SIMULASI APLIKASI SIKLOTRON UNTUK PERTANGGALAN RADIOKARBON ( 14 C)

Transkripsi

1 Volume 14, November 2012 ISSN PERTANGGALAN RADIOKARBON ( 14 C) Pramudita Anggraita dan Wisjachudin aisal Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan BATAN pramudita@batan.go.id, wisjach@ahoo.com ABSTRAK PERTANGGALAN RADIOKARBON ( 14 C). Telah dilakukan simulasi aplikasi siklotron untuk pertanggalan radiokarbon dengan simulasi pemisahan lintasan ion 12 C, 13 C, dan 14 C menggunakan perangkat lunak Scilab Perhitungan simulasi dilakukan secara eksak dan iterasi, ternata cara iterasi memberikan hasil ang lebih baik. Hasil simulasi dengan program iterasi menunjukkan pemisahan lintasan ang nata. Kajian dari eksperimen ang telah dilakukan dengan membangkitkan, mempercepat, dan deteksi ion karbon negatif belum memungkinkan untuk pengukuran kadar 14 C pada pertanggalan karbon, karena arus ion karbon ang dibangkitkan belum cukup besar Kata kunci : siklotron, pertanggalan radiokarbon, ion karbon negatif, simulasi pemisahan lintasan ABSTRACT A simulation on the application of cclotron for radiocarbon dating was carried out b simulating trajector separation between 12 C, 13 C, dan 14 C using Scilab software. Calculations in the simulation were carried out b using exact and iteration method, and the result shows that the iteration method is better. The simulation using iteration program shows clear trajector separations. The experimental stud b generating, accelerating, and detection of negative carbon ion showed no possibilit et for 14 C measurement in carbon dating, as the carbon ion generated is not sufficient. Kewords: cclotron, radiocarbon dating, negative carbon ion, trajector separation simulation PENDAHULUAN Pertanggalan radiokarbon merupakan salah satu pemanfaatan teknologi nuklir ang sangat spesifik dalam menentukan umur cuplikan bahan organik dengan mengukur kandungan 14 C dalam cuplikan tersebut. Di alam kandungan 14 C selalu terbentuk akibat reaksi sinar kosmis dengan 14 N. Pengukuran kandungan 14 C dapat dilakukan dengan mengukur radioaktivitasna (umur paro 5730 tahun) maupun dengan pengukuran arus ionna menggunakan teknik AMS (Accelerator Mass Spectrometr). Pada pengukuran ang didasarkan pada radioaktivitas, proses analisisna relatif lebih lama karena harus melewati beberapa proses antara lain sintesis 14 C menjadi benen, dilanjutkan dengan pengukuran aktivitas beta dari 14 C ang terkandung dalam benen tersebut dengan alat pencacah kelip cair, dengan waktu cacah kurang lebih 3 hari. Pengukuran d 13 C dari cuplikan CO 2 dilakukan dengan spektrometer massa untuk koreksi fraksinasi isotop, dan data hasil ang telah terkoreksi masih harus dikoreksi lagi berdasarkan fluktuasi kandungan 14 C pada masa silam dengan koreksi lingkaran pohon. [1] Pengukuran 14 C dengan AMS lebih teliti dan peka sehingga hana perlu cuplikan ang sangat sedikit, tetapi memerlukan akselerator dc (percepatan satu kali) dengan tenaga beberapa MeV ang hargana tidak murah. [2,3] Resonansi laser juga dapat digunakan untuk pengukuran fraksi 14 C/ 12 C dengan ketelitian mendekati AMS ( 14 CO 2 / 12 CO ). [4] Dalam spektrometer massa biasa berkas ion hana menempuh satu orbit lintasan (dipercepat satu kali) atau kurang sehingga daa pisahna terbatas. Pada siklotron, berkas ion dipercepat beberapa kali dalam banak orbit ang frekuensina disinkronkan dengan besar kuat medan magnet ang dipakai dan muatan serta massa ion ang dipercepat. Akibatna orbit ion ang muatan dan massana tidak sinkron akan ditolak sehingga hana ion ang dikehendaki ang lolos hingga orbit terakhir. Interferensi 14 N (beda massa 1/80.000) terhadap 14 C dapat ditiadakan dengan menggunakan ion negatif, karena nitrogen tidak membentuk ion negatif, tetapi pembentukan ion negatif juga mempunai keterbatasan karena efisiensi pembentukanna ang rendah dan perlu vakum cukup tinggi (10-7 Torr) untuk mempertahankan berkasna. [5,6] Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasina Vol. 14, November 2012 :

