prosiding - inis.iaea.org

ID0200202

Volume 1 Nomor 1 Juli 1999 INIS-ID-018 ISSN 1411-1349

PROSIDINGPERTEMUAN DAN PRESENTASIILMIAH

TEKNOLOGIAKSELERATOR

Diterbitkan oleh'

Pusat Penelician dan Pengembangan Teknologi Maju

BADAN TENAGA NUKLER NASIONALJl. Babarsari, Kotak Pos 1008, Telp. (0274) 515435-515436, Fax 561824, Telex 25184,

}>mail: [email protected]

YOGYAKARTA. INDONESIA

11 L

Volume I Nomor 1 Juli 1999 ISSN 1411-1349

PROSIDINGPERTEMUAN DAN PRESENTASIILMIAH

TEKNOLOGIAKSELERATORDAN APLIKASINYA

Diterbitkan oleh:

Pusat Penelitian dan Pengembangan Teknologi Maju

BADAN TENAGA NUKLIR NASIONALJI. Babarsari, Kotak Pos 1008, Telp. (0274) 515435-515436, Fax 561824, Telex 25184

E-mail: [email protected]

YOGYAKARTA - INDONESIA

1999

Tahun Terbit Pertama : 1999

Volume 1 Nomor 1 Juli 1999 ISSN 1411-1349

PENGANTAR EDITOR

Puji syukur kita panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa, karena atas

petunjuk dan karunia Nya telah dapat diterbitkan Prosiding Pertemuan

Ilmiah TEKNOLOGI AKSELERATOR DAN APLIKASINYA. Prosiding ini

merupakan dokumentasi karya ilmiah para peneliti dari berbagai disiplin ilmu

yang berkaitan dengan teknologi dan aplikasi akselerator, khususnya Mesin

Berkas Elektron (MBE) dan tslah dipresentasikan pada Seminar Nasional

tanggal 16 Januari 1996.

Pertemuan dan presentasi ilmiah tersebut merupakan salah satu kegiatan

yang diselenggarakan di P3TM-BATAN dan dengan tujuan untuk memantau

penelitian tentang akselerator yang dilakukan oleh para peneliti di lingkungan

BATAN maupun diluar BATAN. Pembukaan Seminar Nasional dilakukan oleh

Bapak Deputi Penelitian Dasar dan Aplikasi, Prof. Dr. Azhar Djaloeis dan

dilanjutkan Presentasi Ilmiah.

Di dalain prosiding ini dimuat karya tulis hasil-hasil penelitian sebanyak

11 topik makalah tentang pengembangan teknologi akselerator yang terdiri dari

9 makalah dari P3TM dan 2 makalah dari luar P3TM.

Semoga penerbitan prosiding ini dapat bermanfaat sebagai bahan acuan .

untuk lebih memacu dan mengembangkan penelitian yang akan datang. Kepada

semua pihak yang telah ikut membantu penerbitan prosiding ini kami ucapkan

terima kasih.

Editor

Volumei Nomor 1 Juli 1999 ISSN 1411-1349

PROSIDING PERTEMUAN DAN PRESENTASIILMIAHTEKNOLOGI AKSELERATOR DAN APLIKASINYA

EDITOR

KetuaDrs. Sudjatmoko, SU, APU (P3TM-BATAN)

AnggotaDr. Pramudita Anggraita (P3TM-BATAN)

Drs. Darsono, M.Sc. (P3TM-BATAN)Drs. Sudiyanto (P3TM-BATAN)Dr. Kusminarto (FMIPA-UGM)

Dr. Karyono (FMIPA-UGM)

Abstrak Bahasa Inggris

Dra. Ratna Udaya, MLS.

Penerbitan Prosiding

Bambang Siswanto, S.Si,. Ir. Suprapto

Penerbit: Pusat Penelitian dan Pengembangan Tekr.ologi Maju - BATAN

Alaraat Penerbit/Redaki;i: Jalan Babarsari PO Box 1008 Yogyakarta 55010, Indonesia,Teip.: (0274) 515435, Telex : 25184 btnykia, Fax.: (0274) 561824, E-matl: [email protected].

