BETATRON
MAKALAH
Diajukan untuk memenuhi tugas kelompok Mata kuliah Fisika Radiasi
Dosen : Dr. Eng. Eko Hidayanto, M. Si
Disusun Oleh :
1. Tyas Nisa F. NIM : 24040115420008 2. Supriyati NIM : 24040115420009 3. Yuliani NIM : 24040115420007
MAGISTER ILMU FISIKA UNIVERSITAS DIPONEGORO
I. PENDAHULUAN
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 fisikawan Inggris, J.D. Cockroft dan E.T.S Walton, di Laboratorium Cavendish, Universitas Cambrige pada 1929. Atas jasanya itu, mereka dianugrahi hadiah Nobel bidang fisika pada tahun 1951. Pada mulanya, akselerator partikel dipakai untuk penelitian fisika energi tinggi dengan cara menabrakan partikel berkecepatan sangat tinggi ke target tertentu. Namun, ada beberapa jenis akselerator partikel yang dirancang untuk memproduksi radiasi berenergi tinggi untuk keperluan radioterapi.
Tabung sinar-X merupakan contoh paling sederhana tentang jenis akselerator partikel tunggal. Untuk mendapatkan sinar-X dengan energi yang sangat tinggi, para ilmuwan telah membangun mesin pembangkit sinar-X yang sangat kuat. Salah satu diantaranya adalah mesin pembangkit yang diberi nama betatron.
II.
ISI
II.1 DEFINISI
Betatron adalah akselerator dimana gerakan partikelnya melingkar, digunakan untuk mempercepat elektron sehingga kecepatannya sangat tinggi. Efek gabungan dari medan magnet dan medan listrik induksi menyebabkan percepatan elektron untuk melalui loop melingkar ini.
II.2 PENEMUAN BETATRON
Betatron pertama kali diperkenalkan pada 1940 oleh Profesor Donald William Kerts dari Universitas Illinois, Amerika Serikat. Panamaan Betatron mengacu pada salah satu jenis sinar radioakatif yaitu sinar-ß , 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 fluks. Pada tahap awal pengembangannya, betatron disebut juga sebagai akselerator induksi magnetik.
Gambar 1. Donald Kerst dengan mesin betatron pada tahun 1940. II.3 BAGIAN DAN PRINSIP KERJA BETATRON
Betatron terdiri atas tabung kaca hampa udara berbentuk cincin raksasa (bentuk ruangan menyerupai bentuk donat) yang diletakkan diantara dua kutub magnet (elektromagnet) yang sangat kuat. Elektromagnet ini bekerja dari tegangan tinggi masukan AC, ruang donat tersebut diatur dalam potongan tiang seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Elektromagnet menghasilkan medan magnet yang kuat di tengah ruangan donat vakum di sekitar titik O pada Gambar 5.
Gambar 3. Potongan kutub untuk Betatron (menyerupai berbentuk donat)
Gambar 4. Skema proses percepatan elektron di dalam tabung kaca hampa udara
Gambar 5. Medan magnet yang kuat di tengah ruangan donat vakum di sekitar titik O
Elektron Gun Force from guiding field Force from Accelerating Flux X-Ray Beam Orbit Elektron Donut Target
Penyuntik berupa filamen panas berperan sebagai pemancar elektron dipasang untuk menginjeksikan aliran elektron ke dalam tabung pada sudut tertentu. Setelah elektron disuntikkan ke dalam tabung, ada dua gaya yang bekerja pada elektron tersebut. Gaya yang pertama akan membuat elektron bergerak melingkar, mengikuti lengkung tabung. Dalam medan magnet, partikel akan bergerak melingkar. Gaya yang ke dua berperan mempercepat gerak elektron hingga kecepatannya semakin tinggi. Melalui gaya yang ke dua, elektron memperoleh energi kinetik yang sangat besar.
Dalam waktu 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 X berenergi sangat tinggi. Sebagian besar betatron menghasilkan elektron berenergi sekitar 20 MeV. Untuk mendapatkan energi sebesar 1 MeV, elektron harus bergerak dengan laju 0,96c. Energi elektron yang dipercepat dalam betatron dapat dicari dengan meninjau gaya-gaya yang bekerja pada elekron selama proses percepatan. Gaya tersebut adalah gaya sentripertal dan gaya lorentz.
