NEUTRON RADIOGRAFI DAN APLIKASI

PENDAHULUAN
Radiografi neutron merupakan metode yang terpercaya untuk mendeteksi substansi hidrogenik. Sifat internal benda dapat dibedakan oleh perbedaan koefisien atenuasi bahan yang berbeda-beda. Keuntungan menggunakan neutron dalam tomografi adalah beberapa inti bernomor atom kecil, khususnya hidrogen, memiliki interaksi yang lebih besar daripada logam di sekitarnya. Sedangkan radiasi tradisional terbatas karena hanya memberikan informasi tentang total atenuasi yang digabung pada lintasan radiasi yang melalui bahan. Distribusi material yang sesungguhnya yang melewati lintasan tersebut tidak diketahui tepatnya.
Tomografi neutron digunakan sebagai teknik pemeriksaan non-destruktif (NDI), di antaranya yaitu data konsentrasi kuantitatif untuk tuangan logam. Konsentrasi hidrogen dapat digunakan sebagai indikator hilangnya sifat mekanis yang berhubungan dengan kerapuhan yang dapat terjadi pada logam setelah terkena hidrogen. Tujuan dari sistem tomografi neutron ini adalah memberikan data yang akurat mengenai konsentrasi hidrogen dari beberapa ribu sampai 200 ppm dari berat hidrogen dalam campuran titanium.
Syarat untuk sistem tomografi neutron yang mencapai tujuan di atas menghasilkan karakteristik tertentu. Orde variasi magnitudo dalam dimensi keruangan menyokong berkas neutron dengan fluks yang relatif tinggi. Sistem tomografi ini juga harus dapat dilakukan dengan jumlah proyeksi tomografis yang minimum guna menghemat waktu selama mempertahankan resolusi spasial yang cukup untuk mengkarakteristik suatu benda dengan ukuran 0,5 mm. Syarat untuk mendeteksi distribusi konsentrasi hidrogen rendah yang dihasilkan, pada konteks tomografi ini lewat radiografi. Di samping itu, error dan artifak dalam proyeksi dan rekonstruksi harus diminimalkan untuk meningkatkan sinyal terhadap rasio nois untuk koefisien atenuasi yang terukur.
Tulisan ini bertujuan untuk menjelaskan aplikasi tomografi neutron dalam menentukan konsentrasi hidrogen yang sangat rendah dalam matriks titanium.
DASAR TEORI
Sistem Tomografi
Sistem tomografi yang digunakan terdiri dari sumber neutron, piring putar objek, layar kelipan, cermin, kamera CCD, dan perangkat komputer. Sumber neutron adalah reaktor thermal 2 MW TRIGA. Berkas neutron berdiameter sekitar 35 cm pada layar kelipan dengan rasio kolimasi L/D sebesar 140. Fluks neutron thermal pada daya reaktor 2 MW adalah 1,2 x 107 n/cm2s pada bidang film dengan rasio kadmium emas 3. Piring putar objek dipasang pada pengatur posisi spesimen yang dapat meletakkannya pada orientasi dan posisi yang berbeda. Biasanya piring putar diletakkan sekitar 10 cm di depan layar kelipan. Neutron dideteksi dengan layar NE426 kelipan LiF-ZnS-Cu yang menggunakan Li sebagai penyerap neutron. Neutron yang terdeteksi berada pada daerah termal dari spektrum energi. Waktu paparan meningkat dengan faktor 10 ketika kepingan kadmium diletakkan pada berkas neutron. Output sinar pada layar adalah 1,7 x 10¬¬5 foton per neutron dengan efisiensi kelipan mutlak sebesar 9% dan batas resolusi kurang dari 100 µm.