Frekuensi terbit: Tahunan

Volume 1 No.Tiori Juli 1999 ISSN 1411-1349

SAMBUTANKEPALA PUSAT PENELITIAN DAN PENGEMBANGAN

TEKNOLOGI MAJU

ami mengucapkan terima kasLb yang sebesar-besarnya kepada

Penyunting dan semua pthak yang terlibat dalam penyelesaian

-prosiding ini. Karni berharap prosiding ini dapat digunakan sebagai

dokumentasi karya ilmiah para pcneliti yang telah dipresentasikan di PPNY pada

tanggal 16 Januari 1996 dengan melibatkan para peneliti dalam bidaiig teknologi

akselerator, baik yang berasal dari P3TM dan beberapa puslit dalam lingkup

BATAN maupun beberapa peneliti dari perguruan tinggi atau universitas. Di

dalam prosiding ini disajikan tentang pengembangan teknologi akselerator,

khususnya perancangan komponen akselerator elektron atau mesin berkas

elektron.

Akhimya kami berharap, semoga prosiding ini dapat menjadi acuan yang

sangat berguna bagi berbagai fihak yang berkaitan dan yang memerlukannya,

sehingga dengan demikian dapat mendalami dan mengembangkannya, demi

berhasilnya pembangvinan nasional di bidang iptek nuklir untuk kesejahteraan

bangsa dan negara

Yogyakarta, JULI1999

IR. SUKARMAN AMINJOYO


PROSIDING PERTEMUAN DAN PRESENTASIILMIAHTEKNOLOGI AKSELERATOR DAN APLIKASINYA

DATTARISI

PENGANTAR EDITOR i

EDITOR ii

SAMBUTANKEPA.LA PPNY-BATAN iii

DAFTARISJ iv

^ PERANCANGANMESINBERKASELEKTRON500keV/10raA 1-8r Oleh : Sudjatmoko, SutcdjlS., Darsono, Sudiyanto

