BAB VIII DETEKTOR DAN AKSELERATOR Di muka banyak dibahas mengenai keberadaan dan sifat-sifat radiasi, baik radiasi gelombang elektromagnet maupun radiasi partikel partikel.. Untuk mengamati radiasi tersebut diperlukan sebuah detektor. Dalam bab ini dibahas berbagai macam jenis detektor. Untuk suatu keperluan eksperimen dalam bidang fisika partikel maupun dalam aplikasi fisika partikel, sebuah akselerator partikel merupakan perangkat utama yang harus tersedia. Dalam bab ini dibahas pula berbagai macam jenis akselerator tersebut.
8.1. Detektor Isian Gas Detektor isian gas bekerja dengan memanfaatkan ionisasi yang dihasilkan oleh radiasi jika melalui gas. Biasanya detektor semacam ini terdiri dari dua elektrode yang diberi beda potensial dalam suatu tempat berisi gas (Gambar. 8.1.). Jika suatu radiasi pengion mengenai gas, sebagian atau seluruh energinya akan dugunakan untuk mengionisasi atom-atom gas sehingga terbentuk pasangan-pasangan elektron-ion positip. Elektron-elektron dan ion-ion ini bergerak menuju elektrode dan memberikan sinyal arus listrik yang dapat diukur dalam bentuk arus ataupun tegangan listrik. Energi yang diperlukan untuk mengionisasi atom gas sekitar 30 eV. Jika 3 MeV partikel
dan memberikan seluruh energinya akan dihasilkan
3 x 10 6 30
10 5 pasangan elektron-ion.
Detektor tipe ini memiliki kapasitans sekitar 50 pF dan waktu untuk mengumpulkan muatan kirakira 1 μs . Dengan demikian radiasi dengan energi 3 MeV diharapkan memberikan tegangan dan arus berorde besar :
V
Q C
105 x 1,6 x 1019 50 x 1012
V 0,5 mV
Q 105 x 1,6 x 1019 8 I A 1,6 x 10 A 6 t 10 Unjuk kerja detektor sangat ditentukan oleh tegangan operasi yang dipasang antara ke dua elektrodenya. Pada tegangan operasi yang masih rendah, medan listrik yang dihasilkan masih lemah dan gerakan ion-ion relatif re latif lambat sehingga penggabungan kembali (rekombinasi) elektron dan ion positip menjadi atom netral banyak terjadi. Jika tegangan operasi terus dinaikkan, laju rekombinasi berkurang, sampai akhirnya tidak terjadi samasekali. Dengan demikian seluruh ion yang terbentuk dikumpulkan di elektrode. Daerah operasi ini disebut daerah rekombinasi. rekombinasi .
195
Gamabar 8.1. Skema detektor isian gas a)arus a) arus searah dihasilkan dalam untai b) tegangan merupakan keluaran detektor
Pada tegangan operasi yang lebih tinggi lagi, cacah ion yang terkumpulkan tidak mengalami perubahan karena seluruh ion yang dihasilkan oleh radiasi (ionisasi primer) sudah terkumpulkan ionisasi . Dengan semua dan belum terjadi ionisasi sekunder. Daerah operasi ini disebut daerah ionisasi. menaikkan tegangan operasi di atas daerah ionisasi ini, elektron-elektron hasil ionisasi primer mulai mampu mengionkan atom-atom gas isian (ionisasi sekunder). Di sini terjadi suatu pelipatan muatan ruang. Faktor pelipatan gas, yaitu cacah ionisasi total dibagi dengan cacah ionisasi primer, adalah tetap tidak bergantung kepada cacah ion primer sehingga jumlah ion akhir yang terbentuk berbanding lurus dengan cacah ion primer. Oleh sebab itu, di daerah tegangan operasi ini, tinggi pulsa keluaran detektor sebanding (proporsional) dengan energi radiasi pengionnya, sehingga pengukuran energi radiasi dapat dilakukan. Daerah operasi ini disebut daerah proporsional. proporsional . Tegangan operasi yang lebih tinggi lagi akan menghasilkan medan listrik yang sangat kuat sehingga sebuah pasangan elektron-ion dapat menghasilkan peristiwa avalanche yang diakhiri dengan keadaan jenuh detektor. Dalam hal ini tinggi pulsa keluaran detektor tidak bergantung pada cacah ionisasi primer dengan demikian juga tak bergantung pada energi radiasi (GM). Kenaikan pengion. Daerah tegangan operasi ini adalah daerah detektor Geiger Moller (GM).
196 tegangan di atas daerah GM akan menimbulkan lucutan muatan dan dapat mengakibatkan kerusakan detektor. Gambar. 8.2. melukiskan hubungan antara tegangan terpasang pada detektor dan cacah ion yang terkumpul per satuan waktu.
Gambar 8.2. Tegangan detektor vs cacah ion terkumpul per satuan waktu
8.1.1. Kamar Ionisasi Detektor jenis ini dapat berbentuk keping paralel, silinder atau bola. Dipilih bentuk keping paralel untuk dibahas karena kesederhanaannya.
Gambar 8.3. Skema untai elektronik detektor kamar ionisasi.
