Edisi khusus. Juli 2006 IS:C:;N14/1-1349

AKSELERATOR UKURAN MEJA(TABLE TOP ACCELE­RATOR)

Pramudita AnggraitaBadan Tenaga Nuklir Nasional. JI. Kuningan Barat Mampang Prapalan. Jakarta 127/0

ABSTRAK

AKSELERATOR UKURAN MEJA. Dalam makalah ini dibahas seeara ringkas perkembangan aksclcratordengan teknik pcmcrccpatan plasma. yang diharapkan dapat mcmberikan gradien pemcrcepatan yang sangattinggi sehingga dapat dibuat akselcrator elcktron atau ion tenaga MeV atau GcV dalam ukuran mcja.Dibahas beberapa cara membangkitkan medan gelombang plasma yang akan mempcreepat zarah bcrmuatan,cfek pemerecpatan dan pemokusan berkas, serta tinjauan hasil-hasil penelitian yang telah dilakukan dibcrbagai tempat di dunia .

ABSTRACT

TABLE TOP ACCELERATOR. This paper describes briefly the current development of accelerators usingplasma acceleration. which is expected toyield a very high acceleration gradient to make possible of a MeVor GeV electron or ion accelerator at tabletop size. Various methods to excite a wake field in pla.mla toaccelerate charged particles. beam acceleration and focu.ring. and a review on experimel1lal result 0/1 thissubject at variousfacilities in the world are presented.

PENDAHULUAN

Kcmajuan akselcrator zarah bcrmuatan tclahmcmungkinkan eksperimen yang mcng­hasilkan pcncmuan-pcncmuan bcsar tcntang

sifat-sifat zarah fundamental dan kclakuan materi

nuklir, maupun juga untuk banyak pemanfaatan dihidang ilmu bahan dan keschatan. Kcmajuan inidimungkinkan olch pcningkatan pe-mahamantcntang fisika dan tcknologi pcmcrccpatan zarah.Tenaga berkas aksclerator tclah meningkat secaraeksponcnsial (dcngan kenaikan satu order setiapdckadc) selama sctcngah abad scjak awal pcncmuanakselerator pada awal tahun 1930an. setelah tiapteknologi yang ada digunakan sampai batas yangmcmungkinkan.

Pcrtanyaim yang ada adalah apakahkcccpatan penemuan-penemuan baru seperti yangtelah dieapai selama ini dapat dipertahankan tanpaterobosan baru dalam teknologi akselerator. Tanpamelihat jenis akselerator maupun zarah yangdipereepat, fakta yang ada menunjukkan bahwaakselerator energi tinggi yang menggunakanteknologi frekuensi radio (RF) seperti yang adasekarang telah berkembang menjadi terlalu besar

dan maha!.[I) Adakah paradigma baru yanf dapatmengurangi ukuran dan harga akselerator?12.J

Juga eukup besar dampak akselerator zarahenergi rendah yang lebih kecil pada eabang-cabangiptek yang lain. Akselerator telah dipergunakanan tara lain dalam ilmu bahan, biologi, kedokteran

Proseding Pertemuan dan Presentasi IImiah TeknologiAhelerator dan Aplika.rinya

Edisi khusus. Juli 2006: 30 - 37

nuklir. riset fusi, sterilisasi makanan, transmutasilimbah nuklir. dan terapi kankcr. Akselcrator untukkeperluan ini sangat berbeda dari aksclerator tcnagatinggi, dan jenisnya bcrvariasi untuk aplikasi yangberbeda. Mcskipun dcmikian. aplikasi tcnagarendah akan banyak mcndapat mant'aat dari"aksclerator ukuran meja" yang sangat kompakuntuk membangkitkan bcrkas clektron, proton, atauion dcngan tcnaga bcberapa ratus MeV pcr satuanmuatan.

Oalam makalah ini ditinjau pcndekatan harupcmcrccpatan zarah bcrmuatan dcngan I11cngguna­kan mcdan kolcktit'dalam plasma. Pcndckatan inisangat menjanjikan untuk dapat mercalisasikanaksclerator plasma pada tenaga tinggi maupun jugaakselerator clektron dan ion dalam ukuran mcja.Plasma tidak hanya membcrikan gradien pemer­cepatan yang tinggi. tetapi juga dapat memokuskanberkas yang dipercepat pada ukuran yang sangatkeci!.

GELOMBANG PLASMA

Jika akselerator konvensional menggunakangel om bang RF untuk mempercepat zarahbermuatan, akselerator plasma menggunakangelombang osilasi plasma yang dibangkitkan oleh"berkas pembangkit" berupa pulsa laser intcnsitastinggi atau berkas zarah bermuatan.

