-
164
ISSN 0216 3128
Rohadi Awaludin, dkk.
PENGUKURAN RADIOAKTIVITAS DENGAN KALORIMETER Rohadi Awaludin P2RR - BATAN
ABSTRAK Palla interaksi antara radiasi dan materi, perubahan energi radiasi akhirnya bermuara palla panas. Ini mengandung arti bahwa besarnya radioaktivitas sebuah sumber radiasi dapat diukur melalui panas yang dihasilkan menggunakan kalorimeter. Kalorimeter yang digunakan tersusun dari penyerap radiasi dan sensor yang berfungsi untuk mengukur besarnya panas yang mengalir dari sumber radiasi. Kelebihan metode ini adalah hasil pengukuran tidak dipengaruhi oleh bentuk sumber dan tidak diperlukan sumber standar. Keterbatasan metode ini adalah batas minimum radioaktivitas yang masih relatif tinggi yaitu sebesar 16 pW panas atau setara dengan 3.87 mCi, 2.88 mCi, 2.62 mCi, 6.36 mCi untuk J!p, 9OY,/9!Ir dan /69Yb.
ABSTRACT Interaction of radiation and materials eventually results in heat production. It means that the radioactivity of a radiation source can be determined by measuring the heat produced using a calorimeter. The calorimeter is composed of radiation absorber and sensors for measuring the heat flow from the radiation source to the environment. Advantages of this method are independent on shape of the sources and standard sources are not necessary. However, in this measurement the minimum radioactivity is relatively high, as high as 16pW of heat or 3.87 mCi, 2.88 mCi, 2.62 mCi and 6.36 //ICifor J!p. 90y,/9!Irand /69Yb.
PENDAHULUAN
F
enomena panas akibat radioaktivitas pertama kali dilaporkan oleh P. Curie clanA. Laborde pada tahoo 1903. Pada waktu itu ditemukan bahwa 1 gram Radium mengeluarkan panas sebesar 100 kalori dalam satu jam. Hasil tersebut diperoleh dengan menggunakan kalorimeter benzena beku. Mereka meneliti lebih lanjut fenomena itu daD menemukan bahwa besamya panas yang dihasilkan tidak dipengaruhi oleh suhu. Hasil ini membawa mereka pada kesimpulan bahwa pelepasan panas secara terns menerus dari Radium bukanlah akibat perubahan kimia biasa. Perubahan tersebut diduga berasal dari perubahan yang terjadi pada atom Radium.ll] Penemuan ini memberikan peluang dilakukannya pengukuran radioaktivitas secara kuantitatif dengan mengukur panas yang dihasilkan. Sejak itu, berbagai macam usaha telah dilakukan. Hanya saja, usaha tersebut menemui kendala berupa kenyataan bahwa panas yang dihasilkan dari peluruhan radioaktif sangat kecil dibandingkan dengan panas yang dihasilkan oleh fenomenafenomena panas lainnya. Oleh karena itu, pengukuran radioaktivitas dari panas yang dihasilkan (radiokalorimetri) memerlukan kalorimeter dengan ketelitian tinggi. Besarnya panas dari perubahan rasa, reaksi kimia daD fenomena-fenomena lain pada umumnya pada kisaran miliwatt. Sementara itu pada peluruhan
Prosiding
Pertemuan
radioaktif, panas yang dihasilkan pada kisaran mikrowatt ootuk radioaktivitas sebesar beberapa milicurie. Oleh karena itu, kalorimeter untuk pengukuran radioaktivitas dapat disebut pula mikrokalorimeter. Pada makalah ini akan dikenalkan secara ringkas pengukuran radioaktivitas menggooakan kalorimeter dengan sensitivas yang tinggi. Teori pengoperasian, kelebihan daD keterbatasan yang dimilikinya akan dibahas dalam makalah ini. Pengembangan metoda radiokalorimetri ini diharapkan dapat memberikan sumbangan yang lebih besar lagi dalam pengembangan ilmu pengetahuan daD teknologi nuklir, khususnya pada pengukuran radioaktivitas.
TEORI Apabila sebuah somber radiasi diletakkan di dalam sel kalorimeter, maka di dalam sel tersebut akan dihasilkan panas secara konstan. Panas tersebut akan disebarkan ke lingkungan dengan kecepatan perambatan sebagai berikut: dQ/dt
= -k(Tc-Te)
(1)
Dimana, dQ/dt : jumlah panas yang mengalir tiap satuan waktu (1/s) k : koefisien perambatan panas (lis) Tc : temperatur sel kalorimeter (K) Te : temperatur lingkungan (dibuat konstan) (K)
daD Presentasi IImiah Penelitlan Dasar lImo Pengetahuan P3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Juli 2003
daD Teknologi Nuklir
ISSN 0216- 3128
Rohadi Awaludin, dkk.
