p~
~
N~
H~
N~
""'" ~X,
15SN 1410-']()1J()
PERKEMBANGAN HAMBURAN NEUTRON PADA MASA LALU, MASA SEKARANG DAN MAS A DEP AN
Marsongkohadi JurusanFisika-lnstitut TeknologiBandung,.n.Ganesa10 Bandung
ABSTRAK PERKEMBANGANHAMBURANNEUTRONPADA MASA LAlU, MASA SEKARANGDAN MASA DEPAN.Penemuan neutronmerupakanperistiwayang berdampakluas, berawaldari penggunaannyadi bidangfisika zat mampathinggapenyebarannya ke berbagai bidang IPTEK,sehinggafisika neutron kini telah berkembangmenjadisains neutron. Sejarahperkembanganhamburan neutron sejak tahun-tahunawal ditemukannyaneutronsampai penyebarannyake berbagaibidangdisajikansecarasingkat. Kendala yang timbul dalam pengembanganhamburanneutrondi masa mendatangserta pengembangansumber neutron generasibaru dan bidang-bidangyang berkembangpesatdi bahassecarasingkat.
ABSTRACT The discovery of neutron has been tremenduousworldwide,extendedfrom its utilizationin the field of condensedmatter physics to the disseminationin.tovarious branches of science,so neutronphysics has become neutronscience.The hIstory of this developmentof neutronscatteringstartedfrom its early yearsto its influencesin variousfields is presentedbriefly. Constraintsarised in the deve.lopmentof neutron scattering in the future together with the developmentof new generation of neutron sources and branchesof sciencerapidlydevelopedarediscussed.
PENDAHULUAN f Penemuan neutron oleh Chadwick pada tahun 1932, tidak diragukan lagi merupaki\n penemuan spektakuler yang berdampak s:mgat luas. Penggunaanberkas neutron untuk penelitan berawal dari fisika zat mampat, akan tetapi sejak tahun 1980 teknik ini berkembang ke berbagai disiplin ilmu pengetahuan dan teknologi, antara lain kimia, biologi, metalurgi, sains material dan berbagai bidang rekayasa sehingga fisika neutron kini telah berkembang menjadi sains neutron. Maraknya penggunaan berkas neutron di berbagai bidang IPTEK berkat sifat-sifat neutron yang unik, yang tidak dimiliki oleh jenis radiasi lainnya, misalnya sinar infra merah, sinar tampak,
Untuk meningkatkan fluks neutron setinggi mungkin, sebuah cara lain telah dikembangkan yakni berdasarkan reaksi nuklir oleh partikel bermuatan yang berenergi tinggi yang dikenal dengan reaksi pemecahan (spallation reaction). Sumber neutron baru ini telah dibangun dengan fluks neutron yang lebih tinggi dibandingkan dengan fluks reaktor fisi yang tertinggi. Teknik inilah yang memberi harapan bagi ekspansi frontir hamburan neutron di masa mendatang.
sinar-Xatauberkaselektron.
Dalam tahun 1936, yaitu empat tahun setelah neutron ditemukan acta tiga karya ilmiah penting, berturut-turut dipublikasikan oleh Elsasser (Maret, 1936) mengenai teori difraksj neutron oleh serbuk, Halban dan Preiswerk (Juni, 1936) dan Mitchell dan Powers (Juli, 1936) keduanya mengenai pengamatan difraksi neutron menggunakan sumber neutron Ra-Be. Eksperimen difraksi neutron tidak dapat dilanjutkan karena:
Penggunaan neutron khususnya hamburan sangat bergantung pada tersedianya sumber neutron, yang pada masa depan dapat dikatakan suram. Hal ini disebabkan bukan saja karena tantangan masyarakat terhadap pembangunan reaktornuklir, akan tetapi juga karena tluks neutron yang diproduksi oleh reaktor fisi sudah mendekati kejenuhan.
