BAB X

11

BAB 10

PEMERCEPAT PARTIKELA. Pendahuluan. Awal dari akselerator tak lepas dari eksperimen Geissler seorang peniup gelas yang mampu memvakumkan tabung gelas sampai 10-3 torr pada tahun 1860. Dengan tabung lucutan ini membawa dia menemukan sinar katoda, dan inilah merupakan akselerator pertama yang paling sederhana. Eksperimen dengan akselerator ini kemudian dapat menghasilkan penemuan besar lainnya, yaitu sinar X oleh W.Rontgen pada tahun 1895 dan penemuan elektron oleh JJ.Thomson tahun 1897.

Perkembangan akselerator selanjutnya digunakan pada penelitian dasar Fisika Nuklir, untuk mempelajari reaksi partikel-partikel nuklir dan struktur nuklir (inti atom). Ini diperoleh pada tahun 1932 oleh Cockroft dan Walton pada tahun 1932, dengan menggunakan proton 600 keV. Dalam perkembangan selanjutnya berkas pertikel yang dihasilkan oleh akselerator dapat digunakan untuk berbagai keperluan aplikasi seperti diperlihatkan pada Gambar 10.1.

Gambar 10.1 Sejarah Aplikasi Akselerator Partikel

(A.Littlefield.1968:258)

Seiring dengan perkembangan teknologi akselerator yang meliputi akselerator linear dan siklik, aplikasi akselerator berkembang dengan pesat dan menjamah berbagai bidang kehidupan manusia. Tabung sinar X merupakan tonggak sejarah aplikasi akselerator partikel yang mempunyai dampak sangat besar terhadap kehidupan manusia.

Dalam kamus Ilmu Pengetahuan pengertian akselerator menurut Fisika adalah mesin untuk meningkatkan energi kinetik partikel bermuatan dengan mempercepat partikel tersebut di dalam medan listrik. Komponen utama akselerator terdiri dari sumber berkas partikel bermuatan atau injektor, sistem pemercepatan, sistem tabung hampa, sistem penanganan berkas partikel ( sistem optik), irradiator target, sistem instrumentasi dan kendali. Dari uraian tersebut dapat dibayangkan bahwa akselerator mempunyai kemiripan dengan komponen TV yaitu adanya sumber elektron yang dipancarkan oleh filament, sistem pemercepat berupa tegangan tinggi, lempeng vertikal dan horizontal bermuatan listrik, elektron berada pada ruang vakum. Pada TV elektron berenergi ditembakan pada kaca pendar sedangkan pada akselerator elektron dikeluarkan ke atmosfer untuk keperluan proses radiasi seperti contoh Gambar 10.2.

Gambar 10.2 Skematik Akselerator Elektrostatik

(Bryant, P.J. 1991:91)

Berdasarkan medan elektromagnet yang digunakan, sistem pemercepat partikel dapat dibedakan menjadi dua, yaitu pemercepat elektrostatik dan pemercepat elektrodinamik. Berdasarkan bentuk lintasan partikel, akselerator dibagi menjadi dua yaitu akselerator linear dan siklik. 1. Pada akselerator linear partikel dipercepat dalam sekali lintasan lurus oleh medan elektrostatik atau RF yang terpasang pada struktur pemercepat. Pada akselerator linear pertambahan energi kinetik total partikel tergantung dari panjang struktur pemercepat. Karena adanya tegangan dadal maka untuk dimensi struktur pemercepat yang sama akselerator linear RF dapat menghasilkan energi kinetik partikel bermuatan yang jauh lebih besar daripada akselerator linear elektrostatik.

2. Pada akselerator siklik partikel bergerak mengikuti orbit tertutup berevolusi berulang kali. Energi kinetik partikel yang sangat besar dengan mudah dapat dihasilkan, sesuai dengan jumlah pengulangan partikel ketika melewati medan RF. Bentuk akselerator siklik secara garis besar dapat dibagi dua jenis yaitu akselerator medan magnet statik (siklotron) dan akselerator medan magnet tersinkronisasi (sinkrotron).

Akselerator partikel bekerja berdasarkan interaksi partikel bermuatan dalam medan elektromagnet. Peran medan elektromagnet ini dimulai sejak awal yaitu ketika partikel bermuatan dihasilkan oleh suatu sumber pembangkit partikel bermuatan atau injektor, sebelum dipercepat lebih lanjut dengan medan elektromagnet. Perkembangan teknologi pemercepat pada akselerator sangat menakjubkan seperti ditunjukkan pada Gambar 10.2.

Berdasarkan jenis partikel akselerator yang dipercepat maka akselerator partikel dibagi menjadi dua yaitu akselerator ion dan akselerator elektron. Output akselerator dapat berbentuk berkas ion atau elektron yang dicirikan oleh besarnya: arus, energi kinetik, dan profil berkas. Karakteristik dari masing-masing parameter berkas ini sangat penting dalam aplikasi.