Andaikan kapasitans detektor adalah C dan dengan tahanan R membentuk untai RC , Andaikan pula bahwa sebuah pasangan elektron-ion terbentuk di titik xo dari elektroda + pengumpul. Jika muatan tersebut telah bergeser sejauh dx untuk ion positip dan dx untuk
elektron maka berdasarkan kekekalan energi berlaku
197
Q Q d Q V o (d Q d Q ) eE (dx dx ) d 2C C 2
dengan E
V o d
(8-1)
kuat medan listrik
Q : muatan dalam keping paralel d Q , d Q : perubahan muatan positip dan negatip
Jika diandaikan bahwa perubahan muatan d Q sangat kecil, maka tegangan
V o
tidak berubah
besarnya. Tegangan keluaran V(t) adalah V (t )
1
t
1
t
d Q (t ) (d Q C C 0
d Q )
(8-2)
0
yang dengan persamaan (8-1) menjadi V (t )
1
e
E [dx C V
(t ) dx (t )]
(8-3)
o
V (t )
e
t
(w Cd
w ) dt
0
e Cd
( w t w t )
(8-4)
dengan w dan w berturut-turut adalah laju pergeseran elektron dan laju pergeseran ion positip. Persamaan (8-4) berupa persamaan linear dalam t . Dalam kenyataannya ionisasi tidak hanya terjadi di titik x 0 , tetapi disepanjang jejak yang dilewati oleh radiasi pengion sehingga tegangan ( )
keluaran merupakan superposisi pulsa dengan berbagai nilai t T
yaitu waktu yang
diperlukan untuk mengumpulkan elektron hasil ionisasi. Jika keluaran tersebut kemudian dimasukkan ke untai R0 C 0 (Gambar 8.4) maka keluarannya berbentuk :
V o (t ) k
C 0 R0 ( 1)
T
1 e
t / R0C 0
untuk 0 t T
(-)
(8-5)
198 a)
b) Gambar 8.4. a) Untai R0 C 0 b) Bentuk keluarannya
dengan k
Cd
( w w)
dan V o (t )
k C 0 R0 ( 1)
T
e
t / R0C 0
1 e t / R C untuk t T (-) 0
0
(8-6)
8.1.2. Detektor Proporsional Detektor proporsional biasanya berbentuk silinder dengan dinding dan sumbu silinder sebagai elektrode-elektrodenya, seperti ditunjukkan dalam Gambar 8.5.
Gambar 8.5. Detektor proporsional bentuk silinder.
Kuat medan listrik di dalam detektor dinyatakan oleh
E (r )
V o
1
ln(b / a) r
(8-7)
dengan b : jejari silinder luar dan a : Jejari elektroda poros silinder Muatan total yang dihasilkan di dalam detektor adalah Q M
dengan :
E w
e
(8-8)
E : energi radiasi yang dilepaskan di dalam detektor w
: energi yang diperlukan untuk menghasilkan pasangan elektron-ion
M : faktor perlipatan gas
199 Andaikan N pasangan elektron-ion terbentuk sebagai akibat ionisasi oleh radiasi yang mengenai detektor. Elektron-elektron bergerak dengan cepat menuju anode (sumbu detektor). Di tempat dekat sumbu tersebut elektron merasakan medan listrik yang kuat sehingga mampu menghasilkan ionisasi sekunder. Karena ionisasi sekunder ini terjadi dekat dengan anode yang relatif menempati ruangan yang sangat kecil, maka tinggi pulsa keluaran tidak dipengaruhi oleh letak terjadinya ionisasi primer, selain itu pulsa keluaran detektor terutama disumbang oleh gerak ion-ion positip menuju katode. Tegangan keluaran sebagai fungsi waktu diberikan oleh
b 2 t V (t ) ln1 2C ln (b / a) a 2 t ion Q
(8-9)
dengan Q seperti pada persamaan (8-8) dan C adalah kapasitas detektor, t ion adalah waktu yang diperlukan ion untuk mencapai katode yang dinyatakan oleh
t ion
p ln (b / a)
2 V o ion
(b 2 r 2 )
dengan p adalah tekanan gas, ion adalah mobilitas ion dan r adalah titik tempat ionisasi terjadi.
8.1.3. Detektor Geiger Muller Bentuk dan cara kerja detektor Geiger Muller serupa dengan detektor proporsional dengan faktor pelipatan gas M yang sangat besar sehingga mencapai keadaan jenuh. Karena cacah ionisasi total yang sangat besar dan gerakan ion positip yang sangat lambat dibanding dengan gerakan elektron maka ion-ion positip akhirnya berlaku sebagai tameng dan menghalangi terjadinya ionisasi lebih lanjut. Namun sesampainya di dekat katode, ion-ion positip tersebut menarik elektron-elektron katode, pada saat itu pula medan listrik di dalam detektor telah pulih kembali. Dalam proses netralisasi ion-ion positip dengan elektron-elektron katode sering dilepaskan adanya kelebihan energi yang dapat menimbulkan ionisasi baru. Elektron yang baru dilepaskan ini dapat menyebabkan terjadinya avalanche yang lain yang tidak dikehendaki karena itu hal tersebut harus dihentikan agar detektor GM siap mendeteksi radiasi berikutnya. Ada dua cara untuk menghentikan ionisasi dan pelipatannya yang tidak dikehendaki tersebut yaitu dengan untai elektronik yang akan menurunkan tegangan operasi detektor saat ionion positip mencapai katode. Dengan demikian elektron-elektron baru yang dilepaskan tidak mempunyai cukup energi untuk melakukan ionisasi berikutnya. Cara lain yaitu dengan mencampur gas isian utama dengan gas halogen atau gas organik beratom banyak. Energi yang
200 dibebaskan dalam proses netralisasi atom gas utama akan digunakan untuk disosiasi molekul gas campuran tersebut. Kerugian cara kedua ini adalah terbatasnya umur detektor karena berkurangnya atom atau molekul gas campuran akibat disosiasi yang terjadi.
