TUGAS AKHIR - Multipoint data logger of radioactive counter - USD Repository

  

TUGAS AKHIR

MULTIPOINT DATA LOGGER

OF RADIOACTIVE COUNTER

Diajukan untuk memenuhi salah satu syarat

memperoleh gelar Sarjana Teknik pada

  

Program Studi Teknik Elektro

Fakultas Teknik Universitas Sanata Dharma

disusun oleh

  

ANTONIUS WAHYU PRIYONO

00 5114 041

PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

  

2007

  

MULTIPOINT DATA LOGGER

OF RADIOACTIVE COUNTER

A FINAL PROJECT

Presented as Partial Fulfillment of the Requirements

to Obtain the SARJANA TEKNIK Degree

in Electrical Engineering

  

By

ANTONIUS WAHYU PRIYONO

00 5114 041

  

ELECTRICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING

FACULTY OF ENGINEERING

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

2007

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA

  Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa tugas akhir yang saya tulis ini tidak memuat karya atau bagian karya orang lain, kecuali yang telah disebutkan dalam kutipan dan daftar pustaka, sebagaimana layaknya karya ilmiah.

  Yogyakarta, 26 Juli 2007 Penulis

  Antonius Wahyu Priyono

  “ V oila qu e tou t cel est p assé … … ... M on en fance

n ’est plu s; elle est m orte pou r ain si dire, qu oi qu e je vive en core“.

  <<Saint A ugustin, Confessions>>

  G loire à D ieu seul! S on n om rayon ne en ses ou vrages Il porte dan s sa m ain l’un ivers réu n i Il m it l’étern ité par-d elà tou s les âges P ar-delà tou s les cieu x il jeta l’in fini Il a dit au chaos sa parole fécon de E t d’u n m ot de sa voix laissé tom ber le m onde! L ’archange au près de lu i com pte les n ation s; Q uan d, des jou rs et des lieu x fran chissant les espa ces,

  Il dispense au x siècles leu rs races E t m esu re leur tem ps au x gen erations!

  

INTISARI

  Tugas akhir ini adalah membuat sebuah alat yang mampu menghitung sinyal dari pencacah Geiger Müller. Alat ini terdiri dari mikrokontroler, modul LCD, buzzer, keypad dan modul tranceiver RS-485. dengan menggunakan AVR AT90S2313 dan penampil LCD menggunakan HD44780U Hitachi sehingga alat ini cukup kecil dan mudah untuk mengoperasikannya. Alat ini akan menampilkan hasilnya pada LCD setiap menitnya dam satuan counts/minute (CPM).

  Alat ini dapat dihubungkan dengan personal computer (PC) menggunakan port serial yang kemudian diubah menjadi standard RS-485 atau alat tersebut dapat berdiri sendiri pada pengoperasiannuya tanpa terhubung ke PC. Pilihannya tergantung kepada pengguna. Antar muka PC menggunakan Visual Basic 6 yang memberikan antarmuka grafis yang “user-frendly” untuk mengambil dan menyimpan data, menetak tabel dan grafik. Untuk mengatur data digunakan SQL Server 2000. data disimpan dalam bentuk tabel untuk tiap alat. Tabel akan menunjukkan tanggal, jam, count rate (CPM), exposure dalam miliRöentgen/jam (tergantung dari Griger Müller yang digunakan) dan status (tergantung dari parameter pengguna).

  

ABSTRACT

  The project is consoles for counting signals, which come from Geiger Müller counter. The console consists of a microcontroller, a LCD module, a buzzer, a keypad and RS-485 transceiver module. Based upon the AVR AT90S2313 and the LCD display used HD44780U (LCD-II) from Hitachi make it small enough and easier to operate it. It will show the result on LCD display every minute in counts/minute (CPM) unit.

  The console interfaces with a personal computer (PC) using communication port that then converted to RS-485 standard or it can be independent console without interfaced with a PC. The choices are dependent on user. The PC’s interface uses Visual Basic 6 giving a graphically user-friendly interface for taking and saving data, printing table and chart. To manage data is used SQL Server 2000. The data is saved on a table for each console. The table shows date, time, count rate CPM, exposure in miliRöentgen/Hour (it is depending on Geiger Muller counter that used), and status (it is depending on user setting).

KATA PENGANTAR

  Puji dan syukur patut penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa karena atas limpahan kasih dan rahmat-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini. Tugas akhir ini merupakan salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana Teknik.

  Pada kesempatan ini, penulis ingin mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada pihak-pihak yang telah membantu dan terlibat dalam penyelesaian laporan tugas akhir dan selama masa kuliah. Terima kasih kepada Ibu Ir. Th. Prima Ari Setiyani, M.T. selaku dosen pembimbing 1 yang telah memberikan bimbingan, saran dan solusi, sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini.

