Geiger Muller

Detektor Geiger Muller (GM) A.

Tujuan

1. Mengetahui karakteristik pencacahan Geiger Muller. 2. Dapat melakukan pencacahan radiasi menggunakan sistem pencacah dengan detektor

Geiger Muller. Tujuan Operasional 1.

Menggambar daerah plato serta menentukan tegangan kerja detektor.

2.

Menguji kestabilan sistem pencacah yang digunakan.

3.

Menentukan waktu mati detektor.

4.

Menentukan efisiensi detektor.

5.

Menentukan aktivitas suatu sumber radiasi.

B.

Dasar Teori Sejak ditemukan detektor radiasi pengion oleh Hans Geiger pada tahun 1908, kemudian

tahun 1928 disempurnakan oleh Walther Mueller menjadi tabung detektor Geiger-Mueller yang konstruksinya sederhana dibandingkan dengan jenis detektor yang lain. Detektor GeigerMueller terdiri dari suatu tabung logam atau gelas dilapisi logam yang biasanya diisi gas seperti argon, neon, helium atau lainnya (gas mulia dan gas poliatomik) dengan perbandingan tertentu. Skema detektor Geiger-Mueller ditunjukkan pada Gambar 1:

Gambar 1.Skema Detektor Geiger Muller Detektor Geiger-Mueller merupakan salah satu jenis detektor isian gas yang bekerja berdasarkan prinsip ionisasi oleh radiasi yang masuk terhadap molekul yang berada dalam detektor. Dinding tabung sebagai katoda sedangkan kawat di poros sebagai anoda. Apabila antara anoda dan katoda diberikan tegangan maka akan terjadi medan listrik dalam tabung. Kuat

medan listrik yang terjadi bergantung pada tegangan yang diberikan, besar jari-jari anoda dengan katoda dan jarak antara anoda dengan katoda seperti pada Gambar 2:

Gambar 2. Skema parameter yang mempengaruhi medan listrik dalam detektor Detektor berbentuk silider dengan dengan jari-jari r berpusat pada poros silinder, maka garis gaya yang menembus seluruh selimut silinder akan berbanding lurus dengan kuat medan listriknya E(r) dinyatakan dalam persamaan berikut

Berdasarkan mekanisme quenching, detektor Geiger-Mueller dibagi menjadi dua jenis, yaitu: 1. Detektor Geiger-Mueller non self quenching Detektor ini biasa disebut juga dengan detektor Geiger-Mueller external quenching. Detektor ini hanya diisi dengan satu macam gas isian yaitu gas mulia misalnya gas argon, neon, helium dan lain-lain. Pada detektor jenis ini, proses avalanche yang terjadi tidak dapat dikendalikan di dalam tabung ini sendiri tetapi dikendalikan dengan suatu rangkaian elektronik. 2. Detektor Geiger-Mueller self quenching

Detektor jenis ini diisi dengan gas mulia ditambahkan dengan gas poliatomik sebagai peredam. Dengan adanya tambahan gas peredam tersebut maka proses avalanche yang terjadi dapat dikendalikan dalam tabung itu sendiri. Pada detektor Geiger-Mueller, peningkatan jumlah ion-ion positif yang mencapai katoda sangat mempertinggi kemungkinan pemancaran elektron bebas dan selanjutnya terjadi lucutan yang tak terkendali (discharge). Untuk alasan ini tindakan pencegahan dapat diberikan kepada detektor Geiger-Mueller untuk mencegah kemungkinan pulsa yang berlebihan yaitu dengan menambahkan peredam (quenching). Quenching ada dua jenis yaitu external quenching dengan tambahan resistor kapasitor yang sederhana dan self quenching dengan menambahkan gas poliatomik atau gas halogen. Secara khusus untuk mencegah kemungkinan pulsa yang dihasilkan berlebihan maka digunakan external quenching dengan tambahan resistor-kapasitor. External quenching dengan tambahan resistor-kapasitor akan menurunkan pemakaian tegangan tinggi pada tabung detektor sehingga akan memberikan hasil ionisasi yang rendah dan proses avalanche

tidak terbentuk meskipun sebuah elektron bebas melepaskan diri dari katoda. Rangkaian ekivalen detektor Geiger-Mueller ditunjukkan pada Gambar 3:

