Akselerator Sikotron [PDF]

Citation preview

BAB I PENDAHULUAN



1.1.



Latar Belakang Akselerator adalah alat yang dipakai untuk mempercepat gerak partikel



bermuatan seperti elektron, proton, inti-inti ringan, dan inti atom lainnya. Mempercepat gerak pertikel bertujuan agar pertikel tersebut bergerak dengan cepat sehingga memiliki energi kinetik yang sangat tinggi. Untuk mempercepat gerak partikel ini diperlukan medan listrik ataupun medan magnet. Dilihat dari jenis gerakan medan partikel, ada dua jenis akselerator, yaitu akselerator dengan gerak partikelnya lurus (akselerator liniear) dan gerak partikelnya melingkar (akselerator magnetik). Akselerator partikel pertama kali dikembangkan oleh dua orang fisikawan Inggris, J.D. Cockroft dan E.T.S Walton, di Laboratorium Cavendish, Universitas Cambrige pada 1929. Atas jasanya itu, mereka dianugrahi hadiah Nobel bidang fisika pada tahun 1951. Pada mulanya, akselerator partikel dipakai untuk penelitian fisika energi tinggi dengan cara menabrakan partikel berkecepatan sangat tinggi ke target tertentu. Namun, ada beberapa jenis akselerator partikel yang dirancang untuk memproduksi radiasi berenergi tinggi untuk keperluan radioterapi. Salah satu jenis akselerator yang dibahas pada makalah ini adalah siklotron.



1.2.



Tujuan Adapun tujuan dari pembuatan makalah ini adalah sebagai berikut :



1.3.



1.



Menjelaskan Pengertian siklotron



2.



Menjelaskan sejarah siklotron.



3.



Menjelaskan prinsip kerja siklotron.



4.



Menyebutkan reaksi yang dihasilkan siklotron.



5.



Menjelaskan sinklotron superkonduktor.



6.



Menjelaskan manfaat siklotron.



Rumusan masalah 1.



Jelaskan Pengertian siklotron!



2.



Bagaimana sejarah siklotron!



3.



Jelaskan prinsip kerja siklotron !



4.



Sebutkan reaksi yang dihasilkan oleh siklotron !



5.



Bagaimanakah siklotron superkonduktor itu !



6.



Jelaskan manfaat siklotron!



BAB II KAJIAN PUSTAKA



2.1.



Pengertian siklotron (Cycloytron) Siklotron merupakan perangkat yang dugunakan untuk percepatan partikel



energi reaksi nuklir. 2.2.



Sejarah siklotron (Cycloytron) Siloktron pertama kali digunakan untuk keperluan medis yang digunakan



di Washington University pada tahun 1941 untuk memproduksi isotope fosfor, zat besi, arsen dan belerang. Pada pertengahan tahun 1950-an di rumah sakit Hammersmith, London mengoperasikan Siklotron untuk produksi radionuklida. Pada bidang kedokteran telah berkembang akselerator siklotron ion positif dan negatif untuk keperluan produksi radionuklida juga. Inovasi dari Siklotron sendiri terdiri beberapa jenis yaitu siklrotron superkonduktor, tandem akselerator kaskade dan linacs energi rendah. Siklotron ditemukan oleh Ernest O. Lawrence pada tahun 1929 yang dikembangkan oleh mahasiswa di University of California pada tahun 1930 dan mulai beroperasi pada tahun 1932. Siklotron terbesar di dunia berada di University of British Columbia, Vancouver, Kanada. Siklotron terbesar itu berdiameter 18 m yang terdiri dari 4000 ton magnet. Siklotron ini menghasilkan bidang 0,46 T, 23 MHz medan listrik, 94 kV tegangan yang digunakan untuk mempercepat arus 200 μA.



(a)



(b) (Sumber: IAEA, 2009)



Gambar 1. Siklotron (a) mesin isotop kecil tunggal (mesin deuteron dirancang untuk menghasilkan hanya 15O untuk studi PET) (b) siklotron 500 MeV di TRIUMF di Vancouver, Kanada (mesin penelitian multitujuan besar).



(Sumber: IAEA, 2009)



Gambar 2. Bagian kerja internal siklotron modern.



2.3.



Prinsip Operasi Siklotron siklotron terdiri dari empat sistem: o



Magnet resistif yang dapat menciptakan medan magnet dari 1-2T;



o



Sistem vakum ke 10-5 Pa;



o



Sistem frekuensi tinggi (sekitar 40 Mhz) menyediakan tegangan dengan nilai puncak sekitar 40 kV, meskipun angka-angka ini dapat bervariasi untuk sistem yang berbeda;



o



Sumber ion yang dapat mengionisasi hidrogen untuk membuat proton gratis serta deuterium dan α partikel. Siklotron menggunakan teori termodinamika untuk menghasilkan



partikel berenergi yang cukup tinggi dalam ruang yang relatif terbatas. Teori termodinamika menyatakan bahwa frekuensi rotasi suatu partikel bermuatan bergerak dalam medan magnet dari radius orbitnya. Energi partikel meningkat sebagai akibat dari meningkatnya kecepatan partikel. Percepatan ruang siklotron ditempatkan di antara kutub medan magnet homogen, seperti ditunjukkan pada Gambar 3.