Gradien pemerccpatan dan kuat pemokusanyang teramati pada eksperimen plasma lebih bcsar

30

Edisi khusus. Juli 2nn6

dari yang sc.<iauh ini dapat diperoleh denganakselerator Rf, sehingga menjanjikan akscIeratoryang lebih kecil untuk meneapai tenaga tertentu.Hasil-hasil ini memberikan harapan untuk dapatmengeeilkan ukuran akselerator di masa depansebagaimana semikonduktor telah dapat mengeeil­kan ukuran rangkaian elektronik.

Gambar 1 menunjukkan diagram Living­stone[4.~1 yang menunjukkan kemajuan tenagaakselerator yang telah dieapai selama beberapadekade, dan tenaga tertinggi yang telah dieapaidalam berbagai eksperimen pemereepat plasmadalam 10 tahun terakhir.

,.f

I.'

ISSN './11-13./9

relativistik berarti bahwa keeepatan fase gelombangsangat mendekati e, keeepatan cahaya. sehinggazarah tidak akan dapat dengan eepat melampauimedan gelombang pemereepat dan memungkinkaninteraksi padajarak yang eukup panjang.

Kuat medan listrik dalam volt per sentimeterkurang lebih diberikan oleh akar rapat elektronplasma p dalam em·3. Tetapi panjang gelombangkarakteristik osilasi plasma turun akibat kenaikanrapat, sebanding dengan p.1/2, sehingga plasmadengan p = 1016/em3 dapat mempunyai gelombangdengan puneak kuat medan sekitar 108 Vlem. Nilaiini beberapa order lebih besar dari 1O~- 106 Vlemgradien pemereepat RF yang ada maupun yangsedang diusulkan. Gradien yang besar pad a plasmadieapai dengan panjang gelombang plasma yanglebih pendek. Untuk p = 1016/em3, panjanggelombang plasma hanya 300 11m.

Gambar 2 menunjukkan 4 eara untuk mem­bangkitkan gelombang plasma.

,'"LOA.

RAL. '.£,6>

I'CI •••••• KiKIU<

LL.'''' •

l!t.SoI) ItiotiO 11170 11tIk' I~ 2•..ul ;k'I1·.

HAIl

Gambar I. Diagram Livingston.14,s1

Pertumbuhan eksponensial tenaga berkasakselerator yang ditunjukkan oleh diagramLivingstone (sekitar satu order per dekade sejak1930) mulai mendatar sekitar tahun 1980 setelahteknologi Rf meneapai batasnya. Ekstrapolasihingga 2010 berakhir dengan berkas elektronlpositron 250 GeV sepanjang 30 km yang diusulkandengan teknologi RF mutakhir [Next LinearCollideI' (NLC)]. Pertumbuhan tenaga yang dieapaipada eksperimen plasma di AS, Jepang, dan Eropasejak tahun 1990 tumbuh lebih eepat (dua order perdekade).

Harus diakui masih banyak hal yang harusdipeeahkan agar akselerator plasma dapatmenghasilkan berkas dengan intensitas yang eukup,pelebaran tenaga yang keeil, dan emitansi(pelebaran sudut) yang diperlukan untuk eksperimentisika tenaga tinggi maupun aplikasi yang lain.

PEMBANGKITAN GELOMBANGPLASMA

Dasar pemereepatan plasma yang di­kemukakan oleh Dawson dkk. adalah zarah

bermuatan yang dipereepat oleh medan listriklongitudinal dari gelombang plasma elektron yangyang menjalar seeara relativistik. Penjalaran

A KSELERA TOR UKURAN MEJA (TABLE TOPACCELERATOR)

Prallludila Anggraita

Gambar 2. Empat cara untuk membangkitkangelombang plasma, dengan: (a) laserpulsa pendek intensitas tinggi, (b)berkas elektron, (c) dua berkas lasermemberikan layangan yang mende­kati frekuensi osilasi plasma, (d)laser pulsa panjang intensitas tinggimemberikan modulasi Itmplitudoseperti layangan akibat ketakstabil­Itn hamburan Raman ke depan.141

Dalam akselerator medan laser [laser

wakefield accelerator (LWFA)] pada Gambar 2a.tekanan radiasi laser pulsa pendek dengan intensitastinggi mendorong cIektron plasma ke depan dan kesamping. Setelah pulsa laser lewat, elektron yangsemula terdesak kembali melewati tempat semulamembangkitkan gelombang plasma di belakangpulsa laser, seperti gelombang di belakang kapalyang lewat. Dalam plasma yang tipis. totonmenjalar dengan keeepatan grup sangat mendekatie, sehingga keeepatan fase osilasi medan jugamendekati e. Medan listrik ini mempereepat zarahrelativistik sebelum akhirnya meninggalkannya.

