Pengertian Akselerator Partikel

Pengertian Akselerator PartikelAkselerator partikel (juga dikenal sebagai pemecah atom) adalah perangkat yang digunakan untuk meningkatkan kecepatan partikel subatomik seperti proton, elektron, dan positron. Meskipun awalnya diciptakan untuk tujuan mempelajari struktur dasar materi, akselerator partikel kemudian menemukan sejumlah aplikasi praktis.

Ada dua subkelompok besar akselerator partikel yaitu akselerator linier dan melingkar. Mesin jenis pertama mempercepat partikel saat bergerak dalam garis lurus, kadang-kadang jarak yang sangat jauh. Akselerator melingkar memindahkan partikel di sepanjang jalur melingkar atau spiral dalam mesin yang ukurannya bervariasi.

Akselerator Van de Graaff

Salah satu akselerator partikel paling awal yang dikembangkan ditemukan oleh fisikawan kelahiran Alabama Robert Jemison Van de Graaff (1901–1967) sekitar tahun 1929. Mesin yang sekarang menggunakan namanya menggambarkan prinsip-prinsip dasar yang menjadi dasar semua akselerator partikel.

Akselerator Van de Graaff
Akselerator Van de Graaff

Istilah

Cyclotron: Sebuah akselerator partikel di mana partikel-partikel subatomik dipercepat dengan kecepatan tinggi di jalur melingkar.

Elektron: Sebuah partikel dasar materi membawa satu unit muatan listrik negatif.

Electron volt (eV): Satuan yang digunakan untuk mengukur energi partikel subatomik dalam akselerator partikel.

Akselerator linier: Akseleratorpartikel di mana partikel subatomik dipercepat hingga kecepatan tinggi dalam garis lurus.

Perbedaan potensial: Disebut juga tegangan, yaitu jumlah energi listrik yang tersimpan dalam massa muatan listrik dibandingkan dengan energi yang tersimpan dalam massa muatan lainnya.

Proton: Partikel fundamental yang membawa satu unit muatan listrik positif.

Radiasi: Energi yang ditransmisikan dalam bentuk gelombang elektromagnetik atau partikel subatom.

Partikel subatomik: Unit dasar materi dan energi yang lebih kecil dari atom.

Radiasi synchrotron: Suatu bentuk radiasi (energi dalam bentuk gelombang atau partikel) agak mirip dengan sinar X yang dilepaskan oleh beberapa jenis akselerator partikel.

Akselerator Van de Graaff terdiri dari silinder logam tinggi dengan kubah logam berongga di atasnya. Sabuk konveyor sutra berjalan melalui bagian tengah silinder. Di bagian bawah silinder, sabuk mengumpulkan muatan positif dari sumber tegangan tinggi. Muatan positif naik ke bagian atas silinder di sabuk dan disimpan di bagian luar kubah di bagian atas mesin. Semakin lama sabuk berjalan, semakin banyak muatan positif menumpuk di kubah. Akselerator Van de Graaff yang asli dapat menghasilkan akumulasi muatan dengan energi 80.000 volt, meskipun kemudian perbaikan menaikkan nilai itu menjadi 5.000.000 volt.

Pada titik tertentu, akumulasi muatan pada kubah berongga menjadi sangat besar sehingga sambaran petir melompat dari kubah ke batang logam di dekat mesin. Baut petir terdiri dari muatan positif yang menumpuk di kubah dan akhirnya ditolak.

Akselerator Van de Graaff dapat dikonversi menjadi akselerator partikel hanya dengan menempelkan semacam target ke batang logam di dekat mesin. Ketika sambaran petir mengenai batang logam, maka akan membombardir sasaran. Atom yang menjadi target akan dipecah oleh sinar listrik yang bermuatan positif.

Akselerator linier

Dalam generator Van de Graaff, sambaran petir yang bergerak dari kubah ke target terdiri dari partikel bermuatan yang kecepatannya meningkat dari nol (saat diam di kubah) menjadi lebih dari 160.000 kilometer/detik di celah antara kubah dan target. Akselerator linier (juga dikenal sebagai linacs) beroperasi pada prinsip umum yang sama, kecuali bahwa suatu partikel terkena serangkaian medan listrik, yang masing-masing meningkatkan kecepatan partikel.

