RADIASI SYNCHROTRON VERSUS NEUTRONDALAM PENELITIAN MATERIAL

Marsongkohadi

KBK Pengetahuan Nuklir, Jurusan Fisika, FMIP A Institut Teknologi Bandung

ABSTRAK

RADIASI SYNCHROTRON VERSUS NEUTRON DALAM PENELITIAN MATERIAL. Sejak tersedianya sinar-X dari sumber radiasisynchrotron (SRX), beberapa kekurang-mampuan sinar-X dibandingkan neutron yang telah dial ami sebelumnya, dapat diatasi sehinggakeunggulan teknik hamburan neutron mendapat saingan. Sifat-sifat unik SRX, misalnya berkas intens yang terkolimasi halus, resolusi vektorgelombang tinggi, kemampuan merubah panjang gelombang, polarisasi sempurna serta sifat pulsa berkas, sangat ideal untuk menciptakan teknikbaru. Mais.alah ini membandingkan SRX dengan neutron sebagai probe mikroskopik dalam penelitian material,serta sifat-sifat unik kedua partikel,rentang (Q, OJ) sumber-sumber SRX dan neutron dan bidang-bidang hamburan SRX dan neutron. Instrumentasi dan eksperimen tipikal sepertidifraksi Bragg magnetik sinar-Xdan hamburan inelastik sinar-X juga dibahas secara singkat.

ABSTRACT

SYNCHROTRON RADIATION VERSUS NEUTRON IN MATERIAL RESEARCH. Since synchrotron radiation X-ray (SRX) becameavailable, some of the previously known disadvantages of X-rays compared to neutron have been overcome, making the eminent position ofneutron scattering being challenged. The unique properties of SRX, such as finely-collimated intense beams, high wave vextor resolution,wavelenght tunability, perfectly polarized beams and pulse beam nature make it ideally suited for new techniques. This papp:! describescomparison between SRX and neutron as microscopic probes for materials research, including the unique properties of both particle, (Q, (J)) range,SRX and neutron sources and the areas of SRX neutron scattering. Instrumentation and typical experiments such as X-ray magnetic Braggdiffraction and X-ray inelastic scattering are also briefly described.

PENDAHULUAN

Sejak tujuh dekade setelah diketemukannya,berkas neutron telah menjadi probe mikroskopik yangsangat ampuh dalam penelitian material. Pada awalnya,berkas neutron hanya digunakan dalam fisika zat padat,tetapi sekarang telah berkembang sangat pesat meliputibidang-bidang kiinia, polimer, biologi, sains permukaan,mineralogi, metalurgi daD bahan rekayasa.

Keunggulan sifat neutron yang tak adabandingannya ialah dalam penelitian bahan magnetikpada tingkat atomik daD penelitian eksitasi struktural daDmagnetik menggunakan teknik hamburan neutroninelastik.

Selain itu, karena kecepatan neutron relatifrendah dibandingkan dengan kecepatan cahaya dan pulaketergantungan pada energi, maka pengukuran waktulintas (time-of.flight measurement) dapat dikembangkan,yang temyata sangat membantu dalam penelitian bahan.

Teknik neutron yang telah mapan ini sekarangmendapat saingan berat dengan dikembangkannyasumber sinar-X barn, yakni daTi radiasi synchrotron.

Radiasi synchrotron ini mempunyai sifat-sifatyang menjanjikan antara lain berkas foton terkolimasidengan fluks yang sangat tinggi, panjang gelombangnyadapat divariasi (wave-length tunability), resolusi vektorgelombangnya tinggi clan polarisasinya sempuma. Olehkarena itu difraksi magnetik sinar-X dapat direalisasi,meskipun interaksi medan EM dengan elektron magnetiksangat lemah dibandingkan dengan interaksi momenmagnetik neutron dengan spin elektron namun hal inidapat dikompensasi dengan fluks foton yang sangattinggi serta sangat cemerlang (high brightness)

Untuk melaksanakan hamburan inelastis sinar-X, Burkel, et al [1] telah berhasil membuat SpektrometerTiga Sumbu Sinar-X (XTAS) clan berhasil menentukankurva dispersi Be [2].

