BAB II DASAR TEORI
BAB II
DASAR TEORI
A. Beton
Beton didapat dari pencampuran bahan-bahan agregat halus dan kasar
seperti pasir, batu, batu pecah, atau bahan semacam lainnya yang kemudian
ditambahkan dengan bahan perekat yaitu semen yang dicampur air sebagai bahan
pemicu reaksi kimia selama proses pengerasan dan perawatan beton.
1. Bahan Penyusun Beton
a. Semen Portland
Semen Portland adalah semen hidrolis yang dihasilkan dengan cara
menghaluskan klinker yang terdiri dari silikat-silikat yang bersifat hidrolis
dengan gips sebagai bahan tambahan. (PUBI, 1982).
Walaupun volume semen hanya sekitar 10% dari volume total beton,
namun semen ini merupakan bahan aktif yang sangat penting karena semen
berfungsi sebagai perekat butir-butir agregat agar terjadi suatu massa yang
padat (Tjokrodimuljo, 1996).
Komponen utama penyusun semen Portland adalah oksida kapur
(CaO), oksida silika (SiO2), oksida alumina (Al2O3) dan oksida besi (Fe2O3).
Kandungan kombinasi keempat oksida tersebut kurang lebih 90% dari berat
semen dan biasanya dinamakan oksida mayor. Sedangkan sisa 10% yang
terdiri dari oksida magnesium (MgO), sulfur (SO3), dan soda/potash (Na2O
+ K2O) disebut oksida minor. Prosentase masing-masing dapat dilihat di
Tabel 2.1.
Tabel 2.1. Komposisi bahan dasar semen biasa (Neville & Brooks, 1987).
Oksida
Prosentase (%)
CaO (Kapur)
60 – 67
SiO2 (Silika)
17 – 25
Al2O3 (Alumina)
3–8
Fe2O3 (Besi oksida)
0,5 – 6,0
MgO (Magnesium)
0,1 – 4,0
5
Na2O + K2O (Soda/Potash)
SO3 (Sulfur)
0,2 – 1,3
1,3
Keempat oksida utama semen akan melebur dan menghasilkan empat
macam senyawa kimia yang besar pengaruhnya terhadap sifat ikatan dan
pengerasan pada semen ketika bercampur dan bereaksi dengan air dalam
proses hidrasi. Senyawa-senyawa tersebut adalah:
1) Trikalsium Silikat (C3S) atau 3CaO. SiO2
2) Dikalsium Silikat (C2S) atau 2CaO. SiO2
3) Trikalsium Aluminat (C3A) atau 3CaO. Al2O3
4) Tetrakalsium Aluminoferit (C4AF) atau 4CaO. Al2O3. Fe2O3.
Senyawa C3A berhidrasi sangat cepat disertai pelepasan
sejumlah besar panas dan memberikan kekuatan awal setelah 24 jam,
namun kurang tahan terhadap agresi sulfat yang dapat menimbulkan
retak beton. Hidrasi C3S akan menghasilkan pengerasan dan pelepasan
sejumlah panas dalam beberapa jam hingga sebelum umur 14 hari
pertama. Sedangkan C2S reaksi hidrasinya berjalan perlahan dan
pelepasan panasnya berlangsung lambat sebihngga berpengaruh pada
pengerasan setelah umur 14 hari hingga mencapai umur 28 hari
sebagai kekuatan akhir, akan tetapi lebih tahan dan mengurangi
pengaruh agresi kimia dan susut kering. Untuk senyawa C4AF kurang
penting keberadaannya karena tidak terlihat pengaruhnya terhadap
pengerasan dan kekuatan pasta semen (Tjokrodimuljo, 1996).
b. Air
Air di dalam adukan beton mempunyai dua fungsi, yang pertama
sebagai pelumas antara campuran butiran agregat dan semen agar dapat
mudah dikerjakan dan dipadatkan dan yang kedua diperlukan untuk bereaksi
dengan semen sehingga menyebabkan pengikatan dan berlangsungnya
pengerasan. Untuk berlangsungnya proses hidrasi dibutuhkan air sekitar
25% dari berat semen (Murdock & Brook, 1991). Kriteria air (selain air
minum) yang dapat dipakai sebagai bahan campuran beton adalah bila dari
beton yang dihasilkan diperoleh kekuatan lebih dari 90% kekuatan beton
yang menggunakan air suling.
6
Dalam pemakaian air untuk beton, sebaiknya air memenuhi syarat
sebagai berikut:
1).Tidak mengandung lumpur (benda melayang lainnya) lebih dari 2
gram/liter
2).Tidak mengandung garam-garam yang dapat merusak beton (asam, zat
organik, dan sebagainya) lebih dari 15 gram/liter
3).Tidak mengandung klorida (Cl) lebih dari 0,5 gram/liter
4).Tidak mengandung senyawa sulfat lebih dari 1 gram/liter.
Untuk air perawatan terutama dalam jangka waktu lama tidak boleh
terkandung zat organik karena dapat menimbulkan noda-noda dan
perubahan warna pada permukaan betonnya (Tjokrodimuljo, 1996).
c. Agregat
Agregat adalah butiran mineral alami yang berfungsi sebagai bahan
pengisi dalam campuran adukan beton atau mortar. Agregat tersebut kirakira menempati 70% dari volume total beton (Tjokrodimuljo, 1996). Oleh
karena itu sifat dan mutu agregat yang digunakan sangat berpengaruh
terhadap sifat dan mutu beton yang dihasilkan. Sifat penting agregat adalah
kekuatan hancur dan kekuatan terhadap benturan yang dapat berpengaruh
terhadap ikatan dengan semen, porositas, karakteristik terhadap penyerapan
air yang berpengaruh terhadap perubahan cuaca, ketahanan terhadap zat
kimia, dan ketahanan terhadap penyusutan.
Berdasarkan ukuran butirannya, agregat dapat dibedakan menjadi
agregat kasar (coarse aggregate) dan agregat halus (fine aggregate).
1. Agregat kasar
Agregat kasar adalah agregat dengan butiran lebih besar dari 4,80
mm. Agregat kasar untuk beton dapat berupa kerikil sebagai hasil
disintegrasi alami dari batu-batuan atau berupa batu pecah yang diperoleh
dari pemecahan batu.
2. Agregat halus
Agregat halus adalah agregat dengan butiran lebih kecil dari 4,80
mm. Agregat halus untuk beton dapat berupa pasir alam sebagai hasil
7
disintegrasi alami dari batuan-batuan atau berupa pasir buatan yang
dihasilkan oleh alat-alat pemecah batu.
d. Bahan tambah
Bahan tambah ialah bahan selain unsur pokok beton (air, semen, dan
agregat) yang ditambahkan pada adukan beton, sebelum, segera, atau
selama pengadukan beton. Tujuannya adalah untuk mengubah satu atau
lebih sifat-sifat beton sewaktu masih dalam keadaan segar atau setelah
mengeras.
2. Beton Densitas Tinggi
Untuk perisai radiasi umumnya digunakan beton, karena sifat menyerap
radiasi dan sifat mekanisnya yang bagus, selain itu juga karena durabilitas
(keawetan) yang tinggi dan lebih ekonomis. Beton yang digunakan sebagai
perisai radiasi biasanya adalah beton normal, tetapi penggunaan beton
berdensitas tinggi penting untuk mengurangi ketebalan perisai sehingga tidak
banyak membutuhkan tempat. Untuk menambah kepadatan beton, agregat
biasa diganti dengan agregat berat yang mempunyai berat jenis tinggi.
Batu slag atau steel slag merupakan limbah dari pembuatan baja.
