Tabung Geiger-Müller

Pencacah Geiger, atau disebut jugaPencacah Geiger-Müller adalah sebuah alat pengukur radiasi ionisasi. Pencacah Geiger bisa digunakan untuk mendeteksi radiasi alpha dan beta. Sensornya adalah sebuah tabung Geiger-Müller, sebuah tabung yang diisi oleh gas yang akan bersifat konduktor ketikapartikel atau foton radiasi menyebabkan 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 dapat digunakan untuk mendeteksi radiasi gamma, walaupun tingkat reliabilitasnya kurang. Pencacah geiger tidak bisa digunakan untuk mendeteksi neutron.

Tabung Geiger-Müller

Sebuah tabung Geiger-Muller (or tabung GM ) adalah unsur pengindera ( sensor ) dari sebuah Geiger counter yang dapat mendeteksi sebuah partikel tunggal dari sebuah radiasi ionisasi. Adalah Hans Geiger yang memberinya nama tabung GM pada tahun 1908. Dan Walther Müller berkolaborasi dengan Geiger dalam pengembangan yang lebih lanjut pada tahun 1928. Ini adalah jenis gas ionisasi detektor dioperasikan dengan tegangan di Geiger plateau (daerah plato ).

Daerah plato
Daerah plato adalah tegangan dalam rentang counter Geiger-Müller beroperasi. Tergantung pada karakteristik spesifik pencacahan ( ukuran, jenis gas dll), lebih tepatnya tegangan jangkauannya berbeda-beda. Di wilayah ini, potensi perbedaan di pencacahan cukup kuat untuk mengionisasi semua gas di dalam tabung, tergantung pemicu radiasi ionisasi yang masuk (alfa, beta atau radiasi gamma). Dataran di bawah tegangan tinggi ( plateau ) tidak cukup untuk menyebabkan discharge; dimana Townsend avalanche yang dibatasi adalah hasil, dan tabung bertindak sebagai counter proporsional, dan pulsa ukuran output tergantung pada awal ionisasi yang dibuat oleh radiasi. Tegangan yang lebih tinggi menyebabkan fenomena yang disebut quenching yang dikenakan ion-ion positif yang diambil ke katoda sehingga membuat pulsa terus listrik di pencacah.
Dataran akan condong sedikit jika terjadi peningkatan kepekaan terhadap energi radiasi rendah, hal ini disebabkan oleh peningkatan tegangan pada perangkat. Normalnya bila partikel memasuki tabung dan mengionisasi salah satu gas atom, ionisasi gas akan terjadi. Sekali energi partikel yang rendah memasuki counter, ada kemungkinan bahwa energi kinetis di samping potensi energi dari tegangan yang mencukupi untuk tambahan ionisasi terjadi, maka ion terekombinasi. Pada tegangan yang lebih tinggi, dengan ketinggian minimum untuk radiasi tingkat tetes, maka sensitivitas pencacah meningkat.

daerah plato untul GM

Penilaian karakteristik detektor GM ditentukan oleh bentuk platonya. Detektor GM yang baik mempunyai panjang plato sekitar 200 Volt, kemiringan atau slopnya cukup kecil. Tegangan kerja detektor GM pada umumnya terletak antara 1,3 sampai 0,5 panjang plato, dihitung dari titik V₁. Sedangkan kemiringan detektor GM dihitung berdasarkan plato yang ada dalam % per 100 Volt, seebagai berikut.
Kemiringan (slope) =