Dalam akselerator medan plasma [plasmawakefield accelerator (PWFA)], medan plasmagradien tinggi dibangkitkan dengan berkas zarahbermuatan, relativistik, pulsa pendek (Gambar 2b).

31

Edisi khllslls. JIlIi 2006

Medan Coulomb berka.~ mendesak elektron pla.~madan memhangkitkan osilasi gelombang plasma.Pada LWFA dan PWFA panjang optimum pulsapembangkit adalah setengah panjang gelomhangplasma, sekitar 500 fs untuk p = 1016/cm3•

Akselerator plasma gelombang layanganfplasma beat-wave accelerator (PBW A)], Gambar2c, merupakan salah satu dari dua pendekatan untukmengatasi kesulitan dalam memperoleh pulsa fotonatau elektron ukuran di bawah pikodetik dengantenaga yang cukup. PBW A menggunakangelombang layangan hasil interferensi dua berkaslaser dengan bed a frekuensi tepat sama denganfrekuensi osilasi plasma.161 Gelombang layanganyang terjadi berbentuk seperti sejumlah pulsapendek yang secara resonansi membangkltkangelombang plasma, sehingga dapat digunakan laserdengan intensitas yang lebih rendah daripada padaLWFA.

Akselerator plasma medan termodulasi [self­

modulated laser wakEfield accelerator (SMLWFA)]digunakan jika pulsa di bawah pikodetik dengantenaga yang cukup tidak dapat diperoleh. Suatupulsa laser yang cukup lama termodulasi menjadiseperti struktur gelombang layangan akibat ketak­stabilan hamburan Raman ke depan. Gelombangplasma tumbuh sccara eksponensial akibat pemom­paan tenaga laser.f71 Tenaga gelombang pembangkittersambat pada gelombang plasma yang merambatsecara rclativistic dan dua anak gelomhang denganfrekuensi tergeser naik dan turun sebesar frekuensiplasma.

Gambar 3. Pembangkitan gelombang plasmadengan berkas laser atau elektronyang mendesak elektron plasma.meninggalkan muatan positif danmedan yang mempercepat sekelom­pok elektron yang terjebak.181

Pembangkitan gelombang plasma secaraumum digambarkan seperti pada Gambar 3.Interaksi antara pulsa laser yang pendek denganintensitas tinggi juga dapat mempercepat ion.[9]Misalnya di Rutherford Appleton Laboratory (RAL)di Inggris, laser 50 TW (terawatt) yang difokuskanpada target padat telah membangkitkan berkas

I'roseding I'el'/emllan dan I'resenlasi I/miah Teknologi

Aheleralor dan Aplikasinya

Edisi khusus, Juli 2006: 30 - 37

ISSN 1.f1l-13.f9

terkolimasi proton dan ion lain dengan tenaga 10sampai 400 MeV. Medan listrik laser mula-mulamengionkan atom target, dan elcktron dipercepat kedepan oleh gaya Lorentz dari medan magnet laser.Muatan ruang elektron mempercepat ionmeninggalkan permukaan target.

Ion juga dapat dipercepat oleh mukagelombang kejut yang merambat melalui targetpadat setelah dikenai pulsa laser. Efisiensi konversitenaga laser menjadi ion tenaga tinggi dapat lebihdari 10%. Oengan laser berdaya PW (petawatt)yang sekarang ada, berkas ion dengan tenaga hinggaorder GeV dapat diperoleh dengan alat yang relatifsederhana. Proton dan ion pada jangkauan tenagaini sesuai untuk berbagai aplikasi: radiografi hahannuklir, pemicu fusi cepat, pembuatan isotop medis.dan bahkan mungkin sebagai injektor untukakselerator konvensional.

PEMERCEP ATAN ELEKTRON

Pembangkitan gelomhang plasma relativistikdengan teknik PBW A pertama dicapai pada tahun1985 di UCLA.1101 Pada tahun 1990-an. pemerce­patan elektron dengan PBW A ditunjukkan di UCLAdan di Chalk River Laboratories di Ontario. Ecole

Poly technique dekat Paris, dan di Institute for LaserEngineering (lLE) di Osaka, Jepang. Dari tenagaelektron yang teramati, diperkirakan gradien lehihdari satu gigavolt per meter, sesuai denganperhitungan teoritis untuk gelomhang plasmarelativistik.[11)

