bab viii detektor dan akselerator
TRANSCRIPT
BAB VIII DETEKTOR DAN AKSELERATOR
Di muka banyak dibahas mengenai keberadaan dan sifat-sifat radiasi, baik radiasi gelombang
elektromagnet maupun radiasi partikel. Untuk mengamati radiasi tersebut diperlukan sebuah
detektor. Dalam bab ini dibahas berbagai macam jenis detektor. Untuk suatu keperluan
eksperimen dalam bidang fisika partikel maupun dalam aplikasi fisika partikel, sebuah akselerator
partikel merupakan perangkat utama yang harus tersedia. Dalam bab ini dibahas pula berbagai
macam jenis akselerator tersebut.
8.1. Detektor Isian Gas
Detektor isian gas bekerja dengan memanfaatkan ionisasi yang dihasilkan oleh radiasi
jika melalui gas. Biasanya detektor semacam ini terdiri dari dua elektrode yang diberi beda
potensial dalam suatu tempat berisi gas (Gambar. 8.1.). Jika suatu radiasi pengion mengenai gas,
sebagian atau seluruh energinya akan dugunakan untuk mengionisasi atom-atom gas sehingga
terbentuk pasangan-pasangan elektron-ion positip. Elektron-elektron dan ion-ion ini bergerak
menuju elektrode dan memberikan sinyal arus listrik yang dapat diukur dalam bentuk arus
ataupun tegangan listrik.
Energi yang diperlukan untuk mengionisasi atom gas sekitar 30 eV. Jika 3 MeV partikel
dan memberikan seluruh energinya akan dihasilkan 56
1030
10 x 3 pasangan elektron-ion.
Detektor tipe ini memiliki kapasitans sekitar 50 pF dan waktu untuk mengumpulkan muatan kira-
kira 1 μs . Dengan demikian radiasi dengan energi 3 MeV diharapkan memberikan tegangan dan
arus berorde besar :
mV 0,510 x 50
10 x 1,6 x 1012
195
VC
QV
A 10 x 6,1A10
10 x 1,6 x 10 8
6
195
t
IQ
Unjuk kerja detektor sangat ditentukan oleh tegangan operasi yang dipasang antara ke
dua elektrodenya. Pada tegangan operasi yang masih rendah, medan listrik yang dihasilkan masih
lemah dan gerakan ion-ion relatif lambat sehingga penggabungan kembali (rekombinasi) elektron
dan ion positip menjadi atom netral banyak terjadi. Jika tegangan operasi terus dinaikkan, laju
rekombinasi berkurang, sampai akhirnya tidak terjadi samasekali. Dengan demikian seluruh ion
yang terbentuk dikumpulkan di elektrode. Daerah operasi ini disebut daerah rekombinasi.
195
Gamabar 8.1. Skema detektor isian gas
a) arus searah dihasilkan dalam untai
b) tegangan merupakan keluaran detektor
Pada tegangan operasi yang lebih tinggi lagi, cacah ion yang terkumpulkan tidak mengalami
perubahan karena seluruh ion yang dihasilkan oleh radiasi (ionisasi primer) sudah terkumpulkan
semua dan belum terjadi ionisasi sekunder. Daerah operasi ini disebut daerah ionisasi. Dengan
menaikkan tegangan operasi di atas daerah ionisasi ini, elektron-elektron hasil ionisasi primer
mulai mampu mengionkan atom-atom gas isian (ionisasi sekunder). Di sini terjadi suatu pelipatan
muatan ruang. Faktor pelipatan gas, yaitu cacah ionisasi total dibagi dengan cacah ionisasi
primer, adalah tetap tidak bergantung kepada cacah ion primer sehingga jumlah ion akhir yang
terbentuk berbanding lurus dengan cacah ion primer. Oleh sebab itu, di daerah tegangan operasi
ini, tinggi pulsa keluaran detektor sebanding (proporsional) dengan energi radiasi pengionnya,
sehingga pengukuran energi radiasi dapat dilakukan. Daerah operasi ini disebut daerah
proporsional.
Tegangan operasi yang lebih tinggi lagi akan menghasilkan medan listrik yang sangat
kuat sehingga sebuah pasangan elektron-ion dapat menghasilkan peristiwa avalanche yang
diakhiri dengan keadaan jenuh detektor. Dalam hal ini tinggi pulsa keluaran detektor tidak
bergantung pada cacah ionisasi primer dengan demikian juga tak bergantung pada energi radiasi
pengion. Daerah tegangan operasi ini adalah daerah detektor Geiger Moller (GM). Kenaikan
196
tegangan di atas daerah GM akan menimbulkan lucutan muatan dan dapat mengakibatkan
kerusakan detektor.
Gambar. 8.2. melukiskan hubungan antara tegangan terpasang pada detektor dan cacah ion yang
terkumpul per satuan waktu.
Gambar 8.2. Tegangan detektor vs cacah ion terkumpul per satuan waktu
8.1.1. Kamar Ionisasi
Detektor jenis ini dapat berbentuk keping paralel, silinder atau bola. Dipilih bentuk
keping paralel untuk dibahas karena kesederhanaannya.
Gambar 8.3. Skema untai elektronik detektor kamar ionisasi.