- RANCANG BANGUN SUMBER ELEKTRON UNTUK MESIN BERKAS ELEKTRON 9 " 1 3

PPNY-BATAN YOGYAKARTA

Oleh : Djoko S.P., SutadjiS., Suprapto, Suktdl

2 PERANCANGAN SUMBER TEGANGAN TINGGI 500 Kv/20 mA SEBAGAI TEGANGAN 1 4" 1 8

X PEMERCEPAT PADA MESIN BERKAS ELEKTRON

Oleh : Suprapto, Sutadji S., Djoko S.P., Djasiman, Sudjatmoko

L, PERANCANGAN OSILATOR DAYA UNTUK SUMBER TEGANGAN TINGGI TIPE 1 9"2 3

' COCKROFT-WALTON 500 kV/20 mA

Oleh : DJaslman, Sudjatmoko, Suprapto

j-PERANCANGAN SISTEM OPTIK MESIN BERKAS ELEKTRON 500 keV/10 mA 2 4 " 2 8

Oleh : Sutadjl S., DJoko S.P., Sudfotmoko

£ PERANCANGAN TABIJNG AKSELERATOR UNTUK MESIN BERKAS ELEKTRON 2 9 * 3 3

500 keV/20 niA

Oleh : W. Maksum, Sudjatmoko, Suprapto

SISTEM INTERLOCK MESIN BERKAS ELEKTRON GJ-2

Oleh : Nada Mardada

A PERANCANGAN OTOMATISASIINSTRUMENTASI MESIN BERKAS ELEKTRON 4 3 " 5 0

0 500keV/20mAOleh : Sudtyattto

Cj PERANCANGAN SISTEM KONVEYOR UNTUK MBE 500 keV/20 n>A . 5 I " 5 5

Olelt: W. Maksum, Sudjatmoko, Suprapto

i 0 DASAR DESAFN SISTEM VAKUM MESIK BERKAS ELEKTRON (MBE) 56-61

Oleh : Darsono, Suprapto, DJaslman

i | STUDI AWAL REKAYASA VAKUM TINGGI PADA TABUNG AKSELERATOR 62'70

DAN PERMASALAHANNYA

Oleh : M. MunawirZ., SriMulyono, RomlSantoso, Karyono

IV

Images are produced frorn the besiigi

ID0200203

Volurne 1 Nomor 1 Juli 1999 ISSN 1411-1349

PERANCANGAN MESIN BERKAS ELEKTRON 500 keV/10 mASudjatmoko, Sutadji Sugiarto, Darsono, SudiyantoPPSY-BATAN. JL. BabanariPo. Box 10GS Yogyaiarta 55010

ABSTRAKPERANCANGAN MESIN BERKAS ELEKTRON 500 kev/10 mA. Telah dirmcang satu unit MBE

(Mesin Berkas Elekzron) energi rendah 500 ke V/l 0 mA ycmg komponen-komponen utamanya terdiri darisuniber elektron, sistempemfokusberkas elelaron, rumbcr teganga-: tinggi, tabungakselerator, pemayarberkas elekvon dan sistem hampa. Sumber elektron berupajenis katoda panas dari tungsten berbentukspiralyang mampu menghasilkan ans berkas elektrpn minimal 10 mATSJsiFm pemfokus berkas ekktronberupa lens^ magnet. terdiri dari sistem pemfokus lycmg berfungsi memfokuskan berkas elektron setelahIceluar dari swnber elehron dan pem/bkus U berfungsi memfokuskan berkas eleknvn setelah keluar daritabung dkselerator. Sumber t.egangan ringgi pemercepat berkas etektron dipilih Jenis generatorCockcroft-ftalion denganjumlah 20 lingkatpelipat tegangan yang mampu menghasilkan tegangan tinggi500 kV/20 mA. Tabung akselerator terdiri dari tabung isolator gelas pyrex dan elektroda yang terbuatdari bahan stainless-steel, jumlait elektroda 34 buah sehingga masing-masing tklaroda mendapatkandistribusi tegangan tidak tebih dari 15 kV. Sistem pemayvran berkas elehron berupa medan magnetbolak-balik dengan sudut pembelokan sebesar 20° dan jumlah lilitan elektromagnet sekitar 920 lilitandengan medan magnet sekitar 0.012 weber.'m . Sistem hampaMBE 500 ke V/10 mA yang dsrancang terdiridari pompa rotari dua tingkat dengan loju pemompaan sekitar 14.6 m /jam dan pompa turbomolekuldengan pemompaan sehtar 280 liter/detik, yang mampu mencapai tingkat kehampaan sampai ICT6 torr.

ABSTRACTDESIGN OF 500 keV/10 mA ELEKTRONBEAM MACHINE. A 500 keV/10 ntA lon Energy

Electron Beam Machine Unlt was designed whict its components consisted of: electron source, electronbeamfocusing system, high voltage supply, accelerator tube, electron beam scanning system and vacuumsystem. The electron source was a hoi chatode type made ofspiral tungsten wlre thntcapabledtoproduceat least 10 mA ekcvron beam current. Tfve ekqtron beamfocussing system was a niagnetfc hns conststedofafirstfocussing system usediojbcus electron beam comingfrom ekctron source, <3ndasecondfocussingsystem used to/ocus electron beam comingfrcn accelerator tube. The high voltage supptyfor ekctronbeam accekrattcn was a cockroff-Walton generator lype having 20 step voltage multifter capabkd toproduce 500 keV/20 mA ouipuiTThe accekratortube consistedofpyrexglass insulator tubes andsainksssteel ekcttsdes. the electrodes were 34plates so that each electrode was gtven a voltage distribution notmore than 15 kV. The electron beam scaning' system was an altemating magnetic field having 20°deflection angk, 920 cotl turn and 0,012 W/nP' magneticfield Intensiiy. The vacuum systemfor this 500keV/10 mA EBM was designed to be a two step rotary pump ofl4,6 m3/hour ar.d a turbo molecular pumpo/280 l/minute. to achieve a vacuum oflO* torr