Pada awal I990-an, penggunaan penguatanlaser untuk menghasilkan pulsa daya tinggi denganlaser gelas:Nd dapat membangkitkan pulsa dengandaya 100 TW. Christine Coverdale dkk. diLawrence Livermore National Laboratory (LLNL)menemukan bahwa tidak hanya dihasilkanhamburan Raman ke depan, tetapi juga hahwagelombang plasma mempercepat scbagian clektronplasma. Oi pertengahan I990an, eksperimen awaldengan teknik SMLWFA dilakukan di RALbeker:iasama dengan Imperial College, London.1121

Eksperimen menunjukkan bahwa dalamplasma dengan kerapatan 1019/em) dapat dihasilkanberkas sebesar 5 nC dengan tenngn hingga 100MeV, pad a jarak kurang dari 1 mm atnu grndienhampir 200 GeV/m. I-Iasil serupa juga diperoleh diUS Naval Research Laboratory. University ofMichigan, Lawrence Berkeley National Laboratory(LBNL), dan KEK, laboratorium akselerator tenagatinggi di Jepang.I13]

Adanya laser safir:Ti pada akhir tahun1990an memungkinkan pembangkitan pulsa 50 fs.100 TW dengan laju pengulangan yang cepat.Oengan ini maka teknik LWF A dapat dilaksanakan.

32

Edisi khusus, Juli 2006

Victor MaIka dkk. di Ecole Poly technique's Labora­toire d'Optique Appliquee (LOA) telah mengguna­kan pemercepatan gelombang pada berkas pulsa

yang berisi sekitar 108 elektron hingga mencapaitenaga 200 MeV pada jarak hanya 1 mm. Peng­

ukuran divergensi anguler elektron pada berbagaitenaga menunjukkan bahwa tenaga tertinggi jugamemberikan emitansi terkecil (Gambar 4).[14]

G •.• jol

b•- 10"'II

'7 I-~ 10"enZ

~~ 10'...oII: 10'

~!i1 10'

o ~o 100 lW 200 250ELECTRON ENERGY (MeV)

-10' 10' -30' 30'>S5M.V ) 20 MeV > 5MeV

Gambar 4. Pemercepat elektron ukuran mejahingga tenaga ratusan MeV. (a)

Sistem seukuran meja menembak­

kan pulsa laser ultrapendekpadaaliran gas laminer untuk

membangkitkan plasma dangelombang plasma. Medangelombang menjebak elektron

plasma dan mempercepatnya

hingga sekitar 100 MeV pada jarak. hanya 1 mm. (b) Dengan pulsa

laser 50 rs, 100 TW I di Laboratoire

d'Optique Appliquee (LOA),Perancis, teramati percepatanelektron hingga 200 MeV pada 1mm plasma.(14) (c) Agihan sudutelektron dalam eksperimen di LOA

untuk 3 jangkauan tenaga.Penyebaran sudut ke luar atau

emitansi turun dengan naiknyatenaga elektron. 141

AKSELERATOR UKURAN MEJA (FABLE TO?ACCELERATOR)Pramudita Anggraita

ISSN 14/1-1349

PROSPEK UKURAN MEJA

Untuk mencapai tenaga ukuran GeV atau

lebih, gelombang plasma perlu diperpanjang denganmemandu pulsa laser intensitas tinggi. Salah satu

cara adalah dengan membuat saluran plasma.Saluran dibuat mempunyai kerapatan minimum di

sumbu tengah, sehingga indeks biasnya lebih besardaripada di bagian tepi dan dapat bekerja sepertipandu-gelombang cahaya.

Bagaimana menghasilkan saluran plasmauntuk memandu pulsa laser intensitas sangat tinggisambil membangkitkan gelombang plasmamerupakan kegiatan penelitian yang aktif danmemberikan banyak keberhasilan.[15] MichaelDowner dkk. di University of Texas di Austin

berhasil merambatkan pulsa laser 80 fs denganintensitas puncak 2 x 1017 W Icm2 sejauh 1,5 cm .Jarak ini 60 kali panjang difraksi karakteristik dalam

saluran. Tetapi pada intensitas tersebut gelombangplasma bel urn dapat mempercepat elektron plasma.Elektron plasma juga mempunyai pelebaran tenagayang terlalu besar, sedang kebanyakan aplikasimemerlukan berkas elektron dengan tenaga yanghampir seragam.

