Reaksi Inti.docx

FISIKA MODERN

REAKSI INTI

OLEH: KADEK DEVI A. CANDRA D.

16130210

NI PUTU MARTINA PRADNYANI

1613021013

I KADEK YUDI ARI JULIADI

1613021021

JURUSAN PENDIDIKAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS PENDIDIKAN GANESHA SINGARAJA 2018

1.

Reaksi Fisi dan Aplikasinya Pada tahun 1938 ditemukan inti isotop uranium

236 92𝑈

yang mengalami fisi

jika di tumbuk oleh neutron. Yang menimbulkan efek tersebut bukan neutron. Tetapi inti

236 92𝑈

menyerap neutron menjadi

236 92𝑈

dan inti baru yang tidak

mantap, kemudian pecah menjadi dua bagian. Reaksi fisi memiliki teori mengenai pembelahan inti yang digunakan oleh Lise Meitner – Otto Frisch dan Bohr – Wheeler pada tahun 1939. Teori tersebut dikembangkan berdasarkan model tetes cairan . Jenis lain dari gejala nuklir yang dapat di analisis dengan pertolongan model tetesan cairan ialah fissi , dalam gejala ini sebuah inti (A> 200) membelah menjadi dua buah inti yang lebih ringan . jika tetesan-cairan itu cukup tereksistasi , tetesan itu dapat berosilasi dengan berbagai cara yang sederhana , jadi tetesan tersebut akan berturut-turut menjadi bola lonjong, bola bulat, bola dempak, bola bulat lagi, bola lonjong lagi dan seterusnya. Jadi gaya pemulih dari tegangan permukaan selalu mengembalikannya menjadi bola bulat lagi. Tetapi karena kelembaman cairan yang bergerak menyebabkan cairan tersebut melampaui kebulatannya dan bergerak ke ekstrim yang berlawanan dari distorsi. Inti itu bisa dipandang menunjukkan terdapatnya tegangan permukaan , sehingga dapat bervibrasi setetes cairan dalam keadaan tereksistasi , inti juga dipengaruhi oleh gaya pembelah yang ditimbulkan oleh gaya elektrostatik tolak menolak antar proton. Jika sebuah inti berdistorsi dari bentuk bulat maka gaya pemulih yang berjangkauan pendek dari tegangan permukaan harus mengatasi gaya tolak berjangkauan panjang dan juga kelembaman dari materi nuklir. Jika derajat distorsinya kecil, maka tegangan permukaan cukup memadai untuk melakukan kedua hal itu, dan inti bervibrasi bolak-balik sampai akhirnya kehilangan energi eksistasi melalui peluruhan gamma. Jika derajat distorsinya cukup besar , tegangan permukaan tidak cukup mengembalikan kelompok proton yang terpisah cukup jauh , dan inti terbelah menjadi dua bagian. Intiinti baru yang muncul dari hasil fissi disebut petilan fisi (fragment fisi). Karena inti berat mempunyai neutron/proton yang lebih besar daripada inti yang lebih ringan maka inti itu kelebihan neutron. Untuk mereduksi kelebihan ini, dua

1

atau tiga buah neutron

dipancarkan oleh petilan tersebut segera setelah

terbentuknya, dan peluruhan beta yang berlangsung setelah itu menjadikan rasio neutron/proton menjadi harga yang mantap. Contoh reaksi fisi yang biasa diambil adalah 235 92𝑈

+ 10𝑛 →

236 ∗ 92𝑈

→

140 54𝑋𝑒

94 + 38 𝑆𝑟 + 10𝑛 + 10𝑛

Sebuah inti berat mengalami fissi jika inti itu mendapatkan energi eksistasi cukup (5MeV atau lebih) sehingga berosilasi hebat. Beberapa inti , yang terpenting

235

𝑈 cukup tereksistasi dengan hanya menyerap neutron tambahan

sehingga terbelah menjadi dua. Fissi dapat terjadi setelah tereksistasi dengan cara selain penangkapan neutron, misalnya dengan penembakan sinar gamma atau proton. Aspek yang sangat mencolok dari fissi nuklir ialah besarnya energi yang terlibat. Energi yang terlibat lebih dari 200 MeV.