Injeksi elektron dilakukan ketika medan magnet meningkat selama kuartal pertama dari siklus “bolak”( elektron injection) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6. Elektron dipercepat selama medan magnet meningkat karena meningkatnya potensial dalam donat. Setelah energi kinetik dari elektron meningkat, elektron tetap mengorbit di tempat yang sama dengan jari-jari r. Maka medan magnet mulai menurun setelah melewati nilai maksimum. Kemudian elektron mulai mengalami perlambatan, ditunjukkan dengan arah e.m.f. yang mulai mendapatkan nilai “balik” (elektron ejection). Untuk menghindari efek ini, elektron dihilangkan/dikeluarkan pada besarnya puncak medan magnet (titik A). Pengeluaran elektron yang berenergi tinggi ini bisa menembak sasaran T dan menghasilkan sinar-X yang muncul dari peralatan. Untuk menghilangkan elektron dari orbit, arus dengan amplitudo besar dikirim melalui tambahan kumparan yang tiba-tiba dapat merubah medan magnet. Teori di balik kerja betatron dapat ditunjukkan dengan menggunakan hukum Faraday. Menurut hukum Faraday tentang induksi elektromagnetik, e.m.f. diinduksi muncul
karena perubahan fluks magnetik / saat ini terkait dengan kumparan, diberikan oleh persamaan berikut:
Gambar 6. Siklus pergantian (Bolak-Balik) medan magnet menunjukkan injeksi dan pengusiran elektron.
Ф
adalah fluks magnetik yang tegak lurus terhadap bidang sirkuit.selama satu revolusi, kerja yang dilakukan pada sebuah elektron diberikan oleh persamaan berikut :
Dimana q adalah muatan elektron, gaya yang bekerja pada elektron selama satu putaran diberikan oleh persamaan berikut ini:
Kita juga tahu bahwa ketika medan magnet yang bekerja pada partikel bermuatan, maka menimbulkan gaya Lorentz
Di sini, medan magnet tegak lurus dengan kecepatan elektron, maka
Gaya Lorentz ini memberikan pengaruh terhadap gaya sentripetal yang dibutuhkan sebagai berikut:
F = Fs
Menurut hukum kedua Newton tentang gerak, laju perubahan momentum diberikan oleh :
Persamaan di atas dikenal sebagai kondisi fluks. Kondisi ini menyatakan bahwa fluks ∅B berkaitan dengan coil yang harus
berubah pada tingkat dua kali lipat jika medan magnet adalah seragam di seluruh orbit dalam interval waktu tertentu. Hubungan ini berlaku baik dalam relativistik dan non-relativistik. Dari persamaan di atas, kita dapat menulis :
Oleh karena itu,
Persamaan di atas dikenal sebagai kondisi betatron. Oleh karena itu, elektron akan memiliki gerakan melingkar dengan jari-jari konstan jika rata-rata medan magnet dalam lingkaran adalah sama dengan dua kali nilai dari medan magnet di orbit.
II.4 PERKEMBANGAN BETATRON DAN APLIKASINYA
1. Betatron generasi pertama (Profesor Donald William Kerts,1940)
2. Betaron juga digunakan di bidang industri. Salah satu akselerator betatron terdapat di Univesitas Chicago dibangun pada tahun 1949. Dengan spesifikasi medan magnetik 0,92 T dan jarak orbit 1,22 m.
3. Pada tahun 1950 betatron memainkan peranan penting dalam megavoltage radioterapi. Namun, pengembangan linac mendorong betatron terlupakan karena lebih banyak kelebihan yang ditawarkan oleh linac atas betatron, seperti: Output balok jauh lebih tinggi (hingga 10 Gy/menit untuk linac dibandingkan 1 Gy/menit untuk betatron); ukuran yang lebih besar; pemasangan isocentric penuh; desain yang lebih kompak; dan pengoperasian yang lebih tenang (tidak bising).
4. Aplikasi utama betatron adalah di bidang kedokteran, fisika, dan industri X-ray.
Untuk membantu ahli radiologi, Allis-Chalmers Manufacturing Company telah menghasilkan mesin 24 MeV yang dirancang khusus untuk terapi medis. Gambar 7 menunjukkan betatron ini. Fitur utama dari mesin ini adalah sebagai berikut:
a. Variasi energi dari 5 sampai 25 Mev.
b. Dimungkinkan untuk dioperasikan secara terus menerus 8 jam pada 22 Mev per hari.
c. Pada tiga kaki dari target output X-ray setidaknya 100 rad / min. (Hal ini diukur dengan Victoreen meteran standar dikelilingi oleh silinder plastik memiliki diameter sekitar 4 inci). d. Sebuah jack yang dioperasikan motor menimbulkan kuk atas
untuk memfasilitasi perubahan donat.
e. Magnet rakitan terpasang sehingga sinar X-ray bisa diputar dari 40 derajat di atas horisontal, melalui horisontal, sampai
40 derajat di luar vertikal, membuat variasi sudut total 170 derajat.
f. Tingkat rotasi dari rakitan magnet 0.5 revolusi /min.
g. Sudut pengaturan balok adalah akurat ke dalam 0,05 derajat. h. Unit berisi total eksposur meter dan sirkuit untuk secara
otomatis mematikan betatron ketika jumlah yang telah ditetapkan radiasi telah tercapai.