Andaikan kapasitans detektor adalah C dan dengan tahanan R membentuk untai RC,
Andaikan pula bahwa sebuah pasangan elektron-ion terbentuk di titik xo dari elektroda
pengumpul. Jika muatan tersebut telah bergeser sejauh dx+ untuk ion positip dan dx
- untuk
elektron maka berdasarkan kekekalan energi berlaku
197
)(2
)(2
QQQ
QQddVd
CCddxdxeE o (8-1)
dengan d
VE o kuat medan listrik
Q : muatan dalam keping paralel
QQ dd , : perubahan muatan positip dan negatip
Jika diandaikan bahwa perubahan muatan dQ sangat kecil, maka tegangan oV tidak berubah
besarnya. Tegangan keluaran V(t) adalah
t t
ddC
tdC
tV0 0
)(1
)(1
)( QQQ (8-2)
yang dengan persamaan (8-1) menjadi
)]()([
1)( tdxtdxE
V
e
CtV
o
(8-3)
)( )()(0
twtwCd
edtww
Cd
etV
t (8-4)
dengan w dan w berturut-turut adalah laju pergeseran elektron dan laju pergeseran ion positip.
Persamaan (8-4) berupa persamaan linear dalam t. Dalam kenyataannya ionisasi tidak hanya
terjadi di titik 0x , tetapi disepanjang jejak yang dilewati oleh radiasi pengion sehingga tegangan
keluaran merupakan superposisi pulsa dengan berbagai nilai )(Tt yaitu waktu yang
diperlukan untuk mengumpulkan elektron hasil ionisasi. Jika keluaran tersebut kemudian
dimasukkan ke untai 00CR (Gambar 8.4) maka keluarannya berbentuk :
(-)CRt
o TteT
RCktV 0untuk 1)( 00/
)1(
00
(8-5)
198
a) b)
Gambar 8.4. a) Untai 00CR b) Bentuk keluarannya
dengan )( wwCd
k
dan
(-)CRtCRto Tee
T
RCktV untuk t 1
)( 0000 //
)1(
00
(8-6)
8.1.2. Detektor Proporsional
Detektor proporsional biasanya berbentuk silinder dengan dinding dan sumbu silinder
sebagai elektrode-elektrodenya, seperti ditunjukkan dalam Gambar 8.5.
Gambar 8.5. Detektor proporsional bentuk silinder.
Kuat medan listrik di dalam detektor dinyatakan oleh
rab
VrE o 1
)/ln()( (8-7)
dengan b : jejari silinder luar dan a : Jejari elektroda poros silinder
Muatan total yang dihasilkan di dalam detektor adalah
ew
EM
Q (8-8)
dengan : E : energi radiasi yang dilepaskan di dalam detektor
w : energi yang diperlukan untuk menghasilkan pasangan elektron-ion
M : faktor perlipatan gas
199
Andaikan N pasangan elektron-ion terbentuk sebagai akibat ionisasi oleh radiasi yang
mengenai detektor. Elektron-elektron bergerak dengan cepat menuju anode (sumbu detektor). Di
tempat dekat sumbu tersebut elektron merasakan medan listrik yang kuat sehingga mampu
menghasilkan ionisasi sekunder. Karena ionisasi sekunder ini terjadi dekat dengan anode yang
relatif menempati ruangan yang sangat kecil, maka tinggi pulsa keluaran tidak dipengaruhi oleh
letak terjadinya ionisasi primer, selain itu pulsa keluaran detektor terutama disumbang oleh gerak
ion-ion positip menuju katode.
Tegangan keluaran sebagai fungsi waktu diberikan oleh
iont
t
a
b
abCtV
2
2
1ln)/( ln 2
)(Q
(8-9)
dengan Q seperti pada persamaan (8-8) dan C adalah kapasitas detektor, tion adalah waktu yang
diperlukan ion untuk mencapai katode yang dinyatakan oleh
)( 2
)/( ln 22 rbV
abpt
iono
ion
dengan p adalah tekanan gas, ion adalah mobilitas ion dan r adalah titik tempat ionisasi terjadi.
8.1.3. Detektor Geiger Muller
Bentuk dan cara kerja detektor Geiger Muller serupa dengan detektor proporsional
dengan faktor pelipatan gas M yang sangat besar sehingga mencapai keadaan jenuh. Karena cacah
ionisasi total yang sangat besar dan gerakan ion positip yang sangat lambat dibanding dengan
gerakan elektron maka ion-ion positip akhirnya berlaku sebagai tameng dan menghalangi
terjadinya ionisasi lebih lanjut. Namun sesampainya di dekat katode, ion-ion positip tersebut
menarik elektron-elektron katode, pada saat itu pula medan listrik di dalam detektor telah pulih
kembali. Dalam proses netralisasi ion-ion positip dengan elektron-elektron katode sering
dilepaskan adanya kelebihan energi yang dapat menimbulkan ionisasi baru. Elektron yang baru
dilepaskan ini dapat menyebabkan terjadinya avalanche yang lain yang tidak dikehendaki karena
itu hal tersebut harus dihentikan agar detektor GM siap mendeteksi radiasi berikutnya.
Ada dua cara untuk menghentikan ionisasi dan pelipatannya yang tidak dikehendaki
tersebut yaitu dengan untai elektronik yang akan menurunkan tegangan operasi detektor saat ion-
ion positip mencapai katode. Dengan demikian elektron-elektron baru yang dilepaskan tidak
mempunyai cukup energi untuk melakukan ionisasi berikutnya. Cara lain yaitu dengan
mencampur gas isian utama dengan gas halogen atau gas organik beratom banyak. Energi yang
200
dibebaskan dalam proses netralisasi atom gas utama akan digunakan untuk disosiasi molekul gas
campuran tersebut. Kerugian cara kedua ini adalah terbatasnya umur detektor karena
berkurangnya atom atau molekul gas campuran akibat disosiasi yang terjadi.
