ANALISIS BAHAN PROSES PEMBUATAN DETEKTOR PLASTIK SINTILASI. Pemanfaatan bahan radiaoaktif diberbagai bidang perlu penanganan dan pengamanan secara nyata, yaitu dengan memonitor pergerakan bahan radioaktif antara lain dengan menggunakan detektor plastik sintilasi. Detektor plastik sintilasi direncanakan akan dibuat dari bahan dasar utama polystyrene dan bahan aditif yaitu PTP (dopant primer), POPOP (dopant sekunder), keduanya berfungsi sebagai pengubah panjang gelombang, dan gas inert N2 untuk menghilangkan oksigen dan gas terlarut. Telah dilakukan analisis kebutuhan bahan dan sifat teknis dasar plastik sintilasi dengan faktor keselamatan 5% dan diperoleh hasil sebagai berikut, massa total dalam percobaan 900 gram, densitas campuran 1,0524 g/cm3, penyusutan volume 0,72%, jumlah atom C = 4,87x1022 atom/cm3 dan jumlah atom H = 4,86x1022 atom/cm3 dan perbandingan atom C : H = 1 : 1. Hasil ini sesuai dengan referensi yang digunakan.
. 
Kata kunci : Detektor plastik, Polystyrene, PTP, POPOP, Dopant, Shifter