Gambar 1. Hampir segera stelah ditemukannya fissi nuklir pada tahun 1939 disadari bahwa neutron itu dapat menginduksi fissi pada inti tertentu dengan akibat lepasnya neutron tambahan, maka fissi yng bisa berjalan sendiri. Persyaratan untuk reaksi berantai supaya terjadi dalam sekelompok material terfissikan itu mudah tercapai , sekurang-kurangnya rata-rata sebuah neutron yang dihasilkan dari setiap fissi harus melalui fissi lain. Jika terlalu sedikit neutron yang bisa memulai fissi maka reaksi itu akan diperlambat dan berhenti. Jika tepat sebuah neutron per fissi yang menimbulkan fissi lain energi akan telepas dengan laju konstan. Dan jika frekuensi fissi bertambah , energi yang terlepas akan terjadi

2

dengan sangat cepat sehingga terjadi ledakkan ( seperti kasus bom atom) . Situasi-situasi tersebut disebut subkritis, kritis dan superkritis. Aplikasi reaksi Fisi pada Bidang Militer Dalam dunia militer, pengubahan gabungan energi bunyi, panas, dan cahaya yang dihasilkan oleh peluruhan inti atom umumnya bisa menyebabkan ledakan melalui reaksi fisi dan fusi dalam senjata nuklir. Senjata nuklir adalah alat peledak yang mendapatkan daya ledaknya dari reaksi nuklir, entah itu reaksi fisi atau kombinasi dari fisi dan fusi. Keduanya melepaskan sejumlah besar energi dari sejumlah kecil massa, bahkan alat peledak nuklir kecil dapat menghancurkan sebuah kota dengan ledakan, api, dan radiasi. Senjata nuklir disebut

sebagai senjata

pengendaliannya telah

pemusnah menjadi

massal,

dan

penggunaan

serta

aspek kebijakan internasional

sejak

kehadirannya. Desain senjata nuklir lebih rumit dibandingkan apa yang terlihat dari luarnya, senjata ini harus menyimpan satu atau lebih massa subkritis yang stabil untuk dibawa, dari pada menginduksi massa kritis untuk peledakan. Kerumitan ini juga dirasakan ketika harus memastikan bahwa reaksi berantai harus menghabiskan sejumlah besar material sebelum material tersebut terpental jauh. Proses pengadaan material nuklir juga lebih rumit dari yang terlihat, substansi nuklir yang tersedia secara alami cukup stabil, sedangkan proses ini memerlukan material nuklir yang tidak stabil. Satu isotop uranium, yang dinamakan uranium-235, ada secara alami dan tidak stabil, namun selalu ditemukan bercampur dengan isotop uranium-238 yang lebih stabil, yang jumlahnya sekitar 99%. Sehingga, beberapa cara pemisahan isotop berdasarkan perbedaan berat sebesar tiga neutron harus dilakukan

untuk

mengisolasi uranium-235.

Cara

alternatif

lainnya,

unsur plutonium memiliki isotop yang tidak stabil untuk digunakan dalam proses ini. Plutonium tidak terdapat secara alami, sehingga harus dibuat di reaktor nuklir. Proyek Manhattan membuat senjata nuklir berdasarkan pada setiap jenis unsur tersebut. Amerika Serikat meledakan senjata nuklir pertama dalam sebuahpercobaan dengan nama "Trinity", dekat Alamogordo, New Mexico, 3

pada tanggal 16 Juli 1945. Percobaan ini untuk menguji cara peledakan nuklir. Bom uranium,Little Boy, diledakan di kota Hiroshima, Jepang, pada tanggal 6 Agustus 1945, diikuti dengan peldakkan bom plutonium Fat Man di Nagasaki. Dengan segera ledakan itu menghentikan Perang Dunia II. Sejak peledakan tersebut, tidak ada senjata nuklir yang dilepaskan secara ofensif. Namun, perlombaan senjata untuk mengembangkan senjata pemusnah massal terjadi. Empat tahun berikutnya, pada 29 Agustus 1949, Uni Soviet meledakkan senjata fisi nuklir pertamanya. Inggris mengikuti pada tanggal 2 Oktober 1952,Prancis pada 13 Februari 1960, dan Cina pada 16 Oktober 1964. Tidak

seperti

senjata

pemusnah

konvensional, cahaya yang intensif, panas,

dan daya

ledak tidak

hanya menjadi komponen mematikan bagi senjata nuklir. Setengah dari korban yang tewas di Hiroshima dan Nagasaki Gambar 2. Bentuk bom nuklir yang dijatuhkan di Hiroshima dan Nagasaki