  Terima kasih juga kepada Bapak Bayu Primawan, S.T., M.Eng. selaku Ketua Jurusan Teknik Elektro dan seluruh dosen Jurusan Teknik Elektro USD yang telah memberikan banyak pelajaran berharga selama masa kuliah. Terima kasih kepada Pak Djito yang dengan sabar telah banyak membantu penulis dalam hal administrasi. Mas Sur, Mas Broto, Mas Mardi dan segenap staf serta karyawan Fakultas Teknik USD, penulis juga ingin mengucapkan terima kasih.

  Penulis juga ingin menyampaikan “my deep gratitude goes to my beloved

  

mother for offering her love, support, and guidance throughout the years. My

deeply gratitude also goes to my late father, I am sure that he always prays for me

and watches over me from heaven. You are always in my heart. My gratitude also

goes to my late uncle, K.R.T Mandoyonegoro for his incredible love and support.

You have taught me to see the life with dignity. For my sibling, I love you.”

  Seluruh teman-teman Jurusan Teknik Elektro USD, khususnya angkatan 2000, “pour vos bienveillances et aides, ensemble et souvenirs, merci beaucoup.

  Surtout Titus, Bambang et Leo, vous êtes mes cher amis.”

  Kepada semua pihak yang telah membantu selama penyusunan laporan tugas akhir ini yang tidak dapat disebutkan satu per satu penulis ingin mengucapkan terima kasih.

  Akhir kata tak ada gading yang tak retak, penulis menyadari penulisan maupun karya tulis ini tidaklah sempurna, untuk itu segala kritik dan saran untuk memperbaikinya sangat penulis harapkan.

  Penulis.

  

DAFTAR ISI

  HALAMAN JUDUL ...................................................................................... i LEMBAR PENGESAHAN PEMBIMBING.................................................... ii LEMBAR PENGESAHAN PENGUJI............................................................. iii LEMBAR PERNYATAAN KEASLIAN KARYA .......................................... iv HALAMAN PERSEMBAHAN DAN MOTO HIDUP .................................... v

  INTISARI........................................................................................................ vi ABSTRACT .................................................................................................... vii KATA PENGANTAR ..................................................................................... viii DAFTAR ISI ................................................................................................... x DAFTAR TABEL ........................................................................................... xiv DAFTAR GAMBAR....................................................................................... xv

  BAB I PENDAHULUAN

  1.1 Latar Belakang ................................................................................. 1

  1.2 Rumusan Masalah ............................................................................ 1

  1.3 Batasan Masalah .............................................................................. 2

  1.4 Tujuan dan Manfaat ......................................................................... 3

  1.5 Metodologi Penelitian ...................................................................... 3

  1.6 Sistematika Penulisan....................................................................... 4

  BAB II DASAR TEORI

  2.1 Radioaktivitas dan Pengukuran Radiasi Radioaktif........................... 6

  2.1.1 Pendahuluan ............................................................................ 6

  2.1.2 Hukum Statistik Peluruhan Radioaktif ..................................... 6

  2.1.3 Peluruhan Gamma ................................................................... 8

  2.1.4 Peluruhan Alfa......................................................................... 9

  2.1.5 Peluruhan Beta dan Netrino ..................................................... 10

  2.1.6 Besaran-Besaran Radioaktif..................................................... 13

  2.1.7 Pencacah Geiger-Müller .......................................................... 15

  2.2.4.8 Periperal dan Kemampuan Lain AT90S2313 .................. 30

  2.7.2 Keistimewaan Visual Basic 6................................................... 38

  2.7.1 Sekilas Visual Basic 6 ............................................................. 37

  2.7 Visual Basic 6 .................................................................................. 37

  2.6 Operational Amplifier LM358 Sebagai Inveerting ............................ 36

  2.5 Modul LCD (Liquid Crystal Display) M1632................................... 35

  2.4.2 Karakteristik SN75176 ............................................................ 34

  2.4.1 Deskripsi Umum...................................................................... 33

  2.4 SN75176 RS-485 Driver .................................................................. 33

  2.3.2 Modem Null ............................................................................ 32

  2.3.1 Karakteristik Port Serial........................................................... 30

  2.3 Port Serial ........................................................................................ 30

  2.2.4.7 On-chip Osilator ............................................................. 30

  2.1.8 Penggunaan Pencacah Geiger-Müller ...................................... 20

  2.2.4.6 SPI Serial Interface untuk In-System Programming......... 29

  2.2.4.4 Timer/Counter ................................................................ 28 2.2.4.5 128 Bytes In-System Programmable EEPROM.............. 29

  2.2.4 Periperal-periperal Mikrokontroler AVR AT90S2313.............. 27 2.2.4.1 2 Kilos Bytes In-System Programmable Flash................. 27 2.2.4.2 128 Bytes SRAM ............................................................ 27 2.2.4.3 128 Bytes In-System Programmable EEPROM.............. 28