Batu slag didapat dari dapur listrik dengan temperatur 16000C dan tidak
dapat dilebur lagi menjadi baja. Batu slag mempunyai permukaan kasar,
berlubang-lubang, bentuk tak sejenis antara kubikal dan bentuk tak
beraturan seperti batu kerikil. Warna batu slag adalah hitam keabu-abuan
(hitam kotor), dan batu slag melekat pada magnet (Fardin, 1999)
Dalam SK SNI T-15-1990-03 dinyatakan bahwa berat jenis beton normal
antara 2200 kg/m3 sampai 2500 kg/m3. Dilihat dari berat jenisnya, beton yang
menggunakan batu slag sebagai agregatnya tidak termasuk kategori beton
normal karena mempunyai berat jenis yang lebih besar dari berat jenis beton
normal. Maka bisa dikategorikan beton berat atau beton berdensitas tinggi.
Batu slag merupakan agregat berat yang tidak memerlukan perlakuan khusus
dalam proporsi campuran beton, namun perlu penanganan hati-hati selama
pengerjaan (pengadukan, pengangkutan, pengecoran, dan pemadatan) beton
segarnya dari bahaya segregasi dan degradasi butiran.
Sifat yang mirip juga dimiliki oleh limbah-limbah proyek konstruki
semacam paku atau besi tulangan. Limbah-limbah tersebut juga bisa digunakan
sebagai bahan tambah dalam pembuatan beton. Karena sifatnya yang berat
8
beton akan menjadi berat juga, sehingga beton densitas tinggi yang tahan
radiasi akan tercipta dari bahan limbah paku dan bersi tulangan.
3. Beton Perisai Radiasi
Beton perisai radiasi adalah komponen struktur beton yang merupakan
bagian dari sistem pengamanan yang diperlukan pada kegiatan yang
berhubungan dengan radiasi pengion dan radiasi neutron untuk melindungi
kesehatan manusia dari penyinaran lebih yang membahayakan (SK SNI S-171990-3).
Jenis radiasi yang membahayakan adalah radiasi neutron, radiasi gamma,
dan radiasi sinar X. Sebab ketiga jenis radiasi tersebut mempunyai jangkauan
yang panjang, daya tembus tinggi, dan bersifat radiasi pengion (Dwiatmoko,
1998).
Radiasi gamma merupakan faktor yang amat menentukan dalam
pembuatan perisai, oleh karena itu perlu unsur dengan berat atom yang tinggi
dalam perisai untukku menahan pancaran radiasi gamma tersebut.
Bahan yang mempunyai berat atom tinggi seperti timbal (Pb) dan besi
(Fe) merupakan penyerap paling baik untuk radiasi gamma dan sinar X.
Sedangkan bahan yang berat atomnya berat terutama hidrogen (H) paling
efektif mengatenuasi neutron cepat (Stephenson, 1954). Masalah timbul saat
pemilihan bahan perisai adalah apabila radiasi neutron dan gamma muncul
bersamaan sebagai hasil reaksi fisi. Tidak ada satupun bahan yang mampu
menyerap neutron dan gamma sama baiknya. Oleh sebab itu, perisai dalam
struktur reaktor memerlukan bahan yang di dalamnya terkandung elemen
ringan maupun elemen berat. Dalam hal ini bahan tersebut adalah beton.
9
Menurut Suhaemi (1982) spesifikasi umum bahan perisai radiasi neutron
cepat adalah sebagai berikut:
1. Kandungan hidrogen hendaklah sebanyak mungkin
2. Berat perisai dibuat seminimum mungkin
3. Bahan harus tahan panas
4. Bahan tidak beracun atau dapat menimbulkan gas racun bila dipanaskan
5. Bahan tidak berbau
6. Bahan harus tahan sinar dan tahan terhadap air
7. Permukaan bahan harus licin
8. Bahan perisai tidak membuat efek korosi terhadap zat mineral reaktor di
sekelilingnya
9. Bahan harus stabil struktur mikronya
10. Perisai sebaiknya mudah dipindahkan dan mudah direparasi
11. Bahan sebaiknya mudah dibuat horizontal maupun vertikal
12. Bahan harus mempunyai sifat ketahanan yang tinggi terhadap bahaya
radiasi
13. Bahan-bahan harus mempunyai sifat-sifat nuklir yang baik, yaitu
mempunyai tampang lintang serapan yang tinggi, koefisien atenuasi
gamma yang tinggi dan energi produk gamma sebagai hasil tangkapan dan
hamburan lenting neutron yang rendah.
Sebagai perisai radiasi densitas yang tinggi mutlak dimiliki beton, sebab
semakin tinggi densitas beton berarti susunan atom unsur di dalam beton
semakin rapat maka tidak mudah ditembus radiasi. Oleh karena itu Dwiatmoko
(1998) mengadakan penelitian tentang beton berdensitas tinggi sebagai perisai
radiasi. Usaha untuk mendapatkan beton berdensitas tinggi dilakukan dengan
penggunaan agregat batu barit dan pemberian bahan kimia tambahan
superplasticizer ke dalam adukan beton, dengan beton normal sebagai
pembanding. Dari hasil penelitiannya didapatkan bahwa beton dengan agregat
batu barit memiliki kekuatan yang lebih rendah daripada beton beragregat
normal. Hal ini disebabkan karena batu barit meskipun berberat jenis tinggi
namun mempunyai kekerasan dan keuletan yang rendah. Dari penelitian pada
10
daya serap radiasi diketahui bahwa bertambahnya umur beton (7 – 28 hari)
tidak berpengaruh terhadap kemampuan serapan beton radiasi neutron.
Beton berbahan tambah meskipun terbukti meningkat sifat fisis dan
mekaniknya, namun kemampuan serapan terhadap radiasi neutron tidak beda
dengan beton tanpa bahan tambah. Beton dengan agregat batu barit dan beton
dengan agregat normal mempunyai daya serap lebih besar terhadap neutron
termal dan campuran daripada neutron cepat. Beton beragregat batu barit
meskipun mempunyai densitas tinggi sekitar 2800 – 3000 kg/m3 namun
kemampuannya menangkal radiasi neutron tidak lebih baik dibanding beton
beragregat normal yang hanya berdensitas sekitar 2400 kg/m3.
B. Radiasi
Radiasi adalah sinar yang dihasilkan oleh sumber radiasi. Tipe radiasi yang
dipancarkan oleh suatu sumber radiasi adalah sinar –X, α, , , neutron thermal,
neutron cepat dan partikel-partikel lainya. Partikel α mempunyai daya ionisasi
yang kuat, sehingga mempunyai range yang sangat kecil. Partikel
mempunyai range yang pasti. Range untuk
tidak
bertenaga 5MeV di dalam air kira-
kira β,6cm. Timbal yang tebalnya 0,5cm dapat menahan hampir semua partikel
yang energinya sampai 7 atau 8 MeV. Neutron thermal adalah neutron yang
mengalami pengurangan tenaga sehingga neutron thermal mudah diserap. Plat
cadmium atau boron yang tebalnya 1mm sudah cukup untuk menahan neutron
thermal. Sinar –X, , dan neutron cepat mempunyai daya tembus yang besar. Oleh
karena itu standar perencanaan perisai radiasi adalah bahan yang dapat menahan
neutron cepat dan , karena perisai ini dapat menahan partikel-prtikel lainya.
1. Reaksi Inti
Segala sesuatu proses yang berkaitan dengan atom, digunakan model
atom. Atom dimodelkan sebagai sistem yang terdiri dari inti bermuatan positif
yang dikelilingi oleh elektron-elektron bermuatan negatif dalam lintasanlintasanya masing-masing (Wiryosimin, 1995). Tidak semua atom memiliki
inti yang stabil, sebagian diantaranya memilliki inti yang tidak stabil yaitu
meluruh secara spontan dan berubah menjadi inti lain. (proses radioaktivitas).