Jami, Abdul

Nuri, Hafni Lissa

Santosa, Puji

Indonesian

Badan Tenaga Nuklir Nasional: Jurnal BATAN

PRIMA  Volume 17, Nomor 2, Nopember 2020      ISSN : 1411-0296   40  ANALISIS BAHAN PROSES PEMBUATAN DETEKTOR PLASTIK SINTILASI  Abdul Jami, Hafni Lissa Nuri, Puji Santosa PUSAT REKAYASA FASILITAS NUKLIR – BATAN,  Kawasan Puspiptek Gd.71, Serpong, Tangerang Selatan 15314 abduljami@batan.go.id   ABSTRAK  ANALISIS BAHAN PROSES PEMBUATAN DETEKTOR PLASTIK SINTILASI. Pemanfaatan bahan radiaoaktif diberbagai bidang perlu penanganan dan pengamanan secara nyata, yaitu dengan memonitor pergerakan bahan radioaktif antara lain dengan menggunakan detektor plastik sintilasi. Detektor plastik sintilasi direncanakan akan dibuat dari bahan dasar utama polystyrene dan bahan aditif yaitu PTP (dopant primer), POPOP (dopant sekunder), keduanya berfungsi sebagai pengubah panjang gelombang, dan gas inert N2 untuk menghilangkan oksigen dan gas terlarut. Telah dilakukan analisis kebutuhan bahan dan sifat teknis dasar plastik sintilasi dengan faktor keselamatan 5% dan diperoleh hasil sebagai berikut, massa total dalam percobaan 900 gram, densitas campuran 1,0524 g/cm3, penyusutan volume 0,72%, jumlah atom C = 4,87x1022 atom/cm3 dan jumlah atom H = 4,86x1022 atom/cm3 dan perbandingan atom C : H = 1 : 1. Hasil ini sesuai dengan referensi yang digunakan. .  Kata kunci : Detektor plastik, Polystyrene, PTP, POPOP, Dopant, Shifter.    ABSTRACT  MATERIAL ANALYSIS FOR MANUFACTURE PROCESS OF SCINTILLATION PLASTIC DETECTOR. The use of radioactive material in various fields requires real handling and security, namely by monitoring the movement of radioactive material, using particular instrument, such as scintillation plastic detector. The scintillation plastic detector is planned to be made from the main base material of polystyrene and additives materials namely PTP (primary dopant), POPOP (secondary dopant), that function as wavelength shifter, and inert gas N2 to remove dissolved oxygen and moisture. An analysis of material requirements and basic technical properties of scintillation plastics with the safety factor of 5% has been obtained as follows, total mass in the 900 gram experiment, mixture density 1,0524 g/cm3, volume shrinkage 0,72%, number of atoms C = 4,87x1022 atoms/cm3 and the number of atoms H = 4.86x1022 atoms/cm3 and the ratio at C: H = 1: 1. These results are in accordance with the references used.  Keywords: Plastic detector, Polystyrene, PTP, POPOP, Dopant, Shifter.  1. PENDAHULUAN Kegiatan kerekayasaan pembuatan detektor sintilasi plastik merupakan bagian dari kegiatan kerekayasaan Portal Monitor Radiasi (Radiation Portal Monitor) – Detektor Plastik. Keberadaan semua bahan beradiasi nuklir yang beredar di suatu negara harus terdeteksi dan terpantau sesuai dengan standar peraturan, administrasi, dan keselamatan yang tinggi untuk memastikan bahwa peredaran bahan beradiasi tersebut dilakukan secara aman dan selamat. Pemanfaatan bahan radioaktif oleh kalangan industri seperti rumah sakit untuk radio therapy, pabrik kertas untuk mengukur densitas kertas, dan perusahaan industri yang menggunakan NDT radiography untuk uji tak merusak dan lain-lain. Pemanfaatan bahan radioaktif khususnya radiography secara umum mempunyai mobilitas dan pergerakan yang sangat tinggi karena sifat pekerjaanya yang sering berpindah-pindah, baik antar pabrik maupun antar pulau. Dengan semakin luasnya pemakaian bahan radioktif di berbagai fasilitas industri dan kesehatan, perlu PRIMA  Volume 17, Nomor 2, Nopember 2020      ISSN : 1411-0296   41  penanganan dan pengamanan bahan radioaktif tersebut secara nyata. Untuk memantau pergerakan bahan radioaktif ini diperlukan monitor radiasi yaitu portal monitor radiasi, salah satunya dengan detektor plastik sintilasi.   