meninggal dua hingga lima tahun setelah ledakan nuklir akibat radiasi. Pada masa

itu, daya ledak bom nuklir yang dijatuhkan di Hiroshima dan Nagasaki sebesar 20 kilo (ribuan) ton TNT. Sedangkan bom nuklir sekarang ini berdaya ledak lebih dari 70 mega (jutaan) ton TNT. Senjata radiologis adalah tipe senjata nuklir yang dirancang untuk menyebarkan material nuklir yang berbahaya ke wilayah musuh. Senjata tipe tidak memiliki kemampuan ledakan seperti bom fisi atau fusi, namun mengkontaminasi sejumlah besar wilayah untuk membunuh banyak orang. Senjata radiologis tidak pernah dilepaskan karena dianggap tidak berguna bagi angkatan bersenjata konvensional. Namun senjata tipe ini meningkatkan kekhawatiran terhadap terorisme nuklir. Telah lebih dari 2000 percobaan nuklir dilakukan sejak tahun 1945. Pada tahun 1963, seluruh negara pemilik dan beberapa negara non pemilik senjata nuklir menandatangani Limited Test Ban Treaty, yang berisi bahwa mereka tidak akan melakukan percobaan senjata nuklir di atmosfer, bawah air,

4

atau luar angkasa. Perjanjian ini masih mengijinkan percobaan nuklir bawah tanah. Prancis melanjutkan percobaan nuklir di atmosfer hingga tahun 1974, Cina hingga tahun 1980. Percobaan bawah tanah terakhir oleh Amerika Serikat dilakukan pada tahun 1992, Uni Soviet pada tahun 1990, dan Inggris pada tahun 1991, sedangkan Prancis dan Cina hingga tahun 1996. Setelah mengadopsi Comprehensive Test Ban Teaty pada tahun 1996, seluruh negara tersebut

telah

disumpah

untuk

menghentikan

seluruh

percobaan

nuklir. India dan Pakistan yang tidak termasuk ke dalam negara-negara tersebut melakukan percobaan nuklir terakhirnya pada tahun 1998. Senjata nuklir adalah senjata yang paling mematikan yang pernah diketahui. Ketika Perang Dingin, dua kekuatan besar memiliki sejumlah besar persenjataan nuklir yang cukup untuk menghancurkan ratusan juta orang. Berbagai generasi manusia hidup dalam bayang-bayang penghancuran oleh nuklir, direfleksikan dalam film-film seperti Dr. Strangelove dan Atomic Cafe. Senjata nuklir mempunyai dua tipe dasar, salah satunya yakni menghasilkan energi ledakan dari proses reaksi fisi. Senjata tipe ini secara umum dinamai bom atom (atomic bomb, A-bombs). Energinya hanya diproduksi dari inti atom. Pada senjata tipe fisi, massa fissile material (uranium yang diperkaya atau plutonium) dirancang mencapai supercritical mass, jumlah massa yang diperlukan untuk membentuk reaksi rantai dengan menabrakkan sebutir bahan subcritical terhadap butiran lainnya (the “gun” method), atau dengan memampatkan bulatan bahan subcritical menggunakan bahan peledak kimia sehingga mencapai tingkat kepadatan beberapa kali lipat dari nilai semula (the “implosion” method). Metoda yang kedua dianggap lebih canggih dibandingkan yang pertama, serta penggunaan plutonium sebagai bahan fisil hanya bisa pada metoda kedua.

5

Gambar 3. Dua tipe desain dasar senjata nuklir Tantangan utama disemua desain senjata nuklir adalah untuk memastikan sebanyak mungkin bahan bakar fisi terkonsumsi sebelum senjata itu hancur. Jumlah energi yang dilepaskan oleh pembelahan bom dapat berkisar dari sekitar 1 ton TNT ke sekitar 500.000 ton daro TNT. a. Prinsip Kerja Bom Nuklir Fisi Bagan sederhana sebuah bom nuklir implosif dapat dilihat pada Gambar 1.14 dibawah ini. detontior initiator (pelepas neutron)

238

Pu

239

Pu bahan peledak konvensional (kimia)

Gambar 4. Bagan sederhana bom fisi Untuk menghasilkan ledakan nuklir yang optimal detonasi dari peledak konvensional harus disinkronkan dengan reaksi fisi. Hal ini dimaksudkan agar ledakan TNT menghasilkan gelombang kejut yang pada akhirnya akan menekan 239Pu sehingga membuat 239Pu berada dalam kondisi superkritis, yaitu kondisi dimana rekasi fisi dapat membiakkan lebih dari satu neutron. Pada

6

prakteknya, hal ini merupakan bagian tersulit dari sebuah bom nuklir. Neutron kemudian dilepas oleh initiator untuk memulai reaksi berantai. Selubung 238Pu yang menutupi bahan peledak

