diklat akselerator.pdf

30

Upload: faizan

Post on 04-Aug-2015

228 views

Category:

Documents


6 download

DESCRIPTION

Uploaded from Google Docs

TRANSCRIPT

Page 1: Diklat  Akselerator.pdf
Page 2: Diklat  Akselerator.pdf

Diklat Akselerator 20-31 Agustus 07

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 (1895) dan penemuan elektron oleh J.J. Thomson

(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 partikel yang dihasilkan oleh akselerator dapat digunakan untuk berbagai

keperluan aplikasi seperti diperlihatkan pada Gambar 1.

Gambar 1. Sejarah aplikasi akselerator partikel

1

BASIC RESEARCH hlfiurlmtul mrces

linear reuchms

MEDICAL APPLICAIIIH

NUCLEAR PHYSIES

Page 3: Diklat  Akselerator.pdf
Page 4: Diklat  Akselerator.pdf

Diklat Akselerator 20-31 Agustus 07

Seiring dengan berkembangnya teknologi akselerator yang meliputi

akselerator linier dan siklik aplikasi akselerator berkembang pesat dan menjamah

berbagai bidang kehidupan manusia. Tabung Sinar-X merupakan tonggak

sejarah aplikasi akselerator partikel yang mempunyai dampak sangat besar

terhadap kehidupan manusia.

Didalam kamus Ilmu Pengetahuan pengertian akselerator partikel menurut

ilmu fisika adalah mesin untuk meningkatkan energi kinetik partikel bermuatan

dengan mempercepatnya di dalam medan listrik. Komponen utama akselerator

terdiri dari sumber berkas partikel bermuatan atau injektor, sistem pemercepatan,

sistem tabung hampa, dan sistem penanganan berkas partikel (sistem optik),

iradiator target, dan sistem instrumentasi dan kendali. Dari uraian tersebut dapat

dibayangkan bahwa akselerator mempunyai kemiripan dengan komponen TV

yaitu adanya sumber elektron yang dipancarkan oleh filamen, sistem pemercepat

berupa tegangan tinggi, lempeng vertikal dan horisonal bermuatan listrik, elektron

berada pada keadaan vakum. Pada TV elektron berenergi ditembakan pada kaca

pendar sedangkan pada akselerator elektron dikeluarkan ke atmosfer untuk

keperluan proses radiasi seperti contoh Gambar 2.

Gambar 2: Skematik akselerator elektrostatik

2

Page 5: Diklat  Akselerator.pdf
Page 6: Diklat  Akselerator.pdf

Diklat Akselerator 20-31 Agustus 07

Berdasarkan medan elektromagnet yang digunakan, sistem pemercepat

partikel dapat dibedakan menjadi pemercepat elektrostatik (static fields) dan

pemercepat elektrodinamik (alternating fields). Berdasarkan bentuk lintasan

partikel, teknologi akselerator dibagi menjadi dua yaitu akselerator linier dan siklik.

Pada akselerator linier partikel dipercepat dalam sekali lintasan lurus oleh medan

elektrostatik atau RF yang terpasang pada struktur pemercepat. Pada akselerator

linier pertambahan energi kinetik total partikel tergantung dari panjang struktur

pemercepat. Oleh karena adanya tegangan dadal maka untuk dimensi struktur

pemercepat yang sama akselerator linier RF dapat menghasilkan energi kinetik

partikel bermuatan yang jauh lebih besar dibandingkan dengan akselerator linier

elektrostatik.

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 dalam suatu sumber pembangkit partikel

bermuatan atau injektor, sebelum dipercepat lebih lanjut dengan medan

elektromagnet. Perkembangan teknologi pemercepatan pada akselerator sangat

menakjubkan seperti ditunjukkan pada Gambar 3.