~11~
PENGGUNAAN NEUTRON DI BERBAGAI BIDANG[I]
H~ 111ll
1
. ~
p~
I-f t,..
harns menunggu dulu dibangunnya sebuah reaktor nuklir CP-I, pada tahun 1942 yang memproduksi berkas neutron dengan fluks cukup tinggi. Sebaliknya, karya:karya teoritik terus berkembang, yakni difraksi neutron oleh bahan feromagnetik (Bloch, 1936) clan bahan paramagnetik (Halpern clan Johnson, 1939). Pada tahun 1947 Fenni clan Marshall mengukur amplitudo hamburan sejumlah inti clan menunjukkan adanya variasi amplitudo hamburan isotop-isotop yang berbeda. Makalah tersebut menunjukkan untuk pertama kali prospek penggunaan neutron dalam penelitian l.at padat. Berturut-turut dilakukan percobaan difraksi magnetik yang pertama (Shull dan Wollan, 1951), polarisasi neutron (Hughes clan Burgy, 1949) clan hamburan inelastik yang merintis spektroskopi neutron/fonon (Brockhouse, 1955). Dengan berhasilnya dlbuat pemandu neutron (MaierLeibnitz clan Springer, 1963), neutron dingin (Styerl, Lushchikov, 1969) dan neutron super dingin (Groshev, 1971) maka Rauch, dkk, 1974 berhasil membuat interferometer neutron yang pertama. Alat ini dapat digunakan untuk penelitian mengenai problema fundamental dalam mekanika kuantum. Penggunaanneutron di bidang kimia yakni spektroskopi molekular dan polimer (Safford, dkk, 1964), biologi molekular (Engelman, 1972) clan biologi struktur (Schoenborn, dkk, 1983) melengkapi penggunaan neutron dalam sains neutron. Bidang teknologi juga memanfaatkan neutron, antara lain untuk pengukuran tekstur (Brockhouse, 1953), radiografi (Thewlis clan Derbyshire, 1956), analisis pengaktifan neutron (de Soete dkk, 1972) clan tegangan sisa (Allen dkk, 1981). Gambar 1 memperlihatkan betapa luasnya penggunaan neutron mulai dari penelitian fundamental di bidang Astrofisika, kedokteran, rekayasa sampai ke bidang persenjataan.
[
FISIKAZAT
§J cy
~:==JISIKA ASTROFISIKA NUKUR
HAMBURAN NEUTRON
.BIOlOGI
,
i
PENGGUNAAN NEUTRON
I
[~~~~
OPTIK
FISIKA MAMPAT
FISIKA REAKTOR
BIDANG
~
[~~~
II
'-
H~ L..l..,H~ ~
KEUNGGULAN NEUTRON SEBAGAIPROBE
MIKROSKOPIK Karena sifat.-sifatnya yang unik, neutron termal dapat digunakan secara luas untuk meneliti bahan pada tingkat mikroskopik. Sifat-sifat neutron yang menguntungkan antara lain ialah: .Tidak berrnratan dan daya tembusnya besar. Hal ini sangat menguntungkan untuk eksperime "in situ" di dalam tungku, kriostat atau seI tekanan. Juga dapat digunakan cuplikan d ngan ukuran besar (beberapa cm3). Pengukura di dalam cuplikan (misainya tegangan sisa) dapat dilakukan tanpa memotong motong cuplikan. .lnteraksi engan zat lemah dan tidak menggangg sistem. Karena interaksinya lemah, ma~a aproksimasi Born orde pertama dapat digunakan untuk menghitung penampang hamburan kbsolut. Hal ini berbeda dengan kesulitan ~enginterpretasikan informasi dari probe yang linteraksinya kuat seperti foton dan elektron. i .Amplitudo Ihamburan bervariasi secara nonmonoton d~ri unsur ke unsur. Untuk isotop yang berbeda dalam unsur yang sarna amplitudo hamburannya juga berbeda. Berbeda dengan sinar-X, neutron dapat dipakai untuk meneliti at1 m ringan dcngan kchadiran atom berat,
misa
nya
dalam
paduan
logam
yang
mengandun atom ringan dan atom berat. Perbedaan mplitudo hamburan antara atom hidrogen d,.n deuteron dimanfaatkan dalam penelitian struktur molekul kompleks, seperti dalam polimer atau bahan biologis, misalnya DNA.
