Cloud Chamber Atn Arifah [PDF]

Citation preview

LAPORAN PRAKTIKUM APLIKASI TEKNIK NUKLIR PEMBUATAN DETEKTOR CLOUD CHAMBER WILSON



DISUSUN OLEH : NAMA



: SITI NUR ARIFAH



NIM



: 011500427



KELOMPOK



: 5 (LIMA)



PROGRAM STUDI



: D-IV TEKNOKIMIA NUKLIR



JURUSAN



: TEKNOKIMIA NUKLIR



PEMBIMBING



: Maria Christina.P, S.ST, M.Eng



SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NUKLIR BADAN TENAGA NUKLIR NASIONAL YOGYAKARTA 2018



PEMBUATAN DETEKTOR CLOUD CHAMBER WILSON A. TUJUAN 1. Memahami proses pembuatan detector Cloud Chamber 2. Memahami dan mampu memvisualisasikan konsep radiasi pengion 3. Memahami pengaplikasian detektor Cloud Chamber dalam kehidupan



B. DASAR TEORI Detektor Radiasi adalah alat yang bekerja atas dasar inteaksi antara sinar radio aktif dengan suatu bahan yang terkena radiasi tersebut. Hampir semua detektor radiasi energi tinggi bekerja berdasarkan prinsip bahwa radiasi akan memberikan energi pada elektron-elektron dalam bahan yang dilewatinya. Sehingga elektron keluar dari atom dan atomnya menjadi yang positif, peristiwa ini disebut ionisasi. Adanya ionisasi inilah yang menyebabkab timbulnya respons, yang nantinya diubah menjadi sinyal yang mudah ditangkap oleh panca indra manusia. Detektor radiasi sinar radioaktif tersebut adalah pencacah Geiger Muller, emulsi film, kamar kabut Wilson, dan sintilator. Cloud Chamber juga dikenal sebagai Wilson Cloud Chamber, adalah detektor partikel yang digunakan untuk memvisualisasikan bagian radiasi pengion. Jejak partikel subatom bergerak ke atas melalui ruang awan dan membungkuk ke kiri (elektron akan berbelok ke kanan)



Gambar. 1: Foto ruang awan dari positron pertama yang pernah diamati oleh C. Anderson. Cloud Chamber terdiri dari lingkungan tertutup yang mengandung uap air atau alkohol yang jenuh. Partikel bermuatan energik (misalnya, partikel alfa atau beta)



berinteraksi dengan campuran gas dengan mengetuk elektron dari molekul gas melalui gaya elektrostatik selama tabrakan, menghasilkan jejak partikel gas terionisasi. Ion yang dihasilkan bertindak sebagai pusat kondensasi di mana jejak kabut berupa tetesan kecil terbentuk jika campuran gas berada pada titik kondensasi. Tetesan ini terlihat sebagai track "cloud" yang bertahan selama beberapa detik sementara tetesan jatuh melalui uap. Track ini memiliki bentuk yang khas. Sebagai contoh, sebuah track partikel alfa tebal dan lurus, sementara lintasan elektron sangat tipis dan menunjukkan lebih banyak bukti lendutan akibat tabrakan. Cloud Chamber memainkan peran penting dalam eksperimen fisika partikel dari tahun 1920-an hingga 1950-an, sampai munculnya bubble chamber. Secara khusus, penemuan positron pada tahun 1932 (lihat Gambar. 1) dan muon pada tahun 1936, baik oleh Carl Anderson (dianugerahi Hadiah Nobel dalam Fisika pada tahun 1936), menggunakan cloud chamber. Penemuan kaon oleh George Rochester dan Clifford Charles Butler pada tahun 1947, juga dibuat menggunakan cloud sebagai detektor. [1]. Dalam beberapa kasus, sinar kosmik adalah sumber radiasi pengion.