Skema Sistem Tomografi Neutron
Foton yang dihasilkan pada layar dipantulkan ke cermin, melewati lensa dan memasuki detektor CCD. Lensa 50 mm memberikan piksel gambar berukuan 0,057 cm, sedangkan lensa 300 mm memberikan ukuran piksel 0,014 cm. Detektor CCD memiliki susunan rektanguler 1024 x 1024 piksel (24 µm x 24 µm piksel). Efisiensi kuantum tertinggi pada range 0.6-0,7 µm di mana pengelip memancarkan sinarnya.
Data citra dikumpulkan dalam format 16 bit. Perolehan citra dan rekonstruksi dikontril dengan dua stasiun kerja. Salah satunya mengontrol kamera CCD dan piring putar bahan juga fungsi penangkapan data citra. Sedangkan stasiun kerja yang lain menyediakan rekonstruksi tomografi dan fungsi analisis citra.
Proses Awal Radiografi
Sebagai langkah awal dibutuhkan pengukuran yang akurat dari pelemahan berkas yang disebabkan oleh suatu objek. Tujuannya adalah mencari intensitas di belakang objek yaitu Io, yang dinormalkan oleh intensitas berkas Ib. Estimasi awal dapat diperoleh hanya dengan mempertimbangkan intensias muatan gelap, Id, nois latar belakang, In, intensitas berkas objek terhambur, Is, dan fluktuasi magnitudo berkas, f. Muatan gelap dikurangi selama penerimaan citra.
Intensitas sebenarnya diukur dalam sebuah citra tanpa objek (citra bidang datar) yang ditandakan dengan Ibf, dimana

Penambahan Ib ke In tersebut meliputi efek sinar atau neutron yang terhambur oleh setopan cahaya. Sinyal nois dicari dengan menempatkan kepingan borated polyethylene setebal 2,5 cm di sisi berkas dari layar kelipan. Borated polyethylene ini menyerap seluruh neutron. Intensitas yang terukur di belakang keping merupakan nois. Intensitas ternormalisasi yang didapatkan adalah 0,053.
Intensitas suatu objek, Ibo, dalam suatu piksel yang tak terhalang dari citra objek adalah suatu fungsi dari beberapa parameter, sebagai berikut,

yang meliputi fluktuasi daya reactor dan hamburan neutron objek. Intensitas di belakang objek dalam citra objek tersebut, Ioo, adalah

Sedangkan intensitas di belakang kepingan borated-poly, Iso adalah

Pembagian piksel ke piksel dari cita objek oleh citra bidang datar sebanding dengan membagi persamaan (2) dan (3) dengan Ibf dan persamaan (4) dengan In. hasilnya menjadi intensitas citra ternormalisasi pada piksel yang tak terhalang, di belakang objek, dan di belakang bagian borated-polyethylene yaitu

δ adalah sinyal ternormalkan oleh intensitas berkas Ib, jadi δo = Io/Ib, δn = In/Ib, δs = Is/Ib.
Dengan mengunakan persamaan (5) diperoleh

Kemudian dimasukkan ke persamaan (7) menghasilkan pemecahan untuk f dalam hubungannya dengan δbof dan δsof

Dengan memasukkan f dan δs, intensitas objek ternormalisasi oleh δo, menjadi

Langkah-langkah menentukan δo:
Cita objek dibagi dengan citra bidang datar.
δbof dihitung dengan merata-rata intensitas untuk daerah piksel yang tidak dihalangi oleh detektor hamburan atau oleh objek yang akan direkonstruksi.
δsof diukur dengan merata-rata intensitas untuk daerah piksel yang terletak di belakang detektor hamburan.
Menghitung δs dari persamaan (8) dan f dari persamaan (9).
Dihitung δo untuk setiap piksel dalam citra objek dari persamaan (10).
Langkah-langkah ini diulangi untuk setiap radiografi karena variasi magnitude berkas, f, dan hamburan objek, δs, akan berubah-ubah pada masing-masing citra.
Integral garis koefisien atenuasi, p(θ,x,y), harus dihitung untuk setiap piksel dalam proyeksi citra. Untuk berkas monoenergetik, atenuasi eksponensialnya akan dapat digunakan.