  2.2.3 Mode Pengalamatan Memori dan program AT90S2313........... 26

  2.2.2 Instruksi pada Mikrokontroler AVR AT90S2313..................... 26

  2.2.1 Arsitektur Mikrokontroler AVR AT90S2313........................... 24

  2.2 Mikrokontroler AVR AT90S2313 .................................................... 24

  2.1.8.4 Inverse Square Law......................................................... 22

  2.1.8.3 Mengukur Besaran Radioaktif dari Hasil Cacahan........... 22

  2.1.8.2 Mencari Koefisien Penyerapan Linier ............................. 21

  2.1.8.1 Menentukan Waktu Paro................................................. 20

  2.8 SQL Server 2000.............................................................................. 39

  BAB III. RANCANGAN PENELITIAN

  3.1 Layout dan Diagram Kotak .............................................................. 42

  3.2 Perancangan Perangkat Keras........................................................... 44

  3.2.1 Perancangan Pencacah............................................................ 44

  3.2.2 Perancangan Line Driver PC................................................... 48

  3.3 Perancangan Perangkat Lunak.......................................................... 49

  3.3.1 Perancangan Program Untuk Mikrokontroler........................... 49

  3.3.1.1 Perancangan Program Utama Pada Mikrokontroler ......... 49

  3.3.1.2 Subroutine Delay untuk Inisialisasi LCD ........................ 53

  3.3.1.3 Rutin Interupsi Penerimaan Data UART ......................... 55

  3.3.1.4 Rutin Interupsi Timer0 Overflow .................................... 57

  3.3.1.5 Rutin Interupsi Timer 1 Overflow ................................... 58

  3.3.2 Perancangan Program Visual Basic 6 dan Basis Data............... 59

  3.3.2.1 Pemodelan Use Case (Use Case Modelling) .................... 59

  3.3.2.2 Context Diagram............................................................. 61

  3.3.2.3 Diagram Berjenjang ........................................................ 61

  3.3.2.4 Diagram Arus Data (DAD) ............................................. 62

  3.3.2.5 Kamus Data .................................................................... 63

  3.3.2.6 Diagram Entity Relationship (E-R Diagram) ................... 69

  3.3.3 Perancangan Anter Muka......................................................... 70

  3.3.3.1 Layout ............................................................................ 70

  3.3.3.2 Menu dan Fungsi ............................................................ 73

  BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

  4.1 Hasil dan Pembahasan Perangkat Lunak........................................... 76

  4.2 Hasil dan Pembahasan Perangkat Keras ........................................... 82

  BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN

  5.1. Kesimpulan ..................................................................................... 85

  5.2. Saran............................................................................................... 85

  DAFTAR PUSTAKA ...................................................................................... 87 LAMPIRAN Lampiran 1 Schematic............................................................................. 88 Lampiran 2 Firmware.............................................................................. 90 Lampiran 3 Software............................................................................... 99 Lampiran 4 Table’s Printout.................................................................... 131 Lampiran 5 Data Sheet AT90S2313 Summary ........................................ 132 Lampiran 6 Data Sheet HD44780U (LCD-II).......................................... 142 Lampiran 7 Data Sheet SN 75176A......................................................... 157

  

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Empat Isotop Pertama Deret Peluruhan Uranium.............................. 21Tabel 2.2 Sensitivitas dari Beberapa Tabung Geiger-Müller ............................ 23Tabel 2.3 Fungsi Alternatif Port B ................................................................... 28Tabel 2.4 Fungsi Alternatif Port D ................................................................... 28Tabel 2.5 Pin Konektor D25 dan D9 ................................................................ 31Tabel 2.6 Fungsi Pin-Pin.................................................................................. 32Tabel 2.7 Fungsi Pin Modul LCD M1632 ........................................................ 36Tabel 3.1 Fungsi Keypad Matriks 4x4.............................................................. 45Tabel 3.2 Fungsi Register TCCR0 ................................................................... 51Tabel 3.3 Menu Bar pada Perangkat Lunak...................................................... 71Tabel 4.1 Cacahan yang Tertampil di LCD Selama 10 menit ........................... 84

  