PENDAHULUAN

Pada tahun-tahun terakhir ini akseleratorpartikelbermuatan telah berkcmbang sangat pesat, baik

pemakaiannya di dalam bidang penelitian,kedokteran maupun industri. Dalam waktu yangrelatif singkat, energi partikel bermuatan yangdipercepat telah dapat mencapai orde sampaipuluhan MeV ^ ^ . Sampai dengan tahun 1992 diJepang telah banyak MBE (Mesin BerkasElektron) yang digunakan dalam berbagai bidang,dalam bidang "curing of coating" sebanyak lebihdari 23 buah, dalaro bidang "cross-linking of wireinsulations" berjumlah 41 buah, dalam bidang"foamed polyolefin" telah terpasang 13 buah danuntuk riset dan pengembangan sebanyak 45 buah

atau lebih(I).Partikel bermuatan yang dipercepat dalam

suatu akselerator partikel bisa ion atau elektron danpada MBE partikel bermuatan yang dipercepatadalah elektron yang dihasilkan oieh suatu sumberelektron (ekctron gun). MBE berbeda denganakselerator ion positif hanya pada terminaltegangannya yang dipasang pada tegangan negatifdan katoda termionik menggantikan sistem sumberion. Kare-ia katoda termionik tidak melibatkanpemakaiaii gas, maka permasalahan sistem vakumlebih sederhana dan diameter tabung akseleratordapat dibuat lebih kecil. Karena tabung akseleratorbentuknya lebih kecil dan konstmksinya lebihsederhana, maka MBE dapat lebih kompak atauringkas konstruksinya dibandingkan dengan

PERANCANGAN MESIN BERKAS ELEKTRON 500 keV/10 mA(Sudjatmoko, dkk.)

1

Volume 1 Nomor 1 Ju!i 1999 ISSN 1411-1349

akselerator ion untuk kelas tegangan yang sama (2)

Proses radiast menggunakan akseleratorelektron atau MBE sebagai sumber radiasi f.dalahsuatu jenis teknologi baru yar:g dikembaugkansekitar dua dekade yang lalu. Aplikasinya dalamdunia industri berfcembang sangat cepat, terutamadalam bidang ikatan-silang plastik, curing ofcoating, sterilisasi peralatan medis, modifikasitekstil dan "graft polymerization" pengawetanbahan raakanan dan lain-lainnya ^ ^ . Apabiladibandingkan dengan proses termaJ konvensionalatau proses kimia, mah proses radiasi elektronmempunyai beberapa keuntungan ^ ^1. menghasilkan kualitas produksi yang tinggi2. tidak menimbulkan polusi pada lingkungan3. hemat energi4. reaksi-reaksi kimia teijadi pada suhu kamar5. mudah dikontrol6. biaya operasi lebih rendah untuk produksi

masal.Karena penetrasi dari elektron-elektron

energi rendah tidak cukup atau kurang memadaiuntuk pemrosesan bahan-bahan padat danelektron-elektron energi tinggi dapattnengakibatkan radioaktivitas dalam bahan yangdiiradiasi, maka jangkau energi elektron dari MBEuntukproses radiasi adalah 0,15 sampai dengan 10MeV. Pada umumnya MBE sering diklasifikasikansesuai dengan energinya yaitu energi rendah(kurang dari 0,5 MeV), energimedium (0,5 sampai3 MeV) dan energi tinggi (di atas 3 MeV).