Peflgembangan .sumber neutron baik melaluireaktor maupun sumber neutron pemecahan (neutronspallation source) sangat lamban. Dalam 40 tahunterakhir, perbaikan fluks hanya satu orde kebesaran clandalam 10 atau 20 tahun mendatang, satu orde lagi. Hal

~, 2g J~ 2000

Pada undulator, arnplitudo osilasinya kecil dan

memproduksi gelombang-gelombang koheren, sehinggadayanya P -N2 dan divergensinya menurun menjadi

B" = ~.JNJ1

ini sangat berbeda dengan perkernbangan surnber SRX.Dirnulai dari generasi pertama yakni sumber SRXparasitik (rnenggunakan pernercepat elektron bersama-sarna dengan fisika partikel), dilanjutkan dengan surnbergenerasi kedua di Daresburry dan sekarang sumbergenerasi ketiga ESRF, rnaka perbandingankecernerlangan surnber (source brightness) ialah1:104:109, [3]

Jurnlah peneliti yang rnenggunakan SRX jugalebih besar dari pengguna neutron, sehingga teknikhamburan neutron rnendapat saingan besar. Beberapabidang penelitian saling tumpang tindih, tetapi dalambidang-bidang tertentu teknik neutron tetap tak dapatdisaingi, sehingga kedua teknik tersebut saling rnengisi

(kornplernenter).

RADIASI SYNCHROTRON (SRX) DAN NEUTRON

Bremsstrahlung dari SynchrotronRadiasi synchrotron ialah sinar yang

dipancarkan oleh partikel relativistik bermuatan, apabilabergerak dalam orbit lingkaran, dikarenakan medanmagnet luar. Radiasi ini yang juga dikenal sebagaibremsstrahlung telah diprediksi sebelum tahun 1945,tetapi baru diamati pertama kali pacta synchrotronGeneral Electric pacta tahun 1947. Penelitian materialmenggunakan SRX baru dimulai sejak cincinpenyimpanan (storage ring) yang pertama dibuat pactatahun 1970-1973.

Oi dalam cincin penyimpanan, partikelbermuatan bergerak dalam orbit lingkaran yang dipasokberulang-kali misalnya dua kali sehari oleh psynchrotron atau pemercepat linier konvensional.Setelah muatan yang dibutuhkan terkumpul, partikeldipercepat sampai energi operasional tertentu, rnisalnya 5GeV.

Gambar 2. Kecemerlangan sinar-X dari tabung dengankatoda tetap dan berputar dibandingkan dengan SRX

~, 2ft J~ 2000

~ ~-.t..o:II.- v~ N~ ~ p~ H~

H~~.

Gambar 2. menunjukan pengaruh wiggler danundulator dalam menaikan kecemerlangan SRX.

Gambar 3. menyajikan cincin penyimpanandilengkapi dengan magnet pembelok, wiggler, undulatordan garis berkas (beam line). Cincin penyimpanandilengkapi dengan delapan buah magnet pembelok (A)dan magnet sekstupol (B) dan kwadrupol (C) digunakansupaya berkas elektron tidak tersebar. Medan EM dalamrongga (cavity) memasok energi yang hilang karenaradiasi SRX

Sumber Sinar X dun NeutronGarnbar 4 .menyajikan dua jenis sumber sinar

X clan dua jenis sumber neutron yang digunakan untukpenelitan material, serta distribusi panjanggelombangnya. Yakni tabung sinar-X (a), sumber radiasisynchrotron (b), reaktor (c), sumber neutron pemecahan(d). distribusi panjang gelombang sinar-X, (e), (t) clanuntuk neutron (g), (h)

Tabung Sinar-XTabung sinar-X terdiri dari katoda yang

memancarkan berkas elektron, dipercepat oleh medanlistrik dan menumbuk anoda, yang memancarkan sinar-Xyang terdiri dari garis-garis karakteristik dan

bremsstrahlung.Suatu mesin sinar-X, 100KeV yang sederhana

dapat menghasilkan berkas monokromatik 1010 kwantaperdetik, setara dengan sebuah reaktor berfluks tinggi,yang menghasilkan neutron monokromatik sebesar 109neutron cm -I sec -I

Gambar 3. Cincin penyimpanan

"'~. £~ flight~;;;":-" -'-~-

Sumber Radisi SynchtrotronRadiasi synchrotron meliputi seluruh spektrum

mulai dari sinar tampak, infra merah, sinar-X lunak,sampai energi cut-off dalam daerah sinar-Xkonvensional. Sejumlah garis berkas (beam line)-analogdengan lubang berkas (beam hole) pada reaktor, dipasangseputar cincin penyimpanan, yang berkas elektronnyadipasok dari pemercepat elektron.

