BETATRON
MAKALAH
Diajukan untuk memenuhi tugas kelompok Mata kuliah Fisika Radiasi Dosen : D! Eng! Eko Hida"anto# M! $i
Disusun Oleh : %! T"as Nisa Nisa F! '! $upi"ati -! .uliani
N&M N&M : '()( '()()% )%% %*(') *('))) ))+ + N&M : '()()%%*('))), N&M : '()()%%*(')))/
MA0&$TER &LM1 F&$&KA 1N&2ER$&TA$ D&3ONE0ORO
&!
3ENDAH1L1AN
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 fisikaan !nggris, ".D. #ockroft dan $.%.& 'alton, di aboratorium #aendish, Uniersitas #ambrige pada *++. Atas jasanya itu, mereka dianugrahi hadiah obel bidang fisika pada tahun *+*. /ada mulanya, akselerator partikel dipakai untuk penelitian fisika energi tinggi dengan cara menabrakan partikel berkecepatan sangat tinggi ke target tertentu. amun, ada beberapa jenis akselerator partikel yang dirancang untuk memproduksi radiasi berenergi tinggi untuk keperluan radioterapi. %abung sinar-0 merupakan contoh paling sederhana tentang jenis akselerator partikel tunggal. Untuk mendapatkan sinar-0 dengan energi yang sangat tinggi, para ilmuan telah membangun mesin pembangkit sinar-0 yang sangat kuat. &alah satu diantaranya adalah mesin pembangkit yang diberi nama 4etaton . &&! &$& &&!% DEF&N&$& 1etatron adalah akselerator dimana gerakan partikelnya melingkar, digunakan
untuk mempercepat elektron sehingga kecepatannya sangat tinggi. $fek gabungan dari medan magnet dan medan listrik induksi menyebabkan percepatan elektron untuk melalui loop melingkar ini. &&!' 3ENEM1AN BETATRON 1etatron pertama kali diperkenalkan pada *+23 oleh /rofesor Donald 'illiam
4erts dari Uniersitas !llinois, Amerika &erikat. /anamaan 1etatron mengacu pada salah satu jenis sinar radioakatif yaitu sinar-5 , yang merupakan aliran elektron yang berkecepatan tinggi. Nama betatron berasal dari huruf Yunani "beta"
yang mewakili aliran elektron, dan "tron" yang berarti "agen untuk memproduksi". Betatron terkadang juga disebut sebagai "rheotron," di mana "Rheo" berasal dari kata Yunani yang berarti aliran atau uks. Pada tahap awal pengembangannya, betatron disebut juga sebagai akselerator induksi magnetik.
6ambar *. Donald 4erst dengan mesin betatron pada tahun *+23. &&!- BA0&AN DAN 3R&N$&3 KER5A BETATRON 1etatron terdiri atas tabung kaca hampa udara berbentuk cincin raksasa bentuk
ruangan menyerupai bentuk donat! yang diletakkan diantara dua kutub magnet (elektromagnet) yang sangat kuat. lektromagnet ini bekerja dari
tegangan tinggi masukan #$, ruang donat tersebut diatur dalam potongan
tiang
seperti
yang
ditunjukkan
pada
%ambar
&.
lektromagnet menghasilkan medan magnet yang kuat di tengah ruangan donat 'akum di sekitar titik ( pada %ambar ).