Berdasarkan jenis partikel akselerator yang dipercepat maka akselerator

partikel dibagi menjadi dua yaitu akselerator ion dan elektron. Luaran akselerator

dapat berbentuk berkas ion atau elektron yang dicirikan oleh besarnya arus,

energi kinetik, dan profil berkas. Karakateristik 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

Page 7: Diklat  Akselerator.pdf

relativistik khusus. Satuan yang digunakan dalam membahas teori akselerator

biasanya menggunakan satuan cgs (cm, gr, second) untuk melihat lebih detail

elektrodinamika partikel. Namun dan hal ini penulisan rumus berdasarkan satuan

3

Page 8: Diklat  Akselerator.pdf
Page 9: Diklat  Akselerator.pdf

Diklat Akselerator 20-31 Agustus 07

mks (meter, kg, second) sedangkan untuk perhirungan 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 1 e Coulomb melewati beda

potensial 1 volt sehingga mempunyai energi 1,6022x10-19 CV (Joule). Satuan

energi akselerator biasanya orde keV – TeV. Ingat k=103, M=106, G=109 dan

T=1012. Satuan arus biasanya dalam orde ratusan nA – ratusan mA. n=10-9 , μ=10-

6, m=10-3. 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 3: Perkembangan Teknologi Akselerator

4

Page 10: Diklat  Akselerator.pdf
Page 11: Diklat  Akselerator.pdf

Diklat Akselerator 20-31 Agustus 07

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 Lorentz secara

relativistik

F = q (E + v × B) (1)

F gaya Lorentz, q muatan partikel, v kecepatan partikel, c kecepatan cahaya, E

medan listrik, dan B medan magnet. Kedua komponen gaya ini banyak

digunakan dalam akselerator. Gaya dikarenakan medan listrik F = qE digunakan

untuk mempercepat partikel sedangkan gaya dikarenakan medan magnet F = v ×

B digunakan untuk pembelokan atau pemfokusan partikel. Pada akselerator

energi rendah gaya listrik juga dapat digunakan untuk pembelokan atau

pemfokusan partikel.

Jika gaya Lorentz diintegrasikan terhadap waktu interaksi partikel dengan

medan elektromagnetik maka akan diperoleh perubahan momentum partikel

Δp =

Fdt (2)

Sebaliknya jika gaya Lorentz diintegrasikan terhadap panjang lintasan maka

diperoleh perubahan energi kinetik partikel

ΔE

k

=

Fds (3)

Jika persamaan (2) dan (3) dibandingkan dengan mengingat ds = vdt, β = v/c

maka relasi difrensial momentum dan energi kinetik

cβ dp = ΔE

k

(4)

Page 12: Diklat  Akselerator.pdf

Jika gaya Lorenta pada persamaan (1) dimasukan ke persamaan (3) dan

mengganti ds = vdt maka diperoleh

ΔE

k

= q

∫Eds + q

∫(v x B )v dt (5)

Dari persamaan (5) 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

5

Page 13: Diklat  Akselerator.pdf
Page 14: Diklat  Akselerator.pdf

Diklat Akselerator 20-31 Agustus 07

awal nol pun terjadi percepatan. Gaya Lorentz pada komponen kedua persamaan

(5) tergantung kecepatan partikel. Arah gaya ini tegak lurus arah rambat partikel

dan medan magnet. Dari persamaan (5) besarnya energi kinetik tidak tergantung

pada medan magnet karena perkalian skalar (v x B )v = 0. Jadi keberadaan

medan magnet hanya menyebabkan pembelokan arah gerak partikel.

Untuk partikel dengan massa-diam m yang bergerak dengan laju

momentum p secara relativistik (v ≈ c), p=γ mv maka gaya pemercepat partikel

sama dengan gaya listrik yang diberikan oleh

F = dp/dt = (dγ mv)/dt = qE, γ = (1-β 2) –1/2. (6)

Selama pemercepatan, kecepatan dan faktor relativistik γ keduanya

merupakan fungsi waktu, sehingga

dp/dt = mγ dv/dt + mvdγ /dt,

dγ /dt = (d/dβ )(1-β 2) –1/2dβ /dt = γ 3 (β /c)dv/dt,

dan persamaan gerak menjadi

F = dp/dt = m [γ dv/dt + v γ 3 (β /c) dv/dt].