8.2. Detektor Kelipan (sintilasi) Sintilator adalah bahan yang dapat menghasilkan kelipan cahaya jika radiasi pengion mengenainya. Bahan sintilator ZnS pertama kali digunakan oleh Rutherford di tahun 1910 dalam eksperimen hamburan partikel . Cahaya kelipan yang dihasilkan oleh sintilator diamati dengan mikroskop, suatu cara yang tidak efisien dan tidak teliti. Oleh karena itu detektor sintilasi dilupakan orang selama sekitar 30 tahun sesudah itu dan diingat kembali setelah adanya kemajuan pesat di bidang elektronika yang memungkinkan orang untuk mengubah cahaya kelipan tersebut menjadi sinyal listrik. Cahaya kelipan diubah menjadi sinyal listrik dengan menggunakan tabung pengganda foton ( photomultiffler tube/PMT ) yang berupa tabung kaca hampa yang dilengkapi dengan fotokatode di bagian masukan dan beberapa dinode di dalamnya. Foton atau cahaya kelipan mengenai fotokatode dan membebaskan elektron-elektron melalui efek fotolistrik. Elektronelektron yang dibebaskan oleh fotokatode ini dipercepat menuju dinode pertama karena adanya beda potensial yang dipasang. Dinode yang tertabrak elektron ini melepaskan elektron-elektron sekunder yang selanjutnya dipercepat ke dinode ke dua dan seterusnya, elektron-elektron diperbanyak setiap kali mengenai dinode. Akhirnya seluruh elektron yang telah dihasilkan dikumpulkan di anode dan memberikan pulsa listrik.
Gambar 8.6. Diagram detektor sintilasi dan PMT
Bermacam Sintilator yang biasa digunakan dikelompokkan menjadi tiga yaitu : sintilator anorganik, sintilator organik dan sintilator gas.
201 8.2.1. Sintilator Anorganik (kristal) Sintilator anorganik yang biasa digunakan adalah NaI(Tl), CsI(Tl), ZnS (Ag), CaI (Na), LiI (Eu). Elemen dalam kurung merupakan atom pengotor kristal namun bertanggungjawab atas terjadinya kelipan. Proses terjadinya kelipan dapat difahami sebagai berikut: Aras-aras energi suatu kristal dilukiskan seperti dalam Gambar 8.7. Aras dasar kristal, yang biasanya terisi penuh, disebut pita valensi. Pita energi di atasnya disebut pita konduksi. Elektron dapat berpindah dari pita valensi ke pita konduksi karena menyerap energi foton yang mengenainya dengan meninggalkan lowong positip di pita valensi. Seringkali energi yang diberikan kepada elektron valensi tidak cukup untuk menaikkannya ke pita konduksi sehingga elektron secara elektrostatik tetap terikat dengan lowong positip yang ditinggalkan membentuk pasangan yang disebut eksiton. Eksiton ini menempati pita energi yang tipis di bawah pita konduksi. Aras-aras energi dapat diciptakan diantara pita valensi dan pita konduksi dengan memasukkan atom pengotor dalam kristal sebagai aktivator. Atom aktivator dapat tereksitasi dengan menyerap energi foton, eksiton atau elektron. Deeksitasi atom aktivator yang berlangsung -8
dalam waktu 10 s diikuti pancaran foton dengan panjang gelombang di daerah kasat mata.
Gambar 8.7. Pita energi dalam kristal sintilator.
Hasil-hasil eksperimen menunjukkan bahwa pancaran cahaya kelipan mengikuti rumus N (t ) N 0 e
t / T
(8-11)
dengan N(t) adalah cacah foton yang diemisikan pada saat t dan T adalah waktu rerata peluruhan sintilator. Arus yang dihasilkan oleh PMT juga mempunyai bentuk seperti persamaan (8-11) dan jika dimasukkan ke dalam untai RC menghasilkan tegangan
202
t / RC V (t ) V e e t / T
(8-12)
Dengan memilih nilai RC yang jauh lebih besar dari pada T berlaku
V (t ) V 1 e t / T
(8-13)
Sifat-sifat penting beberapa sintilator anorganik dapat disebutkan sebagai berikut. NaI(Tl) adalah sintilator yang biasa digunakan untuk mendeteksi sinar gamma. Dapat diproduksi dalam ukuran cukup besar (diameter 0,75 m dan tebal 0,25 m). Karena rapat massanya yang besar, nomor atom tinggi serta ukuran yang besar maka NaI(Tl) sangat efisien untuk mendeteksi radiasi gamma. Disamping kelebihan-kelebihan yang dimilikinya, NaI(Tl) mempunyai kelemahan antara lain, mudah remuk, higroskopis dan peka terhadap perubahan suhu. CsI(Tl) memiliki rapat massa dan nomor atom yang lebih tinggi dari pada NaI(Tl) sehingga memiliki efisiensi deteksi gamma yang lebih besar tetapi mimiliki efisiensi konversi cahaya yang lebih rendah (45% nya), dengan aktivator Na efisiensi konversi cahaya dapat mencapai 85% dari NaI(Tl). CsI tidak higroskopis, lebih lunak dan plastis serta tidak peka terhadap perubahan suhu. CaF2(Eu) terdiri dari bahan bernomor atom rendah sehingga tidak efisien untuk deteksi gamma namun sangat efisien untuk deteksi partikel dan sinar-X. Serupa dengan bahan pyrex sehingga mudah dibuat dalam segala bentuk. Karena tak mudah larut dan berubah sifat maka cukup baik untuk pengukuran radioisotop berupa cairan. Efisiensi konversi cahayanya mencapai 50% dari NaI(Tl). LiI(Eu) merupakan detektor netron termal melalui reaksi
6 3
Li(n, )31 H . Proses kelipan
tidak dilakukan langsung oleh neutron melainkan oleh sebagai hasil reaksi neutron dengan Li. Efisiensi konversi cahayanya sekitar
1 3
dari NaI(Tl).