Gambar 5. menunjukan beberapa garis berkassumber SRX di Daresbury, lnggris. Sekitar 12 MeVelektron dari pemercepat linier dimasukkan kesynchrotron booster dan dipercepat sampai 600 MeV.Selanjutnya berkas elektron ini dipasok ke dalam cincinpenyimpanan utama pada interval tertentu, yakni dua kalisehari, lalu dua kali sehari, lalu dipercepat sampai 2 GeV

Q0

~~~.,..;.."~ _L -

.too.,...., i.)

c..h- rk '- /..04. It! .""JJ--

1__'"",~"~'\

fl1.IroCL12-..!L20ml

"°""9"t'ing

1.6

g.)t~Iwl~~! I.J9.4Uroo1LQJr

[7"0

.1.:: 'II -= "'II .:,

I' to_,ncontr« I'oom

Gambar 5. Garis berkas pada sumber SRXdi Daresbury. InggrisGambar 4. Sumber sinar-X dan neutron

~, 2g J~ 2000

~ ~~ \1- N~ ,l,.I p~ H~HA..,~.

Pacta target ISIS-sumber neutron pemecahanyang terbesar saat ini, panas yang ditimbulkan hanyalah160 KW. DaIam reaksi ini dihasilkan 20 -40 neutronper proton. ISIS adalah sumber neutron pemecahangenerasi kedua yang beroperasi sejak 1984. Sumberneutron pemecahan generasi ketiga sedang dirancang diEropa (ESS, fluks 1016 -1011, Amerika Serikat (NSNS,fluks 1016 ) dan Jepang (Japan Hadron Facility, fluks1017 -1018). Gambar 7 memperlihatkan sumbu neutronpemecahan (spallation neutron source) ISIS diLaboratorium Rutherford Appleton.

Suatu sumber SRX generasi ke tiga telabdibangun di Grenoble, Perancis pada tabun 1988 oleh 12negara eropa yang diberi nama European SynchrotronRadiation Facility (ESRF). Fasilitas ini mulai beroperasiSeptember 1994 dengan 12 garis berkas daDdirencanakan pada saat operasi penuh menjadi 50 garisberkas. Suatu pemercepat linier (LINAC) sebagai pre-injektor memasok 200 MeV ke dalam sebuabsynchrotron booster dengan keliling 300 m daD energi 6GeV. Berkas elektron yang dipercepat sampai 6 GeV.Cincin penyimpan ESRF terlihat di gambar 6.

Gambar 7. Sumber neutron pemecahan (SpallationNe!Jtron Source) ISIS di Rutherford Appleton, Inggris [3]

ReaktorNeutron biasanya diproduksi dari fisi dalam

reaktor. Setelah diterrnalisasi dalam moderator, berkasneutron dipancarkan dengan panjang gelombang berpitalebar.

SIFAT-SIFATNEUTRON

RADIASI SYNCHROTRON DAN

Reaktor yang mempunyai fluks tertinggi padasaat ini adalah reaktor di Institute Laue-Langevin (ILL)di Grenoble dengan fluks 2 x 1015 n cm-2 secl. Suatureaktor super ILL, yakni ANS (Advanced NeutronSource) akan dibangun di ORNL, untuk menggantikanreaktor-reaktor HFBR (Brook-haven) dan HFIR (Oak-Ridge), akan tetapi pembangunannya dihentikan, februari1995 [3].

Sumber

Source)Neutron Pemecahan (Spallation Neutron-

Suatu reaktor menghasilkan panas beberapapuluh MW di dalam terasnya yang sulit disingkirkan.Hal inilah yang membatasi kecemerlangan suatu reaktor.

Suatu sumbu neutron yang prinsip kerjanyasangat berbeda, menghasilkan neutron dengan flukstinggi melalui reaksi pemecahan (spallation reaction)[6]. Proses pemecahan ini menghasilkan neutron denganmenembaki target logam berat (uranium, tantalum, dsb)dengan proton energi tinggi (-800 Me V) daripemercepat, clan panas yang ditimbulkan pada targetrelatif rendah.

Sifat-sifat SRX yang unikDua puluh garis synchrotron clan berkas yang

beroperasi pada cincin penyimpan ESRF diperuntukkanbagi penelitian di berbagai bidang antara lain darikristalografi, hamburan difus anomali, hamburanmagnetik, hamburan inelastik, difraksi perrnukaan,difraksi tekanan tinggi, sampai fisika nuklir dan

penelitian biologi/kedokteran.Pelaksanaan penelitan di berbagai bidang

tersebut dimungkinkan karena sifat-sifat SRX yangmenguntungkan antara lain,1. Berkas SRX mempunyai kecemerlangan

(brightness) tinggi serta terkolimasi halus.St:bagai perbandingan jika digunakan ESRF sebagaisurnber sinar-X, maka jumlah foton yang jatuh padasample seluas 1 rnm2 tak kurang dari 1017 foton /detik, sedangkan dengan reaktor fluks tinggi sebagaisumber neutron, jumlah neutron yang jatuh padasample seluas 1 cm2 adalah 108 neutron/detik.

2. Resolusi vektor gelombang tinggi.Hal ini antara lain menghasilkan pola difraksi yangberkualitas tinggi, sehingga tak ada yang dapat