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Kurva Energi Disintegrasi Peluruhan-β......................................... 11Gambar 2.2 Skema Tabung G-M ..................................................................... 16Gambar 2.3 Rangkaian Pencacah G-M Secara Umum...................................... 16Gambar 2.4 Dead time dari tabung G-M (waktu dalam Sec) .......................... 17Gambar 2.5 Proses Ionisasi .............................................................................. 18Gambar 2.6 Polarisasi Ion-Ion ......................................................................... 18Gambar 2.7 Aliran Elektron ke Pencacah......................................................... 19Gambar 2.8 Pembentukan Kembali Atom ........................................................ 19Gambar 2.9 Diagram Blok AT90S2313 ........................................................... 25Gambar 2.10 Konfigurasi Pin AT90S2313....................................................... 29Gambar 2.11 Koneksi Osilator......................................................................... 30Gambar 2.12 Diagram Penyambungan Modem Null ........................................ 33Gambar 2.13 Konfigurasi Pin SN75176 ........................................................... 34Gambar 2.14 Koneksi SN75176 Untuk Komunikasi Half-Duplex .................... 35Gambar 2.15 Modul LCD M1632 .................................................................... 35Gambar 2.16 Inverting Circuit ......................................................................... 37Gambar 2.17 LM 358 ...................................................................................... 37Gambar 3.1 Diagram Kotak Sistem Basis Data Pengukuran Radioaktif............ 42Gambar 3.2 Diagram Kotak Pencacah.............................................................. 43Gambar 3.3 Layout Jendela Utama Program PC .............................................. 43Gambar 3.4 Rangkaian Penggerak Modul LCD ............................................... 44Gambar 3.5 Rangkaian Key Pad Matrik 4x4 .................................................... 46Gambar 3.6 Line Driver Pada Pencacah........................................................... 46Gambar 3.7 Rangkaian Driver Speaker............................................................ 47Gambar 3.8 IC MAX 232 ................................................................................ 48Gambar 3.9 Rangkaian Line Driver PC............................................................ 49Gambar 3.10 Diagram Alir Program Utama Mikrokontroler ............................ 50Gambar 3.11 Register TCCR0 ......................................................................... 51Gambar 3.12 Diagram Alir Subroutine Delay .................................................. 54Gambar 3.13 Diagram Alir Interupsi UART .................................................... 56Gambar 3.14 Diagram Alir Interupsi Timer ..................................................... 57Gambar 3.15 Diagram Alir Counter1 Overflow ............................................... 59Gambar 3.16 Diagram Use Case ...................................................................... 60Gambar 3.17 Context Diagram Sistem............................................................. 61Gambar 3.18 Diagram Berjenjang.................................................................... 62Gambar 3.19 Overview Diagram ..................................................................... 62Gambar 3.20 Level 0 Cetak Laporan Data........................................................ 63Gambar 3.21 Diagram Level 1 Dari Proses 2.................................................... 63Gambar 3.22 Diagram Entity Relationship dari Sistem..................................... 69Gambar 3.23 Logical Design Setelah Proses Normalisasi ................................ 70Gambar 3.24 Layout Jendela Tabel .................................................................. 72Gambar 3.25 Layout Jendela Grafik................................................................. 73Gambar 3.26 Layout Jendela Options............................................................... 75Gambar 4.1 Jendela Utama .............................................................................. 76Gambar 4.2 Menu Connection ......................................................................... 77Gambar 4.3 Kotak Dialog Koneksi Gagal ........................................................ 77Gambar 4.4 Menu Tools .................................................................................. 78Gambar 4.5 Jendela Device Option .................................................................. 79Gambar 4.6 Data Yang Disimpan Selama 10 Menit ......................................... 79Gambar 4.7 Jendela Tabel................................................................................ 80Gambar 4.8 Jendela Grafik .............................................................................. 80Gambar 4.9 Jendela Print Preview................................................................... 81Gambar 4.10 Jendela Tabel Kosong................................................................. 82Gambar 4.11 Hasil Akhir Pencacah Radioaktif ................................................ 83

BAB I PENDAHULUAN

  1.1. Latar Belakang

  Di dalam kehidupan sehari-hari informasi sangat penting bagi kehidupan manusia, terlebih informasi dalam dunia industri dan penelitian. Informasi atau data yang tersusun dan tersimpan dalam sebuah basis data yang baik sangat menentukan kemajuan, keberhasilan dan keamanan kegiatan industri dan penelitian tersebut. Sebab dari data tersebut dapat diketahui apakah suatu proses dalam industri atau penelitian sudah sesuai dengan apa yang diharapkan, dapat diketahui juga kemajuan atau ketidakberesan dalam proses tersebut.

  Salah satu data yang penting untuk diperhatikan adalah data mengenai tingkat radiasi radioaktif karena hal ini menyangkut keamanan dan keselamatan makhluk hidup termasuk manusia di dalamnya. Memang sekarang telah banyak alat ukur dan alat deteksi radioaktif tetapi kebanyakan dari alat tersebut hanya mampu memberikan data yang bersifat real time (terjadi saat itu), tidak dapat menyimpan data dan kemudian menampilkannya lagi. Meskipun saat ini telah ada alat-alat yang mampu mengukur dan menyimpan data radiasi radioaktif tetapi harganya relatif masih mahal.

  Seiring dengan perkembangan teknologi PC (personal computer) dan mikrokontroler dapat dibuat sebuah alat yang mampu menyimpan data dari pencacah dan detektor radioaktif dangan harga relatif lebih murah.

  1.2. Rumusan Masalah

  Permasalahan yang diangkat dalam tugas akhir ini adalah membangun sebuah sistem yang mampu mengolah sinyal-sinyal electrik yang berasal dari sejumlah detektor radioaktif geiger-müller, dalam tugas

  2 akhir ini maksimal 4 detektor, kemudian menampilkan hasil cacahan dan menyimpannya dalam basis data pada sebuah PC

1.3. Batasan Masalah

  Membangun alat pengukur radioaktifitas yang dikendalikan oleh mikrokontroler AVR AT90S2313 yang akan tersambung dengan pencacah geiger-müller. Alat terdiri dari unit penampil berupa matriks LCD (Liquid

  Crystal Display) 2x16 karakter, keypad kontrol yang berfungsi untuk

  memilih mode berdiri sendiri atau terintegrasi dengan PC, line driver yang menggunakan standar RS-485 dan mikrokontroler AT90S2313. Dengan menggunakan standar RS-485 memungkinkan pengamat dan detektor berada pada jarak yang cukup jauh sekitar 1 km, hal ini cukup memberikan jarak yang aman untuk pengamatan suatu aktivitas radioaktif yang berbahaya bagi keselamatn pengamat. Selain itu dengan menggunakan RS- 485 memnungkinkan seorang pengamat dapat mengawasi banyak titik. Dalam penelitian ini memungkinkan pengamat mengamati sebanyak 4 buah titik.