8.2.2. Sintilator Organik Toluene dan anthracene merupakan bahan sintilator yang efisien. Proses kelipan cahaya merupakan proses transisi molekul bahan sintilator. Gambar 8.8. menunjukkan aras energi molekul sebagai fungsi jarak antar atom. Keadaan dasar molekul tercapai jika berada di titik A o dengan energi potensial minimum. Interaksi dengan radiasi pengion menyebabkan molekul melakukan transisi ke aras tereksitasi
A1 .
Posisi
A1
bukan merupakan keadaan dengan energi potensial minimum di aras
203 tersebut. Molekul akan melepas energinya melalui vibrasi kisi untuk mencapai keadaan Akhirnya molekul melakukan transisi ke bawah ( pancaran foton cahaya berenergi ( E B1 E Bo )
Bo
B1 .
) dengan melepas energinya dalam bentuk
yang lebih kecil dari energi eksitasinya
( E A1 E Ao ) . Perbedaan yang paling pokok dengan sintilator anorganik adalah waktu tanggapnya yang jauh lebih kecil yaitu kurang dari 10 ns (1 s untuk sintilator anorganik).
Gambar 8.8. Diagram aras energi molekul.
Sintilator organik dapat berupa kristal seperti misalnya anthracene dan trans-stilcene. Sintilator organik cair seperti toluene dan hexamethylbenzene sangat berguna jika suatu detektor dengan ukuran sangat besar diperlukan dalam usaha menaikkan efisiensi deteksi. Khususnya dalam pengukuran aktivitas sangat rendah ( 3H dan
14
C), pengukuran sinar kosmis dan sebagainya.
Dalam hal tertentu sampel yang diukur dicampur dalam sintilator cair tersebut sehingga diperoleh geometri deteksi 4 dan menaikkan efisiensi deteksinya. Boron, cadmium atau gadolunium sering ditambahkan dalam sintilator untuk pengukuran neutron. Sintilator plastik merupakan sintilator organik yang memiliki sifat mirip sintilator cair dengan kelebihan tanpa memerlukan wadah, dapat dibuat dalam bentuk dan ukuran bebas. Namanama komersial (dagang) yang biasa digunakan adalah Pilot B, Pilot Y, NE102 dan NE110.
8.2.3. Sintilator Gas Sintilator gas merupakan campuran gas adi (mulia). Cahaya kelipan yang dihasilkan merupakan akibat transisi atom. Karena cahaya yang dipancarkan oleh gas-gas adi berada di daerah ultraungu maka gas lain, seperti nitrogen, perlu ditambahkan sebagai penggeser panjang gelombang. Sifat-sifat yang dimiliki oleh sintilator gas antara lain adalah waktu peluruhan yang
204 sangat pendek, efisiensi deteksi gamma sangat rendah dan cahaya kelipan yang dihasilkan tiap satuan energi radiasi pengion hampir tidak bergantung pada muatan dan massa partikel pengion tersebut.
8.3. Detektor Semikonduktor Detektor semikonduktor merupakan perangkat material zat padat yang digunakan sebagai detektor radiasi pengion dengan prinsip kerja serupa dengan detektor isian gas. Di dalam detektor semikonduktor ini sebagai pembawa muatan listrik bukan elektron dan ion melainkan elektron dan lowong positip. Bahan yang berhasil dimanfaatkan sampai saat ini adalah Si, Ge, Cd Te dan HgI2. Sifat yang sangat penting dan merupakan kelebihan yang tidak dimiliki detektor jenis lain adalah resolusi energinya sangat tinggi. Sifat-sifat lain yang menguntungkan adalah linearitas yang tinggi antara tinggi pulsa keluaran dengan energi radiasi untuk jangkau energi yang cukup lebar, efisiensi yang relatif tinggi untuk ukuran yang kecil, dapat dioperasikan dalam vakum dan tidak dipengaruhi oleh medan magnet.
8.3.1. Detektor sambungan p-n Penggunaan sambungan p-n sebagai detektor nuklir telah dibahas dalam Bab VI. Sambungan p-n ini dapat dibuat dengan cara mengoksidasikan bahan semi konduktor tipe- n pada satu sisi permukaannya sehingga dibentuk lapisan tipis tipe- p. Detektor jenis ini biasa disebut detektor sawar-muka ( surface barrier detector ). Cara lain untuk membuat sambungan p-n adalah dengan difusi. Bahan semikonduktor (biasanya tipe- p) diberi bahan fosfor di bagian muka kemudian dipanaskan sampai mencapai suhu 800 – 1000 C dalam waktu kurang dari satu jam. Bahan fosfor tersebut akan mendifusi ke dalam bahan semikonduktor dan berlaku sebagai donor dan terbentuklah lapisan tipe-n dibagian muka. Detektor ini dinamakan detektor sambungan p-n terdifusi. Karena ukurannya yang sangat tipis, maka detektor jenis ini hanya efisien untuk mendeteksi radiasi partikel bermuatan.