PENEMUAN Charles Thomson Rees Wilson (1869–1959), seorang fisikawan Skotlandia, dinobatkan sebagai penemu Cloud Chamber. Terinspirasi oleh penampakan hantu Brocken saat bekerja di puncak Ben Nevis pada tahun 1894, ia mulai mengembangkan ruang ekspansi untuk mempelajari pembentukan awan dan fenomena optik di udara lembab. Sangat cepat ia menemukan bahwa ion dapat bertindak sebagai pusat pembentukan tetesan air di kamar-kamar seperti itu. Dia mengejar penerapan penemuan ini dan menyempurnakan ruang awan pertama pada tahun 1911. Di ruang asli Wilson udara di dalam perangkat tersegel sudah jenuh dengan uap air, kemudian diafragma digunakan untuk memperluas udara di dalam ruangan (adiabatik ekspansi), pendinginan udara dan mulai mengembunkan uap air. Oleh karena itu nama ruang cloud ekspansi digunakan. Ketika partikel pengion melewati ruang, uap air mengembun pada ion yang dihasilkan dan jejak partikel terlihat dalam awan uap. Wilson, bersama dengan Arthur



Compton, menerima Hadiah Nobel dalam Fisika pada tahun 1927 untuk karyanya Cloud Chamber. Ruang semacam ini juga disebut pulsed chamber karena kondisi untuk operasi tidak terus dipertahankan. Perkembangan selanjutnya dibuat oleh Patrick Blackett yang menggunakan pegas kaku untuk memperluas dan menekan ruang dengan sangat cepat, membuat ruangan sensitif terhadap partikel beberapa kali per detik. Film cine digunakan untuk merekam gambar. Cloud Chamber difusi dikembangkan pada tahun 1936 oleh Alexander Langsdorf. Ruang ini berbeda dari cloud chamber ekspansi karena secara terus-menerus disensitisasi terhadap radiasi, dan di bagian bawahnya harus didinginkan ke suhu yang agak rendah, umumnya lebih dingin dari −26 ° C (−15 ° F). Alih-alih uap air, alkohol digunakan karena titik beku yang lebih rendah. Cloud chamber yang didinginkan oleh es kering atau efek Peltier pendingin termoelektrik adalah perangkat demonstrasi umum dan hobi; Alkohol yang digunakan di dalamnya biasanya isopropil alkohol atau spiri alcohol.



Struktur dan Operasi Cloud Chamber tipe-difusi akan dibahas di sini. Sebuah ruang awan sederhana terdiri dari lingkungan tertutup, pelat atas yang hangat dan pelat bawah yang dingin (Lihat Gbr. 2). Ini membutuhkan sumber alkohol cair di sisi hangat ruangan di mana cairan menguap, membentuk uap yang mendingin saat jatuh melalui gas dan mengembun di pelat bawah yang dingin. Semacam radiasi pengion diperlukan.



Gambar. 2: Cloud chamber tipe difusi. Alkohol (biasanya isopropanol) diuapkan oleh pemanas dalam saluran di bagian atas ruang. Uap pendingin turun ke pelat



pendingin hitam, di mana ia mengembun. Karena gradien suhu lapisan uap jenuh terbentuk di atas pelat bawah. Di wilayah ini, partikel radiasi menginduksi kondensasi dan membuat jejak awan. Metanol, isopropanol, atau uap alkohol lainnya memenuhi ruang. Alkohol jatuh saat dingin dan kondensor dingin memberikan gradien suhu yang curam. Hasilnya adalah lingkungan yang tidak jenuh. Sebagai partikel bermuatan energik melewati gas mereka meninggalkan jejak ionisasi. Uap alkohol mengembun di sekitar jejak ion gas yang ditinggalkan oleh partikel pengion. Ini terjadi karena molekul alkohol dan air bersifat polar, menghasilkan daya tarik bersih terhadap muatan bebas terdekat. Hasilnya adalah formasi seperti awan berkabut, dilihat oleh adanya tetesan jatuh ke kondensor. Ketika track dipancarkan secara radial keluar dari sumber, titik asal mereka dapat ditentukan dengan mudah. (Lihat Gambar 3, misalnya.)