Keterangan dan operasi

Sebuah tabung Geiger-Müller terdiri dari tabung yang diisi gas dengan tekanan rendah (0,1 ~ ATM) seperti helium, neon atau Argon, dalam beberapa kasus pada Penning mixture dan uap organik atau halogen berisi gas dan elektroda, diantaranya ada beberapa ratus tegangan volt, tapi tidak ada arus listrik yang mengalir. Dinding dari tabung yang baik di dalam atau di luarnya adalah logam, atau bagian dalammnya hanya dilapisi dengan logam atau grafit untuk membentuk katoda sedangkan anode adalah kawat yang lulus dari pusat tabung.
Ketika ionisasi radiasi melewati tabung, beberapa molekul gas terionisasi, menciptakan ion positif dan elektron. Kuatnya medan listrik dibuat oleh tabung elektroda yang membuat ion-ion bergerak menuju katoda dan elektron menuju anode. Pasangan ion yang cukup mendapatkan energi untuk mengionisasi molecules gas melalui tabrakan pada prosesnya, menciptakan avalanche dari partikel.
Hasilnya secara singkat, pulsa yang saat ini yang lewat (atau cascades) dari elektroda negatif ke elektroda positif diukur atau dihitung.
Jumlah pulsa per detik menunjukan intensitas medan radiasi. Beberapa pencacah Geiger menampilkan rata-rata pengeksposan (mR·h), namun ini tidak berhubungan dengan mudah ke tingkat dosis.

Quenching

Dari mekanisme deteksi diketahui bahwa ion positif yang tiba pada dinding detektor setelah terjadinya pulsa akan menyerahkan energi kinetiknya kepada dinding detektor. Energi yang diserahkan ini sebagian besar diubah dalam bentuk panas. Sedangkan energi yang semula sibawa oleh ion positif digunakan untuk mengeksitasi atom dari dinding. Salam proses kembali ke tingkat dasarnya, atom tersebut akan melepas energi eksitasi melalui pemancaran sinar foton ultra violet. Pada saat demikian medan listrik sekitar anoda sudah kembali sepenuhnya ke intensitas semula.
Dalam keadaan demikian interaksi antara foton ultraviolet dengan gas di dalam detektor mungkin dapat menimbulkan prose avalanche. Proses avalanche ini menyebabkan gangguan pada pencacahan atau spurious count. Hal ini harus dicegah, pencegahan ini disebut dengan quenching atau pemadaman, atau pemuduran, atau pendinginan. Quenching dapat dilakukan secara elektronis, yaitu dengan menurunkan tegangan anoda setelah terjadinya denyut (pulsa) sampai semua ion positif terkumpul. Cara quenching yang lain adalah secara kimia, yaitu dengan menggunakan gas polyatom, seperti gas halogen, metana, gas ether dan alkohol. Quenching dengan cara kimia disebut juga self quenching. Gas quenching dapat menyerap foton ultraviolet tanpa mengalami ionisasi. Foton ultraviolet yang diserap gas quenching akan hilang dengan cara mendisosiasi gas polyatom. Detektor dengan cara quenching dapat hidup selama molekul gas quenching masih cukup. Umur atau wakyi hidup detektor biasanya ditentukan oleh banyaknya radiasi yang tertangkap, umurnya berorde sekitar 10⁸ cacahan.
Apabila sebagai gas quenching digunakan gas halogen maka setelah gas halogen menyerap energi foton ultraviolet tidak akan mengalami disosiasi. Oleh karena itu detektor GM yang menggunakan gas halogen mempunyai umur yang tidak dibatasi oleh jumlah cacahan ya ng dihasilkan detektor. Dalam hal ini detekyor yang menggunakan gas halogen umurnya dipengaruhi oleh keadaan katodenya, apakh sudah termakan gas halogen atau belum. Perlu diketahui bahwa gas halogen bersifat sangat reaktif dan mudah membentuk radikal bebas.

Resolving Time

Apabila ada dua zarah radiasi masuk ke dalam detektor berurutan dalam waktu yang berdekatan maka peristiwa avalanche ion dari zarah radiasi pertama akan melumpuhkan detektor. Selama beberapa saat detektor tak dapat mencatat adanya zarah radisi yang datang kemudian dalam waktu yang sangat berdekatan dengan zarah radiasi yang datang pertama. Intensitas medan listrik yang paling besar adalah di daerah pemukiman anoda, karena avalanche pengionan bermula di daerah yang sangat dekat dengan anoda dan dengan cepat akan melebar ke sepanjang anoda. Ion negatif (elektron) yang terbentuk bergerak ke arah anoda, sedang ion positif bergerak ke arah katoda. Elektron bergerak sangat cepat dan terkumpul di anoda dalam waktu yang jauh lebih cepat bila dibandingkandengan waktu yang diperlukan oleh ion positif untuk sampai di katoda.