165
Kawat pemanas untuk kalibrasi
~
I-
Sumber raaasi
I} sensor Sel kosong
Sel sampel
Gambar I. Struktur kalorimeter untuk radiokalorimetri. Apabila kapasitas panas daTi sel clan sampel adalah C (JIK) clan panas yang dihasilkan dari peluruhan radioakti[ sebesar P (J/s=W), maka perubahan suhu pada sel kalorimeter dapat dinyatakan sebagai berikut. dTc/dt
= [P-k(Tc-Te)]/C
(2)
Apabila persamaan ini diselesaikan clandiberi batas Tc=Te pada saat t=0, maka diperoleh persamaan berikut. Tc-Te = (P/k) (l-e-ktlC)
(3)
Dari persamaan (3) di atas, jika waktu (t) sangat besar maka e-ktlc mendekati angka nol clan persamaan dapat disederhanakan menjadi persamaan berikut. P = k(Tc- Tc)
(4)
Persamaan (4) menunjukkan bahwa hubungan antara panas yang dihasilkan (P) clan perbedaan temperatur tidak dipengaruhi oleh besamya kapasitas panas (C) gel clan sampe1. Ini berarti bahwa apapun jenis material yang digunakan sebagai penyerap radiasi di dalam sel sampel tidak berpengaruh pada hubungan di atas. Besamya C berpengaruh pada besamya waktu (t) yang diperlukan agar e-ktlc mendekati angka no1. Semakin besar nilai C semakin besar pula nilai t yang diperlukan. Ini dapat diartikan bahwa semakin besar nilai kapasitas panas material yang digunakan, semakin lama waktu yang diperlukan untuk mencapai kestabilan. Dengan kata lain, semakin besar C, semakin lama waktu pengukuran yang diperlukan.
STRUKTUR KALORIMETER DAN TAT A KERJA Skema Kalorimeter ditunjukkan pada gambar I. Kalorimeter ini merupakan kalorimeter jenis MPC yang didisain clan dirakit oleh Tokyo Riko. Besamya panas yang dihasilkan dari peluruhan diperoleh daTi besamya panas yang mengalir dari sel sampel ke lingkungan. Besamya aliran ini diukur daTibesamya perbedaan suhu yang diukur oleh sensor yang diletakkan pada gel sampel clan sel kosong. Hubungan antara besamya aliran panas dengan keluaran berupa hecla potensial diperoleh dengan_~~alibrasi menggunakan kawat penghasil panas yang dililitkan pada sel sampe1. Kawat pemanas yang digunakan memiliki tahanan sebesar 100.0 Q. Ke dalam kawat tersebut diberikan arus listrik dengan hecla potensial yang dapat diatur. Besamya panas yang dihasilkan diatur dengan cara mengatur besamya heclapotensia1. Pada pengukuran, sampel dimasukkan ke dalam sel sampe1. Wadah sampel dalam keadaan kosong dimasukkan ke dalam sel kosong untuk mempertinggi ketelitian pengukuran clan mengurangi fluktuasi suhu akibat gerakan udara di dalam sel kosong. Apabila sampel berbentuk larutan, wadah harus ditutup Tarat karena panas akibat penguapan mempengaruhi basil pengukuran.
HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil kalibrasi kalorimeter menggunakan kawat peruanas ditunjukkan pada gambar 2. Hasil tersebut menunjukkan hubungan antara panas yang diberikan atau dihasilkan dengan keluaran berupa hecla potensial daTi sensor panas pada gel kalorimeter.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN
Yogyakarta.
8 Juli 2003
ISSN 0216- 3128
166
.," Salah satu pusat perhatian dalam pengukuran radioaktivitas dengan kalorimeter adalah radioaktivitas terendah yang dapat diukur, Besarnya radioaktivitas untuk tiap-tiap radionuklida dapat dihitung daTi persamaan (4) daD basil kalibrasi bahwa batas minimum panas yang dihasilkan adalah 16 J..l W, Besarnya nilai minimum untuk beberapa radionuklida ditunjukkan pada Tabel 2.
100
~ iij
'w c:: (I)
15
Rohadi Awaludin, dkk.