(Sumber: IAEA, 2008)



Gambar 3. Struktur dari siklotron menunjukkan magnet, struktur 'dee' dan sumber ion. Medan magnet siklotron menyebabkan partikel bergerak pada orbit lingkaran. Ion diproduksi dalam sumber ion di tengah mesin dan dipercepat keluar dari pusat. Ion-ion yang dipercepat oleh frekuensi tinggi medan listrik melalui dua atau lebih elektroda berongga disebut 'dees'. Ion-ion dipercepat ketika mereka lolos dari satu dee menuju arah selanjutnya (depan) melalui celah antara dees. Karena frekuensi rotasi partikel tetap konstan sebagai akibat dari energi partikel meningkat, diameter orbit meningkat sampai partikel dapat diekstraksi dari tepi luar mesin. Batas pada energi partikel ditentukan secara langsung dengan diameter pada muka kutub magnet. Siklotron energi tinggi telah dibangun, namun, untuk sebagian besar energi proton kurang dari sekitar 70 MeV.



Gambar 1. diagram sebuah siklotron: Dua elektroda tembaga yang berbentuk D (D-shaped object) disebut dees, ruangan seluruhnya di buat vakum (hampa udara). Kedua elektroda dihubungkan dengan sumber tegangan bolak balik frekuensi tinggi. Partikel yang ingin di



percepat ditaruh ditengah-tengah siklotron (P). Dees tersebut dicelupkan di dalam medan magnet yang arahnya keluar bidang. Misalkan ada proton-proton bergerak dalam dua bidang setengah lingkaran yang terpisah oleh suatu celah (dee). Setiap kali proton-proton lewat melintasi celah di antara kedua bidang setengah lingkaran, suatu tegangan diberikan pada



proton-proton



yang



akan



mempercepat



proton-proton.



Percepatan



ini



meningkatkan kelajuan proton-proton dan juga jari-jari kelengkungan lintasan proton-proton. Sekali proton tersebut berada di dalam dee, maka proton disaring dari medan listrik oleh dinding logam dee, medan magnet tidak disaring sehingga proton tersebut membelok berbentuk lingkaran yang jari-jarinya yang bergantung pada kecepatan. Setelah beberapa putaran, proton-proton memperoleh energi kinetik tinggi (dalam orde 10 atau 20 MeV per satuan muatan listrik) dan tiba pada sisi terluar siklotron. Proton-proton kemudian dapat menumbuk suatu sasaran yang ditempatkan di dalam siklotron atau meninggalkan siklotron dengan bantuan “magnet pembelok” dan diarahkan ke suatu sasaran eksternal. Tegangan yang diberikan ke kedua bidang setengah lingkaran untuk menghasilkan percepatan haruslah bolak-balik. Ketika proton-proton sedang bergerak ke kanan melintasi celah, bidang yang kanan haruslah negatif dan yang kiri positif (medan listrik E



berarah dari polaritas + ke polaritas – dan untuk muatan positif seperti proton, besar gaya pemercepat F = q E dan searah dengan arah medan listrik E). Medan magnetik B, yang diberikan oleh sebuah elektromagnet besar, berarah masuk dalam bidang kertas. A adalah sumber ion. Garis-garis gaya menunjukkan medan listrik dalam celah. Setengah siklus berikutnya, protonproton bergerak ke kiri melintasi celah, sehingga bidang kiri haruslah negatif supaya medan listrik pada celah tetap berfungsi mempercepat proton-proton. Partikel bermuatan yang bergerak dengan kecepatan v tegak lurus terhadap medan magnetik B menempuh lintasan melingkar dengan jari-jari r. Gaya sentripetal penyebab gerak melingkar berasal dari gaya Lorentz, sehingga diperoleh:



Waktu yang diperlukan untuk satu putaran lengkap adalah priode T, di mana:



Frekuensi f, dari tegangan bolak-balik yang diberikan harus sama dengan frekuensi proton-proton yang bergerak melingkar. Dengan demikian, frekuensi siklotron adalah :



dengan, f = frekuensi siklotron (Hz) q = muatan proton (1,6 x 10-19 C) m = massa proton (1,67 x 10-27 kg) B = induksi magnetik yang dihasilkan pasangan magnet (Wb/m2 atau T) Frekuensi dari tegangan bolak-balik yang diberikan, tidak bergantung pada jari-jari r. Karena itu, frekuensi tidak harus diubah ketika partikel (proton) mulai dari sumber dan dipercepat untuk menempuh jari-jari yang makin lama makin besar. Energi kinetik maksimum partikel bermuatan (proton) ketika keluar dari siklotron, yaitu:



Energi kinetik yang diperlukan proton-proton sama dengan energi yang akan diperoleh proton-proton jika proton-proton dipercepat melalui beda potensial yang



cukup



besar.



2.4 Reaksi yang Dihasilkan Siklotron Reaksi fisi merupakan reaksi pembelahan suatu inti berat ketika ditembaki oleh partikel (proton) berenergi tinggi yang keluar dari Siklotron atau ketika menyerap neutron lambat (terjadi dalam reaktor nuklir).