Linac yang khas terdiri dari beberapa ratus atau beberapa ribu tabung logam silinder yang disusun satu di depan yang lain. Tabung diisi secara listrik sehingga masing-masing membawa muatan yang berlawanan dari tabung di kedua sisi itu. Tabung 1, 3, 5, 7, 9, dll misalnya, diisi secara positif, dan tabung 2, 4, 6, 7, 10, dll diisi secara negatif.

Bayangkan bahwa elektron yang bermuatan negatif dimasukkan ke dalam linac tepat di depan tabung pertama. Dalam keadaan yang dijelaskan di atas, elektron tertarik dan dipercepat menuju tabung pertama. Elektron melewati dan kemudian ke tabung itu. Begitu berada di dalam tabung, elektron tidak lagi merasakan gaya tarik atau tolakan dan hanya melayang melalui tabung sampai mencapai ujung yang berlawanan. Karena perilaku inilah tabung silindris dalam linac umumnya disebut sebagai tabung melayang.

Pada saat elektron meninggalkan tabung melayang pertama, muatan pada semua tabung melayang dibalik. Tabung 1, 3, 5, 7, 9, dll sekarang bermuatan negatif, dan tabung 2, 4, 6, 8, 10, dll bermuatan positif. Elektron yang keluar dari tabung pertama sekarang ditolak oleh tabung yang baru saja ia tinggalkan dan tertarik ke tabung kedua. Gaya tarik dan tolakan ini memberikan semacam “tendangan” yang mempercepat elektron ke arah maju. Melewati ruang antara tabung 1 dan 2 dan ke dalam tabung 2. Sekali lagi, elektron melayang melalui tabung ini sampai keluar di ujung yang berlawanan.

Saat elektron bergerak melalui linac, muatan listrik pada semua tabung melayang terbalik dalam pola reguler. Ketika melewati tabung, elektron ditolak oleh tabung di belakangnya dan tertarik ke tabung di depannya. Energi tambahan yang diterimanya diperlihatkan dalam kecepatan yang lebih besar. Akibatnya, elektron bergerak lebih cepat di setiap tabung baru yang dimasukinya dan dapat menempuh jarak yang lebih besar dalam jumlah waktu yang sama. Untuk memastikan bahwa elektron keluar dari tabung pada saat yang tepat, tabung harus memiliki panjang yang berbeda. Masing-masing sedikit lebih panjang dari yang sebelumnya.

Linac terbesar di dunia adalah Stanford Linear Accelerator, yang terletak di Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) di Stanford, California. Sebuah terowongan bawah tanah 3 kilometer (2 mil) panjangnya melewati di bawah US Highway 101 dan memegang 82.650 tabung melayang bersama dengan peralatan magnetik, listrik, dan tambahan yang diperlukan untuk operasi mesin. Elektron yang dipercepat dalam linac SLAC meninggalkan ujung alat berat berjalan dengan kecepatan cahaya hampir dengan energi maksimum sekitar 32 GeV (gigaelektron volts).

Istilah electron volt (eV) adalah satuan standar pengukuran energi dalam akselerator yang didefinisikan sebagai energi yang hilang atau diperoleh oleh elektron ketika melewati perbedaan potensial satu volt. Sebagian besar akselerator beroperasi pada volt megaelektron (juta elektron volt; MeV), volt gigaelektron (miliar elektron volt; GeV), atau rentang volt teraelektron (triliun elektron; TeV).

Akselerator melingkar

Pengembangan akselerator linier dibatasi oleh beberapa kendala fisik yang jelas. Misalnya, linac SLAC sangat panjang sehingga para insinyur harus mempertimbangkan kelengkungan bumi ketika mereka menyusun urutan tabung penyimpangan. Salah satu cara untuk menghindari masalah yang terkait dengan pembangunan linac adalah dengan mempercepat partikel dalam lingkaran. Mesin yang beroperasi pada prinsip ini dikenal, secara umum, sebagai akselerator melingkar.