11
Reaksi inti adalah proses yang terjadi antara inti dengan inti atau antara
inti dengan nukleon sehingga menyebabkan perubahan di dalam inti. Apabila
inti x ditimbuk oleh partikel p akan terjadi beberapa kemungkinan :
Z + r ; reaksi inti X=Z, p=r
P+X
X + p ; hamburan elastik, X dan p tetap
X* + p ; hamburan tak elastik, p tetap X tereksitasi
Secara umum reaksi inti dapata ditulis sebagai berikut :
P+XMZ+r
..................................(2.1)
2. Interaksi Radiasi Neutron Dengan Materi
Neutron adalah partikel penyusun inti (nukleon) yang tak bermuatan dan
memiliki massa hampir sama dengan proton. Oleh karena partikel tersebut
tidak bermuatan maka dalam gerakanya tidak terpengaruh oleh gaya coulomb
orbital maupun gaya coulomb inti, dan dapat dikatakan bahwa neutron hanya
terinteraksi dengan inti atom dari bahan yang dilaluinya.
Sumber neutron yang umum dipakai diklasifikasikan menjadi 4
kelompok berdasarkan reaksi yang terjadi (Nasirudin, 1994) yaitu :
a. Neutron dari reaksi fisi spontan
Reaksi spontan terjadi pada unsur-unsur transuranium, dengan
pemancaran neutron cepat. Reaksi ini paling sering terjadi pada unsur Cf
(Californium dengan nomor atom 98 dan massa atom 252), yang
mempunyai umur paruh 2,65 tahun dan dengan fluks neutron sebesar 2,3 x
106 n/cm2.s untuk setiap mikrogram sampel.
b. Neutron dari sumber-sumber radioisotop
Sumber-sumber ini merupakan campuran atau senyawa yang tersusun
dari sebuah bahan target dengan bahan yang mengalami peluruhan α. Reaksi
partikel α dengan bahan target akan menghasilkan neutron. Sumber (α,n)
merupakan sumber neutron terpenting karena biasanya memiliki ukuran
yang relatif kecil, sehingga mudah dibawa kemana-mana serta dapat
disesuaikan dengan jenis percobaan yang dilaksanakan. Dari seluruh sumber
radioisotop (α,n) yang ada, γ diantaranya merupakan yang terpenting yaitu
Pu-Be, Am-Be, dan Ra-Be.
12
c. Neutron dari sumber fotoneutron
Prinsip pemancaran fotoneutron ini adalah reasi tangkapan radiasi
oleh inti target, yang diikuti oleh pemancaran neutron.
d. Neutron dari reaksi partikel bermuatan yang dipercepat
Reaksi yang umum diguakan untuk menghasilkan berkas neutron jenis
ini adalah sebagai berikut ini.
2
2
1H+ 1H
32He+01n ; Q = 3,25 MeV
2
3
1H+ 1H
42He+01n ; Q = 17,6 MeV
Ada beberapa mekanisme yang terjadi apabila neutron melewati suatu
bahan diantaranya adalah hamburan lenting, hamburn tak lenting, reaksi
tangkapan dan reaksi fisi.
a. Hamburan lenting/elastis (Elastic Scattering)
Pada peristiwa ini neutron menumbuk inti atom-atom bahan dengan
cara yang sama seperti bola kelereng yang bertumbukan satu sama lainnya.
Dalam peristiwa ini berlaku hukum kekekalan momentum dan energi
kinetik yaitu jumlah energi kinetik neutron dan inti atom sasaran sebelum
tumbukan sama dengan jumlah jumlah energi kinetik setelah tumbukan.
Sesudah tumbukan neutron kehilangan sebagian energinya yang berpindah
dari inti sasaran. Seluruh energi pindah ini menjadi energi kinetik inti
sasaran dan walaupun inti mendapat tambahan energi dari luar, tapi
tambahan energi tersebut tidak mampu mebuat inti tereksitasi. Proses
hamburan lenting ini mengakibatkan energi neutron setelah proses
tumbukan menjadi berkurang.
Menurut hukum tumbukan yang berlaku, maka unsur-unsur ringan
yang massa intinya mendekati massa neutron adalah unsur yang paling baik
untuk merendahkan energi neutron, karena material tersebut dapat menyerap
sebagian besar energi neutron setiap kali terjadi tumbukan. Bahan dengan
inti yang demikkian itu misalkan : air, parafin, beton, sering diggunakan
sebagai penahan radiasi neutron.
13
b. Hamburan tak lenting/tak elastis (Inelastic Scattering)
Energi kinetik neutron dan inti atom sasaran sesudah tumbukan lebih
kecil dibanding sebelum tumbukan, sehingga dalam peristiwa hamburan tak
lenting tidak berlaku hukum kekekalan momentum dan energi kinetik.
Dalam proses ini neutron memberikan sebagian energinya pada bahan yang
ditembusnya dengan mengeksitasi inti sasaran ke tingkat energi yang lebih
tinggi. Inti atom kemudian kembali ke tingkat dasar (keadaan stabil) dengan
memancarkan sinar gamma.
Yang membedakan antara hamburan elastis dengan hamburan tak
elastis adalah pada hamburan elastis meskipun inti medapatkan energi
tambahan dari neutron tapi inti atom tidak tereksitasi, sedangkan pada
hamburan tak elastis inti atom yang menerima sebagian energi kinetik dari
neutron menjadi tereksitasi dan akan kembali ke tingkat dasar dengan
memancarkan radiasi- (Ekn > Ekn’ > Ekinti).
c. Reaksi tangkapan
Reaksi tangkapan adalah reaksi dimana neutron memberikan seluruh
energinya sehingga neutron diserap oleh inti atom. Inti akan mengalami
transmutasi inti dalam bentuk inti baru dengan nomor atom dan nomor
massa yang berbeda dengan inti semula dan mengakibatkan terpancarnya
radiasi lain seperti sinar gamma, proton, deuteron, alpha, atau radiasi lainya.
Reaksi ini terjadi pada hampir semua reaksi neutron thermal (neutron
dengan energi = 0,025 eV) (Suhaemi, 1982). Salah satu contoh treaksi
tangkapan neutron adalah :
10
B(n,α)7Li. Masuknya neutronn kedalam inti
baru yaitu litium dengan memancarkan kelebihan energi sebagai radiasi
sinar-α.
d. Reaksi fisi
Reaksi fisi merupakan reaksi antara neutron dengan inti berat
(Uranium, Thorium, Plutonium) dan menghasilkan 2 buah nuklida
yang mempunyai massa hampir sama dan disertai dengan pancaran 23 neutron berenergi tinggi. Neutron-neutron lambat dapat
menyebabkan terjadinya reaksi ini (PUSIKLAT-BATAN, 1986).
14
3. Tampang Lintang Materi (Neutron Cross Section)
Tampang lintang neutron adalah besaran yang mendeskripsikan interaksi
neutron dengan bahan. Pada saat neutron menembus bahan, akan mengalami
hambburan dan serapan dengan 4 prinsip mekanisme seperti hamburan lenting,
hamb uran tak lenting, tangkapan neutron dan reaksi fisi. Untuk memeriksa
jenis dan kemungkinan interaksi tersebut digunakan pengertian tampang
lintang (cross section). Tampang lintang neutron dari satu atom saja disebut
tampang lintang mikroskopik dengan simbol ‘σ’ (sigma).