2 Volume 14, Nopember 2012 ISSN Siklotron ang bertenaga rendah (100 kev) berukuran kecil sehingga relatif mudah dan murah untuk dibuat, ditempatkan, dan dioperasikan khusus untuk mempercepat dan mendeteksi 14C. Jika siklotron ditala khusus untuk mempercepat 14C, maka banakna lintasan melingkar (orbit) dalam siklotron akan menisihkan ion-ion lain karena orbitna tidak sinkron, sehingga kepekaanna untuk mendeteksi 14C semakin besar. Perlu diperhatikan kepekaan deteksi 14C siklotron 100 kev dalam menisihkan ion 12C (kelimpahan > 1012 kali) dan 13C (kelimpahan > 1010 kali), maupun dari penimbrungan (interferensi) ion ang massana berdekatan seperti 13CH (massa 0,06% lebih berat) dan 12CH2 (massa > 0,06% lebih berat). [5-7] Untuk perhitungan digunakan perangkat lunak Scilab ang merupakan perangkat lunak gratis (freeware). Pilihan perangkat lunak ini karena langsung dapat digunakan untuk membuat gambar lintasan, dan perangkat lunak serupa ang tidak gratis, Mathlab, dalam beberapa pustaka juga digunakan untuk perhitungan lintasan serupa. Hasil perhitungan dianalisis untuk menunjukkan pemisahan antara lintasan berkas ion 12 C, 13 C, 14 C dan ion ang massana berdekatan. Program lintasan serupa juga telah dilakukan untuk siklotron dengan tenaga ang lebih besar. [8,9] TEORI Perhitungan lintasan berkas ion muatan q kecepatan v r didasarkan pada gaa r ang diterima oleh partikel bermuatan dalam medan listrik E r dan medan magnet B r r = q( E + v B). (1) Medan listrik E r merupakan fungsi posisi (x,,) dan waktu (t), sedang medan magnet B r merupakan fungsi posisi saja. Besar kedua medan ini dapat diperoleh dari simulasi perhitungan maupun dari pengukuran (mapping). Secara komponen persamaan 1 dapat dituliskan sebagai x = q = q = q ( E x + v B v B ( E + vx B v Bx ( E + v Bx v x B Secara relativistik, ada perbedaan pengaruh gaa r terhadap perubahan momentum dan PERTANGGALAN RADIOKARBON (14C) Pramudita Anggraita, dkk ), ). ), kecepatan searah dan tegak lurus kecepatan vr. [10] Persamaan gerak searah vr diberikan oleh r r 3 r s = dps / dt = mγ dvs / dt, (2) dengan gaa searah vr diberikan oleh r s = sv, s = (. v) / v dan koreksi relativistik γ = 1/ kecepatan cahaa. oleh 2 1 c 17 (3) 2 2 v /, c = Persamaan gerak tegak lurus vr diberikan r t r r = dp / dt = mγdv / dt, t dengan gaa tegak lurus vr diberikan oleh dan t = s. Dari persamaan (3) dan (4) komponen r t dapat dihitung = sv, =, i x,,. si i ti i si = t (4) (5) r s (6) Jika semua komponen gaa sudah diketahui maka perubahan kecepatan dr v, kecepatan baru v = v 0 + dv, dan posisi baru x = x 0 + vdt dapat ditentukan. Interval waktu dt = dx/v dapat dipilih sedemikian hingga jumlah optimal data medan dapat digunakan. METODE PENELITIAN Penelitian dilakukan dengan mempelajari penelitian ang telah dilakukan sebelumna, sedang perhitungan lintasan dilakukan dengan metode iterasi seperti ang telah dibahas dalam teori, tetapi hana untuk 2 dimensi dan kuat medan magnet dianggap homogen dan dee 180 dengan celah pemercepat 1 mm, tegangan maksimum dee 0,4 hingga 1 kv, fase 90 hingga 95 tergantung kestabilan lintasan ang diperoleh. Untuk tenaga awal digunakan 5 kev dan ruji awal 28 mm. [6] PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN Pada kuat medan magnet 1 tesla, frekuensi dasar siklotron untuk 12 C, 13 C dan 14 C adalah 1,282; 1,183 dan 1,098 MH. Pada kuat medan magnet 1 tesla, ruji akhir tenaga 100 kev untuk C-12; 13: dan 14 adalah 15,8; 16,4 dan 17,0 cm, sedang ruji awal

3 Volume 14, November 2012 ISSN jika tenaga 1 kev untuk C-12, 13, dan 14 adalah 1,58; 1,64 dan 1,70 cm. Pada kuat medan magnet 1 tesla, tenaga akhir 100 kev, 50 orbit, jarak rerata antar orbit untuk C-12; 13: dan 14 adalah 3,15; 3,28 dan 3,40 mm. Dari acuan, penggunaan harmonik (h) ang tinggi dan banak putaran (n) meningkatkan resolusi pemisahan massa berkas (nh). Dengan perbandingan kandungan untuk C-12: 13: 14 = : : 1 diperlukan arus order pikoamper ang harus diakumulasikan dalam waktu ang cukup. Gambar 1. Sumber ion internal C tipe sputtering Cs + ang ditempatkan di kawasan pusat siklotron. [6] Sumber ion internal C mini tipe sputter Cs dapat memberikan arus Cs + 1 µa dan arus C 1 na, ditempatkan pada central region (Gambar 1). Berkas ion Cs ev ditembakkan pada target lapisan C pada substrat Mo, dengan kisi (grid) di depan dan pelindung di belakang ang ditanahkan. Cs-oksida dalam tungsten (W), Ø 6 mm panjang 2 cm dipanaskan dengan filamen 1100 ºC, uap Cs terionisasi menembus pori permukaan tungsten (W). Sumber Cs diberi tegangan +100V, kisi (grid) dan perisai (shield) Cu ditanahkan. Ekstraksi berkas ion C dengan septum bercelah sekitar 2 mm dengan tegangan sekitar 2 kv untuk berkas ion tenaga kev. Arus ang dihasilkan terlalu kecil untuk deteksi 14 C. [6] Sumber ion eksternal C tipe sputter Cs (General Ionex model 860) dapat memberikan arus Cs + order ma dan hingga 20 µa C dengan grafit atau CO 2, ekstraksi 20 kv. Ion C negatif digunakan untuk mencegah interferensi 14 N dan resolusi minimum 1800 untuk mencegah interferensi 13 CH, dengan operasi pada harmonik (frekuensi MH), medan magnet sangat homogen (1 T), putaran ion, dan tegangan dee V. Berkas dikendalikan dengan lensa Einel dan kuadrupol listrik, filter Wien memisahkan awal 12 C dan 14 C, kemudian berkas dimasukkan siklotron secara radial (bukan aksial untuk menghindari lubang pada kutub magnet ang akan merusak homogenitas medan magnet)(gambar 2). Karena masih banak berkas hilang pada sistem optik berkas ion, arus baru cukup untuk deteksi 14 C kadar moderen dengan siklotron tenaga kev ang dapat digunakan untuk aplikasi biomedis, belum untuk pertanggalan karbon. Dengan efisiensi ekstraksi ang menurut acuan hana 2,5%, dari sumber ion eksternal ang dapat memberikan hingga 20 µa C hana sekitar 500 na ang mencapai detektor atau sekitar 3, ion C per detik, atau sekitar 3 ion 14 C per detik untuk cuplikan karbon masa kini, dengan pemisahan ang cukup baik dari isotop 13 C dan 14 C. [7] Cuplikan umur t tahun arus 14 C-na (1/2) t/t lebih rendah, T = 5730 tahun. Gambar 2. Sumber ion eksternal C tipe sputtering Cs + ang ditempatkan di luar siklotron dengan sistem injeksi radial [7]. Simulasi lintasan dipelajari untuk melihat pemisahan berkas ion 12 C, 13 C, dan 14 C dalam siklotron ang tertala untuk 14 C dengan perangkat lunak SciLab. Program Scilab tanpa iterasi (eksak) ang untuk proton telah dapat memberikan simulasi hingga banak lintasan (Gambar 3a), tetapi pada energi tinggi belum sesuai dan masih melompat pada beberapa titik. Program dimodifikasi untuk ion 14 C +, tetapi ternata belum memberikan lintasan ang baik, terutama pada awal lintasan (Gambar 3b). Disimpulkan bahwa program eksak Scilab untuk lintasan ion 12 C, 13 C, dan 14 C pada frekuensi siklotron 14 C harmonik 15 belum memberikan hasil baik. Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasina Vol. 14, November 2012 :

4 Volume 14, Nopember 2012 ISSN Dengan algoritme seperti program eksak, program iterasi Scilab (Lampiran) untuk lintasan awal ion 12 C, 13 C, dan 14 C pada frekuensi siklotron 14 C harmonik 15 telah dapat menunjukkan pemisahan lintasan pada masing-masing isotop (Gambar 4a). Dengan pengaturan ketelitian pembulatan dan iterasi ke arah x, program iterasi juga sudah memberikan lintasan ang baik untuk beberapa putaran dan memberikan pemisahan ang nata jika massa berbeda ±0,06% (Gambar 4b). (a) (a) (b) Gambar 4. Pemisahan lintasan dalam siklotron dengan program iterasi dan frekuensi harmonik ke-15 untuk ion 14 C + dengan (a) ion 12 C + dan 13 C + pada putaran pertama, dan (b) ion dengan beda massa ±0,06% terhadap 14 C +. KESIMPULAN (b) Gambar 3. Lintasan dalam siklotron dengan program eksak untuk (a) proton pada harmonik pertama, dan (b) ion 14 C pada harmonik ke 15. Hasil terakhir ini menunjukkan bahwa penimbrungan (interferensi) ion ang massana berdekatan seperti 13 CH (beda massa sekitar 0,06%) dan 12 CH 2 (beda massa > 0,06%) dapat diatasi. PERTANGGALAN RADIOKARBON (14C) Pramudita Anggraita, dkk Studi menunjukkan bahwa pembangkitkan ion karbon negatif secara eksternal dapat memberikan jumlah ion 14 C ang cukup untuk dideteksi tetapi belum memungkinkan untuk pengukuran kadar 14 C untuk pertanggalan karbon. Simulasi dengan program iterasi (bukan eksak) untuk pemisahan lintasan ion 12 C, 13 C, 14 C, dan interferensi massa ±0,06% dengan menggunakan Scilab telah dapat menunjukkan pemisahan lintasan ang nata. ACUAN [1] WISJACHUDIN, SISWANTO, 2007, Pertanggalan Radiokarbon Cuplikan Arang di Daerah Song (Gua) Keplek Gunung Sewu, Prosiding Seminar Nasional X Kimia Dalam Pembangunan, Temu Ilmiah JASA KIAI, Yogakarta 21 Juni 2007, hal , ISSN

5 Volume 14, November 2012 ISSN [2] ANONIM, 2009, g. [3] HALL ET, 1980, Advances in Carbon Dating Using High Energ Mass Spectrometers, Contemporar Phsics, , Volume 21, Issue 4, [4] BLAU, STEVEN K., 2012, A New Suitor in The Carbon-14 Dating Game, Phs. Toda, Vol. 65, Issue 2, page 20 (ebruar 2012). [5] STEPHENSON EJ, MAST TS, MULLER RA, 1978, Radiocarbon Dating with a Cclotron, LBL [6] WELCH JJ, 1987, Advanced Accelerator Methods: The Cclotrino, Lawrence Berkele Laborator Report LBL [7] BERTSCHE KJ, KARADI CA, MULLER RA, PAULSON GC, 1990, Detection of Radiocarbon in the Cclotrino, Lawrence Berkele Laborator Report LBL [8] PRAMUDITA ANGGRAITA, BUDI SANTOSA, TAUIK, EMY MULYANI, RIDA ISWINNING DIAH, Beam Tracking Simulation on the Central Region of A 13 MeV PET Cclotron, AIP Conf. Proc. 1454, (2012), International Conference on Phsics and Its Applications, Bandung November [9] PRAMUDITA ANGGRAITA, BUDI SANTOSA, TAUIK, EMY MULYANI, RIDA ISWINNING DIAH, Special Relativit in Beam Trajector Simulation in Small Accelerators, Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasina, Yogakarta 13 Desember 2011, hal [10] WIEDEMANN H, 1993, Particle Accelerator Phsics, Basic Principles and Linear Beam Dnamics, Springer-Verlag, Berlin. TANYA JAWAB Bangun Wasito Tadi dijelaskan perbandingan massa C 12 : C 14 = : 1 dalam grafik melingkar ang muncul dan bisa terpisah hana C 14. Apakah pengaruh masa ang jauh lebih banak ini tidak berpengaruh? Pramudita Anggraita Tergantung harmonik ang dipakai (h=1 s.d 15) dalam simulasi dapat terpisah salah satu isotopkarbon saja. Karena ang ingin diukur hana C-14, dipilih keadaan (harmonik dan fase) di mana hana C-14 ang terpisah. Massa ang jauh lebih besar akan lebih mempercepat pemisahan Ratmi Herlani Diseebutkan bahwa terdapat pemberian carbon negatif (C-), mohon dijelsakan mengapa bisa terjadi demikian dikarenakan atom carbon mempunai valensi positif 4 (+4). Bagaimana dengan atom/unsur ang lain? Pramudita Anggraita Atom karbon dapat mengikat satu elektron (dengan tenaga ikat kecil) sehingga menjadi ion negatif (C-). Dari literatur tidak semua atom dapat mengikat elektron (ikatan sangat lemah), misalna N (nitrogen), sehingga tidak dapat menjadi ion negatif Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasina 20 Vol. 14, November 2012 : 16-21

6 Volume 14, Nopember 2012 ISSN LAMPIRAN. Program iterasi lintasan berkas 14 C + hingga 7 putaran ( iterasi). PERTANGGALAN RADIOKARBON (14C) Pramudita Anggraita, dkk 21