239

Pu berguna untuk mengembalikan neutron

yang keluar dari inti bom, atau dapat juga menghasilkan neutron-neutron tambahan melalui reaksi fisi yang dipicu oleh neutron-neutron cepat yang bergerak keluar dari inti bom. Proses-proses tersebut terjadi dalam selang waktu begitu singkat, bahkan dengan periode nano detik. Jika bom nuklir dapat diledakkan secara optimal, maka untuk kekuatan ledakan yang setara dengan 20.000 ton TNT, dbutuhkan plutonium sebanyak 10 kg saja. Dengan berat tersebut, diameter plutonium hanya sekitar 10 cm. b. Hasil Ledakan Pada jarak 2 km dari pusat ledakan, tekanan bertambah sekitar 0,25 atm. Perubahan tekanan ini dapat mengancurkan bangunan-bangunan dari kayu dan menerbangkan serpihan-serpihan dengan kecepatan 150 km/jam. Pada jarak 2 km dari pusat ledakan, terjadi gelombang panas yang dapat membakar kulir dan menyulut benda-benda yang mudah terbakar. Selain itu, kombinasi gelombang panas dan angin akan mengakibatkan badai api dengan kecepatan 75-150 km/jam. Akibat lain adalah radiasi neutron dan sinar gamma yang dapat menyebabkan leukemia, kanker, dan kerusakan genetik.

2.

Reaksi Fusi dan Aplikasinya Kita mengetahui bahwa energi yang dihasilkan fissi sangat besar, tetapl fusi inti ringan membentuk inti lebih berat dapat menghasilkan energi per kilogram bahan semula lebih besar lagi. Fusi nuklir memberi harapan untuk menjadi sumber energi akhir di dunia ini, aman, tidak ada pencemaran, dan lautan saja sudah menupakan sumber bahan bakar yang hampir tak terbatas. Di bumi, massa yang bereaksi harus terbatas jumlahnya, maka proses fusi yang efisien tidak dapat menyangkut daripada langkah tunggal. Dua reaksi yang tampaknya memberi harapan sebagai sumber daya komersial melibatkan penggabungan dua deuteron untuk membentuk triton dan proton,

7

2 1

H  21 H  31 H  11 H  4,0 MeV

atau penggabungan untuk membentuk inti 23 He dan neutron 2 1

H  21 H  23 He  01 n  3,3 Mev

Kedua reaksi itu berlangsung dengan kemungkinannya yang hampir sama. Keuntungan utama reaksi ini ialah karena didapatkannya deutrium dalam air laut.

Walaupun kadarnya hanya 0,015 persen,

kalau dijumlahkan akan

mencapai sekitar 1015 ton dalam seluruh lautan di dunia. Reaktor fusi yang pertama mungkin sekall memakai campuran deutriumtritium sebagai bahan reaksi. 3 1

H  21 H  42 He  01 n  17,6 MeV

Reaksi terakhir ini mempunyai keuntungan yaitu angka hasilnya lebih tinggi dari yang lainnya pada temperatur yang relatif rendah. Air laut mengandung tritium terlalu sedikit untuk dapat diekstraksi secara ekonomis, tetapi unsur tersebut dapat dihasilkan melalui penembakan neutron pada dua isotop litium alamiah: 6 3

7 3

Li  01 n  31 H  42 He

Li  01 n  31 H  42 He  01 n

Dalam kenyataannya, tritium yang diperlukan dapat dibentuk melalui reaksi fusi itu sendiri dengan memasukkan selimut litium untuk menyerap neutron yang terlepas ketika operasi reaktor itu. Cairan litium yang dipanasi oleh neutron dapat juga dipakai untuk mengambil energi yang terlepas dengan mengalirkannya antara reaktor dan pembangkit uap. Uap ini akan memberi daya pada turbin yang berkaitan dengan generator listrik. Tiga persyaratan harus dipenuhi oleh reaktor fusi yang sukses. Pertama ialah temperatur tinggi -100 juta K atau lebih sehingga inti bergerak cukup cepat untuk fusi datang berdekatan walaupun ada gaya tolak dari muatan listrik

8

positif. Kedua ialah kerapatan inti yang cukup tinggi untuk menjamin tumbukan semacam itu cukup sering tejadi. Laser dengan daya paling kuat di dunia, terletak di Laboratorium Nasional Lawrence Kalifornia, dipakai dalam eksperimen pangungkungan Inersial. Keluarannya ialah pulsa 60 kJ per 10-9s yang dibagi menjadi 10 berkas yang diarahkan pada palet deutrium-tritium yang kecil,

sebagai usaha untuk

menimbulkan renksi fusi. Pada temperatur yang diperlukan bahan bakar reaktor fusi berbentuk plasma,

yaltu gas yang terionisasi sepenuhnya.