Gambar. 3: Dalam ruang awan difusi, track alpha-particle 5,3 MeV dari sumber pin Pb-210 dekat Titik (1) mengalami hamburan Rutherford dekat Titik (2), dibelokkan dengan sudut theta sekitar 30 derajat. Ini mencerai-beraikan sekali lagi dekat Point (3), dan akhirnya datang untuk beristirahat di gas. Inti target dalam gas ruang mungkin adalah nitrogen, oksigen, karbon, atau inti hidrogen. Ini menerima energi kinetik yang cukup dalam tumbukan elastis untuk menyebabkan track rekah pendek yang terlihat dekat Point (2). (Skalanya dalam sentimeter.)



Tepat di atas pelat kondensor dingin ada volume ruang yang sensitif terhadap track ionisasi. Jejak ion yang ditinggalkan oleh partikel radioaktif memberikan pemicu optimal untuk pembentukan kondensasi dan awan. Volume sensitif ini bertambah tinggi dengan menggunakan gradien suhu yang curam, dan kondisi stabil. Medan listrik yang kuat sering digunakan untuk menggambar track awan ke daerah sensitif dari chamber dan meningkatkan sensitivitas ruangan. Medan listrik juga dapat berfungsi untuk mencegah sejumlah besar latar belakang "hujan" dari mengaburkan daerah sensitif dari ruang, yang disebabkan oleh pembentukan kondensasi di atas volume sensitif dari ruang, sehingga mengaburkan track dengan pengendapan konstan. Latar belakang hitam membuatnya lebih mudah untuk mengamati jejak awan. Biasanya, diperlukan sumber cahaya tangensial. Ini menerangi tetesan putih dengan latar belakang hitam. Seringkali lintasan tidak terlihat sampai kolam alkohol yang dangkal terbentuk di pelat kondensor. Jika medan magnet diterapkan di seluruh ruang awan, partikel bermuatan positif dan negatif akan melengkung ke arah yang berlawanan, sesuai dengan hukum kekuatan Lorentz; Namun, bidang-bidang yang cukup kuat sulit untuk dicapai, namun dengan setup hobi kecil. Detektor Partikel Lainnya Bubble Chamber diciptakan oleh Donald A. Glaser dari Amerika Serikat pada tahun 1952, dan untuk ini, ia dianugerahi Hadiah Nobel dalam Fisika pada tahun 1960. Ruang gelembung juga mengungkapkan jejak partikel subatom, tetapi sebagai jejak gelembung dalam cairan super panas, biasanya hidrogen cair. Ruang gelembung dapat dibuat secara fisik lebih besar dari ruang awan, dan karena mereka diisi dengan bahan cair yang jauh lebih padat, mereka mengungkapkan jejak partikel yang lebih energik. Faktor-faktor ini dengan cepat membuat ruang gelembung detektor partikel dominan selama beberapa dekade, sehingga ruang awan secara efektif digantikan dalam penelitian fundamental pada awal tahun 1960-an. Ruang spark adalah perangkat listrik yang menggunakan kisi kawat listrik yang tidak terinsulasi dalam sebuah ruangan, dengan tegangan tinggi yang diterapkan di antara kabel. Partikel bermuatan enerjik menyebabkan ionisasi gas di sepanjang jalur partikel



dengan cara yang sama seperti di ruang awan Wilson, tetapi dalam hal ini medan listrik ambien cukup tinggi untuk mempercepat kerusakan gas skala penuh dalam bentuk bunga api di posisi ionisasi awal. Kehadiran dan lokasi percikan ini kemudian didaftarkan secara elektrik, dan informasinya disimpan untuk analisis nanti, seperti oleh komputer digital. Efek kondensasi serupa dapat diamati sebagai awan Wilson, juga disebut awan kondensasi, pada ledakan besar di udara lembab dan efek singularitas Prandtl-Glauert lainnya.



