p~ ~ N~ H~ N~ ""'" ~X, 15SN 1410-']()1J()

PERKEMBANGAN HAMBURAN NEUTRON P ADA MASA LALU,MASA SEKARANG DAN MAS A DEP AN

Marsongkohadi

Jurusan Fisika-lnstitut Teknologi Bandung, .n. Ganesa 10 Bandung

ABSTRAK

PERKEMBANGAN HAMBURAN NEUTRON PADA MASA LAlU, MASA SEKARANG DAN MASA DEPAN. Penemuanneutron merupakan peristiwa yang berdampak luas, berawal dari penggunaannya di bidang fisika zat mampat hingga penyebarannyake berbagai bidang IPTEK, sehingga fisika neutron kini telah berkembang menjadi sains neutron. Sejarah perkembangan hamburanneutron sejak tahun-tahun awal ditemukannya neutron sampai penyebarannya ke berbagai bidang disajikan secara singkat. Kendalayang timbul dalam pengembangan hamburan neutron di masa mendatang serta pengembangan sumber neutron generasi baru danbidang-bidang yang berkembang pesat di bahas secara singkat.

ABSTRACT

The discovery of neutron has been tremenduous worldwide, extended from its utilization in the field of condensed matterphysics to the dissemination in.to various branches of science, so neutron physics has become neutron science. The hIstory of thisdevelopment of neutron scattering started from its early years to its influences in various fields is presented briefly. Constraints arisedin the deve.lopment of neutron scattering in the future together with the development of new generation of neutron sources andbranches of science rapidly developed are discussed.

PENDAHULUANf

Untuk meningkatkan fluks neutron setinggimungkin, sebuah cara lain telah dikembangkanyakni berdasarkan reaksi nuklir oleh partikelbermuatan yang berenergi tinggi yang dikenaldengan reaksi pemecahan (spallation reaction).Sumber neutron baru ini telah dibangun denganfluks neutron yang lebih tinggi dibandingkandengan fluks reaktor fisi yang tertinggi. Teknikinilah yang memberi harapan bagi ekspansi frontirhamburan neutron di masa mendatang.

PENGGUNAAN NEUTRON DI BERBAGAIBIDANG[I]

Penemuan neutron oleh Chadwick pada tahun1932, tidak diragukan lagi merupaki\n penemuan

spektakuler yang berdampak s:mgat luas.Penggunaan berkas neutron untuk penelitan berawaldari fisika zat mampat, akan tetapi sejak tahun 1980teknik ini berkembang ke berbagai disiplin ilmupengetahuan dan teknologi, antara lain kimia,biologi, metalurgi, sains material dan berbagaibidang rekayasa sehingga fisika neutron kini telahberkembang menjadi sains neutron.

Maraknya penggunaan berkas neutron diberbagai bidang IPTEK berkat sifat-sifat neutronyang unik, yang tidak dimiliki oleh jenis radiasilainnya, misalnya sinar infra merah, sinar tampak,sinar-X atau berkas elektron.

Penggunaan neutron khususnya hamburansangat bergantung pada tersedianya sumberneutron, yang pad a masa depan dapat dikatakansuram. Hal ini disebabkan bukan saja karena

tantangan masyarakat terhadap pembangunanreaktornuklir, akan tetapi juga karena tluks neutronyang diproduksi oleh reaktor fisi sudah mendekatikejenuhan.

~11~

Dalam tahun 1936, yaitu empat tahunsetelah neutron ditemukan acta tiga karya ilmiahpenting, berturut-turut dipublikasikan oleh Elsasser(Maret, 1936) mengenai teori difraksj neutron olehserbuk, Halban dan Preiswerk (Juni, 1936) danMitchell dan Powers (Juli, 1936) keduanyamengenai pengamatan difraksi neutronmenggunakan sumber neutron Ra-Be. Eksperimendifraksi neutron tidak dapat dilanjutkan karena:

H~ 111ll 1

p~ I-f t ,.. N~ ~ H~ L..l.., H~ ~ M.. H-'1A ~

KEUNGGULAN NEUTRON SEBAGAIPROBEMIKROSKOPIK

Karena sifat.-sifatnya yang unik, neutron termaldapat digunakan secara luas untuk meneliti bahanpada tingkat mikroskopik. Sifat-sifat neutron yangmenguntungkan antara lain ialah:.Tidak berrnratan dan daya tembusnya besar.

