Catatan Ku: Detektor Scintilasi

Detektor Scintilasi

Proses Scintilasi

Detektor radiasi bekerja dengan cara mendeteksi perubahan yang terjasi didalam bahan detektor/medium penyerap.
Perubahan ini terjadi karena adanya perpindahan energi dari radiasi ke medium tersebut.
Yang dimaksud dengan proses sintilasi adalah terpancarnya sinar tampak pada saat terjadinya perpindahan/transisi elektron dari tingkat energi yan lebih tinggi ke tingkat energi yang lebih rendah.
Perpindahan elektron seperti ini dapat terjadi di dalam bahan detektor. perpindahan elektron dari tingkat energi yang lebih tinggi karena adanya proses eksitasi.
Dalam proses kembalinya elektron dari tingkat energi yang lebih tinggi ke tingkat energi yang lebih rendah/keadaannya semula, maka akan dipancarkan energi yang berupa foton sinar-X.
Karena bahan detektor ditambahkan bahan pengotor berupa unsur aktivator, yang berfungsi sebagai penggeser panjang gelombang, maka radiasi yang dipancarkannya bukan lagi sinar-X melainkan berupa sinar tampak.
Proses sintilasi ini akan terjadi apabila terdapat kekosongan pada orbit elektron yang lebih dalam. kekosongan elektron ini dapat disebabkan karena lepasnya elektron dari ikatannya (proses ionisasi) atau proses loncatnya elektron ke tingkat energi yang lebih tinggi (lintasan elektron yang lebih luar) karena dikenai radiasi.
Semakin besar energi radiasi yang diterima, maka akan terjadi kekosongan elektron d orbit sebelah dalam akan semakin banyak, sehingga percikan cahaya yang dikeluarkannya akan semakin banyak. cahaya tampak yang terjadi ini selanjutnya akan dikonversikan menjadi sinyal elektrik.

Detektor sintilasi selalu terdiri dari dua bagian, yaitu : bahan sintilator dan photomultiplier. detektor sintilasi bekerja memanfaatkan radaisi fluorosensi (biasanya cahaya) yang dipancarkan ketika elektron dari keadaan tereksitasi kembali ke keadaan dasarnya pada pita valensi.
Bahan yang dipilih sebagai bahan detektor adalah bahan yang memungkinkan peristiwa kerlipan cahaya tersebut dapat terjadi di dalam waktu yang sangat cepat (kira-kira 1 msekon).
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 :

1. Proses pengubahan radiasi yang mengenai detektor menjadi kerlipan cahaya di dalam bahan sintilator.

2. Proses pengubahan kerlipan cahaya menjadi pulsa listrik di dalam tabung photomultiplier.

Penyerapan radiasi gamma yang berenergi 1 MeV dalam detektor sintilasi menghasilkan kira-kira 10.000 eksitasi elektron, danjumlah radiasi elektromagnetik dalam bentuk cahaya.
Efisiensi pendeteksian detektor gas terhadap radiasi gamma sangat rendah kira-kira 1%. dengan menggunakan kristal sintilasi padat, dapat diperoleh efisiensi pendeteksian radiasi gamma yang cukup tinggi, bervariasi antara 20 s.d 30%.

Bahan sintilator

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 elektron tersebut dapat melompat 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.

Jenis Detektor Sintilasi

Beberapa kristal sintilator yang sering digunakan adalah sebagai berikut :

Kristal NaI (TI) : digunakan untuk mengukur radiasi gamma dan sinar-X.
Kristal ZnS (Ag) : digunakan untuk mengukur radiasi alpha dna beta.
Kristal Lil(Eu) : digunakan untuk mengukur radiasi neutron.
Sintilator organik : sintilator organik ini dibuat dari bahan organik seperti anthracene atau stilbene.