Untuk gaya yang sejajar kecepatan

dp

s

/dt = mγ [1 + γ 2 (β /c)v] dv

s

/dt = mγ 3dv

s

/dt, (7)

sedang untuk gaya yang tegaklurus kecepatan, dv/dt = 0, sehingga

dp t

/dt = mγ dv

t

/dt. (8)

Pada mekanika relativistik energi total partikel E= E

k

Page 15: Diklat  Akselerator.pdf

+ E

o

maka energi kinetik

elektron dapat diperoleh dari rumus relativistik E

k

= (γ - 1) mc2.

Medan E yang digunakan untuk mempercepat partikel dibangkitkan secara

elektrostatis atau secara elektrodinamis yang akan dibahas dalam bab berikut.

PEMERCEPATAN BERKAS PARTIKEL

Berdasarkan medan elektromagnet yang digunakan, sistem pemercepat

partikel dapat dibedakan menjadi pemercepat elektrostatik (static fields) dan

pemercepat elektrodinamik (alternating fields).

6

Page 16: Diklat  Akselerator.pdf
Page 17: Diklat  Akselerator.pdf

Diklat Akselerator 20-31 Agustus 07

A. Pemercepat elektrostatik

Dalam pemercepat elektrostatik partikel hanya dipercepat dalam sekali

lintasan dalam medan elektrostik yang dibangkitkan dengan pembangkit van de

Graaf/peletron secara mekanik atau Cockroft-Walton secara elektronik.

Tegangan pemercepat maksimum yang diberikan tergantung tegangan-dadal

(breakdown voltage) antar elektrode, dan dapat mencapai 20 MV jika digunakan

gas bertekanan tinggi untuk menaikkan tegangan-dadal. Akselerator dengan

system pemercepat elektrostatik merupakan jenis akselerator linier,

Gambar 4 : Generator Van de Graff

Generator Van den Graaff disebut juga sebagai generator sabuk muatan

sesuai dengan komponen yang menjadi ciri khasnya. Ciri khas ini yaitu sabuk

pembawa muatan seperti ditampilkan pada Gambar 4. Komponen utama

generator Van de Graaff terdiri dari sumber DC pemacu (exciter) sebagai sumber

pemberi muatan, sabuk isolator sebagai sabuk pembawa muatan, puli dan motor

sebagai penggerak, elektrode berupa sisir dari jarum sebagai pemuat dan

pengumpul muatan, dan terminal sebagai penampung muatan.

Muatan listrik dibangkitkan oleh exciter melalui proses lucutan dengan

tegangan DC sekitar 30 kV yang kemudian dipindahkan ke sabuk pembawa

muatan melalui sisir elektrode di sisi puli yang di ground kan. Kemudian muatan

oleh sabuk pembawa muatan dibawa ke terminal yang berbentuk bola dan terjadi

pemindahan muatan melalui sisir elektrode pengumpul muatan. Tegangan

7

Page 18: Diklat  Akselerator.pdf
Page 19: Diklat  Akselerator.pdf

Diklat Akselerator 20-31 Agustus 07

terminal (V) ditentukan oleh jumlah muatan yang terkumpul (Q) dan kapasitansi

terminal terhadap tanah (C) dengan persamaan V = Q/C.

Secara ideal kenaikan tegangan terminal tidak terbatas yaitu jika tidak ada

rugi-rugi muatan. Kenyataannya tegangan terminal terbatas dan terjadi suatu

keadaan setimbang di mana arus pemuat sama besar dengan arus keluaran.

Keterbatasan tegangan terminal disebabkan adanya dadal tegangan, dan hal ini

dapat diatasi dengan gas bertekanan yang lebih tahan terhadap dadal tegangan,

misalnya gas SF

6

. Generator Van de Graaff sangat menguntungkan untuk

penggunaan tegangan keluaran besar dan arus beban kecil.