Tampang lintang sebuah materi ada dua jenis, yaitu :
a. Tampang lintang removal (σr)
b. Tampang lintang removal makroskopik (∑r)
4. Atenuasi Neutron
Pengurangan energi neutron pada saat melewati bahan terjadi karena
neutron berenergi tinggi akan mengalami perlambatan (slowing down) oleh
hamburan lenting maupun hamburan tak lenting, sehingga energinya turun
sampai ke daerah thermal. Setelah energi neutron menjadi rendah, maka
neutron diserap bahan dalam mekanisme tangkapan neutron. Pada energi
sangat rendah, hampir semua atom unsur memounyai tampang lintang serapan
yang besar sehingga daya tembus neutron thermal didalam bahan lebih kecil
daripada neutron berenergi tinggi (neutron cepat). Proses perlambatan neutron
cepat sampai ke daerah thermal disebut moderasi dan bahan yang digunakan
untuk memperlambat laju neutron disebut moderator. Bahan yang umum
dipakai sebagai moderator adalam bahan yang banyak mengandung hidrogen
seperti air dan parafin, sebab tumbukan elastis dari unsur ringan terutama
hidrogen sangat efektif dalam mengurangi energi neutron. Sehingga bahan
untuk moderator dikehendaki mempunyai tampang lintang hamburan sebesarbesarnya, namun mempunyai tampang lintang serapan sekecil-kecilnya karena
suatu moderator tidak dapat menyerap neutron dalam jumlah banyak.
Hamburan tak lenting biasanya menghasilkan penurunan energi neutron
yang besar, tetapi proses ini hanya mungkin terjadi untuk neutron cepat dengan
elemen-elemen berat yang merupakan jenis penghambur yang paling efektif,
tampang lintang Hamburannya akan bertannbah besar dengan bertambahnya
15
energi neutron dan nomor atom bahan perisai. Materi yang ringan seperti
hidrogen tidak dapat menghasilkan hamburan tak lenting karena hidrogen tidak
memiliki tingkat eksitasi.
5. Analisa Pengaktifan Neutron Cepat
Berkat dikembangkanya teknik analisa unsur-unsur kelumit (unsurunsur dalam kadaar yang sangat rendah) yang sering disebut analisis
pengaktifan neutron (APN) maka penggunaan spektometri-γ dalam
berbagai bidang ilmu pengetahuan dan teknologi pada saat ini sudah
sangat luas, misalnya penggunaan dibidang industri, bidang pertanian
bidang kedokteran dan bidang penelitian. Teknik analisis ini ditemukan
oleh seorang ahli hongaria bernama George Havesy pada tahun 1936
ketika ia mencoba mementukan impuritas disprosium dalam cuplikan
vtrium dengan cara menembaki cuplikan tersebut dengan neutron
(Sugiyanto, 1996).
Dalam analisis pengaktifan neutron, cuplikan yang akan di analisis
diiradiasi dengan menggunakan sumber neutron. Akibat iradiasi, inti atom
unsur-unsur yang berada dalam cuplikan tersebut akan menangkap neutron dan
berubah menjadi besifat radioaktif. Setelah paparan radiasi neutron dianggap
cukup, iradiasi dihentikan dan cuplikan dikeluarkan dari ruang iradiasi.
Cuplikan tersebut sekarang bersifat radioaktif. Sinar gamma yang dipancarkan
oleh berbagai unsur dalam cuplikan dapat dianalisis secara spektometri-γ.
Analisis kualitatif didasarkan pada energi gamma yang dipancarkan dan dapat
digunakan untuk mengidentifikasi unsur yang terkandung dalam cuplikan,
sedangkan analisis kuantitatif dilakukan dengan menentukan intensitas sinar
gamma. Dari kedua analisa didapatkan berbagai informasi cuplikan.
6. Interaksi Radiasi Gamma dengan Materi
Sinar
gamma
merupakan
gelombang
elektromagnetik
sehingga
mempunyai daya tembus yang besar. Sinar gamma akan diserap oleh bahan
sebagai fungsi tenaga awal foton, nomor atom dan kerapatan bahan penyerap.
Ada 3 proses yang penting bila foton gamma berinteraksi dengan materi yaitu
efek fotolistrik, hamburan compton dan produksi pasangan.
a. Efek fotolistrik
Efek fotolistrik adalah interaksi antara foton gamma dengan sebuah
elektron yang terikat kuat dalam atom yaitu elektron pada kulit bagian
dalam atom (kulit K atau L). Foton gamma tersebut memberikan seluruh
energinya kepada elektron dan elektron terlepas dari susunan atom dengan
16
energi kinetik sebesar selisih antara energi foton gamma dengan energi ikat
elektron.
b. Hamburan Compton
Hamburan compton merupakan interaksi antara foton gamma dengan
elektron bebas atau elektron yang terikat paling lemah. Bila foton gamma
menumbuk elektron jenis ini maka foton gamma akan memberikan sebagian
energinya kepada elektron itu lalu terhambur dengan sudut tertentu terhadap
arah gerak foton mula-mula. Energi foton gamma yang terhambur setelah
terjadi tumbukan merupaka fungsi dari energi gamma mula-mula dengan
sudut hamburan.
c. Produksi Pasangan
Apabila foton gamma yang berenergi cukup tinggi melewati medan
inti maka akan terjadi interaksi antara medan positif dari inti atom dengan
foton tersebut, maka foton gamma akan lenyap dan berubah menjadi
pasangan elektron-positron.
7. Atenuasi Gamma
Kehilangan energi sinar gamma pada saat melewati suatu bahan terjadi
karena 3 proses utama yaitu efek fotolistrik, hamburan compton dan produksi
pasangan.
Apabila Io adalah intensitas sinar gamma yang datang pada permukaan
bahan dan Ix adalah intensitras sinar gamma yang berhasil menembus lapisan
setebal x bahan tersebut, maka akan terjadi pengurangan intensitas. Hubungan
antara Io dan Ix adalah
Ix = Io e-μx
............................(2.2)
Dengan μ adalah koefisien atenuasi linier (cm ). Seringkali x digantikan
-1
dengan ρx yang menyatakan massa dari lapisan setebal x dengan penampang
1cm2 (gr/cm2) dan μ digantikan oleh μ/ρ yang merupakan koefisien absorbsi
massa (cm2/gr).
Rumus diatas banyak digunakan dalam perhitungan perencanaan perisai
radiasi. Apabila tebal x dipilih sedemikian rupa sehingga Ix = ½ Io, maka x =
x1/2 dan disebut tebal paro atau half value layer (HVL). Tebal paro dapat
ditentukan dengan persamaan :
17
⁄
............................(2.3)
Apabila x = 2 x1/2 maka,
Ix = ½ (Io/2) = Io/4
..........................(2.4)
Oleh karena penyerapan energi sinar gamma ditentukan oleh 3 proses
utama, yaitu efek fotolistrik, hamburan compton, dan produksi pasangan, maka
koefisien arbsorbsi linier μ juga ditentukan oleh ketiga proses diatas.
μt = μfl + μc + μpp
...........................(2.5)
Dengan μt adalah koefisien arbsorbsi total dan μfl, μc, μpp masing-masing
adalah koefisien arbsorbsi yang disebabkan oleh efek fotolistrik, hamburan
compton dan produksi pasangan.
Karena macam interaksi radiasi dengan materi berlainan tergantung pada
energi radiasi, maka untuk setiap macam didapatkan harga koefisien arbsorbsi
yang berbeda, bahan yang paling efektif menyerap radiasi gamma adalah bahan
yang memiliki nomor atom dan rapat massa yang tinggi.