Akselerator sirkular paling awal, cyclotron, ditemukan oleh profesor fisika Universitas California Ernest Orlando Lawrence (1901–1958) pada awal 1930-an. Siklotron Lawrence ditambahkan ke desain linac satu prinsip fundamental baru dari fisika: partikel bermuatan yang melewati medan magnet bergerak di jalur melengkung. Bentuk lintasan melengkung tergantung pada kecepatan partikel dan kekuatan medan magnet.

Siklotron terdiri dari dua wadah logam berlubang yang terlihat seolah-olah ikan tuna dapat dipotong setengah secara vertikal. Masing-masing setengah menyerupai huruf besar D, sehingga dua bagian dari cyclotron dikenal sebagai dees. Pada suatu waktu, satu dee di cyclotron bermuatan positif dan yang lainnya negatif. Dee terhubung ke sumber arus bolak-balik sehingga muatan listrik pada kedua dee berubah bolak-balik berkali-kali per detik.

Komponen utama kedua dari cyclotron adalah magnet besar yang terletak di atas dan di bawah dees. Kehadiran magnet berarti bahwa setiap partikel bermuatan yang bergerak di dalam dees tidak akan bergerak dalam lintasan lurus tetapi dalam kurva.

Bayangkan sebuah elektron (membawa muatan negatif) dimasukkan ke ruang sempit di antara kedua dees. Elektron dipercepat menjadi salah satu dees, yang membawa muatan positif. Namun saat bergerak, elektron bergerak menuju dee di jalur melengkung.

Setelah sepersekian detik, arus dalam dees berubah tanda. Elektron kemudian ditolak oleh dee ke mana ia pertama kali bergerak, membalikkan arah, dan menuju ke arah dee yang berlawanan dengan kecepatan yang meningkat. Sekali lagi, jalur pengembalian elektron melengkung karena medan magnet yang mengelilingi dees.

Sama seperti sebuah partikel dalam linac yang melewati satu tabung melayang satu demi satu, selalu mendapatkan energi, demikian juga sebuah partikel dalam sebuah cyclotron bergerak bolak-balik di antara dees yang mendapatkan energi. Saat partikel memperoleh energi, partikel itu mengambil kecepatan dan spiral keluar dari pusat mesin. Akhirnya, partikel mencapai lingkar luar mesin, melewati jendela, dan menyerang target.

Siklotron asli Lawrence adalah peralatan sederhana, dengan diameter hanya 11 sentimeter (4,5 inci), yang mampu mempercepat proton menjadi energi 80.000 elektron volt (80 keV). Itu dirakit dari kaleng kopi, penyegelan lilin, dan sisa peralatan laboratorium. Akselerator terbesar dari desain ini yang pernah dibangun adalah cyclotron 218-sentimeter (86-inci) dan 225-sentimeter (87-inci) di Oak Ridge National Laboratory dan Nobel Institute di Stockholm, Swedia, masing-masing.

Modifikasi Cyclotron

Pada awalnya, perbaikan dalam desain cyclotron diarahkan pada pembangunan mesin yang lebih besar yang dapat mempercepat partikel hingga kecepatan yang lebih tinggi. Namun, segera muncul masalah baru. Hukum fisika menyatakan bahwa tidak ada yang dapat bergerak lebih cepat dari kecepatan cahaya. Jadi, menambahkan lebih banyak energi ke sebuah partikel tidak akan membuat kecepatan partikel itu meningkat tanpa batas. Alih-alih, saat kecepatan partikel mendekati kecepatan cahaya, energi tambahan yang disuplai padanya muncul dalam bentuk massa yang meningkat. Akan tetapi, partikel yang massanya terus meningkat mulai bergerak di jalur yang berbeda dari partikel dengan massa konstan. Ada signifikansi praktis untuk fakta ini: ketika kecepatan partikel dalam siklotron mulai mendekati kecepatan cahaya,

Dua modifikasi yang berbeda — atau kombinasi keduanya — dapat dibuat dalam desain cyclotron dasar untuk mengatasi masalah ini. Salah satu pendekatan adalah secara bertahap mengubah tingkat di mana medan listrik bergantian antara dees. Tujuannya di sini adalah untuk membuat perubahan tanda terjadi pada saat yang tepat ketika partikel telah mencapai titik tertentu di dalam dees. Saat partikel mempercepat dan menambah berat, laju arus listrik bergantian antara dua dee melambat untuk “mengejar” partikel.