8.3.2. Detektor Si(Li) dan Ge(Li) Bagian sensitif yang dapat terbentuk lewat difusi ataupun oksidasi sangat terbatas yaitu hanya sampai setebal 2000 m. Keterbatasan ini tentunya juga membatasi energi partikel yang dapat dideteksi.
205 Difusi ion Li ke dalam bahan Si atau Ge dan dilanjutkan dengan penyusupan Li melalui berbagai metode (antara lain metode elektrostatik) dapat dicapai ketebalan sampai 5 mm untuk Si dan 12 mm untuk Ge. Untuk menjaga keadaan yang telah dicapai, detektor Si(Li) dan Ge(Li) harus selalu disimpan dan dioperasikan pada suhu rendah (biasanya digunakan nitrogen cair dalam cryostat ), karena pada suhu tinggi, mobilitas atom Li juga tinggi dan dapat merusak struktur yang telah dicapai.
8.3.3. Detektor Semikonduktor Kemurnian Tinggi Pembuatan bahan Ge dengan kemurnian tinggi ( high purity Germanium atau HPGe) telah dapat dilakukan dengan konsentrasi pengatur sebesar 10 16 atom/m3. Detektor dengan ketebalan 20 mm dan diameter 60 mm telah dapat dibuat. Penyimpanan tidak perlu dilakukan pada suhu rendah. untuk meniadakan pembentukan elektron-lowong karena efek termal, detektor tetap harus dioperasikan pada suhu rendah.
8.3.4. Dtektor CdTe dan HgI 2 Pengoperasian detektor Ge(Li), Si(Li) dan HPGe pada suhu rendah menyebabkan ukuran seluruh sistem menjadi sangat besar karena memerlukan cryostat . Disamping itu pemakaian nitrogen cair membuat beaya perawatan dan operasinya sangat mahal. Untuk tujuan-tujuan khusus diperlukan detektor berukuran kecil, misalnya pada alat medical imaging, penelitian ruang angkasa dan sebagainya. Detektor CdTe dan HgI2 telah dapat dibuat (pada tahun 1978) dengan ketebalan sampai 0,7 mm dan luas permukaan sampai 100 mm2. Dengan ukuran yang kecil tersebut efisiensinya cukup besar karena memiliki nomor atom bahan yang besar. Energi yang diperlukan untuk membentuk pasangan elektron-lowong lebih besar dibandingkan dengan Ge atau Si, akibatnya resolusi energinya lebih kecil.
8.4. Detektor Jejak Detektor radiasi nuklir yang telah dibahas di muka pada dasarnya merupakan transduser listrik yaitu alat pengubah besaran fisis (intensitas dan energi radiasi) menjadi sinyal-sinyal listrik. Pada awal perkembangan fisika nuklir, detektor jejak mempunyai peranan yang sangat besar. Untuk pengukuran-pengukuran partikel energi tinggi, detektor jejak masih merupakan pilihan utama.
206
8.4.1. Kamar Kabut Wilson menciptakan detektor kamar kabut di awal abad 20 ini. Skema detektor tersebut dilukiskan dalam Gambar 8.9.
Gambar 8.9. Skema kamar kabut Wilson.
Terdiri dari silinder A yang berisi udara atau nitrogen dan uap air jenuh. Piston B dapat digerakkan ke bawah secara cepat. Jika secara mendadak piston B ditarik, maka gas dalam tabung mengembang secara cepat (adiabatis) sehingga terjadi penurunan suhu dan uap air dalam tabung menjadi kelewat jenuh. Radiasi pengion yang menembus kamar kabut mengionisasi gas di dalamnya sepanjang lintasan yang dilaluinya. Ion-ion ini berlaku sebagai inti pengembunan, sehingga akan terlihat bintik-bintik air sepanjang jejaknya. Tebal jejak serta panjang jejak sangat bergantung pada energi radiasi pengion. Dengan memasang medan magnet tegak lurus pada arah kecepatan partikel dapat pula ditentukan jenis partikel pengion yang diselidiki. Kamar kabut suhu tinggi juga telah dikembangkan dan dipergunakan secara luas.
8.4.2. Kamar Gelembung Karena kerapatan gas yang relatif rendah maka panjang jejak yang dapat diamati dengan kamar kabut Wilson sangat dibatasi oleh ukuran detektor yang relatif kecil. Pada detektor kamar gelembung, medium gas diganti dengan cairan. Cairan dalam tabung ditekan dan dipanaskan sampai suhu tepat di bawah titik didihnya. Jika secara mendadak kemudian tekanan dikurangi, maka cairan berada dalam keadaan kelewat mendidih ( super heated ) tetapi tidak mendidih. Radiasi pengion yang melewati cairan menghasilkan ion-ion yang dapat berlaku sebagai pusat
207 gelembung sebagai akibat keadaan mendidih. Dengan demikian akan terbentuk gelembunggelembung sepanjang jejak radiasi yang mengenainya. Hidrogen cair (27 K) biasa digunakan untuk keperluan detektor ini, dapat juga digunakan propane dan freon untuk dioperasikan pada suhu kamar.