DASAR TEORI
A. Beton
Beton didapat dari pencampuran bahan-bahan agregat halus dan kasar
seperti pasir, batu, batu pecah, atau bahan semacam lainnya yang kemudian
ditambahkan dengan bahan perekat yaitu semen yang dicampur air sebagai bahan
pemicu reaksi kimia selama proses pengerasan dan perawatan beton.
1. Bahan Penyusun Beton
a. Semen Portland
Semen Portland adalah semen hidrolis yang dihasilkan dengan cara
menghaluskan klinker yang terdiri dari silikat-silikat yang bersifat hidrolis
dengan gips sebagai bahan tambahan. (PUBI, 1982).
Walaupun volume semen hanya sekitar 10% dari volume total beton,
namun semen ini merupakan bahan aktif yang sangat penting karena semen
berfungsi sebagai perekat butir-butir agregat agar terjadi suatu massa yang
padat (Tjokrodimuljo, 1996).
Komponen utama penyusun semen Portland adalah oksida kapur
(CaO), oksida silika (SiO2), oksida alumina (Al2O3) dan oksida besi (Fe2O3).
Kandungan kombinasi keempat oksida tersebut kurang lebih 90% dari berat
semen dan biasanya dinamakan oksida mayor. Sedangkan sisa 10% yang
terdiri dari oksida magnesium (MgO), sulfur (SO3), dan soda/potash (Na2O
+ K2O) disebut oksida minor. Prosentase masing-masing dapat dilihat di
Tabel 2.1.
Tabel 2.1. Komposisi bahan dasar semen biasa (Neville & Brooks, 1987).
Oksida
Prosentase (%)
CaO (Kapur)
60 – 67
SiO2 (Silika)
17 – 25
Al2O3 (Alumina)
3–8
Fe2O3 (Besi oksida)
0,5 – 6,0
MgO (Magnesium)
0,1 – 4,0
5
Na2O + K2O (Soda/Potash)
SO3 (Sulfur)
0,2 – 1,3
1,3
Keempat oksida utama semen akan melebur dan menghasilkan empat
macam senyawa kimia yang besar pengaruhnya terhadap sifat ikatan dan
pengerasan pada semen ketika bercampur dan bereaksi dengan air dalam
proses hidrasi. Senyawa-senyawa tersebut adalah:
1) Trikalsium Silikat (C3S) atau 3CaO. SiO2
2) Dikalsium Silikat (C2S) atau 2CaO. SiO2
3) Trikalsium Aluminat (C3A) atau 3CaO. Al2O3
4) Tetrakalsium Aluminoferit (C4AF) atau 4CaO. Al2O3. Fe2O3.
Senyawa C3A berhidrasi sangat cepat disertai pelepasan
sejumlah besar panas dan memberikan kekuatan awal setelah 24 jam,
namun kurang tahan terhadap agresi sulfat yang dapat menimbulkan
retak beton. Hidrasi C3S akan menghasilkan pengerasan dan pelepasan
sejumlah panas dalam beberapa jam hingga sebelum umur 14 hari
pertama. Sedangkan C2S reaksi hidrasinya berjalan perlahan dan
pelepasan panasnya berlangsung lambat sebihngga berpengaruh pada
pengerasan setelah umur 14 hari hingga mencapai umur 28 hari
sebagai kekuatan akhir, akan tetapi lebih tahan dan mengurangi
pengaruh agresi kimia dan susut kering. Untuk senyawa C4AF kurang
penting keberadaannya karena tidak terlihat pengaruhnya terhadap
pengerasan dan kekuatan pasta semen (Tjokrodimuljo, 1996).
b. Air
Air di dalam adukan beton mempunyai dua fungsi, yang pertama
sebagai pelumas antara campuran butiran agregat dan semen agar dapat
mudah dikerjakan dan dipadatkan dan yang kedua diperlukan untuk bereaksi
dengan semen sehingga menyebabkan pengikatan dan berlangsungnya
pengerasan. Untuk berlangsungnya proses hidrasi dibutuhkan air sekitar
25% dari berat semen (Murdock & Brook, 1991). Kriteria air (selain air
minum) yang dapat dipakai sebagai bahan campuran beton adalah bila dari
beton yang dihasilkan diperoleh kekuatan lebih dari 90% kekuatan beton
yang menggunakan air suling.
6
Dalam pemakaian air untuk beton, sebaiknya air memenuhi syarat
sebagai berikut:
1).Tidak mengandung lumpur (benda melayang lainnya) lebih dari 2
gram/liter
2).Tidak mengandung garam-garam yang dapat merusak beton (asam, zat
organik, dan sebagainya) lebih dari 15 gram/liter
3).Tidak mengandung klorida (Cl) lebih dari 0,5 gram/liter
4).Tidak mengandung senyawa sulfat lebih dari 1 gram/liter.
Untuk air perawatan terutama dalam jangka waktu lama tidak boleh
terkandung zat organik karena dapat menimbulkan noda-noda dan
perubahan warna pada permukaan betonnya (Tjokrodimuljo, 1996).
c. Agregat
Agregat adalah butiran mineral alami yang berfungsi sebagai bahan
pengisi dalam campuran adukan beton atau mortar. Agregat tersebut kirakira menempati 70% dari volume total beton (Tjokrodimuljo, 1996). Oleh
karena itu sifat dan mutu agregat yang digunakan sangat berpengaruh
terhadap sifat dan mutu beton yang dihasilkan. Sifat penting agregat adalah
kekuatan hancur dan kekuatan terhadap benturan yang dapat berpengaruh
terhadap ikatan dengan semen, porositas, karakteristik terhadap penyerapan
air yang berpengaruh terhadap perubahan cuaca, ketahanan terhadap zat
kimia, dan ketahanan terhadap penyusutan.
Berdasarkan ukuran butirannya, agregat dapat dibedakan menjadi
agregat kasar (coarse aggregate) dan agregat halus (fine aggregate).
1. Agregat kasar
Agregat kasar adalah agregat dengan butiran lebih besar dari 4,80
mm. Agregat kasar untuk beton dapat berupa kerikil sebagai hasil
disintegrasi alami dari batu-batuan atau berupa batu pecah yang diperoleh
dari pemecahan batu.
2. Agregat halus
Agregat halus adalah agregat dengan butiran lebih kecil dari 4,80
mm. Agregat halus untuk beton dapat berupa pasir alam sebagai hasil
7
disintegrasi alami dari batuan-batuan atau berupa pasir buatan yang
dihasilkan oleh alat-alat pemecah batu.
d. Bahan tambah
Bahan tambah ialah bahan selain unsur pokok beton (air, semen, dan
agregat) yang ditambahkan pada adukan beton, sebelum, segera, atau
selama pengadukan beton. Tujuannya adalah untuk mengubah satu atau
lebih sifat-sifat beton sewaktu masih dalam keadaan segar atau setelah
mengeras.
2. Beton Densitas Tinggi
Untuk perisai radiasi umumnya digunakan beton, karena sifat menyerap
radiasi dan sifat mekanisnya yang bagus, selain itu juga karena durabilitas
(keawetan) yang tinggi dan lebih ekonomis. Beton yang digunakan sebagai
perisai radiasi biasanya adalah beton normal, tetapi penggunaan beton
berdensitas tinggi penting untuk mengurangi ketebalan perisai sehingga tidak
banyak membutuhkan tempat. Untuk menambah kepadatan beton, agregat
biasa diganti dengan agregat berat yang mempunyai berat jenis tinggi.
Batu slag atau steel slag merupakan limbah dari pembuatan baja.