Gambar 7. Betatron 24MeV
Instrumen beroperasi pada frekuensi 180 siklus per detik dengan tegangan puncak 18 kv di kumparan magnet. Injeksi pulsa bisa maksimal -60 KV dan sekitar 4 mikrodetik. Untuk memperluas orbit dibutuhkan arus 800 ampere secara bergantian. Berat instrumen adalah sekitar 8 ton. Memiliki panjang sekitar 104 inci., Ketinggian maksimal 109 inci., Dan lebar maksimum 36 inci.
5. Pesawat Betatron digunakan sebagai alat radiografi yaitu untuk melihat kecacatan pada komponen roket yang dibuat Lapan (Pesawat Betatron PXB-6M).
Pesawat Betatron PXB-6M adalah sebuah akselerator electron orbital. Dimana mempunyai tabung hampa yang berbentuk seperti donat. Di dalam tabung terdapat filament, katoda, penembak electron, dan anoda. Disekitar tabung dikelilingi oleh kumparan sebagai sumber medan magnet. Dalam
betatron medan magnet yang berubah digunakan untuk mempercepat gerak elektron. Elektron di tembakkan ke dalam tabung dengan energi 40 keV. Terjadilah perputaran elektron di dalam tabung yang disebabkan oleh pengaruh medan magnet. Elektron bergerak 60 x setiap detik dan setiap waktu bertambah kekuatanya dari energi nol meningkat sampai mencapai energi penuh (6 MeV). Setelah elektron mencapai sekitar satu juta putaran, kemudian sinyal ekspansi dikenakan pada elektromagnet tepat pada waktunya maka elektron akan menumbuk target (anoda), sehingga akan menghasilkan pulsa 6 MeV sinar-X. Sinar-X akan dikeluarkan lewat jendela dengan sudut 30 ° . Lebar pencitraan sebesar 30 ° sudah cukup untuk ditampung pada film dengan ukuran 350 x 430 mm yang ditempat pada jarak 1 m dari sumber sinar-X.Untuk menghasilkan sinar-X berikutnya di ulang pada frekuensi 200 per detik, demikian seterusnya sehingga menghasilkan sinar-X terus menerus.
Bagian utama dari pesawat betatron adalah unit power, panel kontrol, Akselerator dan lampu indikator operasi. Unit power merupakan penyedia energi listrik untuk pembangkit akselerator, sehingga dapat menghasilkan sinar-X, seperti terlihat pada Gambar 8.
Gambar 8. Unit Betatron
Unit kontrol berfungsi mengontrol kerja pesawat betatron pada saat dioperasikan. Unit kontrol terdiri dari beberapa modul, yaitu modul kontroler, modul synchronization, dan voltage unit.Unit akselator terdiri dari tabung hampa udara, kumparan elektromagnet dan ranGkaian Injection, Contraction dan Expantion. Bentuk akselerator dapat dilihat pada Gambar 10.
Gambar 10. Arsitektur Akselerator
II.5 KELEMAHAN BETATRON
Betatron 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. III. KESIMPULAN
Betatron adalah akselerator magnetik yang digunakan untuk mempercepat elektron sehingga kecepatannya sangat tinggi. Betatron bekerja dengan prinsip induksi elektromagnetik. Elektron yang ditembakkan akan bergerak melingkar sesuai bentuk ruang hampa “Donat” karena pengaruh medan magnet, dengan jari-jari tetap r karena pengaruh medan listrik induksi. Pengaruh
medan listrik induksi juga menyebabkan elektron dipercepat sehingga pada nilai energi kinetik tertentu elektron akan membelok dari jari-jarinya dan menabrak partikel target dan menghasilkan sinar-X dengan energi tinggi. Elektron akan memiliki gerakan melingkar dengan jari-jari konstan jika rata-rata medan magnet dalam lingkaran adalah sama dengan dua kali nilai dari medan magnet di orbit.
IV. DAFTAR PUSTAKA
1. Physics.tutorcircle.com/modern-physics/betatron.html 2. web.mit.edu/22.09/.../CHAP11.PD...
Massachusetts Institute of Technology
(http://web.mit.edu/22.09/ClassHandouts/Charged%20Particle %20Accel/CHAP11.PDF) 3. Radiasi nuklir (http://www.batan.go.id/pusdiklat/elearning/proteksiradiasi/pengena lan_radiasi/1-1.htm) 4. (http://papers.sttn-batan.ac.id/prosiding/2013/makalah23.pdf)
5. Wilkinson, Walter Atkins. 1951. Betatron and Its Application. Faculty of the Division of Graduate Studies Georgia Institute of Technology