~, 2rt J~ 20004

~ ~~ v~ N~ .I.J., p~ H~

HM~.

Oalam hamburan inelastik neutron, hal ini tidakakan terjadi, karena walaupun nliJ besar (beberapa eV),namun masih merupakan perturbasi yang sangat kecil,terhadap energi sinar-X yang besamya dalam orde KeV.

Gambar 8 menunjukan rentang Q untuk neutrondan sinar-X (i), sedangkan rentang Q clan nliJ untukneutron daD sinar -X diperlihatkan dalam (ii)

3

4,

x-'O¥S..s",4L(-<In9'. _ONng 4Iffrartion41ft $clatt.ringI)

ii)

menyaingi penggunaan SRX dalam kristalografiprotein, difraksi tekanan tinggi, dllSRX dapat terpolarisasi sempurna.SRX dapat terpolarisasi linier, eleptik atau sirkulerdaD merupakan probe eksperimental baru dalampenelitian di berbagai bidang, misalnya bahanmagnetik yang dapat diteliti dengan X-ray resonantmagnetic scattering (XRMS), atau X-ray magneticcircular dischroism (XMCD).panjang gelombangnya dapat divariasi (wavelenghttunability).Panjang gelombang dapat dipilih dekat tepi absorpsi(absorption edge} dimana fenomena yangbergantung pacta polarisasi semakin membesar.SRX dapat menimbulkan hamburan magnetikresonan.Apabila energi foton disesuaikan dengan energi tepiabsorpsi suatu bahan magnetik maka penampanghamburan magnetiknya bertambah besar.

"_/'0"re"'nQII".ttltoctor

11"'..4 I!fiJtro"I'otor

n-..trontripl4 ~

.10.3 104 10-1 100 10' : A"J"Y'~ "! Iq 1<1 '9- .1'"'

~,~triPi* 46'S

eoI«-'-fronO~,.

n~tr""bQfkoca.tt...ing

n.ut..onspill .c/lo~

iGambar 8. Rentang vektor hamburaJ) Q dalam difraksi

neutron dan SRX (i) dan rentang Q dan fiG) dalamhamburan inelastik (ii)

Sifat-sifat Neutron yang unikWalaupun sifat-sifat SRX sangat menjanjikan

akan tetapi beberapa sifat neutron tetap memegangperanan renting antara lain:I. lnteraksi antara neutron-inti lemah, sehingga

hamburan neutron dapat disederhanakanpemecahannya dengan aproksimasi Born.

2. Neutron paling cocok untuk penelitian fisikafundamental mislanya fision dan spektroskopinuklir, fisika muon dan spektroskopi muon.

3. Neutron mempunyai momen magnetik, sehinggatidak acta duanya dalam penggunaan polarisasineutron dalam penelitian spin magnetis bahan.

4. Ketergantungan panjang hamburan pacta isotop,khususnya sifat H dan D

5. Neutron tidak merusak karena energinya sangatrendah.

BIDANG-BIDANG PENELITIAN MENGGUNA-KAN HAM BURAN RADIASI SYNCHROTRON DANNEUTRON

Rentang (Q,w)Oalam difraksi, baik menggunakan neutron

maupun SRX, vektor hamburan Q clan resolusinya AQmerupakan parameter kunci. Panjang gelombang datangclan sudut hamburannya hanya merupakan variabletambahan yang penting, misalnya untuk menghitungkoreksi absorpsi.

Oalam hamburan inelastik neutron maupunSRX, Q tetap penting, tetapi ada parameter kunci lainnyaperpindahan energi hw , sehingga ada empat parameterkunci yaitu Q clan hw, AQ clan Ahw .

Oalam hamburan inelastik neutron, perpindahanenergi yang dapat diliput sangat lebar, dari !-lev sampTlev. Akan tetapi, walaupun rentang hw sangat lebar,namun untuk menghasilkan hw bagi Q tertentu k~dang-kadang tidak mudah. Khususnya, hw besar untukQ sukardicapai. Hal ini disebabkan oleh massa neutron clan sifatsegitiga hamburan (yang menggambarkan hukumkekekalan momentum)

Gambar 9. Menunjukan bidang penelitianmenggunakan neutron dan sinar-X, beserta peralatannya.Di dalam ellips di sebelah kiri atas dicantumkan sumberneutron (reaktor) dan sumber berpulsa (spallation pulse)dan di bawahnya tabung sinar-X dan sumber SRX.Neutron atau sinar-X dari sumber dimodifikasi duluspektrurnnya sebelum ditembakkan ke sample.

Untuk neutron, distribusi panjanggelombangnya diubah dengan moderator dingin (coldsource) atau tabung pemandu (guide tube), sedangkanuntuk sinar-X dengan wiggler clan undulator (lingkaransebelah kiri).

Lingkungan sample dicantumkan dalam gambar7 di dalam ellips tengah, berupa pemanasan /pendinginan, tekanan tinggi, stress clan sebagainya.Dalam lingkaran tengah kedua dicantumkan

~, 2g J~ 2000