Kita sangat sulit untuk

memperoleh kerapatan partikel n cukup tinggi dalam waktu yang panjang T dalam plasma panas tersebut sehingga dapat mencapai energi netto yang diperlukan. Kriteria supaya kondisi itu tercapai ialah n T sekurang - kurangnya 1020 m-3 s. Disamping pada bagian dalam bintang, kombinasi temperatur kerapatan dan pembatasan ruang yang diperlukan tercapai ketika teradi ledakan bom (“atomik") fissi, dan dengan menambahkan unsur-unsur supaya teradi fusi dalam bom seperti itu menghasilkan senjata yang lebilh dahsyat (yaitu bom "hidrogen"). Pendekatan yang paling awal, dan yang sekarang masih dipakai dalam pengendalian pelepasan energi fusi ialah dengan mengungkung plasma yang reaktif dalam medan magnetik yang kuat. (Bejana yang terbuat dari zat padat tidak dapat dipakai, karena persentuhan dengan dinding akan mengotori dan mendinginkan plasma itu) Terdapat dua jenis geometri medan yang diselidiki. Pertama, "botol magnetik” yang berlandaskan pemantulan ion yang bergerak dalam medan magnetik B yang garis medannya konvergen. Medan gaya pada ion berkecepatan v akan tegak lurus pada v dan B, sehingga gaya tersebut akan memiliki komponen ke arah belakang dalam medan seperti di atas, juga terdapat komponen ke arah dalam, sehingga ion itu akan mengikuti lintasan helikal di sekitar garis medan. Jika gaya kea rah belakang itu cukup kuat maka medan konvergen tersebut akan berlaku sebgai cermin yang dapat memantukan arah gerak ion. Sepanjang cermin magnetik membentuk botol magnetik.

9

Torus Besar Princeton merupakan suatu piranti yang dipakai dalam penelitian energi termonuklir, berlandaskan perancangan Rusia yang disebut tokamak. Piranti ini terletak di Universitas Princeton. Dalam Torus ini gas torionisasi yang sangat panas dalam kamar berbentuk donat berdiamotor 12 ft yang dijaga supaya jangan dekat dinding kamar oleh medan magnetik, kuat karena jika menyentuh dinding, plasma akan mandingin dan tercemar. Gas terionisasi dalam reaktor tokamak harus di panaskan secara listrik sarnpai 100 juta K supaya cukup banyak reaksi fusi yang terjadi untuk menghasilkan energi keluaran yang cukup berharga. Cara pengukungan magnetik yang lain, yaitu berdasarkan rancangan Rusia yang disebut tokamak, memakai medan toroidal yang dimodifikasi (medan berbentuk donat). Karena garis medan tidak lurus, maka ion yang bergerak pada lintasan helikal sepanjang garis medan toroidal akan bergeser memotong garis medan dan lepas. Untuk mencegah hal ini, dipakai medan poloidal yang garis medannya berbentuk lingkaran yang mengelilingi sumbu toroidal sebagai tambahan pada medan semula. Medan paloidal seperti itu dapat diatimbulkan oleh arus yang tejadi dalam plasma itu sendiri. Prosedur yang sama sekali berbeda yang disebut pengukungan inersial, memakai berkas berenergi tinggi yang dapat menanaskan dan memampatkan palet deuntrium-tritium yang kecil itu. Hasilnya ialah ledakan bom hidrogen miniatur, dan runtunan ledakan seperti ini dapat menimbulkan berkas anus energi tunak. Jika sepuluh palet 0,1 mg tiap detik, maka keluaran termal ratarata adalah sekitar 1 GW dan dapat menghasilkan sekitar 200 MW daya listrik, cukup untuk memenuhi kebutuhan kota berpenduduk 175.000 orang. Berkas laser telah menjadi pusat perhatian untuk dipakai dalam pengukungan inersial, tetapi berkas elektron dan proton juga memberi harapan. Berkas energy yang diserap pada lapisan bagian luar palet sehingga akan meledak ke luar. Kekekalan momentum akan menimbulkan gelombang kejut ke dalam dan akan memampatkan sisa palet tersebut sampai sekurang – kurangnya 103 kali kerapatan asal, sahingga menimbulkan panas yang cukup untuk memulai reaksi fusi. Eksperimen dengan skala paling besar pernah