  Program pada PC menggunakan Visual Basic 6, program ini akan menyimpan hasil cacahan dari pencacah dalam basis data berbentuk table dan dapat juga ditampilkan dalam bentuk grafik. Program ini akan menyimpan hasil cacahan sesuai dengan waktu yang ditentukan oleh user, mulai dari awal cacahan sampai cacahan terakhir. Program dapat mengubah besaran CPM menjadi besaran exposure sesuai dengan persamaan yang diberikan oleh pengguna dengan mengacu pada spesifikasi tabung geiger müller.

  Alat pencacah apabila tidak disambungkan dengan komputer bisa digunakan sebagai pencacah radioaktif yang berdiri sendiri. Saat sebagai alat yang berdiri sendiri pencacah tersebut hanya dapat menampilkan cacahan saat itu. Cacahan akan ditampilkan setiap menit, pada saat ada cacahan/data baru pencacah akan memberikan sinyal suara/bunyi.

  3

  1.4. Tujuan dan Manfaat

  Tujuan dari penelitian ini adalah membangun suatu sistem basis data yang dapat menyimpan data dari detektor radioaktif dan menampilkannya kembali dalam bentuk hard copy ataupun soft copy sehingga dapat berguna untuk penelitian dan pengawasan.

  1.5 Metode Penelitian

  Metode yang digunakan adalah pengembangan sebuah sistem dengan pendekatan terstruktur sesuai dengan paradigma classic life (waterfall) yang meliputi:

  1. Rekayasa Sistem: Pada tahap ini yang dilakukuan adalah mengumpulkan data-data yang mendukung dan merencanakan sistem yang akan dibuat dan menginventaris kebutuhan-kebutuhan pada level sistem.

  2. Analisis: Menentukan secara pasti kebutuhan akan hardware maupun

  software. Dalam hal ini mempersiapkan microkontroler dan

  perangkat keras lainnya, menentukan perangkat lunak yaitu AVR Studio 4 dan Visual Basic 6. Menentukan tujuan dan batasan sistem.

  3. Perancangan Pada tahap ini hardware mulai dirancang dan kerangka software mulai dirancang sesuai dengan hardware.

  4. Implementasi Pada tahap implementasi ini program dirancang secara detaildan diimplementasikan ke hardware. Program terdiri dari firmware, interface dan database. Software yang digunakan untuk membuat firmware adalah AVR Studio 4 dan untuk membuat interface adalah Visual Basic 6.

  4

  5. Pengujian: Dalam fase pengujian ini akan dilakukan pemeriksaan

  hardware dan software apakah sudah sesuai dengan yang diinginkan.

1.6 Sistematika Penulisan

  Penulisan laporan skripsi terdiri dari bab I sampai bab V, yaitu dengan sususnan sebagai berikut:

  BAB I PENDAHULUAN Menjelaskan mengenai permasalahan yang akan dijadikan topik untuk tugas akhir. Bab ini terdiri dari latar belakang masalah, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan penulisan, metode penulisan dan sistematika penulisan.

  BAB II DASAR TEORI Bab ini secara khusus menjelaskan brbagai teori yang berhubungan dengan analisis dan perancangan pembuatan tugas akhir. Penjelasan teori antara lain meliputi: teori radioaktif, tabung giger-müller, mikrokontroler AT90S2313, RS 232, RS 485, Visual Basic 6 dan SQL Server 2000.

  BAB III PERANCANGAN PERANGKAT KERAS DAN IMPLEMENTASI PERANGKAT LUNAK Bab ini berisi analisis, perancangan dan penjelasan secara rinci mengenai proses perancangan perangkat keras dan implementasi perangkat lunak sesuai dengan analisis dan perancangan yang dikembangkan.

  BAB IV ANALISIS IMPLEMENTASI Bab ini memuat tentang analisis hasil pengujian alat dan membandingkannya dengan perancangan.

  5

  BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Bab ini memberi kesimpulan yang diperoleh dari keseluruhan proses pembuatan skripsi ini, serta beberapa saran pengembangan yang dapat dilakukan dari sistem yang telah dihasilkan.