Gambar 3. Rangkaian ekivalen detektor Geiger Muller dengan resistor-kapasitor R1 dan R2 menggambarkan resistansi masukan dari rangkaian, C1 merupakan kapasitansi detektor, sedangkan C2, C3, dan C4 merupakan stray capacitance yaitu kapasitansi pada rangkaian yang mempengaruhi sistem kerja detektor. Parameter Detektor Geiger-Mueller 1. Geometri

Faktor geometri sangat mempengaruhi pembuatan detektor terutama untuk memperoleh karakteristik detektor yang optimal. Pembuatan detektor disesuaikan dengan kebutuhan dan kegunaannya, misalnya detektor Geiger-Mueller untuk pengukuran radiasi alpha, beta maupun gamma maka dibuat detektor Geiger-Mueller tipe end window, sedangkan untuk mengukur radiasi gamma dibuat detektor Geiger-Mueller tipe side window. Bentuk fisik dari detektor Geiger-Mueller terdiri dari selongsong tabung silinder yang berfungsi sebagai katoda dan kawat yang terletak di sumbu silinder berfungsi sebagai anoda. Letak anoda dalam tabung harus dibuat simetris agar medan listrik yang ditimbulkan dalam ruang tabung bersifat konsentris. 2. Jenis bahan

Bahan untuk pembuatan anoda dipilih dari suatu bahan yang mempunyai sifat tahan terhadap campuran gas isian dalam tabung detektor. Bahan untuk membuat katoda menggunakan bahan yang mempunyai tenaga ikat elektron tinggi, tahan terhadap vakum yang tinggi serta bahannya juga harus tahan terhadap gas isian. Bahan katoda juga harus mempunyai daya hantar listrik yang baik, mudah melekat pada gelas, murah dan mudah diperoleh[3]. Variasi bahan komponen detektor Geiger-Mueller yang dapat dibuat adalah sebagai berikut: (1) Bahan katoda: tembaga, perak, perunggu, nikel dan lain-lain. (2) Bahan Anoda: wolfram, kawat baja, nikel, tungsten dan lain-lain. (3) bahan jendela untuk detektor

Geiger- Mueller tipe end window berupa millar, aluminium foil, plastik, mika, titanium foil dan lain-lain. 3. Tekanan vakum Kevakuman pada tabung detektor yang tinggi dan stabil dapat menyebabkan karakteristik detektor yang stabil. Kevakuman akan menentukan banyak sedikitnya molekul- molekul gas yang ada dalam tabung detektor sebelum diisi dengan gas yang akan digunakan. Tekanan vakum yang rendah akan menyebabkan sisa molekul gas yang berada dalam sistem vakum masih banyak sehingga konsentrasi gas isian akan terpengaruh yang membuat karakteristik detektor menjadi tidak optimal. 4. Gas isian Gas isian ini bergantung pada jenis detektor yang akan dibuat, karena detektor GeigerMueller bila ditinjau dari jenis gas isian ada dua yaitu non self quenching yang diisi dengan satu jenis gas mulia dan self quenching yang diisi dengan gas mulia ditambah dengan gas quenching. Gas pengisi detektor tersebut diantaranya adalah gas mulia atau gas monoatomik seperti argon, kripton, helium, neon dan xenon. Jenis gas quenching berupa gas poliatomik seperti alkohol, metana, ethyl atau gas halogen seperti bromine, iodine, chlorine Karakteristik detektor Geiger-Mueller 1. Plateau dan slope Plateau detektor Geiger-Mueller adalah daerah tegangan kerja detektor Geiger-Mueller. Panjang plateau detektor yang baik adalah lebih dari 100 volt. Detektor yang dioperasikan di bawah tegangan kerja menyebabkan pulsa-pulsa yang tercacah masih sedikit, karena elektron dan ion yang terjadi akibat ionisasi masih banyak yang mengalami penggabungan kembali atau rekombinasi. Detektor yang dioperasikan di atas tegangan kerja akan menyebabkan terjadinya pelucutan ion yang sangat banyak dan sudah tidak sebanding lagi dengan intensitas radiasi yang datang.