8.2. Detektor Kelipan (sintilasi)
Sintilator adalah bahan yang dapat menghasilkan kelipan cahaya jika radiasi pengion
mengenainya. Bahan sintilator ZnS pertama kali digunakan oleh Rutherford di tahun 1910 dalam
eksperimen hamburan partikel . Cahaya kelipan yang dihasilkan oleh sintilator diamati dengan
mikroskop, suatu cara yang tidak efisien dan tidak teliti. Oleh karena itu detektor sintilasi
dilupakan orang selama sekitar 30 tahun sesudah itu dan diingat kembali setelah adanya
kemajuan pesat di bidang elektronika yang memungkinkan orang untuk mengubah cahaya
kelipan tersebut menjadi sinyal listrik.
Cahaya kelipan diubah menjadi sinyal listrik dengan menggunakan tabung pengganda
foton (photomultiffler tube/PMT) yang berupa tabung kaca hampa yang dilengkapi dengan
fotokatode di bagian masukan dan beberapa dinode di dalamnya. Foton atau cahaya kelipan
mengenai fotokatode dan membebaskan elektron-elektron melalui efek fotolistrik. Elektron-
elektron yang dibebaskan oleh fotokatode ini dipercepat menuju dinode pertama karena adanya
beda potensial yang dipasang. Dinode yang tertabrak elektron ini melepaskan elektron-elektron
sekunder yang selanjutnya dipercepat ke dinode ke dua dan seterusnya, elektron-elektron
diperbanyak setiap kali mengenai dinode. Akhirnya seluruh elektron yang telah dihasilkan
dikumpulkan di anode dan memberikan pulsa listrik.
Gambar 8.6. Diagram detektor sintilasi dan PMT
Bermacam Sintilator yang biasa digunakan dikelompokkan menjadi tiga yaitu : sintilator
anorganik, sintilator organik dan sintilator gas.
201
8.2.1. Sintilator Anorganik (kristal)
Sintilator anorganik yang biasa digunakan adalah NaI(Tl), CsI(Tl), ZnS (Ag), CaI (Na),
LiI (Eu). Elemen dalam kurung merupakan atom pengotor kristal namun bertanggungjawab atas
terjadinya kelipan.
Proses terjadinya kelipan dapat difahami sebagai berikut: Aras-aras energi suatu kristal
dilukiskan seperti dalam Gambar 8.7. Aras dasar kristal, yang biasanya terisi penuh, disebut pita
valensi. Pita energi di atasnya disebut pita konduksi. Elektron dapat berpindah dari pita valensi ke
pita konduksi karena menyerap energi foton yang mengenainya dengan meninggalkan lowong
positip di pita valensi. Seringkali energi yang diberikan kepada elektron valensi tidak cukup
untuk menaikkannya ke pita konduksi sehingga elektron secara elektrostatik tetap terikat dengan
lowong positip yang ditinggalkan membentuk pasangan yang disebut eksiton. Eksiton ini
menempati pita energi yang tipis di bawah pita konduksi.
Aras-aras energi dapat diciptakan diantara pita valensi dan pita konduksi dengan
memasukkan atom pengotor dalam kristal sebagai aktivator. Atom aktivator dapat tereksitasi
dengan menyerap energi foton, eksiton atau elektron. Deeksitasi atom aktivator yang berlangsung
dalam waktu 10-8
s diikuti pancaran foton dengan panjang gelombang di daerah kasat mata.
Gambar 8.7. Pita energi dalam kristal sintilator.
Hasil-hasil eksperimen menunjukkan bahwa pancaran cahaya kelipan mengikuti rumus
TteNtN /0 )( (8-11)
dengan N(t) adalah cacah foton yang diemisikan pada saat t dan T adalah waktu rerata peluruhan
sintilator. Arus yang dihasilkan oleh PMT juga mempunyai bentuk seperti persamaan (8-11) dan
jika dimasukkan ke dalam untai RC menghasilkan tegangan
202
TtRCt eeVtV //)( (8-12)
Dengan memilih nilai RC yang jauh lebih besar dari pada T berlaku
TteVtV /1)( (8-13)
Sifat-sifat penting beberapa sintilator anorganik dapat disebutkan sebagai berikut.
NaI(Tl) adalah sintilator yang biasa digunakan untuk mendeteksi sinar gamma. Dapat
diproduksi dalam ukuran cukup besar (diameter 0,75 m dan tebal 0,25 m). Karena rapat massanya
yang besar, nomor atom tinggi serta ukuran yang besar maka NaI(Tl) sangat efisien untuk
mendeteksi radiasi gamma. Disamping kelebihan-kelebihan yang dimilikinya, NaI(Tl)
mempunyai kelemahan antara lain, mudah remuk, higroskopis dan peka terhadap perubahan suhu.
CsI(Tl) memiliki rapat massa dan nomor atom yang lebih tinggi dari pada NaI(Tl)
sehingga memiliki efisiensi deteksi gamma yang lebih besar tetapi mimiliki efisiensi konversi
cahaya yang lebih rendah (45% nya), dengan aktivator Na efisiensi konversi cahaya dapat
mencapai 85% dari NaI(Tl). CsI tidak higroskopis, lebih lunak dan plastis serta tidak peka
terhadap perubahan suhu.