BAB II DASAR TEORI

2.1 Radioaktivitas dan Pengukuran Radiasi Radioaktif

  2.1.1 Pendahuluan

  Radioaktivitas didefinisikan sebagai pemancaran sinar radioaktif secara spontan oleh inti-inti tidak stabil menjadi inti yang lebih stabil. Ketika peluruhan inti pertama kali diselidiki, hasil-hasil peluruhannya

  diberi nama sinar-γ, partikel-α, partikel-β dan partikel-β . Kemudian barulah disadari bahwa hasil-hasil peluruhan ini bukanlah wujud-wujud baru, tetapi bahwa sinar-γ adalah foton berenergi tinggi, partikel-α adalah

• inti helium, partikel-β adalah elektron, dan partikel-β adalah positron.

  2.1.2 Hukum Statistik Peluruhan Radioaktif

  Dalam sebuah peluruhan radioaktif yang khas, sebuah inti pada mulanya tidak stabil, yang disebut induk (parent), P, memancarkan sebuah partikel dan meluruh menjadi sebuah inti yang disebut anak (daugther), D. Inti anak ini dapat berupa inti yang sama pada keadaan energi yang lebih rendah, seperti halnya dalam peluruhan-γ, atau sebuah inti yang baru, yang muncul dari peluruhan-α dan β. Semua peluruhan inti mengikuti aturan peluruhan radioaktif yang sama. Jika pada awalnya terdapat N inti induk tidak stabil, maka jumlah inti induk N yang tersisa setelah selang waktu (t) adalah

• -λt

  N = N e (2.1)

  Tetapan λ disebut tetapan peluruhan (decay constant) atau tetapan disintegrasi (disintegration constant) yang bergantung pada jenis proses peluruhannya.

  7 Persamaan (2.1) adalah suatu hukum statistik, bukan deterministik

  (tertentu pasti), yang memberikan jumlah harap N (expected number N) dari inti-inti induk yang masih ada setelah selang waktu t. Tetapi, jika N sangat besar (sebagaimana biasanya berlaku dalam praktek), maka beda antara jumlah inti induk yang masih ada dan jumlah yang diharapkan berbeda tidak lebih dari beberapa kelipatan pecahan dari N .

  Laju peluruhan suatu cuplikan (sample) radioatif terteentu biasanya diukur oleh waktu paronya (half-life), T , yang didefinisikan sebagai

  1/2

  selang waktu dalam jumlah inti induk pada saat awal menjadi tinggal separohnya. Waktu paro ini dapat dinyatakan langsung dalam λ sebagai ln 2 . 693

  T = (2.2) 1/2 =

  λ λ

  Besaran lain yang mengukur kelajuan peluruhan sebuah cuplikan inti adalah waktu hidup rata-rata ( average or mean lifetime) sebuah inti,

  T , yang diberikan oleh m

  T

  1 _{1 / 2} T = (2.3)

  m = λ ln

  2 Hukum yang melukiskan pertambahan intik anak, dengan anggapan bahwa mereka stabil, diperoleh dari persamaan 2.1 sebagai berikut

• -λt
• – N = N N = N (1 – e ) (2.4)

  A

  Aktivitas ( activity) sebuah cuplikan radioaktif didefinisikan sebagai besar laju disintegrasi

  dN

• -λt

  Aktifitas = = λ N e = λN (2.5)

  dt

  8 Satuan laju disintegrasi ini, atau aktifitas, adalah curie, yang didefinisikan

  10

  sebagai 1 Ci = 3.7 x 10 disintegrasi per detik. Dalam satuan standar internasional (SI) besaran yang digunakan adalah becquerel (Bq), dimana

  1 Bq adalah peluruhan satu atom setiap detik.

2.1.3 Peluruhan Gamma

  Dalam peluruhan gamma, sebuah inti yang mula-mula berada dalam dalam keadaan eksitasi melakukan transisi ke suatu keadaan energi yang lebih rendah, dan dalam proses ini sebuah foton dipancarkan, yang disebut sinar-γ. Diketahui bahwa energi sinar-γ ini tidak kontinu tetapi diskret. Energi foton sinar-γ ini diberikan oleh persamaan yang lazim

  hv =E – E (2.6) u l

  Tetapi berbeda dengan foton-foton yang dipancarkan dalam transisi- transisi atom, yang energinya berada dalam orde eV, jangkauan energi sinar-γ adalah dari puluhan keV hingga MeV.

  Karena foton sinar-γ tidak bermuatan dan bermassa, maka muatan dan bilangan atom ini tidak berubah dalam proses peluruhan gamma. Jika

  A

  inti yang tereksitasi ini diberi notasi (Z )*, maka suatu peluruhan gamma menuju ke keadaan dasar dapat ditulis secara simbolik sebagai

  A A

  (Z )* → (Z + γ) Pada umumnya inti tereksitasi yang mengalami peluruhan gamma

• 14

  memiliki waktu-paro singkat yang tak terukur dalam orde 10 det, yang mana lebih kecil daripada waktu paro keadaan eksitasi elektronik. Tetapi, terdapat pula keadaan eksitasi beberapa inti yang waktu-paronya sangat lama sehingga dapat diukur. Inti-inti yang tereksitasi ini disebut isomer dan keadaan eksitasinya disebut keadaan isomer.