C. ALAT DAN BAHAN Alat -



Alumunium foil



-



Sponge



-



Kawat



-



Senter



-



Selotip alumunium foil



-



Sterofoam



-



Suntikan



-



Karton hitam



-



Tabung plastic



-



Pylox hitam



Bahan -



Sumber Tl-204, Po-210, Na-22



-



Dry ice



-



Alkohol absolut (Etanol 90%)



D. LANGKAH KERJA 



Preparasi Cloud Chamber 1. Tabung plastic dilubangi di salah satu sisi dindingnya 2. Cat alumunium foil sebagai bagian bawah toples dengan Pylox. Biarkan cat mengering. 3. Kawat di masukkan kedalam sponge dan dibentuk melingkar. 4. Sponge dimasukkan kedalam tabung plastic.



5. Etanol diratakan di sponge menggunakan suntikan sebanyak 20 mL. 6. Ditempelkan alumunium foil ke bagian atas tabung plastic. 



Pengamatan tanpa sumber 1. Disiapkan dry ice dan dimasukkan ke dalam wadah sterofoam. 2. Tabung plastic yang sudah ditutup rapat lalu diletakkan diatas dry ice. 3. Dilakukan pengamatan dalam kondisi gelap dan menggunakan senter. 4. Diamati track yang muncul dan didokumentasikan.







Pengamatan dengan sumber 1. Disiapkan dry ice dan dimasukkan ke dalam wadah sterofoam. 2. Sumber Na-22 ditempelkan ke alumunium foil yang sudah dipilox. 3. Tabung plastic dan tutupnya ditutup rapat menggunakan selotip. 4. Tabung plastic yang sudah ditutup rapat lalu diletakkan diatas dry ice. 5. Dilakukan pengamatan dalam kondisi gelap dan menggunakan senter. 6. Diamati track yang muncul dan didokumentasikan. 7. Dilakukan pengulangan no 2-6 dengan menggunakan sumber Po-210 dan Tl-204.



8.



E. DATA PENGAMATAN Sumber



Gambar



Tanpa sumber



Po-210 (alpha)



Tl-204 (Beta)



Na-22 (gamma)



F. PEMBAHASAN Praktikum kali ini bertujuan untuk memahami proses pembuatan detector Cloud Chamber, memahami dan mampu memvisualisasikan konsep radiasi pengion serta memahami pengaplikasian detektor Cloud Chamber dalam kehidupan sehari-hari. Sumber yang digunakan antara lain Po-210 yang merupakan pemancar alfa, Tl-204 yang merupakan pemancar beta dan Na-22 yang merupakan pemancar gamma.. Cloud Chamber adalah alat yang membuat terlihatnya jalur partikel yang dipancarkan sebagai hasil peluruhan radioaktif. Pusat dari proses difusi pada cloud chamber adalah pada tabung kaca atau plastik yang kecil, jernih, pada tekanan atmosfir. Alkohol cair dimasukkan ke dalam bilik dengan menjenuhkan spons dan diletakkan pada