10

dilakukan dunia ini memakai laser berdaya tinggi yang mengirimkan berkas 60 kJ hingga 10 kJ dalam pulsa tunggal sekitar satu nanodetik (10-9 detik) menimbulkan daya 60 bilyun W. Semua harapan yang berdasarkan metode pengungkungan inersial,

masih menunujukan bahwa fusi nuklir masih

merupakan teknologi yang harus diselidiki lebih lanjut walaupun penelitiannya sudah berlangsung 30 tahun. Namun, keuntungannya sangat besar. Diantaranya adalah bahan bakar siap tersedia, tak terdapat pemakaian militer, produksi sampah radioaktif lebih sedikit dibndingkan reaktor fissi. Penelitian reaktor fusi terus berlangsung dengan harapan bahwa reactor ini dapat menyediakan energi yang diperlukan dunia dalam abad yang akan datang. Aplikasi reaksi fusi, yaitu: Reaksi fusi nuklir pada bintang dan matahari Reaksi fusi pada matahari terjadi sepanjang waktu. Reaksi fusi antara hidrogen dan helium serta energi yang dilepaskan selama reaksi akan menghasilkan panas dan sinar yang berasal dari matahari. Perubahan 564 juta ton hydrogen menjadi 560 juta ton helium terjadi pada matahari di setiap detik. Proses ini berjalan selama jutaan tahun tanpa jeda, menghasilkan tenaga matahari sebagai sumber kehidupan di planet bumi. Reaksi fusi nuklir pada meledaknya bom hidrogen Meledaknya bom hidrogen terjadi karena adanya pelepasan energi pada reaksi penggabungan inti ringan deuterium atau tritium yang merubah materi menjadi energi. Syarat untuk mengendalikan reaksi termonuklir, yaitu:

3.



Suhu yang sangat tinggi, dan



Pembentukan plasma karena atom yang terionisasi.

Pencacah Geiger-Muller Pencacah Geiger, atau disebut juga Pencacah Geiger-Muller adalah sebuah alat pengukur radiasi ionisasi. Pencacah Geiger bisa digunakan untuk mendeteksi radiasi alpha dan beta. Sensor dari Pencacah Geiger-Muller merupakan sebuah tabung Geiger-Muller, sebuah tabung yang diisi oleh gas yang akan bersifat konduktor ketika partikel atau foton radiasi menyebabkan 11

gas (umumnya Argon) menjadi konduktif. Alat tersebut akan membesarkan sinyal dan menampilkan pada indikatornya yang bisa berupa jarum penunjuk, lampu atau bunyi klik dimana satu bunyi menandakan satu partikel. Pada kondisi tertentu, Pencacah Geiger-Muller dapat digunakan untuk mendeteksi radiasi gamma, walaupun tingkat reliabilitasnya kurang. Pencacah GeigerMuller tidak bisa digunakan untuk mendeteksi neutron. Bagian-bagian dari mesin Pencacah Geiger-Muller adalah sebagai berikut. 1. Katoda, yaitu dinding tabung logam yang merupakan elektroda negatif. Jika tabung terbuat dari gelas maka dinding tabung harus dilapisi logam tipis. 2. Anoda, yaitu kawat tipis atau wolfram yang terbentang di tengah-tengah tabung. 3. Isi tabung yang merupakan gas bertekanan rendah, biasanya gas beratom tunggal dicampur gas poliatom. Detektor Geiger-Muller pada umumnya dapat menghitung radiasi dengan menerapkan metode pulsa sama halnya dengan detektor proporsional, dan juga dapat menghitung radiasi dengan menerapkan metode arus. Tingginya tegangan kerja tabung detektor Geiger-Muller, akan menimbulkan medan listrik yang tinggi. Tingginya medan listrik pada tabung detektor GeigerMuller dapat mengakibatkan terjadinya guguran elektron (electron avalenche). Pada kondisi tertentu, satu guguran elektron menjadi pemicu terjadinya guguran elektron berikutnya pada tempat yang berbeda di dalam tabung. Pada satu nilai beda potensial tertentu, medan listrik akan bersifat kritis, artinya setiap terjadinya guguran satu elektron akan diikuti oleh rata-rata satu guguran elektron lainnya. Peningkatan jumlah guguran elektron menyebar dengan cepat. Secara teoritis, jumlah guguran elektron dapat meningkat secara eksponensial dalam rentang waktu yang singkat. Elektron-elektron bebas yang terbentuk karena adanya guguran elektron mengakibatkan molekul-molekul pada gas isian akan mengalami eksitasi. Dalam rentang waktu yang singkat (orde nanosekon), molekul-molekul gas yang tereksitasi tersebut akan kembali stabil, artinya elektron-elektron pada molekul gas isian yang tereksitasi akan kembali pada tingkat energi/orbitnya