CaF2(Eu) terdiri dari bahan bernomor atom rendah sehingga tidak efisien untuk deteksi
gamma namun sangat efisien untuk deteksi partikel dan sinar-X. Serupa dengan bahan pyrex
sehingga mudah dibuat dalam segala bentuk. Karena tak mudah larut dan berubah sifat maka
cukup baik untuk pengukuran radioisotop berupa cairan. Efisiensi konversi cahayanya mencapai
50% dari NaI(Tl).
LiI(Eu) merupakan detektor netron termal melalui reaksi H),(Li 3
1
6
3 n . Proses kelipan
tidak dilakukan langsung oleh neutron melainkan oleh sebagai hasil reaksi neutron dengan Li.
Efisiensi konversi cahayanya sekitar 3
1 dari NaI(Tl).
8.2.2. Sintilator Organik
Toluene dan anthracene merupakan bahan sintilator yang efisien. Proses kelipan cahaya
merupakan proses transisi molekul bahan sintilator. Gambar 8.8. menunjukkan aras energi
molekul sebagai fungsi jarak antar atom. Keadaan dasar molekul tercapai jika berada di titik oA
dengan energi potensial minimum.
Interaksi dengan radiasi pengion menyebabkan molekul melakukan transisi ke aras
tereksitasi 1A . Posisi 1A bukan merupakan keadaan dengan energi potensial minimum di aras
203
tersebut. Molekul akan melepas energinya melalui vibrasi kisi untuk mencapai keadaan 1B .
Akhirnya molekul melakukan transisi ke bawah ( oB ) dengan melepas energinya dalam bentuk
pancaran foton cahaya berenergi )( BoB1 EE yang lebih kecil dari energi eksitasinya
)( AoA1 EE . Perbedaan yang paling pokok dengan sintilator anorganik adalah waktu tanggapnya
yang jauh lebih kecil yaitu kurang dari 10 ns (1 s untuk sintilator anorganik).
Gambar 8.8. Diagram aras energi molekul.
Sintilator organik dapat berupa kristal seperti misalnya anthracene dan trans-stilcene. Sintilator
organik cair seperti toluene dan hexamethylbenzene sangat berguna jika suatu detektor dengan
ukuran sangat besar diperlukan dalam usaha menaikkan efisiensi deteksi. Khususnya dalam
pengukuran aktivitas sangat rendah (3H dan
14C), pengukuran sinar kosmis dan sebagainya.
Dalam hal tertentu sampel yang diukur dicampur dalam sintilator cair tersebut sehingga diperoleh
geometri deteksi 4 dan menaikkan efisiensi deteksinya. Boron, cadmium atau gadolunium sering
ditambahkan dalam sintilator untuk pengukuran neutron.
Sintilator plastik merupakan sintilator organik yang memiliki sifat mirip sintilator cair
dengan kelebihan tanpa memerlukan wadah, dapat dibuat dalam bentuk dan ukuran bebas. Nama-
nama komersial (dagang) yang biasa digunakan adalah Pilot B, Pilot Y, NE102 dan NE110.
8.2.3. Sintilator Gas
Sintilator gas merupakan campuran gas adi (mulia). Cahaya kelipan yang dihasilkan
merupakan akibat transisi atom. Karena cahaya yang dipancarkan oleh gas-gas adi berada di
daerah ultraungu maka gas lain, seperti nitrogen, perlu ditambahkan sebagai penggeser panjang
gelombang. Sifat-sifat yang dimiliki oleh sintilator gas antara lain adalah waktu peluruhan yang
204
sangat pendek, efisiensi deteksi gamma sangat rendah dan cahaya kelipan yang dihasilkan tiap
satuan energi radiasi pengion hampir tidak bergantung pada muatan dan massa partikel pengion
tersebut.
8.3. Detektor Semikonduktor
Detektor semikonduktor merupakan perangkat material zat padat yang digunakan sebagai
detektor radiasi pengion dengan prinsip kerja serupa dengan detektor isian gas. Di dalam detektor
semikonduktor ini sebagai pembawa muatan listrik bukan elektron dan ion melainkan elektron
dan lowong positip. Bahan yang berhasil dimanfaatkan sampai saat ini adalah Si, Ge, Cd Te dan
HgI2.
Sifat yang sangat penting dan merupakan kelebihan yang tidak dimiliki detektor jenis lain
adalah resolusi energinya sangat tinggi. Sifat-sifat lain yang menguntungkan adalah linearitas
yang tinggi antara tinggi pulsa keluaran dengan energi radiasi untuk jangkau energi yang cukup
lebar, efisiensi yang relatif tinggi untuk ukuran yang kecil, dapat dioperasikan dalam vakum dan
tidak dipengaruhi oleh medan magnet.
8.3.1. Detektor sambungan p-n
Penggunaan sambungan p-n sebagai detektor nuklir telah dibahas dalam Bab VI.
Sambungan p-n ini dapat dibuat dengan cara mengoksidasikan bahan semi konduktor tipe-n pada
satu sisi permukaannya sehingga dibentuk lapisan tipis tipe-p. Detektor jenis ini biasa disebut
detektor sawar-muka (surface barrier detector). Cara lain untuk membuat sambungan p-n adalah
dengan difusi. Bahan semikonduktor (biasanya tipe-p) diberi bahan fosfor di bagian muka
kemudian dipanaskan sampai mencapai suhu 800 – 1000 C dalam waktu kurang dari satu jam.