Persamaan atenuasi diberikan sebagai berikut :

µ adalah koefisien atenuasi, T tebal sampel, pd integral garis dari koefisien atenuasi detektor.
Koefisien Atenuasi Hidrogen
Diperlukan estimasi dalam hubungan antara sinyal hidrogen dengan sinyal campuran titanium. Kerapatan hidrogen, ρH, pada objek uji dikaliberasi dengan analisis peleburan gas dan analisis aktivasi gamma cepat neutron dingin (CNPGAA). Rasio antara koefisien atenuasi hidrogen dengan koefisien atenuasi campuran titanium adalah

Proses Akhir Rekonstruksi
Resolusi spasial dan jumlah citra proyeksi awal membatasi ukuran cacat yang terdeteksi dalam rekonstruksi tomografi. Prosedur proses akhir dibutuhkan untuk mendeteksi banyaknya hidrogen dalam objek yang kecil atau tipis. Prosedur yang dipilih adalah untuk mensejajarkan rekonstruksi objek yang sedang diuji dengan objek standar. Objek standar memiliki komposisi dan bentuk yang sama dengan objek uji, tetapi kandungan hidrogen pada objek standar ini hanya sedikit atau bahkan tidak ada sama sekali.
Algoritma dari proses akhir ini menciptakan template objek, mensejajarkan pusat massa objek, merotasikan objek uji, menghasilkan citra yang berbeda, dan memberitahukan perbedaan dalam koefisien atenuasi.

METODOLOGI
Ukuran cacat yang terdeteksi dalam rekonstruksi tomografi dibatasi oleh resolusi spasial dari radiograf awal. Resolusinya dihitung dengan mencocokkan fungsi sebaran tepi terhadap kurva intensitas ternormalisasi. Sedangkan random error diukur dengan membagi dua citra yang diambil dengan waktu paparan yang sama dan dinormalisasi ke intensitas rata-rata salah satunya.
Rekonstruksi dipenuhi dengan filtered back-projection dari algoritma Donner. Waktu paparan untuk setiap citra proyeksi adalah 8,2 detik. 13 detik dibutuhkan untuk mendownload dan pengurangan muatan gelap oleh PC. Rekonstruksi dihitung dari proyeksi 180 (kenaikan satu derajat) yang menghasilkan waktu perolehan citra 60 menit. Proses awal meliputi pembagian oleh bidang datar, koreksi latar belakang, koreksi untuk fluktuasi reaktor, koreksi hamburan, dan koreksi untuk pembekuan berkas. Bagian ini mengandung hasil dari rekonstruksi standar titanium NIST, berbagai macam logam dan bilah kompresor mesin. Rekonstruksi ini mengukur kemampuan sistem dengan proses awal untuk melaporkan secara tepat koefisien atenuasi titanium dan konsentrasi hidrogen pada sampel yang diuji. Respon terhadap logam dengan koefisien atenuasi yang berbeda-beda menunjukkan kemampuan menaksir komponen-komponen yang terbuat dari berbagai macam bahan.
Standar campuran titanium, yang sebelumnya sudah digunakan dalam pengukuran koefisien atenuasi, berupa piringan bundar dengan diameter 3,5 cm dan tebal 1,97 cm. Sumbu putaran ditempatkan tegak lurus sumbu rotasi yang dihasilkan dalam irisan melintang persegi panjang pada rekonstruksi. Sampel diletakkan dalam sistem pembakaran tertutup dengan volume hidrogen yang diketahui.
Konsentrasi hidrogen dihitung dari volumetrik hidrogen, dari perubahan berat sampel, dari CNPGAA, dan dari koefisien atenuasi rata-rata dalam rekonstruksi tomografi. Untuk tujuan perbandingan, rata-rata diperoleh melalui rekonstruksi karena metode yang lain hanya melaporkan konsentrasi hidrogen rata-rata.