  9

2.1.4 Peluruhan Alfa

  Dalam peluruhan alfa, sebuah partikel-α dipancarkandari sebuah inti. Oleh karena sebuah partikel-α adalah sebuah inti helium, maka inti induknya kehilangan dua proton dan dua netron. Oleh karena itu, nomor atom Z-nya berkurang sebanyak dua satuan sedangkan nomor masanya berkurang sebanyak empat satuan, sehingga inti anak,

  D, dan inti induk, P,

  merupakan unsur-unsur kimia yang berbeda. Dengan menerapkan hukum kekekalan muatan dan nukleon, maka peluruhan alfa ini dapat dituliskan secara simbolik sebagai ^{A A − 4 4}

• +

  (2.7)

  P D He _{Z Z −} → _{2 2} Dalam sebuah sistem yang inti induknya diam, maka dari

  kekekalan energi kita dapati bahwa

  2

  

2

  2 M c = M c + M c + K + K (2.8) p D α D α

  Dengan c adalah kelajuan cahaya, K dan K berturut-turut adalah energi

  D α

  kinetik inti anak dan partikel-α, sedangkan M , M , dan M adalah

  P D α

  berturut-turut massa diam inti induk, anak dan partikel-α. Karena energi kinetik tidak pernah negatif, maka peluruhan alfa hanya dapat terjadi jika

  M ≥ M + M (2.9) p D α

  Di samping energi, momentum juga harus kekal. Karena hanya terdapat dua partikel yang dihasilkan dalam proses peluruhan alfa, maka kedua hukum kekekalan ini menentukan secara unik energi kinetik (dan momentum) partikel-α dan inti anak. Jika inti induk yang bernomor massa A meluruh dalam keadaan diam, maka energi partikel-α ditunjukan pada persamaan berikut

  10

    A

  4

  −  

  K = Q (2.10) α

    A Q adalah energi total yang dilepaskan dalam

  Dengan energi disintegrasi reaksi:

  2 Q = (M + M + M c α ) (2.11)

p D

  Q ini nilainya tetap untuk semua peluruhan alfa dan sama nilainya

  Besaran bagi semua pengamat. Dalam kerangka diam inti induk.

  Q = K + K (2.12) D α

2.1.5 Peluruhan Beta dan Netrino

  Adalah mungkin pula bagi suatu proses inti untuk berlangsung yang muatan intinya, Z , berubah tatapi jumlah nukleonnya,

  A, tetap tak E

  berubah. Ini dapat terjadi dalam proses pada waktu inti memancarkan

• + -

  sebuah elektron (peluruhan β ), positron (peluruhan β ), atau menangkap elektron (

  e) atom terdalam. Dalam proses ini, sebuah proton (p) berubah menjadi netron ( n) atau sebaliknya.

  Juga diperoleh bahwa dalam tiap proses ini sebuah partikel ekstra, yang disebut netrino (v), muncul sebagai salah satu hasil peluruhan. Sifat- sifat netrino adalah: muatan listrik, 0 ; massa diam, 0 ; spin intrinsik,1/2; dan, seperti halnya dengan semua partikel tak bermassa, ia memiliki kelajuan c.

  Keberadaan netrino ini pertama kali dipostulatkan oleh W. Pauli pada tahun 1930 untuk mempertahankan berlakunya hukum kekekalan energi dan momentum dalam peluruhan beta. Sebagai contoh, peluruhan beta netron adalah

• -

  n → p + e + v (2.13)

  11

Gambar 2.1 Kurva Energi Disintegrasi Peluruhan-β

  Jika netrino bukanlah bagian hasil peluruhan, maka hukum kekekalan energi dan momentum akan diperoleh bahwa untuk peluruhan dua benda, elektron akan dipancarakan dengan satu energi tunggal, seperti diuraikan dalam peluruhan alfa diatas. Tetapi dari eksperimen diperoleh bahwa elektron-elektron yang terpancar memiliki distribusi energi yang terjangkau dari nol hingga suatu energi maksimum, seperti ditunjukan pada gambar 2.1. Dan lagi pula, karena pada awalnya terdapat satu partikel tunggal dengan spin 1/2, maka penciptaan dua partikel saja, yang masing- masing memiliki spin ½, akan melanggar hukum kekelaan momentum sudut.

  Dalam persamaan 2.13 netrino yang dipancarkan diberikan lambang v dan bukannya v. Ini dilakukan karena pada hakekatnya terdapat dua nutino yang berbeda, yaitu ”netrino” (v) dan ”antinetrino ”

• - ( v ). Antinetrino muncul dalam peluruhan β sedangkan netrino dalam proses dalam proses beta yang lainnya.
• - Pada umumnya suatu peluruhan β dapat dinyatakan sebagaiberikut _{A A}

  

−

P D e v (2.14)

  → + + ^{Z Z 1}

• Contoh khasnya adalah peluruhan atom boron (B) menjadi karbon (C).