I
Panjang gel~mbang antara I-lOA sangat ideal untuk penelitian korelasi interatomik, sedangkan energi neutron antara 1 -1 OOme V memungkinkan pengukuran eksitasi dart neV-eV. I
_E~EK- II RADIASI
RAOIOGRAFI NEUTRON ENGINEERING FISIKA BUMI
.Mempunyaispin ~ Gambar1. Penggunaan neutrondi berbagai bidang
2
M.. H-'1A ~
Gambar 2 menunjukkan relasi dispersi neutron, foton daD elektron, digambarkan dalam skala logaritmik. Lingkarim dalam gambar 2 menggambarkan daerah dimana fonon, magnon clan berbagai eksitasi dalam bahan diharapkan terjadi. Ini berarti b'ahwa neutron adalah partikel yang terbaik untuk mengamati eksi~i dalam bahan. Kurva dispersi elektron juga melintasi lingkaran tersebut, akan tetapi karena elektron bermuatan maka interaksinya dengan bahan t~rlalu kuat, sehingga kurang baik untuk mengamatDeksitasi.
;'
~
~
POUMER IlMU BAHAN
DI
BERBAGAI i
MOlEKUl
N~
~I
13 Ht..:111'i
~
P~
fft
Energy MeVr Moo,.. KeVI
Soli
X-..
UI.,. v;oIo' V.ovum
:V
~/
f
u.v.
V;.;hj,
EI.clron
,.
...
111",".!
In(,.,.d ...Nculron
......"'C~d meV Ult::
...'"
..
-/' neV'.
/
Cold
" M.I. Ex".."o.
.,1HM
-,"'.
r
/'
I -I
lU."
'"
Nc...on
/--<;
...
/leV
.,/'
..., ~ ,...~~---~!c"'ron
111.)
10.2 Momentum
I
I
10-1
1
I
10
k (A-I)
Gambar 2. Relasidispersineutron, totondan elektrondaneksitasiutamadalamlat. Karena neutron mempunyai spin, maka hamburannya bergantung pada spin inti bahan. Kebolehjadian hamburan dengan spin paralel dan spin anti paralel berbeda. Hal inilah yang menimbulkan hamburan koheren dan inkoheren. Mempunyai mom en magnetik. . Momen magnetik neutron dapat bergandeng dengan variasi spasial magnetisasi bahan dalam skala atomik, sehingga neutron sangat ideal untuk penelitian struktur magnetik dan fluktuasi magnetik.
i
N...tw..f'"k H~ L..l.., H~ ~
~ H~ ~
Grenoble dengan fluks 1,2x1O15n/(cm2s). Sebuah reaktor super-ILL, yaitu reaktor ANS (Advanced Neutron Sources) akan dibangun di ORNL untuk menggantikan HFBR clanHFIR. Pengembangansumber neutron pada masa depan mempunyai kendala dalam dua tal yaitu tentangan masyarakat terhadap pembangunan reaktor nuklir clan kejenuhan dalam peningkatan fluks neutron. Untuk memperoleh fluks neutron yang tinggi, sebuah cara lain dikembangkan berdasarkan reaksi inti dengan partikel bermuatan. Cara ini sebetulnya telah dikembangkan sebelum reaktor CP-I dibangun clan dilaksanakan dengan pemercepat Cockroft-Walton atau siklotron di Berkeley. Namun karena perkembangan teknologi reaktor sangat cepat clan menjanjikan, maka cara ini dilupakan. Baru setelah fluks neutron yang diperoleh dari reaktor fisi mendekati kejenuhan, maka cara ini yang disebut reaksi pemecahan (spallation reaction) dikembangkan kembali. Apabila proton berenergi tinggi (800MeV) ditembakkan pada inti berat (Pb, W, U) maka terjadilah reaksi pemecahan yang menghasilkan neutron, seperti halnya batu yang dipecah dengan sebuah palu besi. Dalam reaksi ini dihasilkan 20-40 neutron per proton. Selain dapat menghasilkan fluks neutron yang tinggi, keuntungun lain dari sumber neutron pemecahan(spallation nez/tron source) juga karena panas yang ditimbulkan lebih rendah dari reaksi fisi. Tabel I menunjukan karakteristik reaksi pemecahandibandingkan reaksi lain.
PERKEMBANGAN HAMBURAN NEUTRON PADA MASA DEPAN Walaupun neutron mempunyai beberapa keunggulan
dibandingkan
dengan
probe
mikroskopik lainnya, namun neutron mempunyai fluks yang relatif rendah dan mahal. Perkembangan hamburan
neutron
pada
masa depan tergantung
pada pengembangan sumber neutron generasi barn yang dapat menghasilkan fluks yang tinggi. Sumber Neutron Masa Depan Reaktor pertama CP-1 dbangun pada bu1an Desember 1942, sepu1uh tahun setelah neutron ditemukan, atau empat tahun setelah fisi dikembangkan. Dalam kurun waktu 1950-1960, banyak negara telah membangun rcaku)r penclitian dengan daya antara 10-25 MW. Dua buah reaktor yang mempunyai tluks tinggi ialah HFBR di Brookhaven clan HFIR di Oak Ridge, yang dibangun tahun 1970. Pada saat ini reaktor yang mempunyai tluks tertinggi ialah reaktor ILL,
.f c
i
t .,
/
..,.