Bahan fosfor tersebut akan mendifusi ke dalam bahan semikonduktor dan berlaku sebagai donor
dan terbentuklah lapisan tipe-n dibagian muka. Detektor ini dinamakan detektor sambungan p-n
terdifusi.
Karena ukurannya yang sangat tipis, maka detektor jenis ini hanya efisien untuk
mendeteksi radiasi partikel bermuatan.
8.3.2. Detektor Si(Li) dan Ge(Li)
Bagian sensitif yang dapat terbentuk lewat difusi ataupun oksidasi sangat terbatas yaitu
hanya sampai setebal 2000 m. Keterbatasan ini tentunya juga membatasi energi partikel yang
dapat dideteksi.
205
Difusi ion Li ke dalam bahan Si atau Ge dan dilanjutkan dengan penyusupan Li melalui
berbagai metode (antara lain metode elektrostatik) dapat dicapai ketebalan sampai 5 mm untuk Si
dan 12 mm untuk Ge. Untuk menjaga keadaan yang telah dicapai, detektor Si(Li) dan Ge(Li)
harus selalu disimpan dan dioperasikan pada suhu rendah (biasanya digunakan nitrogen cair
dalam cryostat), karena pada suhu tinggi, mobilitas atom Li juga tinggi dan dapat merusak
struktur yang telah dicapai.
8.3.3. Detektor Semikonduktor Kemurnian Tinggi
Pembuatan bahan Ge dengan kemurnian tinggi (high purity Germanium atau HPGe) telah
dapat dilakukan dengan konsentrasi pengatur sebesar 1016
atom/m3. Detektor dengan ketebalan 20
mm dan diameter 60 mm telah dapat dibuat. Penyimpanan tidak perlu dilakukan pada suhu
rendah. untuk meniadakan pembentukan elektron-lowong karena efek termal, detektor tetap harus
dioperasikan pada suhu rendah.
8.3.4. Dtektor CdTe dan HgI2
Pengoperasian detektor Ge(Li), Si(Li) dan HPGe pada suhu rendah menyebabkan ukuran
seluruh sistem menjadi sangat besar karena memerlukan cryostat. Disamping itu pemakaian
nitrogen cair membuat beaya perawatan dan operasinya sangat mahal. Untuk tujuan-tujuan
khusus diperlukan detektor berukuran kecil, misalnya pada alat medical imaging, penelitian ruang
angkasa dan sebagainya.
Detektor CdTe dan HgI2 telah dapat dibuat (pada tahun 1978) dengan ketebalan sampai
0,7 mm dan luas permukaan sampai 100 mm2. Dengan ukuran yang kecil tersebut efisiensinya
cukup besar karena memiliki nomor atom bahan yang besar. Energi yang diperlukan untuk
membentuk pasangan elektron-lowong lebih besar dibandingkan dengan Ge atau Si, akibatnya
resolusi energinya lebih kecil.
8.4. Detektor Jejak
Detektor radiasi nuklir yang telah dibahas di muka pada dasarnya merupakan transduser
listrik yaitu alat pengubah besaran fisis (intensitas dan energi radiasi) menjadi sinyal-sinyal
listrik.
Pada awal perkembangan fisika nuklir, detektor jejak mempunyai peranan yang sangat
besar. Untuk pengukuran-pengukuran partikel energi tinggi, detektor jejak masih merupakan
pilihan utama.
206
8.4.1. Kamar Kabut
Wilson menciptakan detektor kamar kabut di awal abad 20 ini. Skema detektor tersebut
dilukiskan dalam Gambar 8.9.
Gambar 8.9. Skema kamar kabut Wilson.
Terdiri dari silinder A yang berisi udara atau nitrogen dan uap air jenuh. Piston B dapat
digerakkan ke bawah secara cepat. Jika secara mendadak piston B ditarik, maka gas dalam tabung
mengembang secara cepat (adiabatis) sehingga terjadi penurunan suhu dan uap air dalam tabung
menjadi kelewat jenuh. Radiasi pengion yang menembus kamar kabut mengionisasi gas di
dalamnya sepanjang lintasan yang dilaluinya. Ion-ion ini berlaku sebagai inti pengembunan,
sehingga akan terlihat bintik-bintik air sepanjang jejaknya. Tebal jejak serta panjang jejak sangat
bergantung pada energi radiasi pengion. Dengan memasang medan magnet tegak lurus pada arah
kecepatan partikel dapat pula ditentukan jenis partikel pengion yang diselidiki. Kamar kabut suhu
tinggi juga telah dikembangkan dan dipergunakan secara luas.
8.4.2. Kamar Gelembung
Karena kerapatan gas yang relatif rendah maka panjang jejak yang dapat diamati dengan
kamar kabut Wilson sangat dibatasi oleh ukuran detektor yang relatif kecil. Pada detektor kamar
gelembung, medium gas diganti dengan cairan. Cairan dalam tabung ditekan dan dipanaskan
sampai suhu tepat di bawah titik didihnya. Jika secara mendadak kemudian tekanan dikurangi,
maka cairan berada dalam keadaan kelewat mendidih (super heated) tetapi tidak mendidih.
Radiasi pengion yang melewati cairan menghasilkan ion-ion yang dapat berlaku sebagai pusat
207
gelembung sebagai akibat keadaan mendidih. Dengan demikian akan terbentuk gelembung-
gelembung sepanjang jejak radiasi yang mengenainya. Hidrogen cair (27 K) biasa digunakan
untuk keperluan detektor ini, dapat juga digunakan propane dan freon untuk dioperasikan pada
suhu kamar.
