Detektor Daly (Scintillation Counter 3)

Perkembangan selanjutnya scintillation counter adalah pada tahun 1960. Pada tahun tersebut N.R. Daly berhasil merancang scintillation counter yang dapat mengatasi kelemahan pada detektor Richard dan Hay. Scintillation counter yang dihasilkan digunakan secara luas pada saat tersebut karena detektor tersebut memiliki sensitifitas yang tinggi. Oleh karena itu istilah scintillation counter juga dapat disebut sebagai detektor Daly.

Detektor Daly bekerja dengan cara berbeda dengan detektor Richard dan Hays. Kation yang memasuki detektor akan dipercepat dengan adanya suatu beda potensial 40 keV. Kation tersebut akan menumbuk suatu dynode, yang disebut sebagai dynode konversi. Dynode konversi merupakan suatu plat logam yang dapat melepaskan elektron-elektron sekunder apabila ditumbuk dengan kation. Elektron sekunder dilepaskan dan dipercepat menuju dynode kedua akibat beda potensial. Dynode kedua tersusun atas scintilator plastik yang apabila tertumbuk dengan elektron akan menghasilkan berkas sinar. Berkas sinar yang dihasilkan dideteksi oleh fotomultiplier (Daly, 1960).

Gambar 1: Skema Detektor Daly

Detektor Daly memiliki bentuk T dan dibuat dari baja stainless steel dengan semua bagian logam penyusunnya yang dibuat mengkilap. Bagian utama detektor berupa suatu ruang vakum, terletak di bagian tengah detektor. Kondisi vakum dibuat dengan menghubungkan ruang utama tersebut dengan suatu pompa vakum dan dengan menambahkan kalium hidrosida untuk menghilangkan air. Dynode konversi dan scintillator tersusun pada ruang vakum tersebut. Salah satu sisi dari ruang vakum tersebut terhubung dengan selubung Kovar. Selubung Kovar terbentuk dari perpaduan gelas dan logam dan dialiri oleh suatu beda potensial 40 kV. Bagian ujung dari selubung Kovar dilekatkan dengan suatu batang baja stailess yang memiliki diameter 1 cm. Detektor Daly ditutup dengan selubung logam untuk mencegah masuknya cahaya (Gambar 1) (Daly, 1960).

Detektor Daly tersusun atas tiga komponen utama, yaitu: dynode konversi, scintillator dan fotomultiplier.

Dynode konversi merupakan suatu elektrode yang dilapisi oleh suatu plat logam. Logam yang digunakan adalah logam yang dapat melepaskan sejumlah elektron sekunder apabila ditumbuk dengan kation. Logam yang digunakan adalah plat alumunium. Logam alumunium memiliki energi ionisasi 50keV yang rendah sehingga mampu melepaskan elektron dengan jumlah terbanyak untuk setiap tumbukan oleh kation dibandingkan dengan logam-logam lainnya. Penggunaan permukaan logam yang telah dikilapkan dapat meningkatkan jumlah elektron yang dihasilkan dan mereduksi kemungkinan terjadinya emisi medan. Oleh karena itu, pada detektor Daly digunakan plat alumunium tipis yang diletakkan pada suatu baja yang datar, licin dan mengkilap.

Scintillator yang digunakan adalah jenis scintillator plastik senyawa fosfor organik NE-102. Scintillator yang digunakan berbentuk lingkaran dengan diameter 4 cm dan tebal 0,3 cm. Scintillator tipe ini memiliki waktu decay yang decay yang pendek yaitu 5x10-9 detik dan efisiensi 65% dibandingkan antrasen. Salah satu sisi scintillator yang berhadapan dengan dynode konversi dilapisi dengan lapisan konduktif. Lapisan tipis tersebut tersusun atas lapisan tipis alumunium. Elektron yang memiliki energi sebesar 40 keV akan kehilangan 1 keV pada saat menembus lapisan tipis tersebut. Lapisan tipis tersebut akan mengarahkan elektron sekunder yang dihasilkan oleh dynode konversi menuju ke permukaan scintillator. Lapisan tipis tersebut juga meningkatkan efisiensi koleksi cahaya dari scintillator. Apabila tidak digunakan scintillator akan diletakkan pada suatu cekungan dengan jarak 0,25 cm di belakang lubang 1,2 cm pada piringan baja stainless serta selubung vakum yang dibentuk melalui penggunaan cincin O.

Fotomultiplier yang digunakan adalah fotomultiplier EMI 6097. Fotomultiplier dilengkapi dengan suatu fotokatoda untuk mengurangi gelap akibat adanya aliran listrik melalui konduktor. Fotomultiplier diletakkan pada sisi satunya lagi dari fosfor. Antarmuka fosfor dan fotomultiplier dilapisi oleh lapisan tipis minyak silikon untuk menghasilkan kontak optik yang baik.