Untuk pemercepatan yang seragam, pulsaelektron yang sangat pendek harus terkunci-fase

pada gelombang plasma pemercepat, yang panjanggelombangnya hanya puluhan mikron pada gradienpemercepatan yang sangat tinggi. Beberapa teknikinjeksi optis menggunakan dua atau "Iebih berkas

laser: satu berkas untuk membangkitkan gelombangJ1lasma dan yang lain untuk menyuntikkan elektron

ke dalam gelombang dengan presisi femtosekonJl6]Dalam salah satu teknik, Donald Umstadter

dkk. dari University of Michigan mengusulkanpulsa laser intensitas sangat tinggi kedua yangmenjalar tegak lurus pulsa pertama. Hal ini dapatmeng-ganggu orbit elektron dalam gelombangplasma yang dibangkitkan oleh pulsa pertama,

sehingga terjebak dan dipercepat dengan pelebarantenaga yang relatif. Kombinasi pemandu plasmadengan injeksi optis diharapkan dapat memberikan

berkas elektron tenaga Ge V dalam plasma ukuransenti meter.

PENINGKAT AN KE TENAGATINGGI

Peningkatan dari pemercepatan" ukuran

sentimeter ke ukuran meter dilakukan dengan b~be­rapa cara. Salah satu cara dengan menyambungkanratusan modul pemercepat plasma ukuran kecil,masing-masing mempercepat hingga beberapa GeV.

Tetapi cara ini sangat rumit. Jika dapat dibuat satutingkat pemercepat plasma gradien sangat tinggi

33

Ed~ikhusus.Ju/i2006 /SSN /4/1-/349

PEMOKUSAN PLASMA

capaian yang penting untuk pengembanganakselerator plasma tenaga tinggi.

Oalam mengurangi ukuran akselerator tenagatinggi, optik pemokusan akhir juga harus dapatmenghasilkan berkas yang cukup kecil sehinggadiperoleh laju interaksi yang cllkllp. Dalam hal ini

plasma dapat bekerja se~erti lensa dengan janlkfokliS yang sangat pendek. 19)

Mekanisme lensa plasma mlldah 'dipahami.Oalam vakum, sambil menjalar elektron yang sangatrelativistik mengembang secara lambat. Ini karenagaya muatan ruang yang saling menolak diimbangioleh gaya Lorentz yang saling menarik antara zarah

Gambar S. Hasil pengamatan dan simulasi per­ubahan tenaga positron setelahmelintasi plasma sepanjang 1,4 m.(a) Dalam eksperimen pemerccpatplasma di SLAC,1181 perubahantenaga direkam untuk selang waktu10 ps yang berbeda dari pulsaberkas positron relativistik. Seba­gian besar pulsa (sekitar t = 0)kehilangan tenaga sekitar 55 MeV,sedang ekornya (t setelah +1 ps)menunjukkan tam bahan tenagasekitar 80 MeV. (b) Simulasi kom­puter memberikan hasil yangserupa.141

3 4 6 G

o 2TIMKtfp.J

-2

-80-6 ~ -3 -2 -I 0 1

TIMEt (po)

OjJ!!

J2Q

JOO

_ 80

't 60~.fo] 40co

~ 20

c; 0>-

g -20'"

~ -10-60

-60

sepanjang beberapa meter, maka penyambunganakan dapat lebih sederhana, atau bahkan tidak perlu.

Hal ini telah diteliti dalam eksperimenpemereepat gelombang plasma dengan pembangkitberkas di Argonne National Laboratory, Fermilab,dan SLAC.[l7] Penelitian di SLAC dikerjakan olehsekelompok peneliti dari SLAC, UCLA, Universityof Southern California, dan LBNL. Sejumlaheksperimen di SLAC (dinamakan' EI57 sampaiE 162) menghasilkan satu tingkat PWF A sepanjang1,4 meters untuk positron dan elektron.[l8]

Pembangkit plasma dalam eksperimen diSLAC berupa berkas positron dan· elektron 28,5GeV sepanjang 4 ps yang berasal dari akseleratorlinear (Iinae) sepanjang 3 km, dengan arus puncakhampir 1 kA. Lintasan berkas elektron intensitastinggi menembus plasma Li sepanjang 1,4 m, mem­bangkitkan gelombang plasma dan mempercepatst<iumlah besar muatan pada ujung akhir berkaspembangkit. [18]

Eksperimen juga menunjukkan bahwapenjalaran berkas pada plasma sepanjang 1,4 mdapat dikendalikan, meskipun medan fokus yangkuat terjadi di dalam plasma (setara dengan yangditimbulkan oleh kuadrupol magnet sekuat 6 kT/m).Selain tenaga yang hilang dan yang diperoleh,secara kuantitatif eksperimen juga membuktikanbeberapa fenomena yang telah diperkirakansebelumnya, seperti pemokusan periodik berkas danpancaran sinar-x akibat gerak elektron di sekitarsumbu gelombang plasma.