bagian bawah tabung lalu disegel dengan alumunium foil. Pada saat dikontakkan dengan dry ice, alumunium menjadi bagian bawah yang kontak langsung dengan dry ice. Bagian bawah tabung dipertahankan pada suhu yang lebih dingin. Gradien suhu yang diatur oleh perbedaan suhu memungkinkan untuk penguapan terus menerus dari metanol di bagian atas tabung plastik dan produksi yang terus-menerus dari larutan alcohol akan mensaturasi udara dan akan menuju bagian bawah tabung sebagai alkohol. Alkohol berdifusi ke bawah ke udara yang sangat dingin. Digunakan alumunium foil, karena alumunium memiliki kontak termal yang sangat baik dengan beberapa dry ice. Akan terbentuk awan dari alkohol yang berada di dekat bagian bawah tabung, sekitar 1 hingga 4 milimeter jaraknya di atas alumunium foil dingin. Alumunium foil yang dingin membuat bagian bawah tabung cukup dingin dan larutan alkohol jenuh dipertahankan di bawah. Ketika partikel radiasi datang untuk melintasi awan dibagian bawah tabung, partikel radiasi akan menghasilkan pasangan ion dari atom-atom udara. Pasangan ion bertindak sebagai inti kondensasi, memungkinkan alkohol untuk sejenak mengembun sepanjang jejak ion yang ditinggalkan oleh partikel yang lewat, sehingga membuat jalur partikel sesaat terlihat sebagai track singkat atau "contrail". Track cepat menghilang diikuti track baru yang terlihat. Track-track ini menandai jalur yang ditinggalkan oleh partikel yang bergerak melalui ruangan. Berbagai jenis partikel akan meninggalkan jejak yang berbeda berdasarkan massa dan muatannya. Pada praktikum digunakan Po-210 sebagai pemancar alfa. Partikel alpha terdiri dari dua neutron dan dua proton terikat erat. Partikel alfa dipancarkan dari inti atom ketika atom hanya memiliki sedikit neutron menjaga



kestabilan. Partikel alfa



menyebabkan track yang paling mudah dilihat karena partikel-partikel ini menyebabkan banyak ionisasi dalam waktu yang relatif singkat. Track yang dhasilkan relatif tebal dan relatif pendek, biasanya hanya beberapa sentimeter panjangnya. Partikel alfa dapat mengionisasi ribuan atom udara sebelum partikel-partikel itu berhenti, mengambil beberapa elektron yang tersesat dan menjadi atom helium. Dari praktikum terlihat bahwa track yang muncul adalah pendek dan tebal. Sehingga percobaan ini sesuai dengan sifat dari alfa itu sendiri.



Berikut adalah track alfa yang sesuai teori



Berikut adalah gambaran track yang tervisualisasi dari praktikum Partikel beta juga dapat dilacak dengan Cloud Chamber. Pada praktikum digunakan Tl-204 sebagai sumber beta. Partikel beta itu kecil, merupakan partikel bermuatan negatif yang dipancarkan dari inti yang memiliki terlalu banyak neutron untuk membuatnya tetap stabil. Partikel beta identik dengan elektron orbital kecuali partikel beta yang berasal dari dalam nukleus. Ketika dilihat dalam ruang awan, partikel beta energi rendah membuat jalur tipis yang sering memiliki jalur berliku-liku. Bentuk track yang tidak beraturan disebabkan oleh partikel beta yang memantul dari atom yang ditumbuknya, menyebabkannya mengubah arah selama perjalanan singkatnya. Beta



berenergi tinggi lebih jarang tetapi dapat dilihat sebagai jalur panjang dan lurus. Track bisa panjang hingga beberapa sentimeter. Dari praktikum bisa dilihat bahwa track yang terlihat cukup panjang jika dibandingkan track Po-210. Pada Tl-204 track yang muncul dari sumber hingga ujung tabung, sedangkan Po-210 tidak sampai ujung tabung. Hal ini menunjukkan bahwa Tl-204 benar memancarkan beta.



Berikut adalah track beta yang sesuai teori



Berikut adalah gambaran track yang tervisualisasi dari praktikum Pemancar sinar gamma yang digunakan adalah Na-22 yang terdiri dari foton berenergi tinggi yang berasal dari inti radioaktif. Karena mereka memiliki probabilitas



yang sangat rendah untuk berinteraksi dengan udara di dalam ruangan kecil, maka tidak akan pernah terlihat jejak yang dibuat oleh sinar gamma. Sinar gamma, ketika mereka berinteraksi dengan materi, dapat menghasilkan elektron bebas energi rendah yang memiliki jalur yang sama dengan beta energi rendah. Jadi, jika terlihat jalur beta energi rendah dengan sumber gamma murni di dalam ruang awan, itu merupakan elektron dibebaskan dari atom udara oleh gamma yang lewat. Track yang akan terlihat adalah seperti kumpulan awan tornado yang tidak teratur. Dari praktikum, track yang terlihat sama seperti pada teori.