Hal ini sangat menguntungkan untukeksperime "in situ" di dalam tungku, kriostatatau seI tekanan. Juga dapat digunakancuplikan d ngan ukuran besar (beberapa cm3).Pengukura di dalam cuplikan (misainyategangan sisa) dapat dilakukan tanpamemotong motong cuplikan.

.lnteraksi engan zat lemah dan tidakmenggangg sistem. Karena interaksinyalemah, ma~a aproksimasi Born orde pertamadapat digunakan untuk menghitung penampanghamburan kbsolut. Hal ini berbeda dengankesulitan ~enginterpretasikan informasi dariprobe yang linteraksinya kuat seperti foton danelektron. i

.Amplitudo Ihamburan bervariasi secara non-monoton d~ri unsur ke unsur. Untuk isotopyang berbeda dalam unsur yang sarnaamplitudo hamburannya juga berbeda. Berbedadengan sinar-X, neutron dapat dipakai untukmeneliti at1 m ringan dcngan kchadiran atom

berat, misa nya dalam paduan logam yang

mengandun atom ringan dan atom berat.Perbedaan mplitudo hamburan antara atomhidrogen d,.n deuteron dimanfaatkan dalampenelitian struktur molekul kompleks, sepertidalam polimer atau bahan biologis, misalnyaDNA. I

Panjang gel~mbang antara I-lOA sangat idealuntuk penelitian korelasi interatomik,sedangkan energi neutron antara 1 -1 OOme Vmemungkinkan pengukuran eksitasi dartneV-eV. I

harns menunggu dulu dibangunnya sebuah reaktornuklir CP-I, pada tahun 1942 yang memproduksiberkas neutron dengan fluks cukup tinggi.Sebaliknya, karya:karya teoritik terus berkembang,yakni difraksi neutron oleh bahan feromagnetik(Bloch, 1936) clan bahan paramagnetik (Halpernclan Johnson, 1939). Pada tahun 1947 Fenni clanMarshall mengukur amplitudo hamburan sejumlahinti clan menunjukkan adanya variasi amplitudohamburan isotop-isotop yang berbeda. Makalahterse but menunjukkan untuk pertama kali prospekpenggunaan neutron dalam penelitian l.at padat.Berturut-turut dilakukan percobaan difraksimagnetik yang pertama (Shull dan Wollan, 1951),polarisasi neutron (Hughes clan Burgy, 1949) clanhamburan inelastik yang merintis spektroskopineutron/fonon (Brockhouse, 1955). Denganberhasilnya dlbuat pemandu neutron (Maier-Leibnitz clan Springer, 1963), neutron dingin(Styerl, Lushchikov, 1969) dan neutron superdingin (Groshev, 1971) maka Rauch, dkk, 1974berhasil membuat interferometer neutron yangpertama. Alat ini dapat digunakan untuk penelitianmengenai problema fundamental dalam mekanikakuantum.

Penggunaan neutron di bidang kimia yaknispektroskopi molekular dan polimer (Safford, dkk,1964), biologi molekular (Engelman, 1972) clanbiologi struktur (Schoenborn, dkk, 1983)melengkapi penggunaan neutron dalam sainsneutron.

.

Bidang teknologi juga memanfaatkanneutron, antara lain untuk pengukuran tekstur

(Brockhouse, 1953), radiografi (Thewlis clanDerbyshire, 1956), analisis pengaktifan neutron (deSoete dkk, 1972) clan tegangan sisa (Allen dkk,1981). Gambar 1 memperlihatkan betapa luasnyapenggunaan neutron mulai dari penelitianfundamental di bidang Astrofisika, kedokteran,rekayasa sampai ke bidang persenjataan.

FISIKAZAT

§J MAMPAT FISIKA MOlEKUl

[ ~:==JISIKA NUKUR cy HAMBURAN IlMU BAHAN ASTROFISIKA OPTIK NEUTRON POUMER

.BIOlOGI

, i ;'I PENGGUNAAN NEUTRON DI

BERBAGAI

i BIDANG[~~~~ FISIKAREAKTOR

Gambar 2 menunjukkan relasi dispersineutron, foton daD elektron, digambarkan dalamskala logaritmik.