12

semula. Perpindahan elektron dari keadaan tereksitasi menuju keadaan semula memancarkan gelombang elektromagnetik, dengan panjang gelombang yang berada pada rentang panjang gelombang cahaya tampak. Gelombang elektromagnetik ini adalah elemen penting dalam reaksi rantai yang terjadi dalam tabung Geiger-Muller. Apabila satu foton berinterkasi fotolistrik dengan atom/molekul gas isian maka akan terbentuk satu elektron bebas. Elektron bebas tersebut akan bergerak menuju anoda dan akan memicu terjadinya guguran elektron lain. Karena keadaan tereksitasinya molekul gas isian sangat singkat, sementara foton bergerak dengan kecepatan cahaya, maka terbentuknya elektron bebas yang dihasilkan dari proses fotolistrik (elektron sekunder) hampir bersamaan dengan terjadinya guguran elektron yang pertama. Ketika Geiger discharge mencapai angka tertentu, efek kolektif dari guguran elektron berperan dalam menghentikan rantai reaksi yang terjadi dalam tabung Geiger-Muller. Berhentinya rantai reaksi dalam tabung Geiger-Muller akan terjadi setelah kira-kira jumlah guguran elektron berikutnya sama dengan jumlah elektron sebelumnya, maka seluruh pulsa keluaran memiliki besar amplitudo yang sama, dan tidak tergantung pada jumlah pasangan ion awal yang terjadi pertama kali dalam tabung Geiger-Muller, sebagai akibat interaksi radiasi dengan molekul gas isian. Mobilitas ion positif jauh lebih kecil jika dibandingkan dengan mobilitas elektron. Ketika konsentrasi ion positif cukup tinggi, maka akan menurunkan medan listrik dalam tabung. Karena multiplikasi/reaksi rantai dalam gas isian memerlukan medan listrik di atas harga minimum tertentu, maka penurunan medan listrik itu akan menghentikan proses Geiger discharge. Pada detektor jenis ini, proses discharge terjadi sepanjang anoda. Seluruh proses discharge terjadi dalam waktu singkat (orde mikrosekon). Waktu ini lebih kecil dibandingkan dengan waktu yang dibutuhkan untuk membentuk pulsa keluaran yang timbul karena guguran elektron tunggal. Proses discharge ini, harus “didinginkan secara tiba-tiba” (quenching) untuk mencegah terjadinya proses discharge yang terus menerus serta untuk mencegah terjadinya multiplikasi pembentukan pulsa. Setelah proses Geiger

13

discharge berhenti, ion-ion positif bergerak lambat ke katoda. Kemudian dinetralisir oleh elektron-elektron yang ada di permukaan katoda. Dalam proses ini sejumlah energi, yang disebut sebagai fungsi kerja (work function), dibebaskan. Energi tersebut sama dengan energi ionisasi gas dikurangi dengan energi yang diperlukan untuk mengeluarkan elektron dari permukaan katoda. Jika energi yang dibebaskan tersebut masih melebihi fungsi kerja katoda, maka energi tersebut mungkin akan mengeluarkan elektron lagi dari permukaan katoda. Elektron ini akan bergerak ke anoda, dan akan memicu guguran lain yang akan menjadi Geiger discharge yang kedua. Maka akan tercatat, pulsa tambahan yang bukan berasal dari radiasi yang masuk. Proses quenching dapat dilakukan dengan menambahkan gas quenching sekitar 5-10 %. Gas yang digunakan untuk quenching ini dipilih gas yang memiliki potensial ionisasinya lebih rendah dari gas isian, dan memiliki struktur yang lebih kompleks dibandingkan dengan komponen gas isian. Ionion positif yang bergerak menuju katoda akan bertabrakan dengan molekul gas quenching. Ion-ion positif ini akan mengionisasi gas quenching, sehingga terbentuk elektron bebas dan molekul residu gas quenching yang bermuatan positif. Jika konsentrasi gas quenching besar, maka dapat dipastikan bahwa ion-ion positif yang menuju ke katoda adalah ion-ion positif yang berasal dari gas quenching. Netralisasi ion-ion tersebut akan menyebabkan tidak ada tambahan guguran elektron dalam tabung Geiger-Muller. Pada detektor Geiger-Muller, jika tegangan dioperasikan dari nol samapi tegangan yang tinggi dan hasil cacahannya digambarkan maka akan ada bagian yang datar. Daerah ini disebut plateau. Pada daerah plateau, jika ada perubahan tegangan, hasil cacahan tidak berubah secara signifikan. Tegangan kerja yang mulai timbulnya cacah disebut starting voltage. Bila V1 adalah 27 tegangan mulainya plateau, V2 adalah tegangan batas dari plateau. Lereng plateau (slope) didefinisikan sebagai berikut:

14

Gambar 5.

