.

Sebagaimana diketahui proses pencacahan radiasi suatu peluruhan zat radioaktif bersifat tidak menetu (random). Untuk proses tersebut keboleh jadiannya akan mengikuti grafik distribusi poisson. peristiwa ini akan sangat terlihat jelas apabila digunakan sumber radiasi yang lemah da pencacah yang pendek. Untuk itu digunakan pencacahan dengan waktu yang singkat misalnya 100 kalidari suatu dari suatu sumber yang lemah atau cacah latar. Dari hasil yang didapatkan dilakukan pengelompokkan menjadi m sehingga akan diperoleh N(m) yaitu banyaknya hasil pencacahan yang menghasilkan cacah sebesar m sebanyak n persatuan waktu dengan m = 1, 2, 3, …maks.

II.                Analisa Data

Pengolahan data :

V	N
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
300	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
325	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
350	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
375	6	5	5	4	5	4	8	7	5	3	5,2
400	9	5	4	3	8	6	5	3	3	6	5,2
425	4	7	2	7	4	8	9	2	6	7	5,6
450	5	6	7	5	5	3	4	4	4	6	4,9
475	3	5	3	8	2	6	8	3	4	7	5

*data diambil dalam selang waktu 10 sekon

1)      Lebar daerah plateau

Lebar daerah plateau adalah

2)      Kemiringan kurva

3)      Persentase kenaikan laju cacahan

4)      Tegangan ambang

375 V

5)      Tegangan operasi berdasarkan hitungan daerah plateau

a.       Batas atas daerah plateau - 1/6 daerah plateau

b.      Batas bawah daerah plateau - 1/6 daerah plateau

Jadi tegangan operasi batas waktu 10 s adalah 358,3 V sampai dengan 458,3 V

ü  Probabilitas Distribusi Poisson

No	Cacahan radiasi dalam 10 sekon (m)			Frekuensi N(m)
1	2			3	6
2	3			6	18
3	4			8	32
4	5			7	35
5	6			7	42
6	7			12	84
7	8			3	24
8	9			1	9
9	10			2	20
10	11			1	11
Jumlah				50	281
			(Poisson)

m	N(m)	P(m) Poisson	m x N(m)	m!	P(m)
2	3	0,06	6	2	0,06
3	6	0,12	18	6	0,11
4	8	0,16	32	24	0,15
5	7	0,14	35	120	0,17
6	7	0,14	42	720	0,16
7	12	0,24	84	5040	0,13
8	3	0,06	24	40320	0,09
9	1	0,02	9	362880	0,06
10	2	0,04	20	3628800	0,03
11	1	0,02	11	39916800	0,02

III. Kesimpulan

 Dari percobaan yang telah kami lakukan, maka dapat disimpulkan :

a)      Tegangan ambang untuk pengamatan selama 10 detik adalah 375 V dan tegangan highnya adalah 475 V.

b)      Panjang daerah plateau dimulai dari tegangan 375 V sampai 475 V. Grafik yang ditunjukkan hampir horizontal artinya nilai cacahannya hampir konstan.

c)      Berdasarkan grafik peluang P(m) sebagai fungsi hasil cacahan (m) dalam selang waktu 10 detik menunjukkan peluang angka cacahan yang terbesar adalah angka 7 dan yang paling sedikit adalah angka 9.

d)     Berdasarkan hasil perhitungan, detektor Geiger Muller yang kami gunakan tergolong baik karena panjang daerah plateaunya sebesar 100 V dengan kemiringan sebesar 3,8 %.

Daftar Pustaka

Kanginan, martin.2006.fisika SMA jilid 3.Erlangga:Jakarta

Beiser, Arthur. 1987. Konsep Fisika Modern. Jakarta : Penerbit Erlangga.

Krane, Kenneth. Fisika Modern. Jakarta : Penerbit Erlangga.

Manglumpun, Irawaty. 2011. Teknik Pencacah Radiasi Nuklir. Manado : Universitas Negeri Manado.

http://adipedia.com/2011/03/pencacah-geiger-alat-pengukur-radiasi.html Tanggal akses : 28 Februari 2013.

Jati, Bambang Murdaka  Eka. 2010. Fisika Dasar. Yogyakarta : Andi

Surakhman dan Sayono. 2009. “Pembuatan Geiger Mueller Tipe Jendela Samping dengan Gas Isian Argon-Etanol”. Yogyakarta : Seminar Nasional V SDM Teknologi Nuklir halaman 405-414, ISSN 1987-0176.

Tim dosen FMIPA Unsri. 2008. “Modul Praktikum Eksperimen Fisika II 2008”. Indralaya : Universitas Sriwijaya