6ambar . Diagram irisan 1etatron
%ambar &. Potongan kutub untuk Betatron menyerupai berbentuk donat! lektron 1onut (rbit 2arget /0Ray +ore from guiding -eld +ore from #elerating
6ambar 2. &kema proses percepatan elektron di dalam tabung kaca hampa udara
6ambar ). *edan magnet yang kuat di tengah ruangan donat
'akum di sekitar titik (
/enyuntik berupa filamen panas berperan sebagai pemancar elektron dipasang untuk menginjeksikan aliran elektron ke dalam tabung pada sudut tertentu. &etelah elektron disuntikkan ke dalam tabung, ada dua gaya yang bekerja pada elektron tersebut. 6aya yang pertama akan membuat elektron bergerak melingkar, mengikuti lengkung tabung. Dalam medan magnet, partikel akan bergerak melingkar. 6aya yang ke dua berperan mempercepat gerak elektron hingga kecepatannya semakin tinggi. Melalui gaya yang ke dua, elektron memperoleh energi kinetik yang sangat besar. Dalam aktu singkat, elektron akan bergerak melingkar di dalam tabung beberapa ribu kali. Apabila energi kinetik elektron mencapai nilai tertentu, elektron dibelokkan dari jalur lengkungnya sehingga dapat menabrak target secara langsung yang berada di tepi ruangan. Dari proses tabrakan, dipancarkan sinar 0 berenergi sangat tinggi. &ebagian besar betatron menghasilkan elektron berenergi sekitar 3 Me7. Untuk mendapatkan energi sebesar * Me7, elektron harus bergerak dengan laju 3,+8c. $nergi elektron yang dipercepat dalam betatron dapat dicari dengan meninjau gaya-gaya yang bekerja pada elekron selama proses percepatan. 6aya tersebut adalah gaya sentripertal dan gaya lorent9.
3njeksi elektron dilakukan ketika medan magnet meningkat selama kuartal pertama dari siklus 4bolak5 elektron injetion! seperti yang ditunjukkan pada %ambar 6. lektron diperepat selama medan magnet meningkat karena meningkatnya potensial dalam donat. 7etelah energi kinetik dari elektron meningkat, elektron tetap mengorbit di tempat yang sama dengan jari0jari r . *aka
medan magnet
mulai menurun setelah
melewati nilai
maksimum. 8emudian elektron mulai mengalami perlambatan, ditunjukkan dengan arah e.m.f. yang mulai mendapatkan nilai 4balik5 elektron ejetion!. 9ntuk menghindari efek ini, elektron dihilangkan:dikeluarkan pada besarnya punak medan magnet titik #!. Pengeluaran elektron yang berenergi tinggi ini bisa menembak sasaran 2 dan menghasilkan sinar0/ yang munul dari peralatan. 9ntuk menghilangkan elektron dari orbit, arus dengan amplitudo besar dikirim melalui tambahan kumparan yang tiba0tiba dapat merubah
medan magnet. 2eori di balik kerja betatron dapat
ditunjukkan dengan menggunakan hukum +araday. *enurut hukum +araday tentang induksi elektromagnetik, e.m.f. diinduksi munul
karena
perubahan
uks magnetik :
saat
ini
terkait
dengan
kumparan, diberikan oleh persamaan berikut;
%ambar 6. 7iklus pergantian Bolak0Balik! medan magnet menunjukkan injeksi dan pengusiran elektron.
<
adalah uks magnetik yang tegak lurus terhadap bidang
sirkuit. selama satu re'olusi, kerja yang dilakukan pada sebuah elektron diberikan oleh persamaan berikut ;
1imana q adalah muatan elektron, gaya yang bekerja pada elektron selama satu putaran diberikan oleh persamaan berikut ini;
8ita juga tahu bahwa ketika medan magnet yang bekerja pada partikel bermuatan, maka menimbulkan gaya =orent>
1i sini, medan magnet tegak lurus dengan keepatan elektron, maka
%aya =orent> ini memberikan pengaruh terhadap gaya sentripetal yang dibutuhkan sebagai berikut; F = F s
*enurut hukum kedua Newton tentang gerak, laju perubahan momentum diberikan oleh ;
Persamaan di atas dikenal sebagai kondisi uks. 8ondisi ini menyatakan bahwa uks
∅B
berkaitan dengan oil yang harus
berubah pada tingkat dua kali lipat jika medan magnet adalah seragam di seluruh orbit dalam inter'al waktu tertentu. ?ubungan ini
berlaku
baik
dalam
relati'istik
1ari persamaan di atas, kita dapat menulis ;
dan
non0relati'istik.