8.4.3. Detektor Film
Detektor jenis ini digunakan di banyak bidang, terutama bidang yang banyak
berhubungan dengan radiografi sinar-X dan sinar gamma, kristalografi, dosimetri, bahkan neutron
radiografi.
Detektor film terdiri dari lapisan emulsi tebal antara 10 m sampai 25 m, dilapiskan di
atas lembaran plastik transparan sebagai alas. Elemen aktif dalam film berupa butiran kristal
perak bromida. Butiran kristal tersebut berukuran diameter 0,3 m untuk film kurang sensitif
sampai diameter 2 m untuk film yang sensitif.
Detektor film sensitif terhadap cahaya kasat mata, sinar-X, sinar gamma, beta dan
partikel bermuatan lainnya, tetapi tidak sensitif terhadap neutron. Untuk keperluan deteksi
neutron, boron dicampurkan dalam emulsi atau menggunakan konverter neutron berupa lembaran
tipis bahan penyerap neutron yang karena interaksinya dengan neutron menghasilkan radiasi
sekunder yang dapat menghitamkan film.
8.5. Detektor Cerenkov
Suatu gejala pertama kali diamati oleh Cerenkov pada tahun 1934 merupakan alternatif
lain dalam pengukuran partikel energi tinggi. Ia mengamati bahwa partikel yang melewati
medium dielektrik transparan menghasilkan radiasi optis jika laju partikel tersebut lebih besar
dari laju cahaya dalam medium (laju cahaya dalam kaca kira-kira 2 x 108 m/s). Radiasi cahaya
tampak ini kemudian dideteksi dengan PMT seperti pada sintilator.
Teori menunjukkan bahwa cahaya terhambur dari arah datangnya partikel radiasi
memenuhi
v
cos 0
n
c (8-13)
dengan 0c adalah laju cahaya dalam ruang hampa, v adalah laju partikel dalam medium dan
n adalah indeks bias medium.
208
Penjelasan radiasi Cerenkov dapat dilukiskan dalam Gambar 8.10. Partikel memasuki
medium dan diperlambat dalam lintasan dengan memancarkan radiasi gelombang elektromagnet
ke segala arah. Jika BC merupakan muka gelombang maka berlaku bahwa ttt ACAB .
tACtuAB vdan 1 dengan 1u adalah laju cahaya dalam medium. Dengan demikian
diperoleh hubungan ucn
cu
AC
AB dengan v
vv cos 01 .
Gambar 8.10. Radiasi Cerenkov
8.6. Akselerator
Pada eksperimen-eksperimen fisika inti sering diperlukan partikel penembak berenergi
tinggi. Partikel penembak yang pertama kali digunakan adalah partikel yang dipancarkan oleh
suatu sumber radioaktif dan tentu saja energi tertinggi hanya dapat mencapai beberapa MeV. Hal
ini akan membatasi juga informasi yang dapat diperoleh dalam eksperimen.
Akselerator adalah mesin pemercepat partikel sehingga diperoleh energi yang cukup
tinggi sesuai dengan keperluan-keperluan eksperimen fisika inti bahkan sekarang banyak
digunakan juga dalam penelitian di bidang fisika material.
8.6.1. Akselerator Cockroft-Walton
Ciri pokok akselerator Cockroft-Walton adalah pada penyedia sumber tegangan
tingginya. Sumber tegangan bolak-balik (AC) dimasukkan ke untai pengarah bertingkat (Gambar
209
8.11.) Andaikan dalam setengah periode pertama titik T negatip dan O positip sehingga kapasitor
C1 termuati lewat diode D1 sampai potensial P sama dengan amplitudo tegangan masukan Vo.
Dalam setengah periode ke dua terjadi sebaliknya yaitu titik T menjadi positip dan O negatip.
Dalam keadaan ini kapasitor C2 termuati lewat diode D2. Selama periode berikutnya dimuati lagi
sampai penuh dan dipompakan ke kapasitor C2 sampai mencapai potensial maksimum yaitu 2Vo.
Begitulah proses yang sama terjadi untuk kapasitor-kapasitor di atasnya.
Tegangan tinggi yang diperoleh, secara teori tidak terbatas namun dalam praktek dibatasi
oleh kemampuan diode dan kapasitor dalam menahan tegangan tinggi (ada arus bocor).
Gambar 8.11. Diagram akselerator Cockroft-Walton.
Akselerator jenis ini pertama kali dapat mempercepat partikel bermuatan sampai 0,7
MeV di tahun 1932 dan sekarang telah dicapai energi sampai 500 GeV.
8.6.2. Akselerator Van de Graaff
Perbedaan pokok dengan akselerator Cockroft-Walton pada dasarnya di penyedia
tegangan tinggi. Pada jenis ini, penyedia tegangan tinggi masih diperoleh secara elektrostatik.
210
Suatu sabuk A terbuat dari bahan isolator (Gambar 8.12.) diberi muatan listrik melalui
sisir C yang dihubungkan ke suatu sumber tegangan. Sabuk tersebut membawa muatan listrik asal
(akibat gesekan dan sebagainya) ke atas dan memindahkannya ke bola konduktor melalui sisir E.
proses ini dilakukan terus menerus sehingga terjadi penimbunan muatan yang sangat besar di
permukaan bola dan dengan sendirinya memberikan potensial yang tinggi terhadap tanah.
