Teknologi Sinkrotron Pemacu Kemajuan Sains

Oleh: Dr. Wan Nordiana Rahman¹, Dr. Noor Nabilah Talik Sisin², Dr. Raizulnasuha Abd Rashid².

¹Jabatan Fizik Gunaan, Fakulti Sains dan Teknologi, Universiti Kebangsaan Malaysia (UKM)
²Pusat Pengajian Sains Kesihatan, Universiti Sains Malaysia

Sinkrotron merupakan satu perkataan yang mungkin jarang didengar oleh orang awam, tetapi ia adalah salah satu alat penting dalam bidang penyelidikan sains. Ia merupakan sebuah fasiliti penyelidikan yang menggunakan pancaran sinar-X berkuasa tinggi. Dalam dunia saintifik, sinkrotron memainkan peranan penting dalam usaha memberikan penyelesaian tentang permasalahan kompleks mengenai struktur bahan, penyakit, dan proses biokimia. Dalam artikel ini, kami akan memberikan pemahaman asas mengenai apa itu sinkrotron, bagaimana ia berfungsi, dan sumbangan pentingnya terhadap perkembangan sains dan teknologi dalam kehidupan kita.

Apa Itu Sinkrotron?

Sinkrotron adalah sebuah alat yang mempunyai bentuk sebuah lingkaran ‘ring’ atau litar paksi yang besar, di mana partikel seperti elektron dipacu pada kelajuan tinggi hampir pada kelajuan cahaya. Ketika partikel-partikel ini bergerak dengan kelajuan tinggi, ia akan menghasilkan sinar unik yang sangat terang dan pelbagai jenis gelombang elektromagnetik, termasuk sinar-X, ultraviolet, inframerah, dan sinar gamma.

Dalam istilah yang lebih teknikal, sinkrotron adalah jenis pemecut partikel yang mampu mempercepat partikel-partikel seperti elektron hingga hampir mencapai kelajuan cahaya. Kemudian, partikel-partikel tersebut diarahkan untuk menghasilkan sinar-X dengan bertenaga tinggi. Ia membantu para penyelidik melihat dan menganalisis bahan dengan tahap resolusi yang sangat tinggi.

Bagaimana Sinkrotron Berfungsi?

Sinkrotron adalah mesin berbentuk bulat yang bersaiz anggaran sebuah  padang bola sepak. Ia terdiri daripada beberapa komponen utama.

1. Terdapat sumber atau pistol elektron ‘linac’ di mana elektron dihasilkan dan dipercepat hingga mencapai kelajuan hampir sama dengan cahaya.
2. Elektron-elektron ini kemudian diarahkan ke dalam suatu lingkungan yang dikenal sebagai lingkaran cincin atau “booster ring” dengan memanfaatkan sifat partikel bercaj dan medan magnet. Dalam cincin tersebut, medan magnet khusus memaksa elektron mengubah arah dan bergerak melalui terowong sinkrotron yang melengkung.
3. Apabila elektron bergerak dengan kelajuan tinggi, mereka menghasilkan radiasi elektromagnetik yang sangat terang. Radiasi ini kemudian diarahkan ke peralatan stesen-stesen penyelidikan ‘beamline’. Di stesen-stesen tersebut, para penyelidik menggunakan sinar-X berkuasa ini untuk menganalisis dan menyelidiki berbagai fenomena

Cahaya sinkrotron terakhir yang dihasilkan dalam saluran sinar akan digunakan di tempat kerja eksperimen setelah disaring dan disesuaikan, kemudian digunakan untuk mengungkap elemen-elemen yang paling sub-mikroskopik dari tisu manusia, tumbuhan, dan bahan lain.

Ciri-Ciri Eksklusif Sinar Sinkrotron

Apa sebenarnya yang membuat sinkrotron begitu istimewa? Dengan sinar yang terang, luas spektrum tenaga, keupayaan penyesuaian panjang gelombang, dan kekutuban tinggi, sinar sinkrotron memberikan maklumat yang berharga dan mendalam dalam memahami fenomena sains dan teknologi.

1. Kecerahan Tinggi: Sinar sinkrotron menghasilkan cahaya yang sangat terang. Kecerahan sinar ini jauh lebih tinggi daripada sumber cahaya biasa. Dengan kecerahan yang tinggi ini, para penyelidik dapat melihat objek dengan lebih jelas dan mendapatkan maklumat yang lebih terperinci.
2. Spektrum Tenaga yang Luas: Sinar sinkrotron mencakup pelbagai jenis sinar elektromagnetik, termasuk sinar-X dan sinar inframerah. Dengan adanya spektrum tenaga yang luas, sinar sinkrotron dapat digunakan untuk mempelajari berbagai jenis bahan dan proses di dalamnya.
3. Penyesuaian Panjang Gelombang atau ‘tunable’: Sinar sinkrotron dapat disesuaikan untuk menghasilkan sinar dengan panjang gelombang yang berbeza. Ini membolehkan penyelidik memilih panjang gelombang yang paling sesuai untuk kajian mereka dalam penyelidikan sains yang berbeza, dari bidang fizik dan kimia hingga bidang biologi dan kejuruteraan.
4. Kekutuban Tinggi atau ‘highly polarized’: Sinar sinkrotron dapat dihasilkan dalam keadaan berkutub tinggi. Ini bermaksud sinar tersebut memiliki arah getaran yang terdefinisi dengan baik. Kekutuban yang tinggi ini memungkinkan penyelidik untuk menyelidiki sifat dan interaksi bahan dengan lebih mendalam.