Berdasarkan pada latar belakang tersebut diatas tnaka dalam perancangan MBE 500 keV/10mA ada beberapa pertimbangan yang mendasarikonsep perancangan. Beberapa pertimbangantersebut adaJah kemampuan SDM (Sumber DayaManusia) yang mempunyai keahlian dalamteknologi akseleratoryang tersedia baik dari PPNYmaupun dari luar PPNY, pemilihan jangkau energidan aius berkas elektron dari MBE, serta aplikasidari MBE. Pemilihan jangkau energi elektronsangat diperlukan karena mempengaruhikedalaman penetrasi elektron, sedangkan arusberkas elektron akan menentukan dosis radiasi dankuantitas radiasi yang terserap oleh bahan. Olehkarena itu dalam makalah ini dibahas tentangkonsep dasar perancangan MBE, spesifikasi teknisdari masing-masing komponen utama MBE dankemungkinan aplikasinya dalam bidang indusiri.Tujuan dari penelitian ini, berdasarkan hasilpembahasan seperti tersebut di atas, adalah dapatdihasilkan suatu konsep rancaugan Mesin BerkasElektron cnergi rendah 500 keV dengan aruselektron 10 raA yang nantinya dapat digunakansebagai dasar untuk pembuatan satu ur.it Mesin

Berkas Elektron 500 keV/10 mA.

KONSEP DASAR PERANCANGANMESIN BERKAS ELEKTRON

Dalam perancangan sebuah MBE ada suatukonsep dasar yang harus diperhitungkan secaraseksama, yaitu meliputi pertimbange.n danperhitungan kedalaman penetrasi elektron, arusdan daya berkas elektron, ukuran inedaniradiasi dan keandalan MBE.Kedalaman Penetrasi Elektron

Berkas elektron setelah mengalamipercepatan dJ dalam tabung akselerator akanmemililci energi tertentu yang besarnya sebandingdengan tegangan tinggi pada tabung aksderatortersebut. Besar energj elektron sangat menentukankedaJaman penetrasi elektron dalam permukaaiibahan yang diradiasi. Kedalaman peneti"asi tersebutdapat ditentukan berdasarkan rumusan *• "^

d - 0,33 (E/'p ) dan d = 0,8 ( £ ' p ) (1)dimana d adalah kedalaman penatrasi (cm), Eadalah energi elektron (MeV), dan p adalahkerapatan bahan yang diradiasi (g/cm2). Persamaan(1) tersebut masing-masing untuk iradiasi padasisi-satu dan sisi-ganda.

Arus Berkaa Elektron

Dalam perancangan MBE besarnya arusberkas eiektron penting untuk dipertimbangkan.Arus berkas elektron tersebut menentukan dosisserap yang besarnya dapat ditentukan dari

D = (SE/5R) [\00r\I/vW] (2)

dimana D adalah dosis serap (Mrad), I adalah arusberkas elektron (raA), r\ adalah "utilizationcoefficient dari aius berkas elektron (0,3 - 0,9), vadalah kelajuan bahan yang diradiasi{cm/detik), Wadalah adalah lebar pemayaran (cm) dan 5E/5Radalah energi yang hilang sesuai denganpemercepat.

Daya Berkas Elektron

Dayaberkas elektron menentukan KuantitasIradiasi M yang dapat ditentukan dengan nimusanC 2 )

M= 360 {\\P/D) (3)

dimana M adalah kuantitas iradiasi (kg/jam), Padalah daya berkas elektron (kW) yaitu teganganpemercepat dikalikan dengan besarnya arus berkaselektron dan D adalab. dosis serap.

Ukuran Medan Iradiasi

Parameter lain yang cukup penting dalamperancangan MBE adalah ukuran medan iradtasi

Prosiding Pertemuan dan Presentasi llmiahTeknologi Akselerator dan AplikasinyaVol.1 No. 1 Juli 1999:1-8


atau sering disebut lebar pemayaran (v/idth ofscanning). Ketidakseragaman rapat ams berkaselektron yang diberikan akan menentukan panjangzona iradiasi . Ukuran medan iradiast inimenentukan besarnya kuantitas iradiasi (untukiradiasi permukaan bahan berupa lembaran),dimanakuantitasiradiasi Sinidapatditentukandarirumusan ^ ^

S =

dimana S adalah kuantitas iradiasi (cm /detik), vadalah kelajuan bahan yang diradiasi (cm/detik)dan W adalah ukuran medan iradiasi (cm).