Waktu yang diprlukan untuk mengumpulkan ion positif yang terbentuk di dekat pemukiman anoda akan mengikuti persamaan berikut:

Dengan catatan:

a = jari-jari anoda (cm)

b = jari-jari katoda (cm)

p = tekanan gas di dalam detektor

V = beda potensial antara elektroda (Volt)

µ = mobilitas ion positif [(cm/s)(V/cm)], untuk udara µ = 1070, untuk Argon, µ = 1040

Ion positif yang bergerak perlahan ini akan membentuk tabir pelindung di sekeliling anoda yang bermuatan positif. Hal ini menyebabkan sangat turunnya medan listrik di sekeliling anoda dan karena itu tak mungkin terjadi avalanche oleh lewatnya zarah radiasi berikutnya.

Bilamana ion bergerak ke arah katoda, intensitas medan listrik bertambah, sehingga pada suatu saatavalanche akan mulai lagi. Waktu yang diperlukan untuk mengembalikan intensitas medan ke harga semula disebut waktu mati atau dead time.

Pada akhir periode waktu mati, meskipun dapat terjadi avalanche lagi, tetapi denyut keluaran belum tertangkap lagi untuk menghasilkan pula pada detektor GM. Ketika ion positif meneruskan perjalanannya menuju ke dinding katoda, denyut keluaran yang dihasilkan dari zarah radiasi lain akan bertambah besar. Bila denyut keluaran sudah cukup tinggi dan dapat melampaui batas diskriminator maka akan dapat di cacah. Dalam keadaan ini detektor dapat dikatakan telah “pulih” kembali dari keadaan mati. Selang waktu antara akhir waktu mati dengan “pulih kembali penuh” disebut sebagai waktu pemulihan atau recovery time.

Jumlah waktu mati atau dead time ditambah dengan waktu pemulihan atau recovery time disebut resolving time. Resolving time dapat didevinisikan sebagai waktu minimum yang diperlukan agar zarah radiasi berikutnya dapat dicatat setelah terjadinya pencatatan atas zarah radiasi yanng datang sebelumnya. Resolving time berorde sekitar 100 mikrodetik atau lebih. Untuk detektor proporsional jauh lebih cepat bila dibandingkan dengan detektor Geiger Muller, yaitu sekitar beberapa mikro detik saja.

Cara penentukan Resolving Time

Pada laju cacahan yang sangat tinggi, jumlah zarah yang tak dapat tercatat karena masuk detektor dalam selang resolving time, cukup berarti. Oleh karena itu perlu dilakukan koreksi terhadap resolving time ini.

Resolving time dapat ditentukan melalui dua sumber radiasi. Dua buah sumber radiai yang berintensitas sama, dicacah. Pertama, dicacah sendiri-sendiri sehingga akan memberikan hasil cacahan N₁ dan N₂. Kemudian dicacah bersama-sama yang akan menghasilkan pencacahan N₁₂. Secara teoritis apabila tidak ada cacahan yang hilang karena adaanya resolving tadi, maka:

N₁₂ = N₁ + N₂

Akan tetapi dalam kenyataannya harga:

N₁₂ N₁ + N₂

Dalam hal ini resolving time dapat dihitung berdasarkan persamaan berikut

N₁, N_2, N₁₂, dan N_b adalah jumlah cacah persatuan waktu. Di dalam persamaan tersebut N_b adalah jumlah cacah latar atau background counting. Oleh karena N₁₂ harganya hampir sama dengan N₁ + N₂ maka percobaan untuk mengukur besarnya harga resolving time memerlukan ketelitian yang tinggi.

Apabila laju pencacahan dalam pengukuran diketahui sama dengan N₀ dan harga resolving time T diketahui, maka laju pencacahan yang sebenarnya yaitu pencacahan yang akan diperoleh seandainya tidak ada kehilangan karena adanyja resolving time.

N sebenarnya = N₀ / ( 1 - N₀T )

Jadi dalam melakukan laju pencacahan dengan menggunakan detektor GM jangan lupa untuk mengoreksi hasil pencacahan dengan harga resolving time.