Lingkarim dalam gambar 2 menggambar-kan daerah dimana fonon, magnon clan berbagaieksitasi dalam bahan diharapkan terjadi. Ini berartib'ahwa neutron adalah partikel yang terbaik untukmengamati eksi~i dalam bahan. Kurva dispersielektron juga melintasi lingkaran tersebut, akantetapi karena elektron bermuatan maka interaksinyadengan bahan t~rlalu kuat, sehingga kurang baikuntuk mengamatD eksitasi..Mempunyaispin ~

~

~[~~~ ~

I _E~EK- II RADIASI I

'- RAOIOGRAFI NEUTRONENGINEERINGFISIKA BUMI

2Gambar 1. Penggunaan neutron di berbagai bidang

~I 13 Ht..: 111'i

P~ ff t N...tw.. f'"k H~ L..l.., H~ ~ ~ H~ ~

EnergyMeVr

Moo,..

KeVI SoliX-..

UI.,.v;oIo'

EI.clron

,.V.ovum f ~/ u.v. ...

111",".!...Nculron

..."'C~d .,/'...~ ,...~~---~!c"'ron ...,

Ult:: Cold '"

...'" Nc...on "

/--<; M.I. Ex".."o..,1HM r

-,"'.

:VV;.;hj,

In(,.,.d

meV

...../leV

/'/

Grenoble dengan fluks 1,2x1O15 n/(cm2s). Sebuahreaktor super-ILL, yaitu reaktor ANS (AdvancedNeutron Sources) akan dibangun di ORNL untukmenggantikan HFBR clan HFIR.

Pengembangan sumber neutron pada masadepan mempunyai kendala dalam dua tal yaitutentangan masyarakat terhadap pembangunanreaktor nuklir clan kejenuhan dalam peningkatanfluks neutron. Untuk memperoleh fluks neutronyang tinggi, sebuah cara lain dikembangkanberdasarkan reaksi inti dengan partikel bermuatan.Cara ini sebetulnya telah dikembangkan sebelumreaktor CP-I dibangun clan dilaksanakan denganpemercepat Cockroft-Walton atau siklotron diBerkeley. Namun karena perkembangan teknologireaktor sangat cepat clan menjanjikan, maka cara inidilupakan. Baru setelah fluks neutron yangdiperoleh dari reaktor fisi mendekati kejenuhan,maka cara ini yang disebut reaksi pemecahan

(spallation reaction) dikembangkan kembali.Apabila proton berenergi tinggi (800MeV)

ditembakkan pada inti berat (Pb, W, U) makaterjadilah reaksi pemecahan yang menghasilkanneutron, seperti halnya batu yang dipecah dengansebuah palu besi. Dalam reaksi ini dihasilkan 20-40neutron per proton.

Selain dapat menghasilkan fluks neutronyang tinggi, keuntungun lain dari sumber neutronpemecahan (spallation nez/tron source) juga karenapanas yang ditimbulkan lebih rendah dari reaksifisi. Tabel I menunjukan karakteristik reaksipemecahan dibandingkan reaksi lain.

-/'neV'. I -I I I I

lU." 111.) 10.2 10-1 1 10

Momentum k (A-I)

Gambar 2. Relasi dispersi neutron, toton danelektron dan eksitasi utama dalam lat.

Karena neutron mempunyai spin, makahamburannya bergantung pada spin inti bahan.Kebolehjadian hamburan dengan spin paraleldan spin anti paralel berbeda. Hal inilah yangmenimbulkan hamburan koheren daninkoheren.

Mempunyai mom en magnetik. .Momen magnetik neutron dapat bergandengdengan variasi spasial magnetisasi bahandalam skala atomik, sehingga neutron sangatideal untuk penelitian struktur magnetik danfluktuasi magnetik.

PERKEMBANGAN HAMBURAN NEUTRONPADA MASA DEPANi

Walaupun neutron mempunyai beberapakeunggulan dibandingkan dengan probemikroskopik lainnya, namun neutron mempunyaifluks yang relatif rendah dan mahal. Perkembanganhamburan neutron pada masa depan tergantung

pada pengembangan sumber neutron generasi barnyang dapat menghasilkan fluks yang tinggi.

., ,,.