Untuk gelombang plasma yang tidak terlalubesar, gelombang plasma mempercepat positronseperti halnya elektron, pada fase gelombangplasma yang berlawanan. Untuk gelombang plasmayang dibangkitkan dengan kuat, mekanismepembangkitan gelombang dan pemercepatan agakberbeda untuk elektron dan positron. Pad apemercepatan gelombang plasma denganpembangkit elektron, medan Coulomb muatan ruangberkas sepenuhnya mendesak elektron plasma.Tetapi muatan ruang positron menarik I'=lektronplasma, menimbulkan kerapatan elektron yang jauhmelebihi kerapatan plasma awa!. Pada plasma yangseragam, gelombang plasma yang dibangkitkan olehberkas positron cenderung lebih kecil daripada yangdibangkitkan oleh berkas elektron.

Gambar 5 membandingkan perubahan tenagaberkas positron yang teramati dalam eksperimen .diSLAC, dengan hasil simulasi komputer mengguna­kan program OSIRIS.[l8) Kesesuaian antaraeksperimen dan perhitungan sangat bagus: sebagianbesar berkas kehilangan tenaga sekitar 55 MeV,sedang zarah di ekor berkas meningkat tenaganyamaksimum 80 MeV. Prototip dalam ukuran meteruntuk clektron dan positron merupakan hasil

Proseding Perlemuan dan Presenlasi IImiah Tekn%giAkse/eralor dan Aplikasinya 'Edisi khusus. Juli 2006: 30 - 37

34

Edisi khusus. Juli 2006 /SSN /4/1-1349

bermuatan yang bergerak sejajar. Jika elektronmemasuki plasma dan mendesak elektron plasma,ion yang tertinggal memberikan gaya pemokus.Jika rapat berkas melebihi rapat plasma, semuaelektron plasma terdesak dan gaya pemokus olehion yang tersisa relatif tetap sepanjang berkas, dannaik seeara linear terhadap jarak tegak lurus sumbu.Selain jarak fokusnya yang sangat pendek, lensajenis ini juga tidak mempunyai aberasi bola,

sehingga menyederhanakan optik pemokus akhirsebelum interaksi.

Pemokusan berkas positron agak kurangideal. Positron menarik elektron plasma, yang akan

menetralkan muatan berkas. Elektron plasma dari

berbagai jarak menuju ke berkas positron. Hasijpemokusan tidak linear ke arah radial maupun tetappada arah aksial (sepanjang berkas). Tetapi gradienpemokusan beberapa order lebih besar daripada

yang dapat diperoleh dengan magnet.Lensa plasma telah teramati memokuskan

berkas elektron dan positron tenaga GeV. Dalamsejumlah eksperimen yang dilakukan oleh JohnnyNg dkk. di SLAC,[20] berkas positron diameter 7 /lmdifokuskan menjadi 5 /lm sewaktu melewati kolompendek plasma dengan kerapatan elektron sekitarlOis/em). Gradien pemokusan dalam eksperimen inisangat besar: 106 T/m. Gambar 6 menunjukkanpemokusan positron oleh lensa plasma dalameksperimen di SLAC oleh Mark Hogan dkk.Diameter berkas positron berkurang sampai padasuatu jarak tertentu setelah lensa, di mana kerapatan

plasma dan kuat pemokusan naik sampai nilai

AKSELERATOR UKURAN MEJA (FABLE TOPACCELERATOR)Pramudita Anggrai/a

,01.2

~Z 1.0o!:;~ 0.8Ii:Z

~ 0.6~ 0.4

Gambar 6.

o 2 <I 6

PLASMA ELECTRON DENSITY U01tlcm3)

Pemokusan plasma terhadap berkaspositron 30 GeV di Stanford LinearAccelerator. Pada jarak tertentusetelah lens a plasma, pengurangandiameter berkas, yang semula 50JIm, diukur sebagai fungsi kera­patan elektron plasma pemokus.Saat kerapatan plasma naik ke nilaioptimum (2 x 101Z/cmJ), kuat pemo­kusan naik dan diameter berkas

tinggal separuhnya. Tetapi pada

kerapatan plasma yang lebih tinggi,ukuran berkas naik lagi.141

optimum. Setelah kerapatan optimum, berkas sudahdi luar fokus dan ukurannya naik lagi.

Pemokusan plasma mengubah ukuran berkas2 sampai 4 kali lebih kecil untuk berkas positrondan elektron. Langkah selanjutnya adalahpemokusan plasma hingga ukuran di bawah Imikron. Untuk keperluan tumbukan elektron­positron diperlukan berkas ukuran beberapa puluhnanometer.

