Detektor Sintilasi

Salah satu metode yang efisien untuk mendeteksi radiasi gamma dan mengukur energiny adalah menggunakan spektrometri sintilasi. Yang dimaksud dengan proses sintilasi adalah terpancarnya sinar tampak pada saat terjadinya perpindahan/transisi elektron dari tingkat energi yang lebih tinggi ke tingkat energi yang lebih rendah. Perpindahan elektron seperti ini dapat terjadi di dalam bahan detektor. Perpindahan elektron dari tingkat energi yang lebih rendah ke tingkat energi yang lebih tinggi terjadi karena adanya proses eksitasi. Dalam proses kembalinya elektron dari tingkat energi yang lebih tinggi ke tingkat energi yang lebih rendah/keadaannya semula, maka akan dipancarkan energi yang berupa foton sinar-X. Karena bahan detektor ditambahkan bahan pengotor berupa unsur aktivator, yang berfungsi sebagai penggeser panjang gelombang, maka radiasi yang dipancarkannya bukan lagi Sinar-X melainkan berupa sinar tampak.

Proses sintilasi ini akan terjadi apabila terdapat kekosongan elektron pada orbit elektron yang lebih dalam. Kekosongan elektron ini dapat disebabkan karena lepasnya elektron dari ikatannya (proses ionisasi) atau proses loncatnya elektron ke tingkat energi yang lebih tinggi (lintasan elektron yang lebih luar) karena dikenai radiasi. Semakin besar energi radiasi yang diterima, maka akan terjadi kekosongan elektron di orbit sebelah dalam akan semakin banyak, sehingga percikan cahaya yang dikeluarkannya akan semakin banyak. Cahaya tampak yang terjadi ini selanjutnya akan dikonversikan menjadi sinyal elektrik.

 Detektor sintilasi selalu terdiri dari dua bagian, yaitu: bahan sintilator dan photomultiplier. Bahan sintilator merupakan suatu bahan  padat, cair maupun gas, yang akan menghasilkan percikan cahaya bila dikenai radiasi pengion. Photomultiplier digunakan untuk mengubah percikan cahaya yang dihasilkan bahan sintilator menjadi pulsa listrik. Detektor sintilasi bekerja memanfaatkan radiasi fluoresensi (biasanya cahaya) yang dipancarkan ketika elektron dari keadaan tereksitasi kembali ke keadaan dasarnya pada pita valensi. Bahan yang dipilih sebagai bahan detektor adalah bahan yang memungkinkan peristiwa kerlipan cahaya tersebut dapat terjadi dalam waktu yang sangat cepat (kira-kira 1 µsekon).

Mekanisme pendeteksian radiasi pada detektor sintilasi dapat dibagi menjadi dua tahap yaitu: proses pengubahan radiasi yang mengenai detektor menjadi percikan cahaya di dalam bahan sintilator dan proses pengubahan percikan cahaya menjadi pulsa listrik di dalam tabung photomultiplier.

a.    Bahan sintilator

Di dalam kristal bahan sintilator terdapat pita-pita atau daerah yang dinamakan sebagai pita valensi dan pita konduksi yang dipisahkan dengan tingkat energi tertentu. Pada keadaan dasar, ground state, seluruh elektron berada di pita valensi sedangkan di pita konduksi kosong. Ketika terdapat radiasi yang memasuki kristal, terdapat kemungkinan bahwa energinya akan terserap oleh beberapa elektron di pita valensi, sehingga dapat meloncat ke pita konduksi. Beberapa saat kemudian elektron-elektron tersebut akan kembali ke pita valensi melalui pita energi bahan aktivator sambil

memancarkan percikan cahaya.

Gambar Perpindahan Energi

Jumlah percikan cahaya sebanding dengan energi radiasi diserap dan dipengaruhi oleh jenis bahan sintilatornya. Semakin besar energinya semakin banyak percikan cahayanya. Percikan-percikan cahaya ini kemudian ‘ditangkap’ oleh photomultiplier. Jenis bahan sintilasi yang sering digunakan adalah sebagai berikut:

1.        Kristal NaI(Tl): digunakan untuk mengukur radiasi gamma dan SinarX. Detektor sintilasi NaI(Tl) dibuat dari kristal tunggal natrium iodida (NaI) yang sudah sedikit diberi pengotor Talium (Tl). Karena kristal NaI bersifat higroskopis, maka kristal tersebut ditutup rapat-rapat dalam wadah alumunium (Al) yang dilapisi cromium (Cr). Di antara kristal NaI(Tl) dan dnding wadah Al dimasukan reflektor berupa serbuk mangan oksida (MnO) atau Alumunium trioksida (Al2O3). Kristal NaI(Tl) direkatkan pada sebuah tabung pelipat ganda elektron menggunakan perekat bening yang terbuat dari silikon. Pada ujung tabung pelipat ganda elektron terdapat elektroda peka cahaya yang disebut fotokatoda.

2.        Kristal ZnS(Ag): digunakan untuk mengukur radiasi alpha dan beta.

3.        Kristal LiI(Eu): digunakan untuk mengukur radiasi neutron lambat karena unsur Li akan bereaksi dengan neutron menghasilkan partikel alfa. Partikel alfa yang dihasilkannya akan mengeksitasi bahan sintilator sehingga mwnghasilkan percikan cahaya. Jadi proses sintilasi di sini terjadi secara tidak langsung.

4.        Sintilator organik: sintilator organik ini dibuat dari bahan organik seperti anthracene atau stilbene. Sintilator ini dapat berupa cair (sintilator cair) atau berupa padat. Kegunaan utama sintilator cair ini adalah untuk pengukuran radiasi beta aktivitas rendah (low level counting).

b.        Sintilator cair

Detektor ini sangat spesial dibandingkan dengan jenis detektor yang lain karena berwujud cair. Sampel radioaktif yang akan diukur dilarutkan dahulu ke dalam sintilator cair ini sehingga sampel dan detektor menjadi satu kesatuan larutan yang homogen. Secara geometri pengukuran ini dapat mencapai efisiensi 100 % karena semua radiasi yang dipancarkan sumber akan “ditangkap” oleh detektor. Metode ini sangat diperlukan untuk mengukur sampel yang memancar­kan radiasi b berenergi rendah seperti tritium dan C¹⁴.

Masalah yang harus diperhatikan pada metode ini adalah quenching yaitu berkurangnya sifat transparan dari larutan (sintilator cair) karena mendapat campuran sampel. Semakin pekat konsentrasi sampel maka akan semakin buruk tingkat transparansinya sehingga percikan cahaya yang dihasilkan tidak dapat mencapai photomultiplier. 

c.        Tabung photomultiplier

Tabung photomultiplier terbuat dari tabung hampa yang kedap cahaya dengan photokatoda yang berfungsi sebagai masukan pada salah satu ujungnya dan terdapat beberapa dinode untuk menggandakan elektron. Photokatoda yang ditempelkan pada bahan sintilator, akan memancarkan elektron bila dikenai cahaya dengan panjang gelombang yang sesuai. Elektron yang dihasilkannya akan diarahkan, dengan perbedaan potensial, menuju dinode pertama. Dinode tersebut akan memancarkan beberapa elektron sekunder bila dikenai oleh elektron. Elektron-elektron sekunder yang dihasilkan dinode pertama akan menuju dinode kedua dan dilipatgandakan kemudian ke dinode ketiga dan seterusnya sehingga elektron yang terkumpul pada dinode terakhir berjumlah sangat banyak. Dengan sebuah kapasitor kumpulan elektron tersebut akan diubah menjadi pulsa listrik.

Tabung Photomultiplier