N1 dan N2 adalah laju cacah pada V1, V2 dan V3, jika harganya ≤ 10 %/100 volt maka detektor itu baik. Hal ini berarti tegangan berubah 100 volt ada kenaikan laju cacah 5 %. Di atas V2 tegangan terlalu tinggi untuk detektor ini sehingga terjadi pulsa yang terus menerus. Jika detektor dioperasikan di atas tegangan V2, maka akan rusak. Tegangan kerja detektor diambil pada daerah plateau. Karena satu pasangan ion yang terbentuk dalam gas dapat memicu Geiger discharge penuh, maka efisiensi pencacahan untuk sembarang partikel bermuatan yang masuk daerah aktif adalah 100%. Dalam situasi praktis, efisiensi pencacah efektif ditentukan oleh probabilitas radiasi masuk jendela detektor tanpa absorpsi atau hamburan. Ada beberapa alasan mengapa detektor jenis Geiger-Muller jarang digunakan untuk mendeteksi neutron. Untuk neutron termal gas Geiger-Muller memiliki tampang lintang tangkapan yang kecil. Gas yang mempunyai tampang lintang tangkapan yang tinggi (BF6) lebih cocok dioperasikan pada daerah proporsional. Neutron cepat dapat mereproduksi inti rekoil dalam gas isian yang dapat menghasilkan pasangan ion. Karena itu tabung Geiger terutama yang berisi gas Helium dapat mendeteksi netron cepat. Tetapi detektor isian gas untuk netron dioperasikan sebagai detektor proporsional. Sinar gamma dapat dideteksi dengan jalan sinar gamma tersebut berinteraksi dengan dinding detektor. Interaksi tersebut menghasilkan elektron. Jika interaksi tersebut terletak di bagian dalam dinding electron tersebut bisa masuk gas detektor. Kemudian elektron tersebut dideteksi oleh detektor Geiger-Muller sebagaimana biasanya. Efisiensi pencacahan gamma tergantung pada: (1). Probabilitas sinar gamma yang berinteraksi dengan dinding dan

15

menghasilkan elektron, dan (2). Probabilitas elektron tersebut mencapai gas dalam tabung Geiger-Muller. Probabilitas interaksi sinar gamma dengan materi meningkat dengan naiknya nomor atom materi. Karena itu dinding detektor Geiger-Muller untuk sinar gamma dibuat dengan materi yang nomor atomya tinggi. Bismuth (z=83) digunakan secara luas. Bagaimanapun efisiensi GeigerMuller untuk gamma jarang lebih besar dari beberapa persen. Ketebalan dinding dibuat sedemikian rupa agar interaksi besar. Tetapi jika terlalu tebal akan melebihi range elektron dan elektron tidak bisa mencapai gas, biasanya tebal dinding sekitar 1-2 mm. Detektor ini dapat dibuat dengan bentuk dan ukuran yang berbeda-beda. Walau demikian, pada umumnya di lapangan, jenis detektor ini dibuat dengan bentuk silinder, dan dikenal dengan nama Geiger-Muller tube. Detektor Geiger-Muller yang kecil telah cukup sensitif untuk mengukur dosis radiasi yang rendah. Bagi detektor jenis kamar ionisasi, untuk memperoleh tingkat sensitivitas yang sama, harus dibentuk dengan ukuran yang lebih besar. Apabila detektor jenis ini, akan digunakan untuk mengukur radiasi alfa dan beta, maka detektor ini harus memiliki jendela detektor yang sangat tipis, yang memungkinkan partikel alfa dan beta dapat memasukinya. Secara umum, detektor jenis isian gas tidak cukup efektif untuk mengukur radiasi gamma. Namun demikian, untuk detektor isian gas jenis Geiger-Muller memerlukan rangkaian sirkuit elektronik tambahan dan dipsanang dalam bungkus padat, apabila digunakan sebagai peralatan survai radiasi gamma. Apabila detektor Geiger-Muller akan digunakan sebagai peralatan dose-meter atau dose-rate meter, maka detektor ini harus memiliki tanggapan (response) yang sama dengan jaringan tubuh manusia, pada seluruh rentang energinya Detektor Geiger-Muller akan mengalami over-response pada energi kirakira di bawah 200 keV, sehingga diperlukan filtrasi yang cocok, yang dipasang mengelilingi tabung detektor Geiger-Muller untuk menjamin bahwa respon energinya linear. Hal ini disebut dengan kompensasi energi.

16

DAFTAR PUSTAKA Beiser Arthur, 1987. Konsep Fisika Modern (Terjemahan The Houw Liong). Erlangga : Jakarta Fratiwi Nuzulira Janeusse. Aplikasi Fisi Nuklir Dalam Teknologi Militer, Pltn, Limbah Nuklir Dari Pltn Dan Penanganannya. Tersedia pada https://nuzulirajaneussef.wordpress.com diakses pada tanggal 06 Mei 2018 https://ansn.bapeten.go.id/files/ins_Alat_Ukur_Radiasi.pdf. Diakses pada 4 Mei 2018.