~~~ v~ Ne..t.- .l.rJ..- p~ 11~

-.I1M~.

peralatan/spektrometer yang digunakan untuk penelitiandalam bidang-bidang yang tercantum dalam lingkaran

tengah ketiga.d2r

dO I dE.

J. "t ...

,sehingga satuan sample cm-2 (sr)"1 (eV)-!. Fluks yangdihamburkan oleh sample jatuh pacta semua sudut danenergi, sehingga satuannya : (cm-2 sol ) x (cm2 ) (eV)-1 =sol (sr)-! (eV)-I. Pacta spektrometer inelastik terdapatanalisator yang fungsinya seperti monokromator denganmeruilih energi E, dengan perlebaran L\E, dan sudutruang L\O" maka satuan tluks pacta pencacah ialah S-I(sr)-1 (eV)-1 x (sr) (eV)= sol

Gambar 10 menunjukan proses hamburaninelastik; bagian atas menggambarkan besaran-besaranfisis yang terlibat dan bawahnya satuannya.

~

"'..-

~-yGambar 9. Bidang-bidang penelitian menggunakan

hamburan neutron dan sinar-X, beserta peralatannya.

~

C. G. WINDSOR

Beberapa bidang penelitian SRX dan neutronsaling tumpang tindih, akan tetapi kedua teknik dapat

saling mengisi (komplementer). Beberapa pusatpenelitian memiliki sumber neutron dan sumber SRXsekaligus, antara lain:

PF/KEN (KEK), JepangNSLD\S/HFBR (Brookhaven)APS/IPNS (Argonne)ESRF/ILL (Grenoble)

Gambar 10. Diagram blok proses hamburan inelastikuntuk mengevaluasi cacahan spektrometer inelastik.INSTRUMENT ASI DAN EKSPERIMEN TIPIKAL

DENGANSRXSeluruh proses dinyatakan dengan

d2n

d.Q{)dEO~.QoL\Eo ; -n=

Formalisma Tungga Untuk Mengevaluasi CacahanSuatu Spektrometer lnelastik

Kebanyakan peralatan neutron atau Sinar-Xdapat disatukan dalarn kerangka kerja suatu formalismatungga. Sumber radiasi memberi fluks sebesar

d2n

d2LA" d.o. dE~ I I

Persamaan ini menyatakan semua hamburan inelastiksecara langsung. Biasanya persamaan tersebutdiintegrasi untuk seluruh energi yang dihamburkandengan energi datang konstan, maka

d2n /1.0. /1E A '0 0; dI./)'Q,n =

dQ dE)()

-dOn

dO 0 dEo

dimana dOo dan dEo masing-masing adalah sudut ruangdatang dan energi datang maka satuannya ialah : cm-2 S-1( sr)-1 ( eV )-1 sr adalah singkatan dari ster radian.

Suatu monokromator memilih dari segala sudutruang dan energi yang mungkin, suatu energi Eo, sudutruang 1100 dan pelebaran energi I1Eo, sehingga satuannya(sr) (eV). Fluks yang datang pada sample ialah :

d2nx/J.°oMo

d.QodE,, .dengan satuan cm-" so, (sr)-l x (eV)-l x (sr) x (eV) = cm"

-2s .

Hamburan lne/astik Sinar-XSebelum adanya SRX, hamburan inelastik sinar-

X tidak mungkin dilaksanakan karena perpindahanenergi yang diukur, misalnya dari eksitasi elementer ( lift)-0.1 eY ) sangat kecil jika dibandingkan dengan energisinar-X yang digunakan ( -keY).

Dengan dipakainya' SRX, keadaan tersebutjustru menguntungkan, karena dapat memperbesarrentang lift) sampai multielektronvolt tanpa pembatasanoleh segitiga hamburan seperti halnya pacta neutron. Halini yang menguntungkan dipakainya sinar-X dalam

Sample pacta umumnya mempunyai luas As danpenampang hamburan makroskopik

~I 2g J~ 20006

~ ~~ \I~ N~ .l.J;r p~ H~

HM~.

( 11 11 11) dengan posisi refleksi balik. Alat inimenggunakan foton berenergi 7 -22 KeV dan dipakaiuntuk pengukuran fonon dan eksitasi elektronik. XT ASdengan resolusi tinggi dengan rentang 0.1 -leV danperpindaban energi yang cocok untuk eksitasi elektronvalensi dan hamburan Raman telah dibuat. XT AS yangpertama telab dipakai untuk mengukur rapat keadaanfonon di grafit pirolitik dan kurva dispersi Berylium [1,2]yang hasiinya diperlihatkan dalam gambar 12 untukmoda longitudinal sepanjang arab [OO~].

hamburan inelastik ialah tidak adanya hamburaninkoheren, sehingga Jatar belakangnya rendah.

Spektrometer tiga-sumbu untuk sinar-X (XTAS)pertama kali dibuat oleh Burkel et al [I] dan dipasangpacta cincin penyimpanan DORIS di Hasylab, Hamburg,sebagai terlihat dalam gambar I I. Untuk memperolehresolusi dElE -10.6 monokromator 3 dan analisator 4dipasang pacta sudut -900 (posisi refleksi batik). Keduakristal terse but adalah kristal tunggal Si ( 7 7 7 ) yangterbentuk cekung sferis untuk memfokuskan berkas pactasample dan detektor.

Gambar 1 Skema spektrometer tiga sumbuuntuk sinar-X

Hamburan Magnetik Resonan Sinar-X (SRX)Difraksi sinar-X biasanya diinterpretasikan

dengan hamburan Thomson, yaitu interaksi antara medanEM dengan muatan elektron. Jadi sinar-X hanyamemberi informasi mengenai rapat muatan, tetapi tidakmengenai rapat spin suatu bahan magnetik.

Apabila fenomena ini diteliti lebih mendalam,temyata momen megnetik spin elektron dapatberinteraksi dengan medan magnet radiasi EM.Platzman dan Tsoar [7] mengadakan perhitungan akuratmengenai interaksi tersebut dan mengusulkan bahwaefek ini dapat diamati. Pengamatan pertamamenggunakan sinar-X daTi tabling pacta bahan antiferomagnetik NiO, dilakukan oleh De Bergevin clanBrunei [8] dan membuktikan adanya puncak-puncak.\'uperlattici? yang sangat lemah yang hilang apabilabahan dipanaskan di atas temperatur Neil. Perhitunganintensitas antara puncak magnetik dengan puncakstruktur biasa adalah 4 x 10-8 yang sesuai denganperhitungan Platzman clan Tsoar [8]

Sejak ditemukannya fenomena pembesaranpenampang hamburan magnetik yang sangat tinggi dekattepi absorpsi, maka X-ray Resonant Magnetic Scattering(XRMS) menjadi teknik eksperimental baru untukpenelitian bahan magnetik yang menggunakan SRX.Faktor hamburan elastik total sinar-X dapat dituliskan.

I (--'v 1'. I ' if ,,) I'res =-ej.eiNo+ -I + Jmag

Oi mana fo , f' f" masing-masing adalah hamburanmuatan Thomson, kontribusi hamburan dispersif danbagian absorpsi , sedangkan ef dan ej masing-masingadalah polarisasi foton yang terhambur dan datang. F;:~adalah faktor hamburan magnetik resonan yangditirnbulkan oleh transisi daTi kulit dalam, ke keadaanelektronik yang kosong. Amplitudonya ditentukan daTiprobabilitas transisi FLM dimana Ldan M masing-masingadalah orde transisi dan perubahan mementum sudut.Jika transisinya dipolar listrik

Gambar 12. Kurva dispersi dalam Be, fonon diamatidengan sinar-X, + diamati dengan neutron.