8.4.3. Detektor Film Detektor jenis ini digunakan di banyak bidang, terutama bidang yang banyak berhubungan dengan radiografi sinar-X dan sinar gamma, kristalografi, dosimetri, bahkan neutron radiografi. Detektor film terdiri dari lapisan emulsi tebal antara 10 m sampai 25 m, dilapiskan di atas lembaran plastik transparan sebagai alas. Elemen aktif dalam film berupa butiran kristal perak bromida. Butiran kristal tersebut berukuran diameter 0,3 m untuk film kurang sensitif sampai diameter 2 m untuk film yang sensitif. Detektor film sensitif terhadap cahaya kasat mata, sinar-X, sinar gamma, beta dan partikel bermuatan lainnya, tetapi tidak sensitif terhadap neutron. Untuk keperluan deteksi neutron, boron dicampurkan dalam emulsi atau menggunakan konverter neutron berupa lembaran tipis bahan penyerap neutron yang karena interaksinya dengan neutron menghasilkan radiasi sekunder yang dapat menghitamkan film.
8.5. Detektor Cerenkov Suatu gejala pertama kali diamati oleh Cerenkov pada tahun 1934 merupakan alternatif lain dalam pengukuran partikel energi tinggi. Ia mengamati bahwa partikel yang melewati medium dielektrik transparan menghasilkan radiasi optis jika laju partikel tersebut lebih besar 8
dari laju cahaya dalam medium (laju cahaya dalam kaca kira-kira 2 x 10 m/s). Radiasi cahaya tampak ini kemudian dideteksi dengan PMT seperti pada sintilator. Teori menunjukkan bahwa cahaya terhambur dari arah datangnya partikel radiasi memenuhi
cos dengan
c0
c0 nv
(8-13)
adalah laju cahaya dalam ruang hampa, v adalah laju partikel dalam medium dan
n adalah indeks bias medium.
208 Penjelasan radiasi Cerenkov dapat dilukiskan dalam Gambar 8.10. Partikel memasuki medium dan diperlambat dalam lintasan dengan memancarkan radiasi gelombang elektromagnet ke segala arah. Jika BC merupakan muka gelombang maka berlaku bahwa
AB u1t dan AC vt dengan diperoleh hubungan cos
AB AC
u1
u1
v
t AB t AC t .
adalah laju cahaya dalam medium. Dengan demikian
c0 nv
dengan v cu .
Gambar 8.10. Radiasi Cerenkov
8.6. Akselerator Pada eksperimen-eksperimen fisika inti sering diperlukan partikel penembak berenergi tinggi. Partikel penembak yang pertama kali digunakan adalah partikel yang dipancarkan oleh suatu sumber radioaktif dan tentu saja energi tertinggi hanya dapat mencapai beberapa MeV. Hal ini akan membatasi juga informasi yang dapat diperoleh dalam eksperimen. Akselerator adalah mesin pemercepat partikel sehingga diperoleh energi yang cukup tinggi sesuai dengan keperluan-keperluan eksperimen fisika inti bahkan sekarang banyak digunakan juga dalam penelitian di bidang fisika material.
8.6.1. Akselerator Cockroft-Walton Ciri pokok akselerator Cockroft-Walton adalah pada penyedia sumber tegangan tingginya. Sumber tegangan bolak-balik (AC) dimasukkan ke untai pengarah bertingkat (Gambar
209 8.11.) Andaikan dalam setengah periode pertama titik T negatip dan O positip sehingga kapasitor C1 termuati lewat diode D 1 sampai potensial P sama dengan amplitudo tegangan masukan V o. Dalam setengah periode ke dua terjadi sebaliknya yaitu titik T menjadi positip dan O negatip. Dalam keadaan ini kapasitor C 2 termuati lewat diode D 2. Selama periode berikutnya dimuati lagi sampai penuh dan dipompakan ke kapasitor C 2 sampai mencapai potensial maksimum yaitu 2 V o. Begitulah proses yang sama terjadi untuk kapasitor-kapasitor di atasnya. Tegangan tinggi yang diperoleh, secara teori tidak terbatas namun dalam praktek dibatasi oleh kemampuan diode dan kapasitor dalam menahan tegangan tinggi (ada arus bocor).
Gambar 8.11. Diagram akselerator Cockroft-Walton.
Akselerator jenis ini pertama kali dapat mempercepat partikel bermuatan sampai 0,7 MeV di tahun 1932 dan sekarang telah dicapai energi sampai 500 GeV.
8.6.2. Akselerator Van de Graaff Perbedaan pokok dengan akselerator Cockroft-Walton pada dasarnya di penyedia tegangan tinggi. Pada jenis ini, penyedia tegangan tinggi masih diperoleh secara elektrostatik.
210 Suatu sabuk A terbuat dari bahan isolator (Gambar 8.12.) diberi muatan listrik melalui sisir C yang dihubungkan ke suatu sumber tegangan. Sabuk tersebut membawa muatan listrik asal (akibat gesekan dan sebagainya) ke atas dan memindahkannya ke bola konduktor melalui sisir E. proses ini dilakukan terus menerus sehingga terjadi penimbunan muatan yang sangat besar di permukaan bola dan dengan sendirinya memberikan potensial yang tinggi terhadap tanah. Akselerator Van de Graaff dapat dipakai untuk mempercepat partikel bermuatan positip maupun negatip dengan memilih jenis muatan yang ditimbun melalui pemilihan tegangan pemuat yang sesuai
Gambar 8.12. Diagram Akselerator Van de Graaff.