Contoh reaksi fisi ketika Li ditembaki proton:



Untuk berlangsungnya reaksi fisi di atas, diperlukan peralatan yaitu siklotron untuk mempercepat proton. Di Indonesia Siklotron terdapat di Badan Tenaga Atom Nasional (BATAN), dengan ruang khusus. Ruang Kontrol (Control room) Siklotron



Hasil tembakan berkas siklotron berdasarkan tingkat energinya



2.4. Alur Kerja Siklotron Banyak hal yang harus dipertimbangkan dalam alur kerja dari sebuah aklselerator. Hal ini sangat penting untuk meminimalkan paparan radiasi dan peningkatan efisiensi kerja dari sebuah akselerator dengan memberikan kelancaran arus ke unit pengolahan. Prosesnya dilakukan dengan langkah memberikan jarak yang cukup dekat antara langkah sebelum dan sesudahnya. Pendekatan lain yaitu dengan menggunakan transportasi terlindung untuk pemindahan dosis tanpa kontak langsung dengan manusia.



7. (Sumber: IAEA, 2009) Gambar 4. Tekanan dan radiasi yang ideal di fasilitas siklotron. Teknologi siklotron meningkat secara signifikan selama beberapa waktu terakhir. Siklotron sekarang dikendalikan oleh komputer yang menghasilkan berbagai macam isotope.



2.5. Siklotron superkonduktor



Prinsip-prinsip dasar pengoperasian mesin ini adalah sama dengan siklotron konvensional. Menggunakan magnet superkonduktor, siklotron ini dapat dibuat sangat kompak tetapi mereka harus dipertahankan pada suhu helium cair. Berat magnet adalah sekitar 1/5 dari berat magnet untuk siklotron konvensional. Karena magnet superkonduktor kebutuhan daya yang lebih sedikit. Medan magnet yang lebih tinggi menyebabkan orbit untuk jarak dekat bersama-sama. Partikel yang dipercepat adalah H-, sehingga sistem ekstraksi menggunakan foil stripper. 2.6. Manfaat Siklotron di bidang kesehatan Perkembangan teknologi Siklotron di bidang kesehatan menjadi penting setelah beberapa produksi radioisotop dengan waktu paro pendek mulai dimanfaatkan dan sebagai dasar utama penggunaan PET (Positron Emission Tomography). Penggunaan PET diawali dengan memproduksi radioisotop flour18. Radioisotop fluor-18 diproduksi dari isotop oksigen-18 dengan menggunakan siklotron. Setelah fluor-18 selesai disiapkan, kemudian segera disuntikkan ke pasien. Sebaran flour-18 didalam tubuh akan dideteksi dengan memasukkan tubuh ke dalam rangkaian detektor elektronik berbentuk melingkar.



BAB III KESIMPULAN



1.



Siklotron merupakan perangkat yang dugunakan untuk percepatan partikel energi reaksi nuklir.



2.



Siklotron ditemukan oleh Ernest O. Lawrence pada tahun 1929 yang dikembangkan oleh mahasiswa di University of California pada tahun 1930 dan mulai beroperasi pada tahun 1932.



3.



Siklotron menggunakan teori termodinamika untuk menghasilkan partikel berenergi yang cukup tinggi dalam ruang yang relatif terbatas. Teori termodinamika menyatakan bahwa frekuensi rotasi suatu partikel bermuatan bergerak dalam medan magnet dari radius orbitnya.



4.



Contoh reaksi fisi ketika Li ditembaki proton:



Untuk berlangsungnya reaksi fisi di atas, diperlukan peralatan yaitu siklotron untuk mempercepat proton. 5.



Prinsip-prinsip dasar pengoperasian mesin siklotron superkonduktor adalah sama dengan siklotron konvensional. Menggunakan magnet superkonduktor, siklotron ini dapat dibuat sangat kompak tetapi mereka harus dipertahankan pada suhu helium cair. Berat magnet adalah sekitar 1/5 dari berat magnet untuk siklotron konvensional. Karena magnet superkonduktor kebutuhan daya yang lebih sedikit. Medan magnet yang lebih tinggi menyebabkan orbit



untuk jarak dekat bersama-sama. Partikel yang dipercepat adalah H-, sehingga sistem ekstraksi menggunakan foil stripper. 6.



Perkembangan teknologi Siklotron di bidang kesehatan menjadi penting setelah beberapa produksi radioisotop dengan waktu paro pendek mulai dimanfaatkan dan sebagai dasar utama penggunaan PET (Positron Emission Tomography).



DAFTAR PUSTAKA



Prahara



Putri,



Fitri.



2014.



MAKALAH



FISIKA



INTI.



Online



:



https://www.scribd.com/doc/244611142/Isi-Makalah-fisika-inti. Diakses : 24/12/17 Rahman Lairict, Amir. 2015. MAKALAH AKSELERATOR NUKLIR. Online : https://www.scribd.com/doc/270947881/makalah-Akselerator-Nuklirdocx. Diakses : 24/12/17