Dalam mempelajari akselerator partikel diharapkan pembaca telah mempelajari dasar-dasar elektromagnetik atau listrik dan magnet serta mekanika relavistik khusus. Satuan yang digunakan dalam membahas teori akselerator biasanya menggunakan satuan cgs (cm,gr,second) untuk melihat lebih detail elektrodinamika partikel. Namun dalam hal ini penulisan rumus berdasarkan satuan mks (meter, kg, second) sedangkan untuk perhitungan besaran fisisnya menggunakan satuan praktis yang umum dipakai. Satuan praktis yang umum dipakai dalam akselerator untuk energi digunakan eV. Satu eV yaitu energi yang diberikan pada elektron jika elektron dengan muatan 1e Coulomb melewati beda potensial 1 Volt sehingga mempunyai energi 1,6022 x 10-19 Joule. Satuan energi akselerator biasanya orde k eV (kilo eV) TeV (tera eV). Dengan catatan k = 103, M = 106, G = 109 , T = 1012 Satuan potensial listrik dalam volt, satuan medan magnet dalam Gauss, satuan tekanan kehampaan dalam Torr, satuan daya dalam watt, satuan massa dalam amu (atomic mass unit).

Gambar 10.3 Perkembangan Teknologi Akselerator

(Livingston,M.S.and J.P Blewet. 1962:170)

Prinsip Dasar Gerak Berkas Partikel

Apabila suatu partikel bermuatan berada dalam medan elektromagnet maka partikel akan berinteraksi dengan medan elektromagnet sehingga partikel mempunyai gaya bekerja padanya yang diberikan oleh hukum Lorenzt secara relativistik. Berikut penjabaran rumusnya,

Berdasarkan hukum gaya magnet maka:

gaya Lorentz, q muatan partikel, kecepatan partikel, c kecepatan cahaya, medan listrik, dan medan magnet. Kedua komponen gaya ini banyak digunakan dalam akselerator. Gaya karena medan listrik digunakan untuk mempercepat partikel sedangkan gaya karena medan magnet digunakan untuk pembelokan atau pemfokusan partikel. Pada akselerator energi rendah, gaya listrik juga dapat digunakan untuk pembelokan atau pemfokusan partikel.

Persamaan momentum untuk keadaan non relativistic pada benda yang bergerak dengan kecepatan v adalah dengan m adalah massa diam. Ketika ada gaya luar, jumlah momentum dari interaksi partikel adalah konstan, total momentum dikonservasikan: . Ini berlaku untuk keduanya,baik non relativitas maupun relativitas.

Momentum dikatakan dalam keadaan relativistik jika: (a) Adanya gaya dari luar, jumlah momentum dari partikel yang berinteraksi terkonservasi, (b) Dalam keadaan limit, bahwa .sehingga, di mana fungsi f(v) besarnya harus 1 untuk v=0 dan f(v) adalah besaran tak berdimensi. Fungsi f(v) hanya bergantung pada besar v, sehingga fungsi f(v) harus menjadi fungsi v2. Karena f tak berdimensi, ini harus menjadi sebuah fungsi v2/c2 atau lebih familiar dengan persamaan

sehingga

Jika gaya Lorentz diintegrasikan terhadap waktu, interaksi partikel dengan medan elektromagnetik maka akan diperoleh perubahan momentum partikel.

Sebaliknya jika gaya Lorentz diintegrasikan terhadap panjang lintasan maka diperoleh perubahan energi kinetik partikel. Bagaimana memperoleh energi kinetik relativistik? Kita definisikan Ek sebagai sebuah partikel yang melakukan usaha untuk berpindah dari keadaan diam (saat t=0) menjadi keadaan berkecepatan v (saat waktu t), sehingga perubahan energi kinetik partikel sebagai berikut;

Jika gaya Lorentz pada persamaan (2.1) dimasukkan ke persamaan (2.3) dan mengganti ds = v dt maka diperoleh

Dari persamaan (2.4) terlihat jelas bahwa energi kinetik partikel akan membesar jika medan listrik membesar dan percepatan terjadi pada arah medan listrik. Percepatan ini tidak tergantung pada kecepatan awal partikel, pada kecepatan awal nol pun terjadi percepatan. Gaya Lorentz pada komponen kedua persamaan (2.4) tergantung kecepatan partikel. Arah gaya ini tegak lurus arah rambat partikel dan medan magnet. Dari persamaan (2.4) besarnya energi kinetik tidak tergantung pada medan magnet karena perkalian scalar . Jadi keberadaan medan magnet hanya menyebabkan pembelokan arah gerak partikel.