Sumber Neutron Masa DepanReaktor pertama CP-1 dbangun pada bu1an

Desember 1942, sepu1uh tahun setelah neutronditemukan, atau empat tahun setelah fisidikembangkan. Dalam kurun waktu 1950-1960,banyak negara telah membangun rcaku)r penclitiandengan daya antara 10-25 MW. Dua buah reaktoryang mempunyai tluks tinggi ialah HFBR diBrookhaven clan HFIR di Oak Ridge, yangdibangun tahun 1970. Pada saat ini reaktor yangmempunyai tluks tertinggi ialah reaktor ILL,

.fc

it

/..,.

~

,.. '... "'0 '*

~

,...

Gambar 3 Perkembangan fluks neutron dari berbagai sumber~I 13 Ht.: 1111l ~

PG1~ I:{~ N~ ~ HM,4 L..!.., HM,4 ~ J HM,4 ~

Gambar 3 menunjukkan bahwa fluksneutron dari sumber pemecahan meningkat terussecara linier, sedangkan peningkatan fluks darireaktor fisi mendekati kejenuhan. Berbeda denganreaktor fisi, neutron yang dihasilkan dari sumber

pemecahan berbentuk pulsa. Sumber neutronpemecahan yang pertama ialaI1 ZING-P yangberoperasi antara tahun 1977-1980 di Argonne,diikuti dengan beroperasinya beberapa sumberneutron pemecahan generasi pertama, WNR,KENS, ZING-P', IPNS dan LANSCE (Gambar 3).Generasi kedua diawali dengan beroperasinya ISISdi Rutherford-Appleton Laboratory, Inggris padatahun .1986, diikuti beroperasinya SINQ di Swiss.Sumber Pemecahan generasi ketiga sedangdirancang di Europa, Amerika Serikat dan Jepangyang perinciannya dapat dilihat pada tabel 2.

Selain penelitian fundamental dan terapan,Proyek Sains Neutron di Jepang memanfaatkanberkas proton dari LINAC untuk ADTS

(Accelerator-Driven Transmutation Systcm) untukmentransmutasi inti-inti berumur panjang darilimbah PL TN menjadi inti-inti berumur pendekyang tidak berbahaya. ADTS juga mampumenghasilkan listrik dari Sub critical Core yangsebagian digunakan untuk mengoperasikan LINAC.

1. Fisika mat~rial lunak yang meliputi antara lain

polimer, ge.las, komposit dan bahan biologis.2. Kondisi ekstrim dan multi ekstrim, antara lain

transisi rasa pada kondisi ekstrim.3. Penggunaan dalam industri, antara lain

tegangan s:isa, katalisis multikomponen, danlain-lain.

4. Fisika pennukaan, antara lain struktur antarmuka zat cair dan bahan amorf, vibrasipermukaan, reaksi kimia dan katalisis padaantar muka.Magnetisme, antara lain senyawa transuranik,mekanisme superkonduktor, bahan magnetikorganik. IFilm tip is, s~uktur molekullapisan tunggal.

5

6.

KESIMPULA~Karena sifat-sifat neutron yang unik, maka

penggunaannya sebagai probe mikroskopik akanberkembang tertus dengan cepat. Karena biayamemproduksi neutron mahal, maka dianjurkan tidakmenggunakan 4amburan neutron apabila suatuproblema dapatldipecahkan dengan metoda non-neutron.

Dengan dibangunnya sumber neutrongenerasi masa depan dengan fluks neutron yangmeningkat pesat, maka terbukalah bidang-bidangpenelitian baru. I

KECENDERUNGANDEPAN

PENELITIAN MASA

Dengan peningkatan fluks yang diperolehdari sumber neutron masa depan, ekspansi frontirhamburan neutron diharapkan terjadi. Bidang-bidang konvensional dalam hamburan neutronseperti struktur, magnetis dan transisi fasa masihtetap menarik, apalagi dengan timbulnya materialbarn, seperti fermion berat, superkonduktortemperatur tinggi, lapisan ganda, C6O dan C7O, danlain-lain. Kecenderungan penelitian dimasa depanialah:

DAFTARPUS'tAKA

2.

3.

P.Schofield ed, 1982, The Neutron and ItsApplication, e Institute of Physics, BristolG.H. Lan on, Proc. Fifth InternationalSymposium on Advanced Nuclear EnergyResearch, 17 24,1993Neutron Sci nce Project, JAElU, 1997

4 ~, 13 Ht.: 111't