Pada 1950-an, sejumlah mesin yang mengandung elemen desain ini dibangun di berbagai negara. Mesin-mesin itu dikenal sebagai frekuensi modulated (FM) cyclotron, synchrocyclotron, atau, di bekas Uni Soviet, phasotron. Energi partikel maksimum yang diperoleh dengan mesin dari desain ini berkisar antara sekitar 100 MeV hingga sekitar 1 GeV.

Solusi kedua untuk masalah peningkatan massa adalah mengubah medan magnet mesin sedemikian rupa untuk mempertahankan kontrol yang tepat atas jalur partikel. Prinsip ini telah dimasukkan ke dalam sinkrotron — mesin yang sekarang menjadi siklotron paling kuat di dunia.

Synchrotron pada dasarnya terdiri dari tabung bundar berongga (cincin) di mana partikel dipercepat. (Partikel-partikel tersebut sebenarnya dipercepat hingga kecepatan mendekati kecepatan cahaya dalam mesin yang lebih kecil sebelum mereka disuntikkan ke dalam cincin utama.) Setelah mereka berada di dalam cincin utama, partikel menerima tambahan energi dari kamar akselerasi yang ditempatkan di berbagai lokasi di sekitar cincin. Di lokasi lain di sekitar cincin, magnet yang sangat kuat mengendalikan jalan yang diikuti oleh partikel. Ketika partikel mengambil energi dan cenderung spiral ke luar, medan magnet meningkat, mendorong partikel kembali ke jalur melingkar. Sinkrotron yang paling kuat yang sekarang beroperasi dapat menghasilkan partikel dengan energi setidaknya 400 GeV.

Pada tahun 1970-an, fisikawan nuklir mengusulkan desain dan konstruksi synchrotron yang paling kuat dari semuanya, SuperConducting Super Collider (SSC). SSC diharapkan memiliki cincin akselerasi 82,9 kilometer (51,5 mil) sesuai dengan kemampuan untuk menghasilkan partikel yang memiliki energi 20 TeV. Perkiraan biaya SSC awalnya ditetapkan sekitar $ 4 miliar. Tidak lama setelah pembangunan mesin di Waxahachie, Texas, dimulai, Kongres AS memutuskan untuk menghentikan pendanaan untuk proyek tersebut.

Aplikasi

Sejauh ini penggunaan akselerator partikel yang paling umum adalah untuk penelitian dasar tentang komposisi materi. Jumlah energi yang dilepaskan dalam mesin seperti itu tidak ada bandingannya di mana pun di Bumi. Pada tingkat energi ini, bentuk-bentuk materi baru dihasilkan yang tidak ada dalam kondisi biasa. Bentuk-bentuk materi ini memberikan petunjuk tentang struktur akhir materi.

Akselerator juga menemukan beberapa aplikasi penting dalam pengaturan medis dan industri. Saat partikel berjalan melalui akselerator, partikel mengeluarkan bentuk radiasi yang dikenal sebagai radiasi synchrotron . Bentuk radiasi ini agak mirip dengan sinar X dan telah digunakan untuk tujuan yang sama.

Next Post

Pengertian Minyak Bumi dan Pentingnya Minyak Bumi

Pengertian Minyak Bumi – Minyak bumi, juga disebut minyak mentah, adalah cairan berwarna kuning-ke-hitam yang mudah terbakar. Minyak bumi pertama kali ditemukan mengalir keluar dari bebatuan di permukaan bumi. Oleh karena itu, namanya berasal dari kata Latin petra, yang berarti batu, dan oleum, yang berarti minyak. Minyak bumi adalah hidrokarbon, senyawa organik yang hanya mengandung karbon […]
Minyak Bumi
Please disable your adblock for read our content.
Segarkan Kembali