Dalam makalah ini, akan dibahas tentang kebutuhan material yang diperlukan dalam pembuatan detektor plastik sintilasi. Data hasil analisis ini akan digunakan sebagai pertimbangan dalam proses pembuatan detektor plastik sintilasi. 2. DASAR TEORI Pembuatan detektor plastik sintilasi dilakukan dengan bahan dasar polystyrene yang dicampur dengan bahan lain yaitu PTP (para-Terphenyl) sebagai dopant primer dan POPOP sebagai dopant sekunder serta gas inert N2[1, 2] sebagai penghilang oksigen dan gas terlarut yang terperangkap selama proses pembuatan. Kebutuhan bahan yang diperlukan untuk pembuatan detektor plastik sintilasi berbahan dasar polystyrene ini ditentukan secara kuantitatif berdasarkan sifat teknis masing-masing bahan. Sifat teknis bahan yang digunakan untuk membuat detektor plastik sintilasi dan spesifikasi teknis plastik sintilasi diperoleh dari sejumlah referensi.  2.1. Polystyrene  Polystyrene (PS) adalah jenis polimer jenis termoplastik yang digunakan pada pembuatan sintilator plastik. Polystyrene yang digunakan berwujud kristal bening berukuran 2 – 5 mm. Polystyrene jenis ini berwarna transparan, bersifat kaku, dan agak rapuh. Sifat kimia polystyrene sebagai berikut[3]:  Berat Molekul : 13300 – 18700  g/mol Nama IUPAC : Poly(1-phenylethene) Densitas  : 1,04 – 1,05  g/cm3 Titik Leleh  : 180 – 260   OC Warna  : Transparan, putih Bentuk Senyawa : Pelet Solubilitas dalam air : Tidak larut Molar Heat Capacity : 123 – 127  J/mol.K Konduktivitas termal : 0,35  W/mK Thermal expansion : 9,10 – 12,6 x 10-5 cm/cm(OC) 2.2. PTP 1,4-Diphenylbenzene atau para-Terphenyl yang dikenal sebagai PTP merupakan kelompok hidrokarbon aromatik yang terikat erat, sehingga memiliki titik leleh  cukup tinggi. PTP digunakan sebagai bahan tambahan yaitu dopant primer yang berfungsi untuk menyerap gelombang elektromagnetik energi tinggi (radiasi gamma) dan memancarkan kembali secara fluoresensi pada kisaran gelombang Ultra Violet. Berikut properti fisik dan kimia dari PTP[4]. . Rumus Kimia : C18H14 Berat Molekul : 230,3  g/mol Nama IUPAC : 1,4-Diphenylbenzene Densitas  : 1,24  g/cm3 Titik Leleh  : 212 - 213   OC Titik didih  : 389  OC Warna  : Putih Solubilitas   : Tidak larut dalam air    Larut dalam benzene panas dan ethyl alcohol panas Refractive Index : 1,6165   PRIMA  Volume 17, Nomor 2, Nopember 2020      ISSN : 1411-0296   42  2.3. POPOP 1 POPOP atau 1,4-bis (5-phenyloxazol-2-yl)benzene adalah scintillator yang digunakan sebagai shifter panjang gelombang yang berfungsi mengubah cahaya tampak dengan panjang gelombang pendek menjadi cahaya dengan panjang gelombang lebih panjang. Bahan berpendar secara fosforesensi dan spektrum cahaya tersebut memuncak pada panjang gelombang 410 nm, yaitu sinar ungu. Sifat-sifat POPOP[5] sebagai berikut.  Rumus Kimia : C24H16N2O2 Berat Molekul : 364,406  g/mol Nama IUPAC : 5-phenyl-2-[4-(5-phenyl-1,3-oxazol-2-yl)phenyl]-1,3-oxazole Densitas  : 1,204  g/cm3 Titik Leleh  : 242 – 246   OC Titik didih  : 585,1  OC Warna  : Kuning Bentuk Senyawa : padat  2.4 PLASTIK SINTILASI Plastik sintilasi dengan bahan dasar polystyrene digunakan untuk mendeteksi radiasi , , , x-ray, dan netron cepat. Sintilator dari bahan polystyrene ini memiliki standar sebagai berikut[6].   Densitas  : 1,06  g/cm3 Refractive index : 1.6 Absorption coefficient : 0,002 – 0,005  cm-1 Softening temperature : 355 – 360  K Light output  : 56 % anthracene Rise time  : 0,9  ns Decay time  : 2 – 3  ns Number of H : 4,91 x 1022  per cm3 Number of C : 4,91 x 1022  per cm3 Ratio H : C  : 1 Number of electron : 3,44 x 1023  per cm3 Wavelength  : 418  nm (maximum emission) Tensile stress : 41  MPa Tensile strength : 41  MPa Tensile modules : 3900  MPa Bending strength : 61  MPa Bending modules : 3900  MPa Compressive strength : 51  MPa Compressive modules : 1500  MPa   3. TATA KERJA  Tahapan analisis kuantitatif yaitu menentukan