Dengan akselerator Van de Graaff, sampai saat ini telah dapat dipercepat partikel sampai energi lebih dari 12 MeV. Telah banyak digunakan juga akselerator tandem yaitu mesin pemercepat yang memanfaatkan tegangan tinggi positip yang sama dua kali, pertama untuk mempercepat partikel bermuatan negatip dan selanjutnya ion negatip yang telah dipercepat tersebut dilewatkan pada bahan penanggal elektron ( electron stripper ) sehingga muatan partikel berubah menjadi positip dan dipercepat lagi melalui beda potensial yang sama dengan arah kuat medan berlawanan (Gambar 8.13.)
211
Gambar 8.13. Skema akselerator tandem
8.6.3. Akselerator Linear Di dalam akselerator Cokroft-Walton dan Van de Graff, partikel bermuatan dipercepat melalui beda potensial listrik sangat tinggi yang diperoleh secara elektrostatik. Akselerator linear mempercepat partikel secara bertahap melalui beda potensial yang relatif rendah di antara beberapa tabung deretan pemercepat. Gambar 8.14. merupakan skema akselerator linear. Suatu deretan tabung pemercepat dihubungkan secara bergantian ke sumber tegangan periodik frekuensi tinggi (radial). Ketika tabung 1, 3, 5 dan seterusnya negatip, tabung 2, 4, 6 dan seterusnya positip dihasilkan di S melalui tabung C1 menuju celah antara C 1 dan C2. Pada saat ion positip ini memasuki celah, potensial C2 adalah negatip terhadap C 1 dan C3, sehingga ion dipercepat menuju tabung C 2. Selama melewati C2 ion mempunyai kecepatan yang tetap. Panjang tabung C 2 dipilih sedemikian hingga ketika ion memasuki celah antara C 2 dan C3, potensial C2 tepat berubah menjadi positip terhadap C3, sehingga ion positip ini dipercepat melalui celah kedua. Proses yang sama terjadi setiap melalui tabung dari celah berikutnya. Waktu yang diperlukan untuk menempuh tiap tabung harus sama dengan setengah periode sumber tegangan pemercepat. Panjang tabung pemercepat ke n harus memenuhi hubungan
Ln v n T / 2
(8-13)
Setiap kali melewati celah, energi partikel bertambah sebesar qV o , dengan q adalah muatan partikel dan V o adalah besar tegangan pemercepat. Setelah melewati n buah celah, energi kinetik partikel (tak-relativistik) adalah
1 2
mv n nqV o 2
212 1
2nqV o 2 m
v n
Masukkan ke persamaan (8-13) diperoleh 1
Ln
nqV o 2 T m 2
(8-15)
Jadi tabung pemercepat berangsur-angsur semakin ke arah keluaran semakin panjang. Dipusat akselerator linear Stanford Amerika, elektron dipercepat sampai energi 22 GeV melalui akselerator sepanjang mendekati 3 km.
8.6.4. Siklotron Akselerator linear yang sangat panjang diperlukan agar diperoleh energi akhir partikel yang tinggi. E.O. Lawrence pada tahun 1930 mengembangkan suatu jenis akselerator untuk mempercepat partikel bermuatan melalui lintasan berbentuk spiral. Akselerator jenis ini dikenal dengan nama siklotron.
Gambar 8.15. menunjukkan diagram “D” yang berongga. Ion yang dilepaskan oleh S dipercepat oleh beda potensial periodik yang dipasang antara kedua D. Suatu medan magnet homogen yang dipasang tegak lurus pada permukaan D akan membelokkan arah lintasan ion sehingga berbentuk lingkaran. Jejari lintasan ion bermuatan q, yang bergerak dengan kecepatan v tegak lurus medan magnet B adalah
r
mv
(8-16)
qB
Semakin besar kecepatan ion, semakin besar pula jejari lintasannya. Setiap kali memasuki celah antara kedua D, polaritas beda potensial disesuaikan sedemikian sehingga ion mengalami percepatan. Oleh karena itu waktu yang diperlukan ion melintasi setiap D harus sesuai dengan setengah periode tegangan pemercepat T . Jadi berlaku bahwa
T
2
T
2 r / 2 v
2 r v
2 m qB
(8-17)
213 Atau frekuensi siklotron adalah :
f
1 T
qB
(8-18)
2 m
Energi maksimum yang dapat dicapai dibatasi oleh ukuran D yang digunakan. Jika jejari D adalah R maka dari persamaan (8-16) Laju partikel maksimum adalah v maks
qBR m
sehingga energi partikel maksimum adalah
E maksimum
1 2
mv 2
2
2
q B R
2
2m
2 E maksimum pmaks c 2 m2 c 4
(non-relativistik) (relativistik)
(8-19a) 8-19b)
dengan pmaksimum qBR Disamping dibatasi oleh ukuran R, energi partikel tidak dapat mencapai energi relativistik. Karena jika besar kecepatan
v
sudah tidak dapat diabaikan lagi terhadap laju cahaya
c, maka tak lagi 1 sehingga menurut (8-17) terlihat bahwa T menjadi tidak sama dengan
periode tegangan pemercepat T ( v c )
2 m qB
(tidak sefase lagi).
Gambar 8.14. Skema akselerator linear.
214
Gambar 8.15. Diagram Siklotron.