Batu slag didapat dari dapur listrik dengan temperatur 16000C dan tidak
dapat dilebur lagi menjadi baja. Batu slag mempunyai permukaan kasar,
berlubang-lubang, bentuk tak sejenis antara kubikal dan bentuk tak
beraturan seperti batu kerikil. Warna batu slag adalah hitam keabu-abuan
(hitam kotor), dan batu slag melekat pada magnet (Fardin, 1999)
Dalam SK SNI T-15-1990-03 dinyatakan bahwa berat jenis beton normal
antara 2200 kg/m3 sampai 2500 kg/m3. Dilihat dari berat jenisnya, beton yang
menggunakan batu slag sebagai agregatnya tidak termasuk kategori beton
normal karena mempunyai berat jenis yang lebih besar dari berat jenis beton
normal. Maka bisa dikategorikan beton berat atau beton berdensitas tinggi.
Batu slag merupakan agregat berat yang tidak memerlukan perlakuan khusus
dalam proporsi campuran beton, namun perlu penanganan hati-hati selama
pengerjaan (pengadukan, pengangkutan, pengecoran, dan pemadatan) beton
segarnya dari bahaya segregasi dan degradasi butiran.
Sifat yang mirip juga dimiliki oleh limbah-limbah proyek konstruki
semacam paku atau besi tulangan. Limbah-limbah tersebut juga bisa digunakan
sebagai bahan tambah dalam pembuatan beton. Karena sifatnya yang berat
8
beton akan menjadi berat juga, sehingga beton densitas tinggi yang tahan
radiasi akan tercipta dari bahan limbah paku dan bersi tulangan.
3. Beton Perisai Radiasi
Beton perisai radiasi adalah komponen struktur beton yang merupakan
bagian dari sistem pengamanan yang diperlukan pada kegiatan yang
berhubungan dengan radiasi pengion dan radiasi neutron untuk melindungi
kesehatan manusia dari penyinaran lebih yang membahayakan (SK SNI S-171990-3).
Jenis radiasi yang membahayakan adalah radiasi neutron, radiasi gamma,
dan radiasi sinar X. Sebab ketiga jenis radiasi tersebut mempunyai jangkauan
yang panjang, daya tembus tinggi, dan bersifat radiasi pengion (Dwiatmoko,
1998).
Radiasi gamma merupakan faktor yang amat menentukan dalam
pembuatan perisai, oleh karena itu perlu unsur dengan berat atom yang tinggi
dalam perisai untukku menahan pancaran radiasi gamma tersebut.
Bahan yang mempunyai berat atom tinggi seperti timbal (Pb) dan besi
(Fe) merupakan penyerap paling baik untuk radiasi gamma dan sinar X.
Sedangkan bahan yang berat atomnya berat terutama hidrogen (H) paling
efektif mengatenuasi neutron cepat (Stephenson, 1954). Masalah timbul saat
pemilihan bahan perisai adalah apabila radiasi neutron dan gamma muncul
bersamaan sebagai hasil reaksi fisi. Tidak ada satupun bahan yang mampu
menyerap neutron dan gamma sama baiknya. Oleh sebab itu, perisai dalam
struktur reaktor memerlukan bahan yang di dalamnya terkandung elemen
ringan maupun elemen berat. Dalam hal ini bahan tersebut adalah beton.
9
Menurut Suhaemi (1982) spesifikasi umum bahan perisai radiasi neutron
cepat adalah sebagai berikut:
1. Kandungan hidrogen hendaklah sebanyak mungkin
2. Berat perisai dibuat seminimum mungkin
3. Bahan harus tahan panas
4. Bahan tidak beracun atau dapat menimbulkan gas racun bila dipanaskan
5. Bahan tidak berbau
6. Bahan harus tahan sinar dan tahan terhadap air
7. Permukaan bahan harus licin
8. Bahan perisai tidak membuat efek korosi terhadap zat mineral reaktor di
sekelilingnya
9. Bahan harus stabil struktur mikronya
10. Perisai sebaiknya mudah dipindahkan dan mudah direparasi
11. Bahan sebaiknya mudah dibuat horizontal maupun vertikal
12. Bahan harus mempunyai sifat ketahanan yang tinggi terhadap bahaya
radiasi
13. Bahan-bahan harus mempunyai sifat-sifat nuklir yang baik, yaitu
mempunyai tampang lintang serapan yang tinggi, koefisien atenuasi
gamma yang tinggi dan energi produk gamma sebagai hasil tangkapan dan
hamburan lenting neutron yang rendah.
Sebagai perisai radiasi densitas yang tinggi mutlak dimiliki beton, sebab
semakin tinggi densitas beton berarti susunan atom unsur di dalam beton
semakin rapat maka tidak mudah ditembus radiasi. Oleh karena itu Dwiatmoko
(1998) mengadakan penelitian tentang beton berdensitas tinggi sebagai perisai
radiasi. Usaha untuk mendapatkan beton berdensitas tinggi dilakukan dengan
penggunaan agregat batu barit dan pemberian bahan kimia tambahan
superplasticizer ke dalam adukan beton, dengan beton normal sebagai
pembanding. Dari hasil penelitiannya didapatkan bahwa beton dengan agregat
batu barit memiliki kekuatan yang lebih rendah daripada beton beragregat
normal. Hal ini disebabkan karena batu barit meskipun berberat jenis tinggi
namun mempunyai kekerasan dan keuletan yang rendah. Dari penelitian pada
10
daya serap radiasi diketahui bahwa bertambahnya umur beton (7 – 28 hari)
tidak berpengaruh terhadap kemampuan serapan beton radiasi neutron.
Beton berbahan tambah meskipun terbukti meningkat sifat fisis dan
mekaniknya, namun kemampuan serapan terhadap radiasi neutron tidak beda
dengan beton tanpa bahan tambah. Beton dengan agregat batu barit dan beton
dengan agregat normal mempunyai daya serap lebih besar terhadap neutron
termal dan campuran daripada neutron cepat. Beton beragregat batu barit
meskipun mempunyai densitas tinggi sekitar 2800 – 3000 kg/m3 namun
kemampuannya menangkal radiasi neutron tidak lebih baik dibanding beton
beragregat normal yang hanya berdensitas sekitar 2400 kg/m3.
B. Radiasi
Radiasi adalah sinar yang dihasilkan oleh sumber radiasi. Tipe radiasi yang
dipancarkan oleh suatu sumber radiasi adalah sinar –X, α, , , neutron thermal,
neutron cepat dan partikel-partikel lainya. Partikel α mempunyai daya ionisasi
yang kuat, sehingga mempunyai range yang sangat kecil. Partikel
mempunyai range yang pasti. Range untuk
tidak
bertenaga 5MeV di dalam air kira-
kira β,6cm. Timbal yang tebalnya 0,5cm dapat menahan hampir semua partikel
yang energinya sampai 7 atau 8 MeV. Neutron thermal adalah neutron yang
mengalami pengurangan tenaga sehingga neutron thermal mudah diserap. Plat
cadmium atau boron yang tebalnya 1mm sudah cukup untuk menahan neutron
thermal. Sinar –X, , dan neutron cepat mempunyai daya tembus yang besar. Oleh
karena itu standar perencanaan perisai radiasi adalah bahan yang dapat menahan
neutron cepat dan , karena perisai ini dapat menahan partikel-prtikel lainya.
1. Reaksi Inti
Segala sesuatu proses yang berkaitan dengan atom, digunakan model
atom. Atom dimodelkan sebagai sistem yang terdiri dari inti bermuatan positif
yang dikelilingi oleh elektron-elektron bermuatan negatif dalam lintasanlintasanya masing-masing (Wiryosimin, 1995). Tidak semua atom memiliki
inti yang stabil, sebagian diantaranya memilliki inti yang tidak stabil yaitu
meluruh secara spontan dan berubah menjadi inti lain. (proses radioaktivitas).