Akselerator Van de Graaff dapat dipakai untuk mempercepat partikel bermuatan positip
maupun negatip dengan memilih jenis muatan yang ditimbun melalui pemilihan tegangan pemuat
yang sesuai
Gambar 8.12. Diagram Akselerator Van de Graaff.
Dengan akselerator Van de Graaff, sampai saat ini telah dapat dipercepat partikel sampai
energi lebih dari 12 MeV. Telah banyak digunakan juga akselerator tandem yaitu mesin
pemercepat yang memanfaatkan tegangan tinggi positip yang sama dua kali, pertama untuk
mempercepat partikel bermuatan negatip dan selanjutnya ion negatip yang telah dipercepat
tersebut dilewatkan pada bahan penanggal elektron (electron stripper) sehingga muatan partikel
berubah menjadi positip dan dipercepat lagi melalui beda potensial yang sama dengan arah kuat
medan berlawanan (Gambar 8.13.)
211
Gambar 8.13. Skema akselerator tandem
8.6.3. Akselerator Linear
Di dalam akselerator Cokroft-Walton dan Van de Graff, partikel bermuatan dipercepat
melalui beda potensial listrik sangat tinggi yang diperoleh secara elektrostatik. Akselerator linear
mempercepat partikel secara bertahap melalui beda potensial yang relatif rendah di antara
beberapa tabung deretan pemercepat.
Gambar 8.14. merupakan skema akselerator linear. Suatu deretan tabung pemercepat
dihubungkan secara bergantian ke sumber tegangan periodik frekuensi tinggi (radial). Ketika
tabung 1, 3, 5 dan seterusnya negatip, tabung 2, 4, 6 dan seterusnya positip dihasilkan di S
melalui tabung C1 menuju celah antara C1 dan C2. Pada saat ion positip ini memasuki celah,
potensial C2 adalah negatip terhadap C1 dan C3, sehingga ion dipercepat menuju tabung C2.
Selama melewati C2 ion mempunyai kecepatan yang tetap. Panjang tabung C2 dipilih sedemikian
hingga ketika ion memasuki celah antara C2 dan C3, potensial C2 tepat berubah menjadi positip
terhadap C3, sehingga ion positip ini dipercepat melalui celah kedua. Proses yang sama terjadi
setiap melalui tabung dari celah berikutnya.
Waktu yang diperlukan untuk menempuh tiap tabung harus sama dengan setengah
periode sumber tegangan pemercepat. Panjang tabung pemercepat ke n harus memenuhi
hubungan
2/ TL nn v (8-13)
Setiap kali melewati celah, energi partikel bertambah sebesar oqV , dengan q adalah
muatan partikel dan Vo adalah besar tegangan pemercepat. Setelah melewati n buah celah, energi
kinetik partikel (tak-relativistik) adalah
o
2
2
1nqVm n v
212
2 2
1
o
m
nqVnv
Masukkan ke persamaan (8-13) diperoleh
Tm
nqVn
2
2
1
o
L (8-15)
Jadi tabung pemercepat berangsur-angsur semakin ke arah keluaran semakin panjang. Dipusat
akselerator linear Stanford Amerika, elektron dipercepat sampai energi 22 GeV melalui
akselerator sepanjang mendekati 3 km.
8.6.4. Siklotron
Akselerator linear yang sangat panjang diperlukan agar diperoleh energi akhir partikel
yang tinggi. E.O. Lawrence pada tahun 1930 mengembangkan suatu jenis akselerator untuk
mempercepat partikel bermuatan melalui lintasan berbentuk spiral. Akselerator jenis ini dikenal
dengan nama siklotron.
Gambar 8.15. menunjukkan diagram “D” yang berongga. Ion yang dilepaskan oleh S
dipercepat oleh beda potensial periodik yang dipasang antara kedua D. Suatu medan magnet
homogen yang dipasang tegak lurus pada permukaan D akan membelokkan arah lintasan ion
sehingga berbentuk lingkaran. Jejari lintasan ion bermuatan q, yang bergerak dengan kecepatan v
tegak lurus medan magnet B adalah
qB
mr
v (8-16)
Semakin besar kecepatan ion, semakin besar pula jejari lintasannya. Setiap kali memasuki celah
antara kedua D, polaritas beda potensial disesuaikan sedemikian sehingga ion mengalami
percepatan. Oleh karena itu waktu yang diperlukan ion melintasi setiap D harus sesuai dengan
setengah periode tegangan pemercepat T. Jadi berlaku bahwa
v
2/2
2
rT
qB
mrT
22
v (8-17)
213
Atau frekuensi siklotron adalah :
m
qB
Tf
2
1 (8-18)
Energi maksimum yang dapat dicapai dibatasi oleh ukuran D yang digunakan. Jika jejari
D adalah R maka dari persamaan (8-16) Laju partikel maksimum adalah
m
qBRmaksv
sehingga energi partikel maksimum adalah
m
RBqmE
22
1 2222 vmaksimum (non-relativistik) (8-19a)
4222 cmcpE maksmaksimum (relativistik) 8-19b)
dengan qBRp maksimum
Disamping dibatasi oleh ukuran R, energi partikel tidak dapat mencapai energi
relativistik. Karena jika besar kecepatan v sudah tidak dapat diabaikan lagi terhadap laju cahaya
c, maka tak lagi 1 sehingga menurut (8-17) terlihat bahwa T menjadi tidak sama dengan
periode tegangan pemercepat qB
mT cv
2)( (tidak sefase lagi).
Gambar 8.14. Skema akselerator linear.
214
Gambar 8.15. Diagram Siklotron.