densitas-densitas rata-rata () campuran bahan, penyusutan volume (VV ), massa total bahan (m), jumlah atom C, jumlah atom H dan nilai perbandingan C : H menggunakan penurunan persamaan sebagai berikut:   Perhitungan Densitas Campuran  m = m1 + m2 + m3  ON NOPRIMA  Volume 17, Nomor 2, Nopember 2020      ISSN : 1411-0296   43     dengan asumsi tidak terjadi penyusutan volume, maka berlaku:    V = V 1 + V 2 + V 3  m  = 11m + 22m + 33m   =   213312321321.m.m.m..... m    (1)    m1 = massa PS  (gram)  m2 = massa PTP  (gram)  m3 = massa POPOP (gram)   1 = densitas PS  (g/cm3)  2 = densitas PTP  (g/cm3)  3 = densitas POPOP (g/cm3)  Perhitungan Penyusutan Volume   VV = VV-V d    = 1 – VVd  karena V =  m dan Vd =  dm VV  = 1 – d        (2)  m = massa total percobaan (gram) V  = Volume hasil perhitungan (cm3) ∆V  = Penyusutan volume (cm3)   = densitas hasil perhitungan (g/cm3) d  = densitas data referensi (g/cm3)   Perhitungan Massa Total Bahan Yang Digunakan Untuk benda bentuk silinder V = ¼ π D2 x H Untuk benda bentuk balok V = L x W x H  m =  x V x (1 + sf)  D = diameter (cm) L = Panjang  (cm) W = Lebar  (cm) H = tinggi  (cm) sf = safety factor  Perhitungan jumlah atom C, jumlah atom H dan perbandingan C : H Perhitungan menggunakan dasar konsep mol, yaitu 1 mol suatu atom setara dengan 6,02x1023 atom/mol (bilangan Avogadro).  Untuk polystyrene (PS) digunakan n = 150 dengan rumus molekul (C8H8)n Atom C sebanyak 1200 Atom H sebanyak 1200 PRIMA  Volume 17, Nomor 2, Nopember 2020      ISSN : 1411-0296   44  Berat molekul 15600 g/mol. Untuk PTP dengan rumus molekul C18H14 Atom C sebanyak 18  Atom H sebanyak 14.  Untuk POPOP dengan rumus molekul C24H16N2O2,  Atom C sebanyak 24  Atom H sebanyak 16  4. HASIL DAN PEMBAHASAN  Hasil kegiatan analisis kuantitatif pembuatan detektor plastik sintilasi dengan berbagai perbandingan material sebagai berikut:   Perbandingan massa material PS : PTP : POPOP = m 1 : m 2 : m3    Untuk m1 : m 2 : m 3 = 100 : 1 : 0,01  Perhitungan densitas campuran menggunakan Persamaan (1) diperoleh hasil sebagai berikut:      =  1,241,050,011,2041,051 1,2041,241001,204  1,24  1,05xxxxxxxx  101,01   = 1,05161 g / cm3  Dengan cara yang sama untuk beberapa perbandingan massa PS : PTP : POPOP yang berbeda diperoleh hasil densitas campuran seperti tampak pada Tabel 1 dan 2.  Tabel 1. Densitas Campuran Dengan Variabel PTP 1 Gram   No PS (gram) PTP (gram) POPOP (gram)  campuran (g/cm3) 1. 2. 3. 4. 5. 100 100 100 100 100 1 1 1 1 1 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 1,05161 1,05162 1,05164 1,05165 1,05166   Densitas campuran rata-rata 1,0516 g/cm3    Tabel 2. Densitas Campuran Dengan Variabel PTP 2 Gram   No PS (gram) PTP (gram) POPOP (gram)  campuran (g/cm3) 1. 2. 3. 4. 5. 100 100 100 100 100 2 2 2 2 2 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 1,05318 1,05319 1,05320 1,05321 1,05322   Densitas campuran rata-rata 1,0532 g/cm3 PRIMA  Volume 17, Nomor 2, Nopember 2020      ISSN : 1411-0296   45  Dari hasil perhitungan dengan berbagai perbandingan diperoleh densitas campuran rata-rata  = 1,0524 g/cm3, nilai di bawah d = 1,06 g/cm3 data ini menunjukkan bahwa terjadi penyusutan volume pada proses pembuatan plastik sintilasi.  Penyusutan volume dihitung dengan menggunakan Persamaan (2) sebagai berikut: VV  = 1 – d    = 1 – 1,061,0524    = 0,0072    Prosentase penyusutan volume sebesar 0,72 %    Perhitungan massa total bahan yang digunakan untuk percobaan pendahuluan pembuatan plastik sintilasi.  Dimensi plastik sintilasi yang direncanakan dalam percobaan berdiameter D=10 cm dan tinggi H=10 cm.  Diperoleh volume  V = ¼ π D2 x H     = ¼ π 102 x 10     = 785  cm3 digunakan sf = 5% Massa m = 1,0524 x 785 x 1,05    = 867,4407 gram  Digunakan massa total m = 900  gram Volume  V = 900 / 1,0524     = 855,19  cm3   Perhitungan jumlah atom C dan atom H dalam campuran.   