Berikut adalah track gamma yang sesuai teori



Berikut adalah gambaran track yang tervisualisasi dari praktikum



Track yang muncul tersebut sebenarnya terjadi karena adanya reaksi antara partikel bermuatan dengan udara. Karena track tersebut tidak bisa tervisualisaikan melalui indera penglihatan, maka digunakan media cloud chamber. Media yang digunakan untuk memvisualisasikannya adalah awan atau alcohol jenuh yang berada di bawah tabung yang dapat menunjukkan tracknya sehingga mudah diamati. Sementara itu untuk pengaplikasian di dunia nayata antara lain adalah : Sinar kosmik melewati tubuh anda terus-menerus. Area ukuran tangan anda menerima sinar kosmik dengan laju sekitar satu partikel per detik. Banyak dari partikelpartikel ini tidak berbahaya bagi tubuh manusia dan melewati tanpa disadari. Penelitian yang dilakukan baru-baru ini menunjukkan bahwa muon dapat menyebabkan kerusakan pada tubuh Anda pada tingkat molekuler. Para ilmuwan percaya bahwa muon melewati kulit Anda dan mengionisasi (melepaskan elektron) beberapa atom yang ada di tubuh Anda. Ionisasi ini menghasilkan molekul hidroksil, yang disebut radikal bebas, yang akhirnya dapat berinteraksi dengan DNA Anda. Untuk menghilangkan kekhawatiran ini, para ilmuwan menyarankan bahwa orang mengkonsumsi antioksidan, molekul yang melawan pengaruh negatif dari radikal bebas. Partikel alfa, terbentuk ketika peluruhan inti berat menjadi inti helium, secara konstan dipancarkan dari matahari karena proses fusi nuklir yang menjadi bahan bakar matahari. Partikel bermuatan ini terperangkap oleh medan magnet yang tidak seragam di Bumi, berputar di sekitar garis medan Bumi dari kutub ke kutub. Partikel bermuatan, sebagian besar elektron dan proton, mengelilingi Bumi dalam pola berbentuk donat atau daerah yang disebut sabuk radiasi Van Allen. Ketika partikel bermuatan ini berada di atmosfer Bumi di atas kutub, mereka sering bertabrakan dengan atom lain, menyebabkan mereka memancarkan cahaya tampak. Ini adalah asal-usul Aurora Borealis, atau Cahaya Utara. G. KESIMPULAN 1. Mekanisme yang terjadi pada cloud chamber adalah alcohol menguap di bagian atas, lalu akan terjadi kondensasi karena suhu bagian bawah lebih dingin dan menjadi alcohol yang membentuk kabut awan dengan konsentrasi alcohol yang jenuh.



2. Awan dari alcohol yang jenuh membantu visualisasi dari munculnya track partikel bermuatan. 3. Track menunjukkan jalur yang ditinggalkan oleh partikel yang bergerak melalui tabung. 4. Track alfa bersifat pendek dan tebal, track beta bersifat cukup panjang, t rack gamma seperti tornado yang berputar-putar. 5. Pengaplikasian cloud chamber dalam kehidupan adalah interaksi radikal akibat ionisasi dengan DNA serta munculnya Aurora Beurailis.



H. DAFTAR PUSTAKA -



Anonym. 2006. LEPP Education and Outreach. Cornel University:New York



-



F, James. 2016. A Diffusion Cloud Chamber for Viewing Alpha Tracks. University of Colorado-Colorado : USA



-



Clark Ken. 2015.The Cloud Chamber Experiment:USA



Yogyakarta, 21 Juli 2018 Dosen Praktikum,



Maria Christina.P, S.ST, M.Eng



Praktikan,



Siti Nur Arifah