8.6.5. Sinkrosiklotron
Kesulitan yang ditemui pada siklotron dapat diatasi dengan mengatur priode T atau
frekuensi siklotron f sesuai dengan kenaikan m yang disebabkan oleh semakin besarnya v.
Persamaan (8-17) secara relativistik menjadi
)/(1
2
22 cqB
mT
v
(8-20)
Dengan perkataan lain, frekuensi siklotron harus disinkronkan dengan pertambahan kecepatan
atau energi partikel. Oleh karena itu mesin pemercepat ini disebut sinkrosiklotron. Dengan
teknik ini, partikel telah berhasil dipercepat sampai energi 380 MeV dan proton sampai energi
720 MeV.
8.6.6. Betatron.
Akselerator Cockroft-Walton, Van de Graff dan akselerator linear dapat digunakan untuk
mempercepat elektron; siklotron tidak dapat dipakai untuk elektron karena massa elektron yang
sangat kecil memerlukan kecepatan sangat tinggi untuk mendapatkan energi yang besar. Untuk
memperoleh energi sebesar 1 MeV, elektron harus bergerak dengan laju 0,96 C.
Betatron dirancang khusus untuk mempercepat elektron. Elektron-elektron dikungkung
dalam wadah berupa tabung berbentuk lingkaran menyerupai kue doughnut (baca : donat)
diletakkan di antara kutub-kutub elektromagnet B berbentuk khusus (Gambar. 8.16.)
215
Gambar 8.16. Diagram irisan betatron.
Medan magnet dihasilkan dengan mengalirkan arus bolak-balik melalui kumparan W.
Selama arus listrik, juga medan magnet yang dihasilkannya, naik menuju maksimum, suatu
tegangan listrik diinduksikan di dalam donat dan mempercepat elektron dalam lintasan lingkaran.
Arus listrik dan medan magnet dihentikan saat mencapai maksimum.
Jika panjang keliling donat ~ 3 m, laju elektron mencapai nilai mendekati 0,98 c dengan
frekuensi edarnya menelusuri donat sebesar MHz 983
10 x 3 x 0,98 8
. Untuk frekuensi
arus/medan magnet 50 Hz, seperempat periodenya (dari nol mencapai nilai maksimumnya)
adalah .200
1
50
1 x
4
1s Selama waktu itu elektron telah mengedar donat sebanyak
56
10 x 4,9200
10 x 98 kali. Jika rata-rata tiap edaran elektron memperoleh tambahan energi sebesar
200 eV maka energi akhir yang diperoleh elektron hampir mendekati 100 MeV.
8.6.7. Sinkrotron.
Energi partikel yang dapat diperoleh dengan siklotron bergantung pada jejari siklotron
tersebut. Kesulitan yang timbul adalah dalam memperoleh medan magnet homogen dalam daerah
yang luas.
Sinkrotron mempercepat partikel dengan mempertahankan jejari lintasan yang tetap,
sehingga medan magnet yang diperlukan hanya di sepanjang lintasannya. Untuk menjaga lintasan
yang tetap, maka menurut persamaan (8-20) besar medan magnet harus disesuaikan dengan
kenaikan energi atau kecepatan elektron. Demikian juga frekuensi sinkroton harus berubah
mengikuti perubahan medan magnet. Untuk keadaan relativistik, persamaan (8-20) dapat diubah
menjadi bentuk
216
E
cBqf
2
2
2o
2
2
)(2 Epc
qBc
(8-21)
Dengan menggunakan persamaan (8-20) untuk p = q B r, persamaan di atas menjadi
2o
2
2
)(2
EqBrc
cBqf
(8-22)
dengan Eo adalah energi rehat partikel.
Sinkrotron di Fermi Lab. (Tevatron), Amerika mempunyai diameter lebih dari 2 km dan
dapat mempercepat proton sampai energi sekitar 100 GeV sampai 1 TeV.
Gambar 8.17. Diagram Sinkrotron.
SOAL-SOAL
1. Hitung jejari sinkrotron yang dapat mempercepat proton sampai energi 500 GeV dalam
medan magnet 2 T. km) 1 ~ (jawab
2. Sebuah siklotron dirancang untuk mempercepat proton, deuteron dan energi rendah.
Frekuensi siklotron tetap, tidak dapat divariasi, sedang medan magnetnya dapat diatur.
Siklotron tersebut pertama-tama diatur untuk untuk mempercepat partikel sampai energi
4,0 MeV.
a) Tunjukkan bahwa dengan frekuensi dan medan magnet yang tidak berubah, siklotron
dapat mempercepat deuteron sampai energi 2,0 MeV.
217
b) Dengan faktor beberapa medan magnet harus dikurangi untuk mempercepat proton ?
(jawab : ½).
c) Hitung energi proton maksimum yang dihasilkan !
(jawab : 2 MeV).
3. Suatu betatron mempunyai medan magnet maksimum 0,4 T, beroperasi pada frekuensi 50 Hz
dengan diameter orbit 1,5 m.
Hitung energi yang diperoleh tiap edaran elektron dan hitung juga energi akhirnya ! (jawab :
294 eV dan 91 MeV).
4. Untuk siklotron jejari 12,5 cm dan medan magnet 1,3 T, hitung energi proton maksimum dan
frekuensi siklotron yang sesuai.
5. Suatu akselerator linear mempercepat elektron mencapai energi 30 GeV. hitung kecepatan
elektron pada energi tersebut.
Berapa energi proton yang bergerak dengan kecepatan itu.