KeandaJan Mesin B«rkas Elektron

Karakteristik yang paling penting bagipemakai MBE adalah keandalan mesin. Keandalanini ditandai dengan suatu koefisien yang disebutkoefisien per.ggunaan iradiasi, yang niiainya bisamencapai 0,95 atau 95% untuk instalasi MBEyangbaik. Hal ini berarti bahwa hanya 5% dari waktupemeliharaan total digunakan untuk perbaikanMBE, kesalahan deteksi dan pemeliharaan.

Parameter lain yang mendrikan keandalanoperasi MBE adalah waktu operasi rata-rata tanpakesalahan Tm- Berdasarkan pengalaman yang telahada, yaitu pengoperasian MBE dapat disimpulkanbahwa Tm - 200 jam dan r\ = 0;85 (6).

DESKRIPSIMESIN BERKAS ELEK-TOON

Pada umumnya sebuah MBE terdiri daribeberapa komponen utaraa yaitu sumber tegangantinggi, sumber elektron, pemfokus berkas elektron,tabung aksderator, sistetn pemayar, sistem hainpadan sistem conveyor.Sumbcr Tegangan Tinggi

Ada beberepajenis sumber tegajigan tinggiyang dipakai dalam MBE, salah satu diahtaranyaadalah generator tegangan tinggiCockcroft-Walton. Dengan generator ini dapatdihasilkan energi elektron medium dan arus berkasmencapai orde puluhan mA. GeneratorCockcroft-Walton terdiri dari dua baris kapasitortegangan tinggi, yaitu baris kiri dan baris kananyang masmg-masing dihubungkan olehdioda-dicxla tegangan tinggi. Pada waktu sesaatsemua kapasitor diisi terjadi hubungan paralel danpada waktu sesaat lainnya terjadi hubungan seri.Dengan deroikian jika besar tegangan masukanbesarnya adalah V dan banyaknya tingkat kapasitoradalah N, maka akan terjadi peningkatan tcgangansebesar 2NV.

Apabila puncak tegangan masukan adaJahVj, yaitu tegangan keluaran dari generator pulsa,

frekuensi generator pulsa aclaJah f, kapasitansimasing-masing kapasitor sama dengan C dan amsyang mengalirpada beban adalah I, maka tegangankeluaran maksimum yang dapat dtcapai olehgenerator Cockcroft-Walton adalah

Scdangkan tegangan ripple dapat ditentukanberdasarkan ramusan

8V = (I/fC) N(N+\) (6)

Dari persamaan di atas jdas terlihat bahwafrekuensi generator pulsa yang dnggi sangatmenguntungkan sehingga meminimalkan teganganripple dan memperkecil ukuran kapasitor.

Sumber Elektron

Aius berkas elektron dalarn MBE biasanyadihasilkan dari sebuah sumber elektron (electrongun), dimana elektron dihasilkan daii katoda yangdipanaskan. Keuntungan secara langsung darikatoda yang dipanaskan adalah kesederhanaan darisegi perancangan dan mempunyai nilai ekonomisyang relatif tinggi(2).

Kemampuan sumber elektron untukrnenghasilkan berkas elektron bergantung padadaya p«manas, bahan filamen dan konstruksinya.Sebagai pemancar elektron dalam sistem sumberelektron dengan menggunakan katoda yangdipanaskan, rapat anis emisi }eT katoda tersebutbesarnya mengikuti persamaan RichardsonDushtnan V

dimana A adalah konstanta Richardson, Ua adalahtegangan anoda, k adalah konstante Boltzmann danT adalah suhu pemanasan. Nilai A tersebutbergantung pada jenis bahan yang digunakansebagai katoda.