Untuk perbandingan massa m1 : m2 : m3 = 100 : 1 : 0,01 diperlukan massa bahan masing-masing : m1 (PS) = 890 gram  m2 (PTP) = 9 gram m3 (POPO) = 1 gram  Hasil perhitungan jumlah atom C dan atom H untuk berbagai perbandingan ditunjukkan pada Tabel 3 dan 4.  Tabel 3. Jumlah Atom C dan H Untuk PS 100 dan PTP 1  m1 : m2 : m3 PS (gram) PTP (gram) POPOP (gram) Σ Atom C Mol Σ Atom H Mol 100 : 1 : 0,01 100 : 1 : 0,02 100 : 1 : 0,03 100 : 1 : 0,04 100 : 1 : 0,05 890,000 890,913 890,825 890,736 890,648 9,000 8,909 8,908 8,907 8,906 1,000 0,178 0,267 0,356 0,445 69,231 69,240 69,239 69,238 69,237 69,053 69,082 69,078 69,075 69,072  346,185 345,360    PRIMA  Volume 17, Nomor 2, Nopember 2020      ISSN : 1411-0296   46   Jumlah rata-rata atom C = 69,237  mol     = 416,807 x 1023 atom      = 4,87 x 1022   atom/cm3  Jumlah rata-rata atom H = 68,94  mol     = 415,813 x 1023 atom     = 4,86 x 1022   atom/cm3 Tabel 4. Jumlah Atom C dan H Untuk PS 100 dan PTP 2  m1 : m2 : m3 PS (gram) PTP (gram) POPOP (gram) Σ Atom C Mol Σ Atom H Mol 100 : 2 : 0,01 100 : 2 : 0,02 100 : 2 : 0,03 100 : 2 : 0,04 100 : 2 : 0.05 882,266 882,180 882,094 882,007 882,921 17.645 17,644 17,642 17,640 17,638 0,088 0,176 0,265 0,352 0.441 69,252 69,251 69,250 69,249 69,248 68,943 68,940 68,937 68,935 68,932  346,250 344,687   Jumlah rata-rata atom C = 69,250  mol     = 416,885 x 1023 atom      = 4,87 x 1022   atom/cm3  Jumlah rata-rata atom H = 68,94  mol     = 415,003 x 1023 atom     = 4,85 x 1022   atom/cm3    Dari hasil perhitungan diperoleh jumlah atom C = 4,87 x 1022 atom/cm3 dan jumlah atom H = 4,86 x 1022 atom/cm3.  Nilai perbandingan jumlah atom C dan jumlah ataom H dalam campuran adalah 1,0021 : 1, nilai perbandingan ini setara dengan 1 : 1 dan sesuai dengan referensi.   5. KESIMPULAN              Dari hasil perhitungan dan pembahasan di atas, dapat disimpulkan bahwa, hasil perhitungan teknis densitas campuran polystyrene (PS), PTP, dan POPOP pada beberapa perbandingan menghasilkan densitas campuran sebesar 1,0524 g/cm3 dan terjadi penyusutan volume sebesar 0,72%. Untuk mengantisipasi penyusutan tersebut, dalam percobaan perlu ditambhakan faktor keselamatan sebesar 5%. Kebutuhan bahan dalam percobaan adalah 900 gram untuk berbagai perbandingan dan diperoleh jumlah atom C = 4,87 x 1022 atom/cm3 dan jumlah atom H = 4,6 x 1022 atom/cm3 dengan perbandingan C : H = 1 : 1. Secara teoritis hasil perhitungan teknis ini sesuai dengan data referensi yang digunakan.   6. DAFTAR PUSTAKA   [1]. Pla-Dalmau A, Bross AD, dan Kerry LM, 1999,”Extruded Plastic Scintillator Detector.”, Fermi National Accelerator Laboratory. [2]. Artikov, A. dkk.,”Properties of the Ukraine Polystyrene-Base Plastic Scintillator UPS 923A,” Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 555 ,2005. [3]. https://en.wikipedia.org/wiki/Polystyrene diakses pada tanggal 8 April 2020 [4]. https://m.chemicalbook.com/ProductMSDSDetailCB3693821_EN.htm diakses pada tanggal 12 Mei 2020 PRIMA  Volume 17, Nomor 2, Nopember 2020      ISSN : 1411-0296   47  [5]. https://www.chemicalbook.com/ChemicalProductProperty_US_CB7108372.aspx diakses pada tanggal 4 Juni 2020 [6]. Amcrys-H,”Informasi tentang polystyrene plastic scintillator.” Diakses pada tanggal 11 Juni 2020 pada  http://www.amcrys.com/pdf/4286_.pdf [7]. Kaplon,L.,”Synthesis and Characterization of Polystyrene Scintillators and Their Application in Positron Emission Tomography ”, Aleksander Krupkowski Institute of Metallurgy and Materials Science, Polish Academy of Sciences, 2017.   -oOo-  

ANALISIS BAHAN PROSES PEMBUATAN DETEKTOR PLASTIK SINTILASI

https://jurnal.batan.go.id/index.php/prima/article/download/6078/5247

ANALISIS BAHAN PROSES PEMBUATAN DETEKTOR PLASTIK SINTILASI

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Badan Tenaga Nuklir Nasional: Jurnal BATAN