11
Reaksi inti adalah proses yang terjadi antara inti dengan inti atau antara
inti dengan nukleon sehingga menyebabkan perubahan di dalam inti. Apabila
inti x ditimbuk oleh partikel p akan terjadi beberapa kemungkinan :
Z + r ; reaksi inti X=Z, p=r
P+X
X + p ; hamburan elastik, X dan p tetap
X* + p ; hamburan tak elastik, p tetap X tereksitasi
Secara umum reaksi inti dapata ditulis sebagai berikut :
P+XMZ+r
..................................(2.1)
2. Interaksi Radiasi Neutron Dengan Materi
Neutron adalah partikel penyusun inti (nukleon) yang tak bermuatan dan
memiliki massa hampir sama dengan proton. Oleh karena partikel tersebut
tidak bermuatan maka dalam gerakanya tidak terpengaruh oleh gaya coulomb
orbital maupun gaya coulomb inti, dan dapat dikatakan bahwa neutron hanya
terinteraksi dengan inti atom dari bahan yang dilaluinya.
Sumber neutron yang umum dipakai diklasifikasikan menjadi 4
kelompok berdasarkan reaksi yang terjadi (Nasirudin, 1994) yaitu :
a. Neutron dari reaksi fisi spontan
Reaksi spontan terjadi pada unsur-unsur transuranium, dengan
pemancaran neutron cepat. Reaksi ini paling sering terjadi pada unsur Cf
(Californium dengan nomor atom 98 dan massa atom 252), yang
mempunyai umur paruh 2,65 tahun dan dengan fluks neutron sebesar 2,3 x
106 n/cm2.s untuk setiap mikrogram sampel.
b. Neutron dari sumber-sumber radioisotop
Sumber-sumber ini merupakan campuran atau senyawa yang tersusun
dari sebuah bahan target dengan bahan yang mengalami peluruhan α. Reaksi
partikel α dengan bahan target akan menghasilkan neutron. Sumber (α,n)
merupakan sumber neutron terpenting karena biasanya memiliki ukuran
yang relatif kecil, sehingga mudah dibawa kemana-mana serta dapat
disesuaikan dengan jenis percobaan yang dilaksanakan. Dari seluruh sumber
radioisotop (α,n) yang ada, γ diantaranya merupakan yang terpenting yaitu
Pu-Be, Am-Be, dan Ra-Be.
12
c. Neutron dari sumber fotoneutron
Prinsip pemancaran fotoneutron ini adalah reasi tangkapan radiasi
oleh inti target, yang diikuti oleh pemancaran neutron.
d. Neutron dari reaksi partikel bermuatan yang dipercepat
Reaksi yang umum diguakan untuk menghasilkan berkas neutron jenis
ini adalah sebagai berikut ini.
2
2
1H+ 1H
32He+01n ; Q = 3,25 MeV
2
3
1H+ 1H
42He+01n ; Q = 17,6 MeV
Ada beberapa mekanisme yang terjadi apabila neutron melewati suatu
bahan diantaranya adalah hamburan lenting, hamburn tak lenting, reaksi
tangkapan dan reaksi fisi.
a. Hamburan lenting/elastis (Elastic Scattering)
Pada peristiwa ini neutron menumbuk inti atom-atom bahan dengan
cara yang sama seperti bola kelereng yang bertumbukan satu sama lainnya.
Dalam peristiwa ini berlaku hukum kekekalan momentum dan energi
kinetik yaitu jumlah energi kinetik neutron dan inti atom sasaran sebelum
tumbukan sama dengan jumlah jumlah energi kinetik setelah tumbukan.
Sesudah tumbukan neutron kehilangan sebagian energinya yang berpindah
dari inti sasaran. Seluruh energi pindah ini menjadi energi kinetik inti
sasaran dan walaupun inti mendapat tambahan energi dari luar, tapi
tambahan energi tersebut tidak mampu mebuat inti tereksitasi. Proses
hamburan lenting ini mengakibatkan energi neutron setelah proses
tumbukan menjadi berkurang.
Menurut hukum tumbukan yang berlaku, maka unsur-unsur ringan
yang massa intinya mendekati massa neutron adalah unsur yang paling baik
untuk merendahkan energi neutron, karena material tersebut dapat menyerap
sebagian besar energi neutron setiap kali terjadi tumbukan. Bahan dengan
inti yang demikkian itu misalkan : air, parafin, beton, sering diggunakan
sebagai penahan radiasi neutron.
13
b. Hamburan tak lenting/tak elastis (Inelastic Scattering)
Energi kinetik neutron dan inti atom sasaran sesudah tumbukan lebih
kecil dibanding sebelum tumbukan, sehingga dalam peristiwa hamburan tak
lenting tidak berlaku hukum kekekalan momentum dan energi kinetik.
Dalam proses ini neutron memberikan sebagian energinya pada bahan yang
ditembusnya dengan mengeksitasi inti sasaran ke tingkat energi yang lebih
tinggi. Inti atom kemudian kembali ke tingkat dasar (keadaan stabil) dengan
memancarkan sinar gamma.
Yang membedakan antara hamburan elastis dengan hamburan tak
elastis adalah pada hamburan elastis meskipun inti medapatkan energi
tambahan dari neutron tapi inti atom tidak tereksitasi, sedangkan pada
hamburan tak elastis inti atom yang menerima sebagian energi kinetik dari
neutron menjadi tereksitasi dan akan kembali ke tingkat dasar dengan
memancarkan radiasi- (Ekn > Ekn’ > Ekinti).
c. Reaksi tangkapan
Reaksi tangkapan adalah reaksi dimana neutron memberikan seluruh
energinya sehingga neutron diserap oleh inti atom. Inti akan mengalami
transmutasi inti dalam bentuk inti baru dengan nomor atom dan nomor
massa yang berbeda dengan inti semula dan mengakibatkan terpancarnya
radiasi lain seperti sinar gamma, proton, deuteron, alpha, atau radiasi lainya.
Reaksi ini terjadi pada hampir semua reaksi neutron thermal (neutron
dengan energi = 0,025 eV) (Suhaemi, 1982). Salah satu contoh treaksi
tangkapan neutron adalah :
10
B(n,α)7Li. Masuknya neutronn kedalam inti
baru yaitu litium dengan memancarkan kelebihan energi sebagai radiasi
sinar-α.
d. Reaksi fisi
Reaksi fisi merupakan reaksi antara neutron dengan inti berat
(Uranium, Thorium, Plutonium) dan menghasilkan 2 buah nuklida
yang mempunyai massa hampir sama dan disertai dengan pancaran 23 neutron berenergi tinggi. Neutron-neutron lambat dapat
menyebabkan terjadinya reaksi ini (PUSIKLAT-BATAN, 1986).
14
3. Tampang Lintang Materi (Neutron Cross Section)
Tampang lintang neutron adalah besaran yang mendeskripsikan interaksi
neutron dengan bahan. Pada saat neutron menembus bahan, akan mengalami
hambburan dan serapan dengan 4 prinsip mekanisme seperti hamburan lenting,
hamb uran tak lenting, tangkapan neutron dan reaksi fisi. Untuk memeriksa
jenis dan kemungkinan interaksi tersebut digunakan pengertian tampang
lintang (cross section). Tampang lintang neutron dari satu atom saja disebut
tampang lintang mikroskopik dengan simbol ‘σ’ (sigma).