PENINGKAT TENAGA PLASMA

Dieapainya pemereepatan plasma padaelektrons dan positron pada ukuran meter, danpemokusan berkas e+ dan eOtenaga beberapa GeVhingga ukuran beberapa mikron, dapat digunakanuntuk meningkatkan teknik PWF A guna meneapaitenaga yang lebih tinggi. Seeara teoritis gradientpereepatan sebanding dengan muatan Iistrik berkaspembangkit dibagi kuadrat panjang berkas.Sehingga jika pulsa 4 ps panjangnya dapat diturun­kan satu order, akan diperoleh gradien preeepatandari 100 MeV/m menjadi sekitar 10 GeV/m. Denganfasilitas berkas sangat pendek di SLAC, hal ini akan

diuji kebenarannya dalam eksperimen E 164(Gambar I). Jika ini terbukti dapat dilakukan tanpa

ketidakmantapan berkas-plasma yang mengganggu,akan dapat dibuat peningkat tenaga bertingkattunggal dengan teknik PWF A pad a ujung akhirsuatu akselerator linear RF tenaga tinggi.120]

Gambar 7 menunjukkan sepasang peningkattenaga PWFA, yang dipasang pada ujung akhirStanford Linear Collider (SLC), untuk meningkat­kan tenaga berkas elektron dan positron dari 50

GeV menjadi 100 GeV. Setiap peningkat tenagapanjang-nya 10m, yang bekerja sepertitransformator: menaikkan tenaga berkas denganpengurangan arus berkas.

Pada tiap peningkat tenaga, berkaspembangkit terdiri dari dua pulsa mikro yang hanya

terpisah 100 fs. Pulsa pertama membangkitkangelombang plasma, sedangkan pulsa kedua, yanghanya bermuatan sepertiga dari pulsa pertama,diatur fasenya sehingga dipereepat oleh gelombangplasma yang dibangkitkan oleh pulsa pertama.Intensitas berkas yang berkurang ini harusdiimbangi dengan ukuran berkas yang lebih kecil,untuk memperoleh laju interaksi yang eukup. Inidilakukan dengan menempatkan lensa plasmadengari kerapatan tinggi pada ujung akhir peningkattenaga.

Peningkat tenaga positron berbeda denganyang untuk elektron. Seperti pada Gambar 7, ini

berupa lubang saluran pada sumbu aksial, dikelilingioleh plasma. Medan gelombang yang dibangkitkanoleh positron dalam saluran terse but akan lebih

35

Edisi khusus. Juli 2006

koheren daripada dalam kolom plasma yangseragam radial. Hal ini karena positron akanmenarik elektron dari batas saluran yang simetrisilindris.

Simulasi awal menunjukkan bahwa elektrondalam pulsa kedua dipercepat pada gradien 8Ge V1m dengan pelebaran tenaga 20%. Pelebaranini terlalu besar untuk eksperimen yang memerlukanketelitian tenaga tumbukan, tetapi masih dapatdigunakan untuk mencari tanda adanya zarahelementer bam.

Gambar 7. Untuk menguji kemungkinan pemer­cepatan plasma sebagai peningkattenaga, diusulkan pemasangan duaakselerator plasma sepanjang 10 mpada ujung akhir pemercepatberkas elektron dan positron 50GeV pada Stanford Linear Collider(SLC). Diharapkan tenagatumbukan e+&'ditingkatkan menjadi200 GeV.141

Beberapa masalah tisika akselerator masihhams dipecahkan, misalnya: apakah gelombangplasma yang dibangkitkan masih stabil untuk jaraklehih panjang dari satu meter, efisiensi berkas yangdipercepat dalam menyerap tenaga dari gelomha{lg,dan pengarahan (alignment) hcrkas yangditumbukkan. Masalah-masalah ini akan

dipecahkan dengan simulasi komputcr 3D gcncrasibaru. maupun fasilitas-fasilitas eksperimen baruseperti fasilitas Orion di SLAC, dan AcceleratorTest Facility di Brookhaven National Laboratory.12t]

KESIMPULAN

Usaha untuk menguasai teknologipemercepat plasma telah memperoleh kem~iuanyang cepat. Dengan teknologi RF diperlukansekitar 60 tahun untuk mencapai tenaga tumbukansekitar 200 GeV. Supaya tekno]ogi pemercepatplasma dapat berdampak pada fisika tenaga tinggi,kem~iuan hams dapat dilakukan lebih cepat lagi,terutama pada kualitas berkas, laju interaksi, dan

Proseding Pertemuan dan Presenlasi IImiah TeknologiAkselerafor dan Aplikasinya

Edisi khusus. Juli 2006: 30 - 37

/SSN /-111-/3-19

efisiensi total.