HASIL DAN PEMBAHASAN
Digunakan berkas neutron bukan monoenergetik dengan spektrumnya memiliki distribusi Maxwellian dalam daerah thermal sebanding dengan 1/E di atas 0,5 eV, dan dalam daerah cepat sekitar 2 meV. Jika di atas 10 MeVdistribusi akan turun dengan cepat. Ketika sampel menjadi lebih tebal, bagian energi yang lebih rendah dari spektrum dihabiskan pada laju yang lebih cepat daripada bagian energi yang lebih tinggi karena potongan melintang yang lebih lebar pada energi rendah mengurangi koefisien atenuasi efektif untuk sampel yang lebih tebal.

Hubungan antara intensitas dan ketebalan pada Ti6Al4V
Hasil rata-rata dari objek uji adalah hidrogen pada 100 ppm mengakibatkan peningkatan koefisien atenuasi ternormalisasi dari 0,022 ± 0,025. Diperoleh koefisien atenuasi 0,546 cm-1 untuk kerapatan campuran sebesar 4,43 g/cm3. Untuk hidrogen 100 ppm diperoleh koefisien atenuasi 0,0053 cm-1. Padahal rasio teoritisnya sebesar 00097, hanya setengah dari nilai yang terukur. Hal ini dapat dijelaskan dengan anggapan bahwa hidrogen tidak dalam bentuk atom tunggal ketika didifusikan ke dalam matrik logam campuran.

Irisan melintang setelah rekonstruksi dari sampel campuran dengan hidrogen 0, 200, 400, dan 800 ppm.
Hidrogen tampak tersebar secara seragam ke sampel yang lain karena rekonstruksi tidak menunjukkan gradien yang besar pada koefisien atenuasi.
Variasi yang dihasilkan adalah standar deviasi dari koefisien atenuasi dari piksel ke piksel. Hasil tomografi neutron hanya memiliki kesesuaian sampai 10% dengan metode lainnya untuk sampel dengan hidrogen dari 200 ppm sampai 800 ppm. Berikut ini hasil deteksi hidrogen dalam alloy titanium.

Pada proses akhir dihasilkan suatu citra yang hanya mengandung sinyal hidrogen dan beberapa data nois. Prosedur ini menghasilkan kemampuan deteksi yang meningkat untuk sinyal hidrogen yang kecil. Jika konsentrasi hidrogen semata-mata hanya pada permukaan tanpa difusi penting dengan ketebalannya lebih besar dari lebar piksel, akan kita peroleh kemampuan terbatas yang penting untuk mencapai deteksi yang akurat.

KESIMPULAN
Kemampuan sistem tomografi neutron untuk mendeteksi hidrogen dalam tuangan logam pada level di bawah 200 ppm telah terbukti. Sistem tomografi neutron ini dapat mencapai resolusi spasial 0.057 mm dengan waktu perolehan 60 menit. Proses awal, meliputi muatan gelap kamera CCD dan koreksi latar, fluktuasi reaktor, hamburan, dan pembekuan berkas terpenuhi untuk setiap citra proyeksi. Perbandingan standar tanpa hidrogen pada objek dengan sinyal hidrogen digunakan untuk mendeteksi sinyal hidrogen yang kecil. Perbedaan antara dua citra terekonstruksi menunjukkan sinyal hidrogen. Hasil determinasi hidrogen juga sesuai dengan beberapa metode deteksi hidrogen yang lain.

DAFTAR PUSTAKA
http://repositories.cdlib.org/cgi/viewcontent.cgi?article=1000&context=ucd_mnrc
http://people.web.psi.ch/vontobel/images/Kasperl_ITMNR5.pdf

Posted on 15 Juli 2011, in Liat Kategori Blog. Bookmark the permalink. Tinggalkan komentar.

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s

%d blogger menyukai ini: