AKSELERATOR PARTIKEL

Akselerator adalah alat yang dipakai untuk mempercepat gerak partikel bermuatan seperti elektron, proton, inti-inti ringan, dan inti atom lainnya. Mempercepat gerak partikel bertujuan agar partikel tersebut bergerak sangat cepat sehingga memiliki energi kinetik yang sangat tinggi. Untuk mempercepat partikel ini diperlukan medan listrik ataupun medan magnet. Dilihat dari jenis gerakan partikel, ada dua jenis akselerator, yaitu akselerator dengan gerak partikelnya lurus (lebih dikenal dengan sebutan akselerator linier) dan gerak partikelnya melingkar (akselerator magnetik).Akselerator partikel pertama kali dikembangkan oleh dua orang fisikawan Inggris, J.D. Cockcroft dan E.T.S. Walton, di Laboratorium Cavendish, Universitas Cambridge pada 1929. Atas jasanya ini, mereka dianugerahi hadiah Nobel bidang fisika pada 1951. Pada mulanya, akselerator partikel dipakai untuk penelitian fisika energi tinggi dengan cara menabrakkan partikel berkecepatan sangat tinggi ke target tertentu. Namun, ada beberapa jenis akselerator partikel yang dirancang untuk memproduksi radiasi berenergi tinggi untuk keperluan radioterapi.SiklotronSiklotron merupakan salah satu jenis akselerator melingkar dan digunakan untuk mempercepat partikel bermuatan listrik. Siklotron berbentuk melingkar dengan menggunakan medan magnetik dalam menjaga agar ion-ion bermuatan (biasanya proton) bergerak dalam lintasan.Siklotron merupakan piranti untuk mempercepat gerak partikel bermuatan listrik. Siklotron dikembangkan pada tahun 1930 oleh E. O. Lawrence (1901-1958), dengan menggunakan sebuah medan magnetik untuk menjaga agar ion-ion bermuatan (biasanya proton) bergerak dalam lintasan melingkar. Siklotron merupakan alat untuk mempercepat partikel berat seperti : proton,deutron dan partikel-partikel alpa, terdiri dari dua ruang semisilinder yang ditempatkan dalam medan magnet.Di antara kedua semisilinder diberi potensial listrik bolak-balik (104 volt). Ion dalam semisilinder akan mengalami gaya magnet yang menyebabkan bergerak dalam setengah lingkaran lalu dipercepat oleh medan lisrik E, masuk lagi ke dalam medan magnet B dan bergerak milingkar dengan jari-jari lebih besar (karena kecepan lebih besar). Partikel-pertikel bermuatan dibelokkan dalam suatu lintasan melingkar oleh medan magnetik dan dipercepat oleh suatu medan listrik setiap partikel-partikel yang melintasi celah.

Prinsip Kerja SiklotronGambar diagram sebuah siklotron:

Dua elektroda tembaga yang berbentuk D (D-shaped object) disebut dees, ruangan seluruhnya di buat vakum (hampa udara). Kedua elektroda dihubungkan dengan sumber tegangan bolak balik frekuensi tinggi. Partikel yang ingin di percepat ditaruh ditengah-tengah siklotron (P). Dees tersebut dicelupkan di dalam medan magnet yang arahnya keluar bidang.Misalkan ada proton-proton bergerak dalam dua bidang setengah lingkaran yang terpisah oleh suatu celah (dee). Setiap kali proton-proton lewat melintasi celah di antara kedua bidang setengah lingkaran, suatu tegangan diberikan pada proton-proton yang akan mempercepat proton-proton. Percepatan ini meningkatkan kelajuan proton-proton dan juga jari-jari kelengkungan lintasan proton-proton. Sekali proton tersebut berada di dalam dee, maka proton disaring dari medan listrik oleh dinding logam dee, medan magnet tidak disaring sehingga proton tersebut membelok berbentuk lingkaran yang jari-jarinya yang bergantung pada kecepatan.BETATRONUntuk mendapatkan sinar-X dengan energi yang sangat tinggi, para ilmuwan telah membangun mesin pembangkit sinar-X yang sangat kuat. Salah satu di antaranya adalah mesin pembangkit yang diberi nama betatron. Mesin ini pada prinsipnya adalah suatu tabung sinar-X berukuran sangat besar. Betatron pertama kali diperkenalkan pada 1941 oleh Donald William Kerst dari Universitas Illinois, Amerika Serikat. Penamaan betatron mengacu pada salah satu jenis sinar radioaktif, yaitu sinar-, yang merupakan aliran elektron berkecepatan tinggi.Betatron terdiri atas tabung kaca hampa udara berbentuk cincin raksasa yang diletakkan di antara dua kutub magnet yang sangat kuat. Penyuntik berupa filamen panas yang 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 akan bekerja pada eletron tersebut. Gaya yang pertama membuat elektron bergerak mengikuti lengkungan tabung. Di dalam medan magnet, partikel akan bergerak melingkar. Gaya yang kedua berperan mempercepat gerak elektron hingga kecepatannya semakin tinggi. Melalui gaya kedua ini, elektron memperoleh energi kinetik yang sangat besar.Dalam waktu sangat singkat, elektron akan bergerak melingkar di dalam tabung beberapa ribu kali. Apabila energi kinetik elektron telah mencapai nilai tertentu, elektron dibelokkan dari jalur lengkungnya sehingga dapat menabrak target secara langsung yang berada di tepi ruangan. Dari proses tabrakan ini dipancarkan sinar-X berenergi sangat tinggi. Sebagian besar betatron menghasilkan elektron berenergi kira-kira 20 MeV.Betatron memiliki kelemahan karena mesin itu memerlukan magnet berukuran sangat besar guna mendapatkan perubahan fluks yang diperlukan untuk mempercepat elektron. Untuk mengatasi kelemahan ini, diperkenalkan jenis akselerator elektron lainnya yang menggunakan magnet berbentuk cincin yang diberi nama sinkrotron elektron. Alat ini berfungsi sebagai pemercepat elektron yang mampu menghasilkan elektron dengan energi kinetik lebih besar dibandingkan betatron. Elektron dengan energi antara 50100 kV dipancarkan dari filamen untuk selanjutnya dipercepat di dalam alat. Pada saat akhir proses percepatan, elektron ditabrakkan menuju sasaran sehingga dihasilkan sinar-X dengan energi dan intensitas tinggi.Akselerator Linier

Akseletaror linier (Linear Accelerator, LINAC) pertama kali diperkenalkan oleh R. Wideroe di Swiss pada 1929, namun unjuk kerjanya saat itu kurang memuaskan. LINAC mempunyai kelebihan dan kekurangan dibandingkan dengan akselerator magnetik. Kelebihan LINAC adalah alat ini memerlukan magnet dengan ukuran yang jauh lebih kecil dibandingkan pada akselerator magnetik untuk menghasilkan partikel dengan energi kinetik yang sama.Akselerator ProtonProton merupakan partikel nuklir bermuatan positif sehingga dapat dipercepat di dalam akselerator. Mempercepat gerak proton ini bertujuan untuk mendapatkan proton dengan energi sesuai dengan yang diinginkan. Karena dapat dipercepat, maka energi proton dapat diatur sedemikian rupa disesuaikan dengan kedalaman organ di mana kanker bersarang.Sifat menguntungkan lainnya yang dimiliki proton adalah bahwa panjang jejaknya di dalam tubuh sangat ditentukan oleh besar energi yang dimilikinya. Semakin besar energi proton, akan semakin panjang lintasannya. Sifat ini sangat menguntungkan karena pemberian dosis radiasi pada kanker yang bersarang di kedalaman tubuh dapat diatur melalui pengaturan energi proton yang akan ditembakkan ke sasaran itu. Dengan pengaturan energi yang tepat, berkas proton mampu mencapai tempat dimana kanker bersarang dan akan menyerahkan sebagan besar energinya ke sasaran yang dituju. Dengan teknik ini, sel-sel normal yang dilalui berkas proton yang berada di antara permukaan tubuh dan tempat kanker bersarang tidak akan banyak mengalami kerusakan.Keuntungan yang paling utama dan tidak dimiliki oleh teknik radioterapi kanker lainnya adalah bahwa berkas proton dapat diarahan secara tepat menuju sasaran. Karena proton bermuatan listrik maka berkas itu dapat diarahkan dengan medan magnet dari luar. Itulah sebabnya, proton dapat dipakai untuk radioterapi kanker yang bersarang dalam organ tubuh yang sangat sensitif seperti mata dan otak. Karena gerakan proton dapat diarahkan maka proton tidak akan mengalami banyak hamburan ketika bertabrakan dengan inti atom sel-sel dalam tubuh. Dengan demikian, para dokter dapat memberikan dosis proton kepada pasien dalam jumlah besar tanpa ada rasa takut akan timbulnya efek samping terhadap sel-sel normal di sekelilingnya. Dalam radioterapi dengan proton ini, dosis radiasi yang diberikan kepada pasien bisa tiga kali lebih besar dibandingkan jika radioterapi dilakukan dengan sinar-Generator NetronNetron berinteraksi secara langsung dengan inti atom H. Bahan-bahan yang banyak mengandung H akan lebih banyak menyerap energi netron dibanding bahan lainnya. Jaringan lunak tubuh manusia sebagian besar terdiri atas air yang tentu saja banyak mengandung atom H, sedang jaringan keras seperti tulang tidak banyak mengandung H. Berdasarkan perbedaan kadar kandungan H ini, maka netron dapat menghancurkan sel kanker yang bersarang dalam jaringan lunak tanpa memberi efek pada jaringan keras. Sedang sinar-X akan lebih banyak terserap oleh jaringan keras, sehingga efeknya pun akan lebih banyak menimpa jaringan tersebut.Dalam beberapa kasus penyakit kanker, ada suatu sel yang dinamakan sel hipoksit, yaitu sel yang dapat hidup dan berkembang biak meskipun kekurangan suplai oksigen. Sinar-X ternyata kurang efektif untuk membunuh sel kanker semacam ini dibanding dengan kemampuannya dalam membunuh sel yang banyak mendapatkan suplai oksigen. Kerusakan yang ditimbulkan oleh sinar-X pada sel kanker sangat ditentukan oleh keberadaan unsur oksigen di tempat itu. Netron, karena sebagian besar energinya diserap oleh atom H, dapat membunuh sel hipoksit dengan kemampuan dua kali lipat dibandingkan sinar-X.Masalah yang dihadapi dalam pemanfaatan netron untuk radioterapi ini adalah diperlukannya mesin pembangkit netron bernama Cyclotron dalam ukuran besar untuk memproduksi netron berenergi tinggi. Netron dengan energi rendah (7,5 MeV) hanya bisa dipakai untuk terapi kanker di dekat permukaan tubuh. Sedang untuk menghancurkan sel kanker di kedalaman tubuh diperlukan netron berenergi kinetik tinggi, yaitu sekitar 30 MeV. Sayangnya, netron merupakan partikel yang tidak bermuatan listrik sehingga tidak bisa dipercepat untuk memperbesar energinya di dalam akselerator.