Untuk partikel dengan massa diam m0 yang bergerak dengan laju momentum p secara relativistik (v=c), = , di mana maka gaya pemercepat partikel sama dengan gaya listrik yang diberikan oleh persamaan;

dengan Energi kinetik relativistik

Sehingga dari persamaan (2.6) menjadi bentuk

Pemfaktoran kuadrat di dalam kurung menjadi,

sehingga Kemudian pengintegralan dan sebagaimana ditunjukkan persamaan (2.7) ini hanya .

Pada mekanika relativistik energi total partikel E = Ek+E0 maka energi kinetik elektron dapat diperoleh dari rumus relavistik = () c2.

Medan E yang digunakan untuk mempercepat partikel dibangkitkan secara elektrostatis atau secara elektrodinamis yang akan dibahas dalam bagian berikut.

B. Jenis Akselerator. Penggolongan jenis akselerator memang unik, namun demikian umumnya penggolongan jenis akselerator dapat ditentukan dari bentuk lintasan, sistem pemercepatan, keluaran berkas partikel, dari besar energinya dan aplikasinya.

Dari bentuk lintasan akselerator dibagi menjadi dua, yaitu:

1. Akselerator linier: akselerator elektrostatik dan RF linac (linear accelerator)

2. Akselerator sirkular: siklotron, sinkrosiklotron, isokron siklotron, betatron, mikrotron, sinkrotron.

Dari sistem pemercepatan medan elektromagnet dalam lintasan, akselerator dibagi menjadi dua yaitu:

1) Akselerator elektrostatik (static field)

Dalam pemercepat elektrostatik, partikel hanya dipercepat dalam sekali lintasan dalam medan elektrostatik, yang termasuk akselerator elektrostatik antara lain Cockroft Walton, Van de Graaff, Dynamitron, Tandem Peletron, Transformator

2) Akselerator elektrodinamik (alternative field)Untuk memperoleh energi pemercepat yang lebih tinggi tanpa dibatasi oleh tegangan dadal, pemercepatan dapat dilakukan secara berulang (siklik) dalam medan elektromagnet yang berubah secara siklik (elektrodinamik) dalam lintasan melingkar (sirkuler) maupun lintasan lurus (linear). Yang termasuk akselerator elektrodinamik antara lain: siklotron, sinkrosiklotron, isokron siklotron, betatron, mikrotron, sinkrotron, RF linac (linear accelerator).

Dari keluaran berkas partikel dibagi menjadi tiga yaitu :

1) Akselerator elektron

2) Akselerator ion

3) Akselerator generator neutron

Dari aplikasi akselerator yang populer dibagi menjadi tiga yaitu:

1) Akselerator implantor ion untuk industri semikonduktor

2) Akselerator Linac untuk kedokteran

3) Mesin berkas elektron (MBE) untuk proses industri.

Pembagian akselerator berdasarkan energi dibagi menjadi tiga yaitu :

1) Rendah : ratusan keV puluhan MeV

2) Sedang : ratusan MeV GeV

3) Tinggi : puluhan GeV - TeV

Menurut Atam P.Arya (1966 :514), pembagian akselerator berdasarkan macam-macam kategori berikut ini:

Berdasarkan bagan di atas pemercepat berkas partikel dapat dibagi menjadi empat macam;

1) Akselerator tegangan langsung: Akselerator Cockroft Walton, Generator Van de Graaff (Tandem Van de Graaff dan Pelletron)

2) Akselerator resonansi: Siklotron dan Linear Akselerator (Akselerator proton dan Akselerator Elektron)

3) Akselerator sinkronous: Sinkrosiklotron dan Sinkrotron (Sinkrotron Proton dan Sinkrotron Elektron)

4) Akselerator Gradient Alternatif.

------------------------- Selesai --------------------------

TUGAS BAB 10.

Pelajari lebih lanjut dan buat rangkuman materi pada buku:

1. Atam P. Arya.1966. Fundamental of Nuclear Physics. Boston: Allyn and Bacon, Inc. Bab XVI. Particle Accelerators and Nuclear Reactors. hal 511 s/d 537.

2. Henry Semat and John R. Albright. 1973. Introduction to Atomic and Nuclear Physics. Fifth Edition. London: Chapman and Hall Ltd. PART III NUCLEAR PHYSICS.. 12 Particle Accelerators. 363 s/d 390.

-------------------------- selamat mengerjakan ---------------------------

PEMBAGIAN TUGAS PELAJARI DANBUAT RANGKUMAN MATERI BAB 10 ASSELERATOR PARTIKELKLAS 6 A.

Kelompok Halaman Keterangan

1. K2312001-06511 5151. Atam P. Arya.1966.

2. K2312007-22515 518

3. K2312024-28518 526

4. K2312033-45526 530

5. K2312046-48530 - 533

6. K2312049-58533 537

7. K2312059-65363 369 2. Henry Semat and John R. Albright. 1973.

8. K2312066-71369 377

9. K2312074-76377 384

10. K2312077-80384 390

. 5

1