A adalah batas zona Brillouin dangaris patah adalah moda yang tak terlihat.

1~,I-F1,-11maka {'res

J mag2p ( I )~ 3d { 3' 3/2 -5/-

2 2,

Premonokromator yang dipotong asimetris dariGe (220) digunakan untuk mengurangi panas dari SRXyang tinggi. Jarak antara celah 1 dan monokromator 3adalah 40 m, supaya panas di 3 berkurang. Perbaikandari XT AS versi pertama ini khusus untuk resolusisangat tinggi dengan resolusi 7 me V pada sampai 5 eV.Untuk resolusi yang lebih tinggi lagi digunakan kristal Si

sehingga

~, 2g J~ 2000 7

~ ~~ \/f.1M.4 N...t.- M p~ 11~

I1M~.

disini adalah momen lokal pada lokasi j, dan x = [(Er

-Ej) -nu,J/(r/2) adalah energi relatif dari resonan, (ErEj)adalah energi transisi, n{j) adalah energi foton datang danr attllab lebar total keadaan eksitasi. Tonnerre et al [9]

f'"telahmelakukan perubahan XRMS pada lapisan banyak

(multi layer) Ag/Ni pada tepi absorpsi Ni,Lz,JLapisan banyak Ag/Ni, terdiri dari lapisan Ag

setebal 11 A dan Ni dengan ketebalan 17,5 A yangmempunyai sifat-sifat magnetik yang menarik untukditeliti dengan XRMS, Sample tersebut mempunyaigandengan anti feromagnetik (AF) antara lapisan-lapisanNi,

Gambar 13. melukiskan pola difraksi yangdiambil dengan berbagai energi dekat tepi absorpsi NiLJ.Puncaknya terjadi pacta 8= 150 sesuai dengan modulasikimia (chemical modulation) sample A=28,5A .Puncaklainnya pacta 8 = 7,50 akibat periodisitas kimia yang

berganda disebabkan karena gandengan AF antaralapisan Ni

Gambar 14. menunjukkan ketergantunganintensitas AF pacta energi melalui tepi absorpsi. Diatas852,6 eV puncak AF menjadi rata karena kecilnyaXRMS dan besarnya absorpsi

Pacta kasus AF puncak magnetik mumi akanterjadi pacta q=n/ A, dimana A adalah perioda lapisanbanyak.. Maka persamaan (2) dapat dituliskan

{'re," = ~ (L ) ~ (L )j mag 1 2 nm 3 + 1+ 2 nm 2+x y

Dimana X dan y adalah penyimpangan energi relatif dariresonan pacta tepi absorpsi L1 dan Lz

10COO\

DISKUSI DAN KESIMPULAN

" ,.. -""VI;"6000

&52,6 e\('

~-J,,)A\"""""", t.",,1,';

~ooo t.c

i

ro1JO t..,

ot4:

Qcn ~ 6"{~., " '"

"" 4

t;J""" 't ~L),Jt By I~,J' fi'- ~

t t

c .,.,

t, 8' 1 !:'I i.? 14 "5 18

\,

/,

Gambar 13. Pola difraksi lapisan banyak Ag/Niuntuk berbagai energi sekitar tepi absorpsi NiL3

Perkembangan hamburan neutron pada masamendatang tergantung pada pengembangan sumberneutron generasi baru yang mampu menghasilkan flukstinggi. Reaktor dengan fluks tertinggi pada saat ini ialahreaktor di ILL, yang selama 20 tahun beroperasi belumada reaktor baru yang menyainginya.

Gagasan untuk membangun super-ILL di OakRidge National Laboratory yaitu Advanced NeutronSource (ANS) untuk menggantikan HFIR daD HFBRsima karena proyek tersebut dihentikan Februari 1995.Kendala yang dihadapi dalam membangun reaktorbertluks tinggi terutama adalah tantangan masyarakatdaD kesukaran teknis untuk menaikkan fluks.