  12

  12 ¹² −

  B C e v ₅ → ₆ + +

• - Jadi, dalam peluruhan β sebuah netron diubah menjadi proton.
• + Untuk peluruhan β , dengan sebuah positron dipancarkan, berlaku _{A A}

  

−

P D e v (2.15) _{Z Z} → ₁

+ +

  −

  Sehingga di sini, sebuah proton diubah menjadi sebuah netron. Dari hukum kekekalan energi, dalam sistem yang inti induknya diam, maka

• + -

  bauk untuk peluruhan β dan β diperoleh (massa elektron (m ) dan

  e

  positron yang sama)

  2

  2

  2 M c = M c + m c + K (2.16)

p D e total

  yang memberikan energi disintegrasi Q sebesar

  2 Q = K = (M - M – m ) c (2.17)

total p D e

  Dalam proses penangkapan elektron, yang elektron atom terdalamnya (biasanya elektro K) ditangkap oleh sebuah inti, maka tak ada partikel bermuatan yang dipancarkan. Sebagai gantinya, tangkapan elektron ini diikuti dengan pemancaran sebuah netrino, yang diikuti dengan pemancaran foton-foton sinar-X karakteristik begitu elektron- elektron terluar melakukan transisi ke tingkat energi terdalam yang kosong. Dalam penangkapan elektron, sebuah proton diubah menjadi neutron, dan lagi sinar-X yang terpancarkan merupakan karakteristik dari atom anak dan bukannya atom induk, karena mereka dihasilkan setelah proses penangkapan elektron berlangsung. Proses penangkapan elektron ini dapat dituliskan sebagai berikut

  13

  A A e P D v (2.18) _{Z Z − 1}

• - +

  

→ +

  Perlu ditekankan bahwa dalam peluruhan beta atau tangkapan elektron, elektron atau positron yang dipancarkan tidak berada di dalam inti. Inti hanya tersusun dari proton dan netron. Penciptaan atau penyerapan elektron maupun positron merupakan hasil penyusunan kembali inti ke suatu keadan dengan energi yang lebih rendah melalui pengubahan atau transformasi dari sebuah proton menjadi netron atau sebaliknya.

2.1.6 Besaran-Besaran Radioaktif

  Komisi Internasional Pengukuran dan Besaran Radioaktif memperkenalkan tiga besaran pokok radiasi dan menganjurkan penggunaan satuan khusus untuk besaran tersebut. Besaran tersebut adalah rad (radiation absorbed dose) untuk dosis penyerapan, roentgen untuk penyinaran (exposure) dan curie untuk aktifitas.

  Rad didefinisikan sebesar 100 erg/g. Besaran ini tidak tergantung pada jenis radiasi ataupun materi dimana energi diserap. Dosis dalam rad ini dapat diukur dengan menggunakan kamar ionisasi. Persaman dari rad adalah sebagai berikut :

  dE S wJ (2.19) = m dm

  dengan : S = Daya menghentikan massa relatif dari media gas

  m w = Energi hilang rata-rata dalam gas untuk tiap ion yang

  dibentuk

  J = Jumlah ion yang terbentuk tiap satuan massa dari gas

  Selain rad, besaran lain yang digunakan adalah gray (Gy) , dimana 1 Gy didefinisikan sebesar 1 J/kg atau sebesar 100 rad.

  14 Penyinaran radioaktif diukur dalam roentgen (simbol R), yang berbeda dari dosis penyerapan. Roentgen didesinisikan oleh Komite

  15 Internasional sebagai berikut: 1 R adalah 1,61 x 10 ion yang terbentuk

  9 3 o

  setiap kg udara atau 2.08 x 10 ion per cm (diukur pada suhu 0 C dan tekanan 1 atm). Penyinaran memerlukan sekitar 34eV untuk membentuk sebuah ion di udara, dan penyinaran 1R menghasilkan penyerapan energi

  10

  3

  3

  oleh udara 1.08 x 10 eV/cm atau 0.113 erg/cm atau 88 erg/g, dalam

• 4 satuan SI nilai 1R adalah 2.84x10 coulomb per kilogram (C/Kg) udara.

  Roentgen ini adalah satuan dari penyinaran radioaktif berdasarkan efek dari radiasi sinar-γ atau sinar-X di udara yang dilewatinya. Yang perlu diingat adalah besaran ini hanya untuk radiasi sinar-γ dan sinar-X di udara. Usaha untuk menggunakan besaran ini untuk radiasi lain atau untuk media selain udara menunjukan perluasan definisi ini. Perluasan ini mungkin digunakan tetapi biasanya membingungkan.

  Untuk menyatakan besaran dosis/penyinaran terhadap media selain gas digunakan besaran yang dinamai dosis serapan ekivalen. Dosis serapan ekivalen didefinisikan sebagai hasil kali dosis serapan dengan suatu bilangan tak berdimensi, yang disebut faktor kualitas (dilambangkan dengan Q). Faktor kualitas, Q, ditetapkan berdasarkan hasil percobaan dan pengalaman nyata. Hasil suatu dosis serapan ekivalen (H) diukur dalam satuan yang dinamakan sievert (Sv):

  H (dalam Sv) = D (dalam Gy) x Q (2.20)

  Dosis serapan ekivalen juga diukur dalam satuan rem (röntgen equivalent