Tampang lintang sebuah materi ada dua jenis, yaitu :
a. Tampang lintang removal (σr)
b. Tampang lintang removal makroskopik (∑r)
4. Atenuasi Neutron
Pengurangan energi neutron pada saat melewati bahan terjadi karena
neutron berenergi tinggi akan mengalami perlambatan (slowing down) oleh
hamburan lenting maupun hamburan tak lenting, sehingga energinya turun
sampai ke daerah thermal. Setelah energi neutron menjadi rendah, maka
neutron diserap bahan dalam mekanisme tangkapan neutron. Pada energi
sangat rendah, hampir semua atom unsur memounyai tampang lintang serapan
yang besar sehingga daya tembus neutron thermal didalam bahan lebih kecil
daripada neutron berenergi tinggi (neutron cepat). Proses perlambatan neutron
cepat sampai ke daerah thermal disebut moderasi dan bahan yang digunakan
untuk memperlambat laju neutron disebut moderator. Bahan yang umum
dipakai sebagai moderator adalam bahan yang banyak mengandung hidrogen
seperti air dan parafin, sebab tumbukan elastis dari unsur ringan terutama
hidrogen sangat efektif dalam mengurangi energi neutron. Sehingga bahan
untuk moderator dikehendaki mempunyai tampang lintang hamburan sebesarbesarnya, namun mempunyai tampang lintang serapan sekecil-kecilnya karena
suatu moderator tidak dapat menyerap neutron dalam jumlah banyak.
Hamburan tak lenting biasanya menghasilkan penurunan energi neutron
yang besar, tetapi proses ini hanya mungkin terjadi untuk neutron cepat dengan
elemen-elemen berat yang merupakan jenis penghambur yang paling efektif,
tampang lintang Hamburannya akan bertannbah besar dengan bertambahnya
15
energi neutron dan nomor atom bahan perisai. Materi yang ringan seperti
hidrogen tidak dapat menghasilkan hamburan tak lenting karena hidrogen tidak
memiliki tingkat eksitasi.
5. Analisa Pengaktifan Neutron Cepat
Berkat dikembangkanya teknik analisa unsur-unsur kelumit (unsurunsur dalam kadaar yang sangat rendah) yang sering disebut analisis
pengaktifan neutron (APN) maka penggunaan spektometri-γ dalam
berbagai bidang ilmu pengetahuan dan teknologi pada saat ini sudah
sangat luas, misalnya penggunaan dibidang industri, bidang pertanian
bidang kedokteran dan bidang penelitian. Teknik analisis ini ditemukan
oleh seorang ahli hongaria bernama George Havesy pada tahun 1936
ketika ia mencoba mementukan impuritas disprosium dalam cuplikan
vtrium dengan cara menembaki cuplikan tersebut dengan neutron
(Sugiyanto, 1996).
Dalam analisis pengaktifan neutron, cuplikan yang akan di analisis
diiradiasi dengan menggunakan sumber neutron. Akibat iradiasi, inti atom
unsur-unsur yang berada dalam cuplikan tersebut akan menangkap neutron dan
berubah menjadi besifat radioaktif. Setelah paparan radiasi neutron dianggap
cukup, iradiasi dihentikan dan cuplikan dikeluarkan dari ruang iradiasi.
Cuplikan tersebut sekarang bersifat radioaktif. Sinar gamma yang dipancarkan
oleh berbagai unsur dalam cuplikan dapat dianalisis secara spektometri-γ.
Analisis kualitatif didasarkan pada energi gamma yang dipancarkan dan dapat
digunakan untuk mengidentifikasi unsur yang terkandung dalam cuplikan,
sedangkan analisis kuantitatif dilakukan dengan menentukan intensitas sinar
gamma. Dari kedua analisa didapatkan berbagai informasi cuplikan.
6. Interaksi Radiasi Gamma dengan Materi
Sinar
gamma
merupakan
gelombang
elektromagnetik
sehingga
mempunyai daya tembus yang besar. Sinar gamma akan diserap oleh bahan
sebagai fungsi tenaga awal foton, nomor atom dan kerapatan bahan penyerap.
Ada 3 proses yang penting bila foton gamma berinteraksi dengan materi yaitu
efek fotolistrik, hamburan compton dan produksi pasangan.
a. Efek fotolistrik
Efek fotolistrik adalah interaksi antara foton gamma dengan sebuah
elektron yang terikat kuat dalam atom yaitu elektron pada kulit bagian
dalam atom (kulit K atau L). Foton gamma tersebut memberikan seluruh
energinya kepada elektron dan elektron terlepas dari susunan atom dengan
16
energi kinetik sebesar selisih antara energi foton gamma dengan energi ikat
elektron.
b. Hamburan Compton
Hamburan compton merupakan interaksi antara foton gamma dengan
elektron bebas atau elektron yang terikat paling lemah. Bila foton gamma
menumbuk elektron jenis ini maka foton gamma akan memberikan sebagian
energinya kepada elektron itu lalu terhambur dengan sudut tertentu terhadap
arah gerak foton mula-mula. Energi foton gamma yang terhambur setelah
terjadi tumbukan merupaka fungsi dari energi gamma mula-mula dengan
sudut hamburan.
c. Produksi Pasangan
Apabila foton gamma yang berenergi cukup tinggi melewati medan
inti maka akan terjadi interaksi antara medan positif dari inti atom dengan
foton tersebut, maka foton gamma akan lenyap dan berubah menjadi
pasangan elektron-positron.
7. Atenuasi Gamma
Kehilangan energi sinar gamma pada saat melewati suatu bahan terjadi
karena 3 proses utama yaitu efek fotolistrik, hamburan compton dan produksi
pasangan.
Apabila Io adalah intensitas sinar gamma yang datang pada permukaan
bahan dan Ix adalah intensitras sinar gamma yang berhasil menembus lapisan
setebal x bahan tersebut, maka akan terjadi pengurangan intensitas. Hubungan
antara Io dan Ix adalah
Ix = Io e-μx
............................(2.2)
Dengan μ adalah koefisien atenuasi linier (cm ). Seringkali x digantikan
-1
dengan ρx yang menyatakan massa dari lapisan setebal x dengan penampang
1cm2 (gr/cm2) dan μ digantikan oleh μ/ρ yang merupakan koefisien absorbsi
massa (cm2/gr).
Rumus diatas banyak digunakan dalam perhitungan perencanaan perisai
radiasi. Apabila tebal x dipilih sedemikian rupa sehingga Ix = ½ Io, maka x =
x1/2 dan disebut tebal paro atau half value layer (HVL). Tebal paro dapat
ditentukan dengan persamaan :
17
⁄
............................(2.3)
Apabila x = 2 x1/2 maka,
Ix = ½ (Io/2) = Io/4
..........................(2.4)
Oleh karena penyerapan energi sinar gamma ditentukan oleh 3 proses
utama, yaitu efek fotolistrik, hamburan compton, dan produksi pasangan, maka
koefisien arbsorbsi linier μ juga ditentukan oleh ketiga proses diatas.
μt = μfl + μc + μpp
...........................(2.5)
Dengan μt adalah koefisien arbsorbsi total dan μfl, μc, μpp masing-masing
adalah koefisien arbsorbsi yang disebabkan oleh efek fotolistrik, hamburan
compton dan produksi pasangan.
Karena macam interaksi radiasi dengan materi berlainan tergantung pada
energi radiasi, maka untuk setiap macam didapatkan harga koefisien arbsorbsi
yang berbeda, bahan yang paling efektif menyerap radiasi gamma adalah bahan
yang memiliki nomor atom dan rapat massa yang tinggi.