10
Co
ca "C (I)
.c
1 10
100
1000
panas yang dihasilkan
Tabel 2, Radioaktivitas minimum daD maksimum yang dapat diukur untuk beberapa radionuklida
(IlW)
Gambar 2. Hubungan antara panas yang diberikan daDkeluaran beda potensial Dari pengujian ini diketahui bahwa batas minimum pengukuran yang dimiliki oleh kalorimeter ini sebesar 16 J..l W sedangkan batas maksimum yang dimiliki sebesar 625 J..lW.Ini mengandung makna bahwa kalorimeter ini memiliki kemampuan mengukur radioaktivitas dengan efek panas dalam rentang wilayah itu. Pada pengukuran sampel, jika panas yang dihasilkan oleh radioaktivitas tiap samail waktu adalah E (J/s=W), sedangkan besarnya panas ratarata yang dihasilkan daTi peluruhan adalah Eav (WICi), maka besarnya radioaktivitas sumber dihitung dengan persamaan:
E A = Eav
(4)
Besarnya nilai Eav untuk tiap radionuklida bisa dihitung daTi Tabel peluruhan radioisotop[2]. Energi rata-rata dihitung daTi seluruh energi yang dilepaskan sejalan dengan terjadinya peluruhan, misalnya energi rata-rata radiasi beta, internal bremsstrahlung daD rata-rata energi gamma tiap peluruhan. Hasil perhitungan besarnya Eav daTi beberapa jenis radioisotop ditunjukkan pada Tabel 1. Tabel 1. Panas yang dihasilkan daTi peluruhan radioaktif beberapa jenis radioisotop Jenis
Jenis Radioisotop
Waktu paroh
peluruhan
Panas yang dihasilkan (W/mCi)
JH
123 th
0.034
14C
5730 th
0.293
np
14.26 hari
4.13
JSS
87.5 hari
0.288
90y ISJGd
64.1 jam 241.6 hari
EC
0.839
169Yb
32.02 hari
EC
2.514
1921r
73.83 hari
", EC
6.10
5.55
Jenis Radioisotop 3H t4C 32p 35S 90y 153Gd 169Yb InIr
Radioaktivitas Minimum (mCn 470 54.6 3.87 55.5 2.88 19.1 6.36 2.62
Radioaktivitas Maksimum (mCn 18400 2130 151 2170 113 744 249 102
Seperti telah dinyatakan dalam persamaan (4) di atas, di dalam penghitungan radioaktivitas digunakan data radionuklida. Ketepatan basil pengukuran bergantung secara langsung kepada ketepatan data radionuklida. Data-data radionuklida yang ada saat ini bisa dikatakan memiliki akurasi yang tinggi. Misalnya tingkat ketidakpastian (10-) data rata-rata energi Tritium adalah 0.07%, Karbon-14 sebesar 0.0061% daD Pospor-32 sebesar 0.043%.[4] Pusat perhatian lain adalah adanya kebocoran radiasi. Apabila ada sebagian energi peluruhan yang lepas ke lingkungan sebelum berubah menjadi panas, maka terjadinya kebocoran energi ini akan mempengaruhi basil pengukuran. Pada pengukuran pemancar a daDpemancar 13,bisa dikatakan bahwa tidak ada kebocoran karena daya tembus keduanya sangat kecil. Perhatian perlu diberikan pada pengukuran pemancar y karena radiasi ini memiliki daya tembus yang besar. Untuk radiasi y dengan energi kurang daTi 600 KeY, seluruh radiasi y bisa diserap oleh penyerap Tungsten setebal 1.5 Cm.[4J.Kalorimeter ini telah dilengkapi dengan penyerap tersebut. Jika radioisotop yang diukur memancarkan radiasi y dengan energi melebihi angka tersebut, koreksi besarnya radiasi yang lepas diperlukan untuk mendapatkan basil pengukuran dengan ketepatan yang tinggi.
Presiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta,
8 Juli 2003
Rohadi Awaludin, dkk.
