SIKLOTRON: Pengertian, Cara Kerja, dan Reaksi yang Dihasilkan

- SIKLOTRON -

Sumber foto : google

Akselerator adalah alat (mesin) yang dipakai untuk mempercepat gerak partikel bermuatan seperti elektron, proton, inti-inti ringan, dan inti atom lainnya. Mempercepat gerak partikel bertujuan agar partikel tersebut bergerak sangat cepat sehingga memiliki energi kinetik yang sangat tinggi. Untuk mempercepat partikel ini diperlukan medan listrik atau pun medan magnet. Di lihat dari jenis gerakan partikel, ada dua jenis akselerator, yaitu:

1. Akselerator dengan gerak partikelnya lurus (akselerator linier).

2.   Akselerator dengan gerak partikelnya melingkar (akselerator magnetik) dengan jenis-jenisnya antara lain: Betatron, Siklotron, Akselerator proton, Generator Netron, EULIMA dan HIMAC.

Awal dari akselerator tak lepas dari eksperimen Geissler seorang peniup gelas yang mampu memvakumkan tabung gelas sampai 10^-3 torr pada tahun1860. 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).

Akselerator partikel pertama kali dikembangkan oleh dua orang fisikawan Inggris, J.D Cockcroft dan E.T.S walton, di laboratorium Cavendish, Universitas Cambridge pada 1929 dengan menggunakan proton 600 keV.

Pengertian Siklotron

Siklotron adalah suatu mesin (akselerator) yang mempercepat partikel secara melingkar, sehingga diperoleh energi kinetik yang tinggi. Partikel tersebut dapat berupa partikel proton atau deuteron. Siklotron merupakan piranti untuk mempercepat gerak partikel bermuatan listrik. Siklotron dapat mempercepat partikel karena pemberian medan magnet dan medan listrik yang konstan.

Siklotron ditemukan oleh Ernest O. Lawrence (1901-1958), pada tahun 1929 yang dikembangkan oleh mahasiswa di University of California pada tahun 1930 dan mulai beroperasi pada tahun 1932. Lawrence menggunakan sebuah medan magnetik untuk menjaga agar ion-ion bermuatan (biasanya proton) bergerak dalam lintasan.

 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.  Siklotron di Indonesia terdapat di Badan Tenaga Atom Nasional (BATAN), dengan ruang khusus.

Cara Kerja Siklotron

Proton-proton bergerak dalam dua bidang setengah lingkaran yang terpisah oleh suatu celah. 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. 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 di tempatkan 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 (AC). 

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 searahdengan arah medan listrik E).

Setengah siklus berikutnya, proton-proton bergerak ke kiri melintasi celah, sehingga bidang kiri haruslah negatif supaya medan listrik pada celah tetap berfungsimempercepat proton-proton. Frekuensi f, dari tegangan bolak-balik yang diberikanharus sama dengan frekuensi proton-proton yang bergerak melingkar. 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:

F_s = F_L

mv²/ r = qvB

Dengan gerak melingkar:

Frekuensi putaran adalah:

Dengan demikian frekuensi putaran dari siklotron dapat dinyatakan:

dengan,    f   =   frekuensi siklotron (Hz)

                 q   =   muatan proton (1,6 x 10^-19C)

                 m =   massa proton (1,67 x 10^-27 kg)

                 B  =   induksi magnetik yang dihasilkan pasangan magnet (Wb/m² atau T)

Waktu yang diperlukan untuk satu putaran lengkap adalah priode T adalah dengan , maka:

Frekuensi dari tegangan bolak-balik yang diberikan, tidak bergantung pada jari-jari r. Karena itu, frekuensi tidak harus diubah ketika ion-ion 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 akandiperoleh proton-proton jika proton-proton dipercepat melalui beda potensial yang cukup besar.

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.