Pada generator Cockroft-Walton seperti ditunjukkan pada Gambar 5

tegangan keluaran yang dihasilkan diperoleh dengan menggandakan tegangan

masukan pelipat tegangan dari generator pulsa. Prinsip penggandaannya adalah

dengan proses pengisian kapasitor sebagai pelipat tegangan secara paralel dan

pelepasannya secara seri. Generator ini dapat menghasilkan tegangan keluaran

s/d. 2.500 kV dan efisiensinya dapat mencapai 70 %. Struktur generator

Cockroft-Walton secara garis besar mempunyai bagian-bagian sebagai berikut:

Gambar 5 :

Generator

Cockroft-Walton

• Osilator RF,

berfungsi

membangkitkan tegangan osilasi dengan frekuensi beberapa ratus kHz

dan daya cukup besar untuk mengatasi kapasitas keluaran generator

beserta rugi-ruginya.

• Transformator RF, berfungsi meningkatkan tegangan keluaran osilator

dari beberapa kV menjadi beberapa puluh kV untuk masukan pelipat

tegangan.

8

Page 20: Diklat  Akselerator.pdf
Page 21: Diklat  Akselerator.pdf
Page 22: Diklat  Akselerator.pdf

6b

Gambar 6. Contoh bentuk tabung akselerator buatanNEC. a. Tabung akselerator tipe general purpose b. Tabung akselerator tipe high gradient

Tegangan pemercepat elektrostatik yang berupa tegangan listrik searah

(DC) yang cukup tinggi dibagi dalam banyak elektrode pada tabung akselerator

seperti ditunjukkan pada Gambar 6, supaya medan pemercepat lebih homogen

dan tegangan antar elektrode lebih rendah. Tegangan tinggi pemercepat

dipasang pada salah satu ujung tabung akselerator, sementara ujung yang

9

Diklat Akselerator 20-31 Agustus 07

• Rangkaian diode-kapasitor, berfungsi sebagai rangkaian pelipat

tegangan yang merubah tegangan AC (sinusoidal dari osilator) menjadi

tegangan DC dengan potensial yang tinggi.

• Terminal, berfungsi mencegah terjadinya lucutan atau korona dari bagian-

bagian komponen di sisi ujung tegangan tinggi.

6a

...v....x..... ...h

(esa cm)

Page 23: Diklat  Akselerator.pdf
Page 24: Diklat  Akselerator.pdf

Diklat Akselerator 20-31 Agustus 07

lainnya dipasang pada ground. Agar diperoleh gradient medan listrik yang

homogen dan rendah sepanjang tabung akselerator dilakukan dengan sistem

pembagi tegangan (voltage devider) yang terdiri dari resistor dengan nilai ohm

yang tinggi (orde mega ohm) sehingga beda potensial akan terjaga tetap antara

dua buah elektrode.

Tabung akselerator merupakan komponen utama MBE yang berfungsi

untuk mempercepat berkas partikel bermuatan yang dihasilkan oleh injektor

sehingga dapat mencapai energi yang cukup tinggi sesuai dengan kebutuhan.

Partikel bermuatan akan memperoleh energi yang sebanding dengan tegangan

yang terpasang pada elektrode-elektrode tabung akselerator menurut persamaan:

5) .........( .......... .......... .......... .......... .......... .......... qV E =

dengan E energi partkel (eV), q muatan partikel (Coulomb), V tegangan terpasang

(volt).

Sebagai contoh misalnya pada Mesin Berkas Elektron 300 kV/20 mA yang

direncanakan dibuat di PTAPB-BATAN (Gambar 6a), dengan sumber tegangan

tinggi tipe Cockroft-Walton. Simulasi lintasan elektron dengan menggunakan

rumus relativistik (7) dan (8) diberikan pada Gambar 7. Rumus relativistik ini

harus digunakan supaya pada ujung tabung pemercepat diperoleh energi kinetik

elektron yang benar.

Gambar 7. Simulasi lintasan elektron dengan posisi awal r = 10, 8, 6, 4, 2, dan 0

mm dengan tangen arah awal 0.

B. Pemercepat elektrodinamik (siklik)

Untuk memperoleh energi pemercepat yang lebih tinggi tanpa dibatasi oleh

tegangan-dadal, pemercepatan dapat dilakukan secara berulang (siklik) dalam

10

200