Selain ketiga komponen utama tersebut, detektor juga dilengkapi dengan dua buah celah yang digunakan berkas kation untuk masuk ke dalam detektor. Celah pertama terletak pada bagian yang memfokuskan berkas ion. Celah kedua berukuran lebih lebar terletak pada pintu masuk berkas kation menuju detektor. Celah kedua tersebut terdapat pada suatu plat baja yang menjaga simetri medan dalam detektor dan mencegah berkas kation tertolak terlalu cepat akibat medan yang terdapat dalam detektor. Pada bagian ujung plat tersebut juga terdapat dua buah lubang, masing-masing untuk memompa udara yang ada di detektor keluar.

Posisi dari elektrode baja tempat melekatnya dynode konversi dapat diatur dengan menggerakkannya maju mundur di sepanjang batang penunjang. Posisinya dapat diatur agar berkas elektron sekunder yang dihasilkan dapat tepat mengenai bagian tengah dari fosfor. Posisi yang tepat dapat ditentukan dengan mengamati visualisasi dari gambar elektron di fosfor. Apabila visualisasi tersebut tepat berada di tengah plat fosfor berarti elektrode telah berada pada posisi yang tepat. Perlakuan ini dapat dilakukan dengan mudah menggunakan peralatan terpisah sehingga berkas kation yang menuju detektor memiliki energi yang bervariasi hingga 15 keV.

Posisi dari elektrode tersebut diukur menggunakan persamaan berikut:

V1 merupakan potensial spektrometer sedangkan V2 adalah potensial plat defleksi ion. K adalah konstanta. Arti dari simbol-simbol ditunjukkan melalui Gambar 2 (Daly, 1960).

Gambar 2: Geometri Detektor Daly

Scintillation counter merupakan detektor yang dapat digunakan untuk mendeteksi ion-ion dengan berat molekul tinggi. Daly (1960) menguji detektor tersebut untuk menguji logam Thalium. Logam thalium tersebut diuji dengan menggunakan spektrometer massa dengan metode ionisasi electron impact dan pemisahan ion menggunakan magnetic sector analyzer. Pemisahan tersebut menghasilkan dua puncak, yaitu pada rasio M/Z 203 dan 205. Puncak 203 menunjukkan adanya 1300 ion/detik, sedangkan puncak 205 menunjukkan 3100 ion/detik (Gambar 3).

Gambar 3: Spektra Massa Thalium dengan Detektor Daly

Analisis lebih lanjut terhadap kurva tersebut dilakukan dengan mengamati tinggi pulsa dari puncak Th-205 (Gambar 4). Berdasarkan kurva tersebut dapat diamati bahwa dark crrent untuk fotomultiplier berada pada 5v., dan distribusi pulsa maksimum untuk ion thalium ada pada 40v. Diskriminator amplifier dapat diatur 10 v sehingga diperoleh suatu metode deteksi yang efisien. Berdasarkan kurva tersebut dibandingkan pula dengan detektor elektron multiplier. Diperoleh kesimpulan bahwa detektor elektromultiplier tersebut memiliki kurva yang lebih rendah daripada menggunakan fotomultiplier yang merupakan rangkaian dari Daly detektor (Daly, 1960).

Gambar 4: Analisis Tinggi Pulsa Puncak Th-205

Detektor Daly merupakan detektor yang sangat sensitif. Hal ini disebabkan suatu ion mengalami amplifikasi berkali-kali. Pengukuran yang dilakukan terhadap ion N2+ dan N+ menunjukkan bahwa ion tersebut melepaskan sekitar 7 dan 5 elektron, secara berurutan. Senyawa hidrokarbon yang memiliki massa 200 atau lebih besar akan melepaskan kira-kira 20 elektron sekunder. Ion thalium yang diujikan melepaskan 5 elektron pada permukaan alumunium dan setiap elektron menghasilkan energi sebesar 40 keV. Total 200 keV dienergi ditumbukkan pada senyawa fosfor organik. Energi ini setara untuk menghasilkan 90 fotoelektron yang dilepaskan menuju fotomultiplier. Gambaran ini menunjukkan bahwa photomultiplier dapat dijalankan pada tingkat noise yang rendah. Penggunaan fotomultiplier yang rendah tersebut mengakibatkan noise yang ditimbulkan sebesar 4x10-20 A menjadi kurang berarti debandingkan sinyal sebesar 10-18A. Ion-ion ini mudah dideteksi dengan spektra massa tanpa adanya noise yang mengganggu (Daly, 1960). Sensitivitas detektor Daly yang tinggi juga dapat diaplikasikan pada ion-ion metastabil. Ion-ion metastabil adalah ion-ion yang dibentuk oleh eksitasi yang tidak mengakibatkan ion tersebut mengalami disosiasi secara spontan selama perjalanannya dari sumber ion menuju detektor (Herbert dan Jhonston, 2002).