Apakah Kegunaan Sinkrotron dalam Penyelidikan Sains?

Sinkrotron telah memberikan sumbangan yang penting dalam pelbagai bidang penyelidikan sains dan teknologi. Berikut adalah beberapa contoh kegunaan utama sinkrotron:

1. Angkasa: Sinkrotron membantu mengungkapkan struktur dan komposisi bintang, galaksi, dan fenomena kosmik lain. Data dari penyelidikan sinkrotron membantu kita memahami asal-usul dan evolusi alam semesta melalui fizik kosmik.
2. Alam sekitar: Sinkrotron membantu memahami proses pembentukan bumi dan mempelajari sifat bahan geologi seperti logam, mineral langka, dan mineral kristal. Penyelidikan ini membantu kita memahami sumber daya bumi, pencemaran alam sekitar, dan risiko bencana geologi.
3. Elektronik dan bateri: Sinkrotron membolehkan penyelidik dapat mempelajari pembebanan dan pembebasan elektrod bateri serta proses kimia di dalamnya.
4. Fizik: Sinkrotron membolehkan saintis mempelajari struktur atom dan molekul dengan lebih terperinci. Dengan menggunakan sinar-X sinkrotron, saintis dapat melihat struktur bahan dan komponen kecil seperti protein, virus, dan material nano.
5. Kimia: Dalam bidang kimia, sinkrotron digunakan untuk mempelajari reaksi kimia dalam skala yang sangat kecil. Dengan analisis sinar-X sinkrotron, saintis dapat melihat perubahan struktur molekul semasa reaksi kimia berlaku.
6. Makanan: Ia membantu dalam mengkaji struktur molekul makanan, seperti protein dan lemak, serta memahami bagaimana mereka berinteraksi dan berubah semasa pemprosesan dan pencernaan.
7. Perubatan: Sinkrotron memainkan peranan penting dalam radioterapi, di mana sinar-X sinkrotron digunakan untuk merawat dan mengesan kanser. Ia membolehkan penyinaran tepat kepada lokasi tumor dengan mengurangkan kerosakan kepada tisu normal yang sihat.
8. Sejarah: Sinkrotron membolehkan penyelidik melihat ke dalam struktur bahan seperti lukisan lama, manuskrip bersejarah, dan artifak seni. Ini membantu mengungkap misteri tentang cara pembuatan, teknik, dan perubahan sepanjang masa.

Keunggulan utama sinkrotron adalah kekuatan dan resolusi sinar-X yang dihasilkannya. Kemampuan sinar-X berkuasa ini memberikan pandangan yang lebih dalam ke dalam dunia mikroskopik dan membantu kita memahami fenomena-fenomena kompleks dalam alam semesta. Dengan penemuan-penemuan baru yang dibawa oleh sinkrotron, pintu keajaiban sains terbuka lebar bagi kita untuk menjelajahi dan memahami alam semesta dengan lebih mendalam.

Alat Sinkrotron di Seluruh Dunia

Terdapat beberapa pusat sinkrotron yang beroperasi, memainkan peranan penting dalam bidang sains dan teknologi. Antara pusat alat sinkrotron yang terkenal di Asia adalah:

1. Indus Synchrotron Radiation Facility – Indore, India
2. National Synchrotron Radiation Research Center (NSRRC) – Hsinchu, Taiwan
3. Pohang Accelerator Laboratory (PAL) – Pohang, Korea Selatan
4. Photon Factory – Tsukuba, Jepun
5. Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF) – Shanghai, China
6. SPring-8, Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI) – Hyogo, Jepun
7. Singapore Synchrotron Light Source (SSLS) – Singapore
8. Synchrotron Light Research Institute (SLRI) – Nakhon, Thailand.

Setiap pusat sinkrotron memiliki keunggulan dan bidang penelitian tertentu yang menjadi fokusnya. Selain itu, terdapat juga pusat-pusat sinkrotron yang lain di seluruh dunia, contohnya:

1. European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) – Grenoble, Perancis
2. Advanced Photon Source (APS) – Illinois, Amerika Syarikat
3. Swiss Light Source (SLS) – Villigen, Switzerland
4. Diamond Light Source – Oxfordshire, United Kingdom
5. Australian Synchrotron – Clayton, Australia
6. Canadian Light Source (CLS) – Saskatchewan, Kanada
7. MAX IV Laboratory – Lund, Sweden.
8. National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) – Upton, New York, Amerika Syarikat.
9. Brazilian Synchrotron Light Laboratory (LNLS) – Campinas, Brazil.
10. Synchrotron SOLEIL – Gif-sur-Yvette, Perancis.
11. European Organization for Nuclear Research, CERN – Switzerland
12. Extreme Light Infrastructure (ELI) Beamlines – Hungary, Czech Republic, Romania
13. Synchrotron-light for Experimental Science and Applications in the Middle East (SESAME) – Allan, Jordan.

Kesimpulannya, sinkrotron adalah alat penting dalam bidang penyelidikan sains dan teknologi. Ia menghasilkan sinar-X berkuasa tinggi dengan mempercepat partikel-partikel seperti elektron hingga hampir mencapai kelajuan cahaya, yang memungkinkan penyelidik menganalisis fenomena sains dengan resolusi tinggi. Pusat-pusat sinkrotron di seluruh dunia, memainkan peranan penting dalam memajukan pengetahuan dan inovasi dalam pelbagai bidang, menjadi aset berharga dalam masyarakat sains global, dan memberikan manfaat yang besar bagi kehidupan kita.

Sumber: https://www.radiasoft.net/blog/synchrotron-radiation-101-light-sources/