Gambar 4. Grafik jumlah cacah per menit terhadap tegangan Kurva yang menyatakan hubungan antara jumlah cacah per satuan waktu terhadap tegangan kedua elektroda ditampilkan pada Gambar 4: Kemiringan garis kurva plateau disebut slope. Detektor Geiger-Mueller dikatakan baik apabila mempunyai daerah plateau yang panjang dan slope yang kecil. Panjang plateau dinyatakan dalam persamaan berikut:

2. Resolving time

Resolving time adalah waktu minimum yang diperlukan agar radiasi berikutnya dapat dicacah setelah terjadinya pencacahan radiasi yang datang sebelumnya. Resolving time dapat ditentukan dengan cara mencacah dua sumber radioaktif yang sama. Mula-mula, dicacah secara terpisah dan memberikan hasil pencacahan N1 dan N2, kemudian dicacah bersama-sama yang akan memberikan hasil pencacahan N1-2, selanjutnya dilakukan pencacahan tanpa sumber radasi atau cacah latar. Resolving time dapat dihitung dengan persamaan berikut:

3. Dead time Pelepasan muatan dalam tabung detektor menyebabkan terbentuknya muatan ruang ion positif di sekitar kawat anoda. Adanya muatan ruang menyebabkan kuat medan listrik pada daerah anoda menurun. Radiasi yang datang dalam keadaan ini tidak akan tercacah oleh detektor, dengan kata lain detektor tidak mampu menghasilkan pulsa keluaran. Waktu

dimana detektor tidak mampu mencacah radiasi yang masuk dinamakan waktu mati (dead time). Dead time dikatakan berakhir ketika ion positif bergerak menjauhi anoda.

Gambar 5. Bentuk pulsa keluaran detektor Geiger Muller Pada akhir dead time, multiplikasi ion (avalanche) sudah terjadi, tetapi pulsa keluaran masih kecil karena medan listrik belum cukup kuat. Pulsa keluaran yang dihasilkan dari zarah radiasi sudah dapat dicacah oleh detektor ketika ion positif mencapai katoda. Pada keadaan ini detektor dikatakan telah pulih kembali atau disebut juga dengan waktu pulih (recovery time). Jumlah waktu mati dan waktu pulih disebut dengan resolving time yang ditunjukkan seperti pada Gambar 5.

C. Alat dan Bahan. -

Alat: 1. Perangkat Alat Cacah i.

Detektor Geiger Muller (GM).

ii.

Rangkaian Pembalik Pulsa (Inverter).

iii. Sumber Tegangan Tinggi (HV). iv. Timer. v.

Counter.

2. Pinset -

Bahan: 1. Sumber Radiasi Standar Co-60 2. Sumber Radiasi Standar Cs-137 3. Sumber Radiasi x (unknown)

D. Langkah Kerja  Penentuan Tegangan Kerja. 1. Alat cacah (GM) dinyalakan dan dilakukan pemanasan selama 1 menit. 2. Sumber standar diletakkan dalam detektor dengan menggunakan pinset. 3. Pencacahan dilakukan dengan mengatur tegangan HV serta timer. 4. HV dinaikkan secara bertahap, sedangkan timer dipertahankan dan dicatat hasil pencacahan. 5. Tegangan kerja diperoleh apabila sudah mendapatkan jumlah cacah yang selisihnya paling sedikit dengan jumlah cacah sebelumnya.  Penentuan Kestabilan Alat Pencacah. 1. HV diatur pada tegangan kerja dan sumber yang dipakai adalah sumber standar Co-60. 2. Pencacahan dilakukan sebanyak 10 kali dengan sebelumnya ditentukan waktu cacahnya. 3. Langkah 1 dan 2 diulangi untuk pencacahan latar/background (pencacahan tanpa sumber radiasi).  Penentuan Waktu Mati / Dead Time. 1. Dipersiapkan sumber radiasi 2 buah.

2. HV dan Timer diatur 3. Pencacahan dilakukan masing-masing sebanyak 3 kali untuk sumber 1, sumber 2, dan sumber 1+sumber 2.

 Penentuan Efisiensi Alat Cacah. 1. Sumber radiasi Co-60 yang sudah diketahui aktivitas awalnya diletakkan di dalam detektor. 2. HV dan Timer diatur. 3. Pencacahan dilakukan sebanyak 2 kali. 4. Dicatat pula t0, dan t½.