Tantangan teknologi ini dijawab denganpembangunan sumber neutron pulsa berbasis pemercepatyang dibuktikan dengan beroperasinya ISIS. Menurutsurvey Europe Neutron Scattering Association (ENSA)hampir 2/3 pengguna neutron kebanyakan kimiawan daDilmuwan material, berada di Eropa. Mereka didukungoleh tidak lebih dari 13 reaktor, kebanyakan berumurlebih dari 25 tahun.

Perkembangan sumber neutron masa depanboleh dikatakan suram. Menurut Richter clan Springer[10] antara tahun 20 I 0 daD 2020 kapasitas instalasisumber neutron menurun sepertiganya dari yang

terpasang sekarang.Lain halnya dengan sumber foton, yang dalam

tahun 1980 saja kecemerlangannya naik tiga orde.Sumber SRX generasi ketiga seperti Advance LightSource (ALS) di Barkley, ELEKTRA di Trieste, ESRFdi Grenoble, Photon Source di AS clan Spring-8 diJepang menambah jumlah peneliti penggunanya,sehingga melebihi peneliti pengguna neutron. Hal inimenambah luasnya bidang-bidang penelitian daDkemampuan SRX, antara lain kristalografi protein,kemampuan mengikuti dinamika proses biologi, imagingdalam pengukuran strukturan clan spektroskopi, studitekanan sangat tinggi, difraksi mikro, penggunaandispersi anomali sebagai spektroskopi elektronik daD lainlain.

Gambar 14. Intensitas integral puncak AF (dikoreksiabsorpsi) sebagai bagian dari energi foton pad a tepi

absorpsi NiL#. Garis kontinu adalah kuva Lorentzian

Tapi ini tidak berarti bahwa sumber neutronakan diganti fungsinya dengan sumber synchrotron. Oifihak lain, inovasi dalam bidang neutron masih jauh darijenuh. Banyak bidang penelitian dimana neutron tetap

~I 2g J~ 20008

~ ~..:t t.- v~ N~ M p~ H~

HM~.

tidak tersaingi misalnya penelitian fundamental (sifatneutron daD neutrino, fisi, spektroskopi muon). Bidangdinamika mokuler daD atomik dengan resolusi tinggi(meV ueV neV), spin echo dengan resolusi neV daDlain lain.

Banyak bidang penelitian kedua teknik tersebutbertumpang tindih, tetapi kebanyakan bersifat salingmengisi (komplementer). Kesimpulan yang dapatdiambil ialah bahwa kedua teknik tidak saling bersaing

tetapi saling mengisi (komplementer).

DAFTARPUSTAKA

[I

[2].

[3]

E. BURKEL, J. PEISL DAN B. DORNER,Erophys. Lett. (1987), 3, 957B.DORHER, E.BURKEL, TH. ILLINI DANJ.PEISL, Z.Phys.B,Condensed matter (1987), 69,179-183Neutron News (1995), Vol. 6,2-4

TANYA-JAWAB

Penanya: Ir. Moharnad RarnIan, M.Sc. (UPT LSDE -BPPT)

2.

3,

Mengapa penelitian hanya difokuskan pada hamburan neutron, tidak pada hamburan proton atau elektron ?Apa yang dimaksud dengan tune able pada panjang gelombang (A) pada sinar -x , karena dengan range A =10 -9 -10 -6 cm daya tembus akan tersendat-sendat ?

Bagaimana fokus-fokus penelitian selain hamburan neutron clan sinar-X seperti sinar inframerah, sinarultraviolet clan sinar gamma?Apakah ITB jurusan tisika clan BA TAN hanya melakukan penelitian material science, bagaimana denganpenelitian pembuatan peralatan ?

4,

Jawaban:

2.

3.

4

Neutron adalah netral muatan + dan -, sedangkan untuk proton + maka jika digunakan proton akan habisdimakan oleh muatan -, sedangkan untuk elektron muatan -, maka jika digunakan elektron habis dimakanoleh muatan +.Panjang gelombang tuneable (dapat berubah-ubah) supaya daya tembus tidak tersendat-sendat makagelombang didiskritkan dengan menggunakan monokromator.Penggunaan sinar inframerah, ultraviolet dan gamma dalam penelitian hanya untuk peralatan dan materialyang terbatas karena panjang gelombang terlalu pendek (frekuensi terlalu tinggi) jadi daya tembus (radiasi)sangat kuat dan membahayakan si peneliti dan pengguna.ITB jurusan fisika dan BAT AN juga melakukan penelitian pembuatan peralatan tetapi masih sangatsederhana , contohnya peralatan spektrometri.

9~I 2g J~ 2000