Gabungan teknologi laser dan plasma secaratepat dapat menghasilkan akselerator ukuran mejauntuk elektron dan ion hingga tenaga GeV untukberbagai aplikasi. Masa depannya penuh tantangandan ketidakpastian, tetapi juga penuh dengankesempatan menarik untuk melakukan perubahan.

ACUAN

[I] TIGNER, M., Phvs. Today 52. 36 (200 I).

[]] SESSLER, A., Phys. Today 26. 26 ( 1988).

[2] WURTELE, J., Phys. Today 39. 33 (1994).

[3] JOSHI, C. dan KATSOULEAS, T.. Phvs.Todav 56. 47 (2003).

[4] PRAMUDITA, A., Status Teknik Akseleratordi Dunia Saat Ini, Prosiding Seminar NasionalTeknologi dan Aplikasi Akselerator II I,Yogyakarta 21 November 2000, hal. xxiv.

[5] JOSHI, c., dkk., Nature 3] 1. 525 (1984).

[6] ESTABROOK, K. dan KRUER. W., Phvs.Fluids 26. 1892 (] 983 ).

[7] JOSHI, C., Scientific American 294 no. 2. 22(2006).

[8] KRUSHELNICK, K., dkk .• IEEE Trans.Plasma Sci. 28, 1] 85 (2000).

[9] EVERETT, M., dkk.. Naturc 368, 527 ( 1994)

[1O]AMIRANOFF. F.• dkk .• Phys. Rcv. LeU. 74.5220 ( (995).

[11 ]GORDON, D.• dkk .• Phys. Rev. Lett. 80. 2133( 1998).

[12]LEEMANS, W .• dkk .. Phys. Rev. Lett. 89.174802 (2002).

[]3]MALKA, V., dkk., Science 298. 1596 (2002).

[14]GAUL, E.• dkk., ADDI. Phys. LeU. 77.4112(2000).

[15]ESARAY, E., dkk., Phys. Rev. Lett. 79.2682( 1997).

[16]BAROV, N., dkk., phys. Rev. Let!. 80. 81(]998) .

[17]HOGAN, M., dkk., in Advanced AcceleratorConcepts, 10th Workshop. CLA YTON. C. danMUGGLI. P.• cds., All' conI'. proc. 647. All'.Melville, N.Y. (2002).

[l8]NG. 1., dkk .• Phys. Rev. Lett. 87. 24480 I(200] ).

36

Edisi khllslIs. JlIli 2006

[19]LEE. S.• dkk., Phys. Rev. Special Topics n 5.Olloe)J e2(02).

[20 ]http://www-oroiect.slac.stanford.edu/orion.http://www.bnl.gov/atf.

TANYAJAWAB

M. Faruq

• Dari judul terkesan simplifikasi dari suatu alataksclcrator yang besar menjadi ukuran meja yangmoveable. bahkan jika mungkin portable. Dariide tersebut timbul pertanyaan. apakah mungkinbeam yang dihasilkan digunakan lebih keci!. Jikadapat digunakan saluran yang identik denganendoscopy, sangat bermanfaat untuk terapikanker tanpa ada resiko lebih pada jaringan yanglain.

Pramudita Anggraita

• Beam (berkas) memang berukuran kecil. dan jikamerupakan berkas proton energi tinggi (- 200MeV) bcrdasarkan kurva Bragg disipasienerginya dapat dikonsentrasikan ke bagiantcrtentu dalam jaringan tubuh (kanker) sehinggasangat mengurangi resiko untuk jaringan sehat disekitarnya.

AKSELERATOR UKURAN M£JA (TABLE TOPACCELERATOR)Prall/lidila Anggraila

/SSN /4/1-1349

!-Iari Suryanto

• Seberapa bcsar arus yang dapat dicapai dcnganakselerator ukuran meja ini?

• Bentuk berkas berupa pulsa-pulsa atau kontinyu?

• Untuk karakteristik berkas dengan pulsa-pulsaapakah dapat diaplikasikan untuk PIXE?

Pramudita Anggraita

• Arus dapat berorder amper. tetapi sangat singkat(10-12detik) .

• Berkas berupa pulsa sangat pendck.• Dapat. asal cnerginya cukup.

Darsono

• Mohon masukan berapa arus berkas yang dapatdiproduksi dengan teknik table top accelerator.

Pramudita Anggraita

• Dari eksperimen oleh Maika (2002) yangmempercepat berkas pulsa dengan 108 elektron,berarti dalam waktu yang singkat ( - 10-12 s)setara arus 108 x 10-19 C/10'12 S =]0 Cis = 10 A.

Arus efektif tergantung pada frckucnsipengulangan pulsa. jika I kHz maka arus cfcktifsekitar 1011x 10,19C/ S =10-8 Cis = 10 nA.

37