8.6.5. Sinkrosiklotron Kesulitan yang ditemui pada siklotron dapat diatasi dengan mengatur priode T atau frekuensi siklotron f sesuai dengan kenaikan m yang disebabkan oleh semakin besarnya
.
v
Persamaan (8-17) secara relativistik menjadi
T
2 m qB 1 (v / c ) 2
2
(8-20)
Dengan perkataan lain, frekuensi siklotron harus disinkronkan dengan pertambahan kecepatan atau energi partikel. Oleh karena itu mesin pemercepat ini disebut sinkrosiklotron. Dengan teknik ini, partikel telah berhasil dipercepat sampai energi 380 MeV dan proton sampai energi 720 MeV.
8.6.6. Betatron. Akselerator Cockroft-Walton, Van de Graff dan akselerator linear dapat digunakan untuk mempercepat elektron; siklotron tidak dapat dipakai untuk elektron karena massa elektron yang sangat kecil memerlukan kecepatan sangat tinggi untuk mendapatkan energi yang besar. Untuk memperoleh energi sebesar 1 MeV, elektron harus bergerak dengan laju 0, 96 C. Betatron dirancang khusus untuk mempercepat elektron. Elektron-elektron dikungkung dalam wadah berupa tabung berbentuk lingkaran menyerupai kue doughnut (baca : donat) diletakkan di antara kutub-kutub elektromagnet B berbentuk khusus (Gambar. 8.16.)
215
Gambar 8.16. Diagram irisan betatron.
Medan magnet dihasilkan dengan mengalirkan arus bolak-balik melalui kumparan W. Selama arus listrik, juga medan magnet yang dihasilkannya, naik menuju maksimum, suatu tegangan listrik diinduksikan di dalam donat dan mempercepat elektron dalam lintasan lingkaran. Arus listrik dan medan magnet dihentikan saat mencapai maksimum. Jika panjang keliling donat ~ 3 m, laju elektron mencapai nilai mendekati 0,98 c dengan frekuensi edarnya menelusuri donat sebesar
0,98 x 3 x 108 3
98 MHz . Untuk frekuensi
arus/medan magnet 50 Hz, seperempat periodenya (dari nol mencapai nilai maksimumnya) 1
adalah
4
98 x 10 6 200
x
1 50
1 200
s.
Selama
waktu
itu
elektron
telah
mengedar
donat
sebanyak
4,9 x 10 5 kali. Jika rata-rata tiap edaran elektron memperoleh tambahan energi sebesar
200 eV maka energi akhir yang diperoleh elektron hampir mendekati 100 MeV.
8.6.7. Sinkrotron. Energi partikel yang dapat diperoleh dengan siklotron bergantung pada jejari siklotron tersebut. Kesulitan yang timbul adalah dalam memperoleh medan magnet homogen dalam daerah yang luas. Sinkrotron mempercepat partikel dengan mempertahankan jejari lintasan yang tetap, sehingga medan magnet yang diperlukan hanya di sepanjang lintasannya. Untuk menjaga lintasan yang tetap, maka menurut persamaan (8-20) besar medan magnet harus disesuaikan dengan kenaikan energi atau kecepatan elektron. Demikian juga frekuensi sinkroton harus berubah mengikuti perubahan medan magnet. Untuk keadaan relativistik, persamaan (8-20) dapat diubah menjadi bentuk
216
f
q B c
2
2 E qBc
2
2 ( pc) 2 E o2
(8-21)
Dengan menggunakan persamaan (8-20) untuk p = q B r , persamaan di atas menjadi f
q B c 2
2 (qBrc) 2 E o2
(8-22)
dengan E o adalah energi rehat partikel. Sinkrotron di Fermi Lab. (Tevatron), Amerika mempunyai diameter lebih dari 2 km dan dapat mempercepat proton sampai energi sekitar 100 GeV sampai 1 TeV.
Gambar 8.17. Diagram Sinkrotron.
SOAL-SOAL 1. Hitung jejari sinkrotron yang dapat mempercepat proton sampai energi 500 GeV dalam medan magnet 2 T. (jawab ~ 1 km) 2. Sebuah siklotron dirancang untuk mempercepat proton, deuteron dan energi rendah. Frekuensi siklotron tetap, tidak dapat divariasi, sedang medan magnetnya dapat diatur. Siklotron tersebut pertama-tama diatur untuk untuk mempercepat partikel sampai energi 4,0 MeV. a) Tunjukkan bahwa dengan frekuensi dan medan magnet yang tidak berubah, siklotron dapat mempercepat deuteron sampai energi 2,0 MeV.
217 b) Dengan faktor beberapa medan magnet harus dikurangi untuk mempercepat proton ? (jawab : ½). c) Hitung energi proton maksimum yang dihasilkan ! (jawab : 2 MeV). 3. Suatu betatron mempunyai medan magnet maksimum 0,4 T, beroperasi pada frekuensi 50 Hz dengan diameter orbit 1,5 m. Hitung energi yang diperoleh tiap edaran elektron dan hitung juga energi akhirnya ! (jawab : 294 eV dan 91 MeV). 4. Untuk siklotron jejari 12,5 cm dan medan magnet 1,3 T, hitung energi proton maksimum dan frekuensi siklotron yang sesuai. 5. Suatu akselerator linear mempercepat elektron mencapai energi 30 GeV. hitung kecepatan elektron pada energi tersebut. Berapa energi proton yang bergerak dengan kecepatan itu.