 Penentuan Aktivitas Suatu Sumber X.

1. Suatu sumber radiasi Cs-137 dicacah sebanyak 3 kali. 2. Suatu sumber radiasi x (unknown) dicacah sebanyak 3 kali. 3. Hasil pencacahan pada langkah 2 dibandingkan dengan langkah 1. 4. Aktivitas sumber radiasi x ditentukan. E. Data Percobaan 1. Penentuan Daerah Plato atau Tegangan Kerja.

Lama cacahan

: 100 detik.

Sumber

: Co-60

No

Tegangan HV (V)

Jumlah Cacahan

1

700

6513

65,13

2

720

6829

68,29

3

740

6962

69,62

4

760

6974

69,74

5

780

7246

72,46

6

800

7434

74,34

7

820

7585

75,85

8

840

7486

74,86

9

860

7704

77,04

2. Penentuan Kestabilan Alat Pencacah. Laju cacah latar (R b )

:

116 = 0,58 dps 200

Jumlah Cacahan per Detik (dps)

Sumber radiasi

: Co-60

64,62

Ri - R i -1,15

(Ri - R i )2 1,3225

66,2

65,62

-0,15

0,0225

3

65,5

64,92

-0,85

0,7225

4

65,5

64,92

-0,85

0,7225

5

65,9

65,32

-0,45

0,2025

6

65,8

65,22

-0,55

0,3025

7

67,6

67,02

1,25

1,5625

8

67,2

66,62

0,85

0,7225

9

67,3

66,72

0,95

0,9025

10

67,3

66,72

0,95

0,9025

No

Rn

(Rn - R b ) = Ri

1

65,2

2

(Rn − R b) =R i = 65,77

-

∑ (Ri

− Ri) 2 = 7,385

3. Penentuan Waktu Mati / Dead Time. Lama cacahan

: 100 detik

HV

: 760 V

Sumber Radiasi

1 6672 6973 13328

Co-60 Cs-137 Co-60 + Cs-137

Pencacahan 2 6592 7023 13143

3 6716 6811 13380

4. Penentuan Efisiensi Alat Cacah. Sumber Radiasi

: Co-60

A0

: 1µCi

t0

: November 2011

t½

: 5,27 tahun

t praktek

: 9 Oktober 2012

HV

: 760 Volt

Lama pencacahan

: 60 detik

Pencacahan 1 2

Jumlah cacahan 4008 3834

5. Penentuan Aktivitas Suatu Sumber X.

Jumlah cacahan per detik (dps) 66,8 63,9

Sumber Radiasi

: Cs-137

A0

: 5µCi

t0

: September 2011

t½

: 30,07 tahun

t praktek

: 9 Oktober 2012

HV

: 760 Volt

Lama pencacahan

: 60 detik

No 1 2 3

Sumber Radiasi Cs-137 4107 4034 4087

x (unknown) 1797 1798 1850

F. Perhitungan 1. Penentuan Daerah Plato atau Tegangan Kerja. Dari data percobaan penentuan plato atau daerah kerja dapat dibuat grafik sebagai berikut:

Berdasarkan grafik di atas, diperoleh: N1

= 69,62 dps

N2

= 69,74 dps

V1

= 740 V

V2

= 760 V

 Tegangan Kerja (Vk)

Vk

= V1 +

1 (V2 – V1) 3

= 740 V +

1 (760 V – 740 V) 3

= 740 V + 6,667 V = 746,667 V = : 760 V  Landai Plato per Volt (Slope = S)

S

=

N 2 − N1 × 100% (V2 − V1 ) N1

=

69, 74 cps − 69, 62 dps × 100% (760 V − 740 V)69, 62 dps

= 0,008618 % Volt 2. Penentuan Kestabilan Alat Pencacah. - R i = 65,77

∑ (Ri

-



− Ri) 2 = 7,385

X2

=

∑ (Ri

− Ri) 2

Ri =

7,385 65, 77

= 0,11229 Alat dianggap stabil bila harga X2 antara 3,35 – 16,95 atau 3,35 < X2 < 16,95. Disini X2 = 0,11229 berarti 0,11229