,..
'...
"'0
,., '*
,...
Gambar 3 Perkembangan fluksneutrondariberbagai sumber
~I
13 Ht.:1111l
~
2.
PG1~
I:{~
Gambar 3 menunjukkan bahwa fluks neutron dari sumber pemecahan meningkat terus secara linier, sedangkan peningkatan fluks dari reaktor fisi mendekati kejenuhan. Berbeda dengan reaktor fisi, neutron yang dihasilkan dari sumber pemecahan berbentuk pulsa. Sumber neutron pemecahan yang pertama ialaI1 ZING-P yang beroperasi antara tahun 1977-1980 di Argonne, diikuti dengan beroperasinya beberapa sumber neutron pemecahan generasi pertama, WNR, KENS, ZING-P', IPNS dan LANSCE (Gambar 3). Generasi kedua diawali dengan beroperasinya ISIS di Rutherford-Appleton Laboratory, Inggris pada tahun .1986, diikuti beroperasinya SINQ di Swiss. Sumber Pemecahan generasi ketiga sedang dirancang di Europa, Amerika Serikat dan Jepang yang perinciannya dapat dilihat pada tabel 2. Selain penelitian fundamental dan terapan, Proyek Sains Neutron di Jepang memanfaatkan berkas proton dari LINAC untuk ADTS (Accelerator-Driven Transmutation Systcm) untuk mentransmutasi inti-inti berumur panjang dari limbah PL TN menjadi inti-inti berumur pendek yang tidak berbahaya. ADTS juga mampu menghasilkan listrik dari Subcritical Core yang sebagiandigunakan untuk mengoperasikan LINAC.
KECENDERUNGAN PENELITIAN MASA DEPAN
~,
~
HM,4 L..!..,HM,4 ~
J
HM,4 ~
1. Fisika mat~rial lunak yang meliputi antara lain 2. 3.
4.
5
polimer, ge.las,komposit dan bahan biologis. Kondisi ekstrim dan multi ekstrim, antara lain transisi rasa pada kondisi ekstrim. Penggunaan dalam industri, antara lain tegangan s:isa, katalisis multikomponen, dan lain-lain. Fisika pennukaan, antara lain struktur antar muka zat cair dan bahan amorf, vibrasi permukaan, reaksi kimia dan katalisis pada antarmuka.
Magnetisme,antara lain senyawatransuranik, mekanisme superkonduktor, bahan magnetik organik.
6.
I
Film tip is, s~uktur molekullapisan tunggal.
KESIMPULA
~
Karena sifat-sifat neutron yang unik, maka
penggunaannyasebagaiprobe mikroskopik akan berkembang tertus dengan cepat. Karena biaya memproduksi neutron mahal, maka dianjurkan tidak menggunakan 4amburan neutron apabila suatu
problema dapatl dipecahkandenganmetoda nonneutron. Dengan dibangunnya sumber neutron generasi masa depan dengan fluks neutron yang meningkat pesat, maka terbukalah bidang-bidang penelitian baru.
Dengan peningkatan fluks yang diperoleh dari sumber neutron masa depan, ekspansi frontir hamburan neutron diharapkan terjadi. Bidangbidang konvensional dalam hamburan neutron seperti struktur, magnetis dan transisi fasa masih tetap menarik, apalagi dengan timbulnya material barn, seperti fermion berat, superkonduktor temperatur tinggi, lapisan ganda, C6Odan C7O,dan lain-lain. Kecenderungan penelitian dimasa depan ialah:
4
N~
I
DAFTARPUS'tAKA P.Schofield ed, 1982, The Neutron and Its Application, e Instituteof Physics,Bristol G.H. Lan on, Proc. Fifth International Symposium on Advanced Nuclear Energy Research,1724,1993 3. NeutronSci nce Project,JAElU, 1997
13Ht.:111't
Ke Daftar Isi