ISSN 0216 - 3128
Pengukuran radioaktivitas dengan metoda ini memiliki banyak kelebihan. Kelebihan utamanya adalah pengukuran tidak bergantung pada bentuk clangeometri. Pengukuran dapat dilakukan terhadap sumber radiasi dalam bentuk clan fasa apa pun karena didasarkan pada panas yang dihasilkan. Yang diperlukan dalam pengukuran hanyalah wadah yang tepat sesuai dengan kondisi sumber radiasi. Pengukuran sumber tertutup berupa jarum tunggal clan jarum ganda 1921rmerupakan contoh yang menarik. Radioaktivitas 1921rsesungguhnya di dalam jarum dapat diukur menggunakan kalorimeter. Sumber ini sulit diukur dengan metoda lain karena sumber kawat Iridium dibungkus oleh platina setebal 0.1 mm. Pembungkus ini mempengaruhi basil pengukuran karena radiasi yang dipancarkan dari Iridium diserap sebagian oleh platina, sehingga radioaktivitas yang terukur lebih kecil daTi yang sesungguhnya. [5] Kelebihan ini sangat bermanfaat pula pada pengukuran sumber-sumber pemancar 13 yang akhir-akhir ini semakin banyak dikembangkan. Nilai radioaktivitas yang tepat dari pemancar 13, khususnya pemancar 13 murni atau yang mendekatinya, sulit didapatkan karena radiasi 13 memiliki daya tembus yang kecil. Sebagian besar radiasi 13 diserap oleh materi di sekelilingnya. Pengukuran biasanya dilakukan dengan kamar ionisasi memanfaatkan sinaI X yang keluar sebagai akibat daTi efek bremsstrahlung. Namun intensitas sinaI X ini sangat bergantung kepada rnateri penyusun sumber tersebut. Secara umum, karnar ionisasi dikalibrasi menggunakan sumber standar berbentuk larutan dalam wadah tertentu, biasanya polietilena. Oleh sebab itu, untuk mendapatkan radioaktivitas yang tepat, sumber radiasi harus dikondisikan dalam bentuk yang sarna dengan ketika kalibrasi dilakukan. Hal ini sulit dilakukan, khususnya untuk sumber-sumber tertutup yang tidak mungkin untuk dilarutkan. Metoda lain yang umum dilakukan pada pengukuran pemancar beta adalah dengan liquid scintillation counter (LSC). Dengan metoda ini besarnya radioaktivitas secara tepat dapat diperoleh karena scintilator dilarutkan ke dalam larutan sumber radiasi, sehingga, sinaI 13 langsung berinteraksi dengan detektor (scintilator). Di sini pun ada kendala bahwa sumber radiasi harus dalam bentuk larutan.
167
KESIMPULAN Pada prinsipnya, pengukuran radioaktivitas dengan kalorimeter dilakukan dengan memanfatkan panas yang dihasilkan dari radioaktivitas. Kalorimeter yang ada saat ini telah mampu mengukur panas sampai barns 16 ~W panas. Pengukuran ini sangat bermanfaat untuk pengukuran sumber tertutup clan pemancar 13, khususnya pemancar 13 murni atau yang mendekatinya karena .su1it mendapatkan radioaktivitas yang sebenarnya dengan metode lain. Pengembangan metode ini diharapkan bisa memacu laju perkembangan penelitian clan pengembangan radioisotop, baik dalam produksi maupun aplikasinya, khususnya sejalan dengan semakin banyaknya penelitian clan pengembangan radioterapi memanfaatkan pemancar beta.
UCAP AN TERIMA
KASIH
Penulis mengucapkan terima kasih kepada Dr. Tsugou Genka, peneliti Japan Atomic Energy Research Institute (JAERI) (-2001) clan staf Japan Atomic Energy Forum (JAIF) (2001- sekarang), atas diskusi clan bahan-bahan dalam mendalami metoda Radiokalorimetri.
PUST AKA 1. T. GENKA and S. IWAMOTO, Application of Microcalorimeter to Radioactivity Measurement, Hihakaikensya, No 48 (1999) (Bahasa Jepang) 2. NCRP, Table of Nuclear Nuclear Decay Data, No 58, 2ndEdition (1985). 3. T. GENKA. Private Communication. 4. T. GENKA and R. A WALUDIN, Radiocalorimetry for radioisotope product measurements, Proceeding of the 6th nuclear energy symposium, Jakarta (2001). 5. T. GENKA, S. IWAMOTO, N. TAKEUCHI, A. URIT ANI and C. MORl, Radioactivity measurement of I92Ir metallic sources with a calorimeter, Nucl. Instr. and Meth., (1989).
Kelebihan lain metoda ini tidak memerlukan sumber, karena penyediaan sumber standar bukan hal yang mudah, terutama penyediaan sumber standar dengan waktu paruh relatif pendek. Bahkan pengembangan metode pengukuran ini dapat membuka peluang untuk penentuan radioaktivitas sumber-sumber radiasi sebagai sumber standar. Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImlah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Juli 2003
-
168
ISSN 0216 3128
Rohadi Awaludin, dkk. r
Rohadi Awaludin
TANYAJAWAB
.
Tumpal »
Bagaimana sensitifitasnya
»
Apakah panas aktivasinya.
yang
timbul
linear
dengan
.
Kalorimeter dapat mengukur sampai dengan 16 ,uW panas. Jika dikonversi radioaktivitas, ini tergantung pada energi yang dilepaskan radioisotop tersebut tiap peluruhan. Jika seluruh energi radiasi dapat diserap, panas yang timbul Zinier terhadap aktivitasnya.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImlah Perielltian Dasar lImn Pengetahuan dan Teknologl Nukllr P3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Juli 2003