(leh karena itu,
Persamaan di atas dikenal sebagai kondisi betatron. (leh karena itu, elektron akan memiliki gerakan melingkar dengan jari0jari konstan jika rata0rata medan magnet dalam lingkaran adalah sama dengan dua kali nilai dari medan magnet di orbit.
&&!( 3ERKEMBAN0AN BETATRON DAN A3L&KA$&N.A *. 1etatron generasi pertama (/rofesor Donald 'illiam 4erts,*+23) . 1etaron juga digunakan di bidang industri. &alah satu akselerator betatron
terdapat di Uniesitas #hicago dibangun pada tahun *+2+. Dengan spesifikasi medan magnetik 3,+ % dan jarak orbit *, m. :. /ada tahun *+3 betatron memainkan peranan penting dalam megaoltage radioterapi. amun, pengembangan linac mendorong betatron terlupakan karena lebih banyak kelebihan yang ditaarkan oleh linac atas betatron, seperti; ukuran yang lebih besar> pemasangan isocentric penuh> desain yang lebih kompak> dan pengoperasian yang lebih tenang (tidak bising).
@. #plikasi utama betatron adalah di bidang kedokteran, -sika, dan industri /0ray. 9ntuk membantu ahli radiologi, #llis0$halmers *anufaturing $ompany telah menghasilkan mesin A@ *e yang diranang khusus untuk terapi medis. %ambar C menunjukkan betatron ini. +itur utama dari mesin ini adalah sebagai berikut; a. ariasi energi dari ) sampai A) *e'. b. 1imungkinkan untuk dioperasikan seara terus menerus D jam pada AA *e' per hari. . Pada tiga kaki dari target output /0ray setidaknya EFF rad : min. ?al ini diukur dengan itoreen meteran standar dikelilingi oleh silinder plastik memiliki diameter sekitar @ ini!. d. 7ebuah jak yang dioperasikan motor menimbulkan kuk atas untuk memfasilitasi perubahan donat. e. *agnet rakitan terpasang sehingga sinar /0ray bisa diputar dari @F derajat di atas horisontal, melalui horisontal, sampai
@F derajat di luar 'ertikal, membuat 'ariasi sudut total ECF derajat. f. 2ingkat rotasi dari rakitan magnet F.) re'olusi :min. g. 7udut pengaturan balok adalah akurat ke dalam F,F) derajat. h. 9nit berisi total eksposur meter dan sirkuit untuk seara otomatis mematikan betatron ketika jumlah yang telah ditetapkan radiasi telah terapai.
%ambar C. Betatron A@*e
3nstrumen beroperasi pada frekuensi EDF siklus per detik dengan tegangan punak ED k' di kumparan magnet. 3njeksi pulsa bisa maksimal 06F 8 dan sekitar @ mikrodetik. 9ntuk memperluas orbit dibutuhkan arus DFF ampere seara bergantian. Berat instrumen adalah sekitar D ton. *emiliki panjang sekitar EF@ ini., 8etinggian maksimal EFG ini., 1an lebar maksimum &6 ini. ). Pesawat Betatron digunakan sebagai alat radiogra- yaitu untuk melihat keaatan pada komponen roket yang dibuat =apan Pesawat Betatron P/B06*!. Pesawat Betatron P/B06* adalah sebuah akselerator eletron orbital. 1imana
mempunyai tabung hampa
yang
berbentuk seperti donat. 1i dalam tabung terdapat -lament, katoda,
penembak
eletron,
dan
anoda.