Kristal NaI (TI)

Detektor sintilasi NaI (TI) dibuat dari kristal tunggal natrium iodida (NaI) yang sudah sedikit diberi pengotor Talium (TI). karena kristal NaI bersifat higroskopis, maka kristal tersebut ditutup rapat-rapat dalam wadah alumunium (Al) yang dilapisi cromium (Cr).
Diantara kristal NaI (TI) dan dinding wadah Al dimasukkan reflektor berupa serbuk mangan oksida (MnO) atau Alumunium trioksida (Al2o3). Kristal NaI (TI) direkatkan pada sebuah tabung pelipat ganda elektron menggunakan perekat bening yang terbuat dari silikon. pada ujung tabung pelipat ganda elektron terdapat elektroda peka cahaya yang disebut fotokatoda.

Tabung photomultiplier

Tabung multiplier berfungsi untuk mengubah percikan cahaya tersebut menjadi berkas elektron, sehingga dapat diolah lebih lanjut sebagai pulsa/arus listrik.
Tabung multiplier terbuat dari tabung hampa yang kedap cahaya dengan photokatoda yang berfungsi sebagai sensor cahaya pada salah satu ujungnya.
Photokatoda yang ditempelkan pada bahan sintilator, akan memancarkan elektron bila dikenai percikan cahaya. elektron yang dihasilkan 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 akandiubah menjadi pulsa listrik.
Apabila radiasi gamma memasuki tabun gdetektor maka akan terjadi interaksi radiasi gamma dengan bahan detektor. interaksi itu dapat menghasilkan efek fotolistrik, hmaburan compton dan prosduksi pasangan.
Karena reaksi ini maka elektron-elektron bahan detektor akan terpental keluar sehingga atom-atom itu berada dalam keadaan tereksitasi.
Atom-atom yang tereksitasi akan kembali ke keadaan dasarnya sambil memancarkan kerlipan cahaya.
Cahaya yang dipancarkan itu selanjutnya diarahkan ke foto katoda sensitif. Apabila foto katoda terkena kerlipan cahaya, maka dari permukaan foto katoda itu akan dilepaskan elektron.
Antara foto katoda dan anoda terdapat dinoda-dinoda yang diberi tegangan tinggi dan diatur sedemikian rupa sehingga tegangan dinoda yang di belakangnya selalu lebih tinggi daripada tegangan dinoda di depannya.
Perbedaan tegangan antara dinoda kira-kira 100 volt.
elektron yang dilepaskan oleh fotokatoda akan dipercepat oleh medan listrik dalam tabung pelipat ganda elektron menuju dinoda pertama.
Dalam proses tumbukan antara elektron dan dinoda akan dilepaskan elektron-elektron lain yang kemudian dipercepat menuju dinoda kedua dan seterusnya.
Dinoda terakhir yang terdapat dalam tabung pengganda elektron berupa anoda.
Hasil akhir jumlah pelipatan elektron tergantung pada jumlah dinoda.
Tabung pelipat ganda elketron yang mempunyai 10 tingkat dinoda misalnya, pada anoda (dinoda terakhir yang seklaigus berperan sebagai pelat pengumpul elektron) bisa didapatkan faktor penggandaan elektro antara 107-108.
Dengan demikian, sinar gamma yang dideteksi akan menghasilkan pulsa listrik sebagai keluaran dari detektor NaI (TI).
Tenaga elektron yang dilepaskan ini bergantung pada intensitas sinar gamma yang mengenai detektor. makin tinggi energi elektron, makin tinggi pula pulsa listrik yan gdihasilkannya, sedang makin banyak elektron yang dilepaskan, makin banyak pula cacahan pulsanya.
Pulsa listrik dari detektor akan diproses lebih lanjut oleh penguat awal dari peralatan elektronik berupa penganalisis saluran ganda (MCA) sehingga pada layar penganalisis itu dapat ditampilkan spektrum radiasi gamma yang ditangkap oleh detektor.
Data tampilan spektrum gamma pada layar penganalisis dapat dipakai untuk analisis spektrometri gamma baik secara kuantitatif maupun kualitatif.

Karakteristik dari detektor NaI(TI)

Memiliki pancaran kerlipan cahaya yang tinggi dari energi radiasi yang tersimpan dalam bahan detektor.
Memiliki nomor atom (Z) yang tinggi karena adanya atom Iodine (I).
Bahan pemendar padat dengan rapat jenis sebesar 3,57 gr/cm3 memiliki kemungkinan interaksi per cm yang cukup tinggi.

Photomultiplier