1isekitar tabung
dikelilingi oleh kumparan sebagai sumber medan magnet. 1alam
betatron
medan
magnet
yang
berubah
digunakan
untuk
memperepat gerak elektron. lektron di tembakkan ke dalam tabung dengan energi @F ke. 2erjadilah perputaran elektron di dalam tabung yang disebabkan oleh pengaruh medan magnet. lektron bergerak 6F setiap detik dan setiap waktu bertambah kekuatanya dari energi nol meningkat sampai menapai energi penuh 6 *e!. 7etelah elektron menapai sekitar satu juta putaran,
kemudian
elektromagnet
tepat
sinyal pada
ekspansi waktunya
dikenakan
maka
pada
elektron
akan
menumbuk target anoda!, sehingga akan menghasilkan pulsa 6 *e sinar0/. 7inar0/ akan dikeluarkan lewat jendela dengan sudut &F
°
. =ebar penitraan sebesar &F
°
sudah ukup
untuk ditampung pada -lm dengan ukuran &)F @&F mm yang ditempat
pada
jarak
E
m
dari
sumber
sinar0/.9ntuk
menghasilkan sinar0/ berikutnya di ulang pada frekuensi AFF per detik, demikian seterusnya sehingga menghasilkan sinar0/ terus menerus. Bagian utama dari pesawat betatron adalah unit power, panel kontrol, #kselerator dan lampu indikator operasi. 9nit power merupakan penyedia energi listrik untuk pembangkit akselerator,
sehingga
terlihat pada %ambar D.
dapat
menghasilkan
sinar0/,
seperti
6ambar ?. Unit 1etatron
9nit kontrol berfungsi mengontrol kerja pesawat betatron pada saat dioperasikan. 9nit kontrol terdiri dari beberapa modul, yaitu modul kontroler, modul synchronization, dan 'oltage unit.9nit akselator terdiri dari tabung hampa udara, kumparan elektromagnet
dan
ran%kaian
Injection,
Contraction
dan
Expantion. Bentuk akselerator dapat dilihat pada %ambar EF.
%ambar EF. #rsitektur #kselerator &&!* KELEMAHAN BETATRON 1etatron memiliki kelemahan karena mesin ini memiliki magnet berukuran
sangat besar guna mendapatkan perubahan fluks yang diperlukan untuk mempercepat elektron. Untuk mengatasi kelemahan ini, digunakan jenis akselerator elektron lainnya yang menggunkan magnet berbentuk cincin yang diberi nama sinkroton elektron, yang berfungsi memercepat elektron yang mampu menghasilkan elektron dengan energi kinetik lebih besar dibandingkan betatron. &&&! KE$&M31LAN 1etatron adalah akselerator magnetik yang digunakan untuk mempercepat elektron sehingga kecepatannya sangat tinggi. Betatron bekerja dengan prinsip induksi
elektromagnetik. lektron yang ditembakkan akan bergerak melingkar sesuai bentuk ruang hampa 41onat5 karena pengaruh medan magnet, dengan jari0jari tetap r karena pengaruh medan listrik induksi. Pengaruh
medan listrik induksi juga menyebabkan elektron diperepat sehingga pada nilai energi kinetik tertentu elektron akan membelok dari jari0jarinya dan menabrak partikel target dan menghasilkan sinar0/ dengan energi tinggi. lektron akan memiliki gerakan melingkar dengan jari0jari konstan jika rata0rata medan magnet dalam lingkaran adalah sama dengan dua kali nilai dari medan magnet di orbit.
&2! DAFTAR 31$TAKA
E. Physics.tutorcircle.com/modern-physics/betatron.html A. web.mit.edu/22.!/.../C"#P$$.P%... *assahusetts 3nstitute of 2ehnology & http'//web.mit.edu/22.!/Class"andouts/Char(ed)2Particle
)2#ccel/C"#P$$.P%* + &. Radiasi nuklir http'//www.batan.(o.id/pusdi,lat/elearnin(/prote,siradiasi/pen(ena
lanradiasi/$-$.htm+ . http'//papers.sttn-batan.ac.id/prosidin(/2$/ma,alah2.pd0 + 1. Hilkinson, Halter #tkins. EG)E. etatron and Its #pplication . +aulty of the 1i'ision of %raduate 7tudies %eorgia 3nstitute of 2ehnology