Tubung Akselerator

Tabung akselerator adalah suatu tabungdengan medan listrik konstan untuk mempercepatpartikel-partikel bermuatan, baik elektron ataupunion. Pada umumnya tabung akseleratordikonstruksi dari bahan isolator, biasanya benipasilinder gelas atau porselin yang panjangnyabeberapa inchi dengan diameter yang cukup besardcngan elektroda-elektroda logam berbentukkeatcut yang dipasang antara ruas-raas tabungisolator tersebut.

Fungsi elektroda adalah untukmenghastlkan medan pemercepat dan pemfokusanberkas elektron. Untuk memberikan distribusitegangan pemercepat yang Iebih seragam terhadapelektroda, maka digunakan sistem pembagi

PERANCANGAN MESIN BERKAS ELEKTRON 500 keV/10 mA(Sudjatmoko. dkk.)


tegangan yang terdiri daxi resistor ohm-tinggi yangdisusun sedemikian rupa sehingga tegangannominal pada tabung akan mengaJirkan aais sekitar100 A. Nilai ini cukup memberikan keseragamantegangan dan hanya kehilangan daya listrik 100watt per 1 MV dari tegangan pemercepat( }.

Sistem Pemfokus B«rka5 Elektron

Pemfokusan berkas elektron dapatdilakukan dengan menggunakan lensa magnet,yaitu sebuah solenoid koaksial dan biasanyadibungkus dcngan besi untuk mengurangipemencaran medan magnet yang dihasilkan.

Panjang fokus dari suatu lensa magnetpendek dapat diperoleh jika diandaikan bahvvarapat fluks magnet B = Bo konstan pada jarak d ditengah lensa dan nol ditempat lain. Panjang fokusdari lensa magnet tersebut adalah

/= (ZmT)/(eBo2 d) W

dimana T adalah energj kinetik dari partikel dalameV. Jika kumparan terdiri dari NI ampere-lilitan,dan karena Bod ~ HoNI maka panjang fokus

, _ SmTd (9)

Sistem Pemayaran Berkas Elektron

Sistem pemayaran merupakan salah satukomponen utama dari MBE yang biasanyadigunakan dalam industri. Dengan sistem inimemungkinkan untuk iradiasi bahan denganpermukaan yang luas dengan berkas elektron diudara luar dan memberikan medan iradiasi yangcukup lebar dengan dosis iradiasi yang seragam.

Prinsip operasi dari sistem tersebut adalahmembelokkan berkas elektron dari arahnya semuladengan menggunakan dua medan magnet yangdipasang saling tegak lurus (B i dan B2) dan der.ganfrekuensi yang cukup tinggi untuk memberikaniradiasi yang seragam pada obyek yang bergeraklurus pada arah berkas elektron. Sudut pembelokanmaksimum berkas eleklron dalam sistempemayaran biasanya fidak lebih besar dari 20° - 30°,karena pada sudut yang !ebih besar energi elektronberkurang cukup besar dan kedalaman penetrasielektron ke dalam obyek juga akan berkurang.Frekucnsi pemayaran beikas elektron daJam arahtegak lurus pada gerakan obyek yang diradiasiditentukan oleh persamaan ®

/ = v / ( g </<-/) (10)

dimana v adalah kecepatan gerakan obyek(cm/detik), dcf adalah diameter efektif dari berkaselektroa dan adalah penggeseran obyek selamasatu perioda pemayaran. Telah diketahui bahwauntuk e £ 0,8 ketidak seragaman iradiasi pada

obyek tidak lebih besar dari 5% ( 2 \Berkas elektron. yang mclewati medan

magnet bolak-balik dengan besar medan magnetmaksimum Bo akan dibelokkan secara bolak-balik.Panjang pembelokan maksimum

dt = I00L! BoH<'(2mVJ]m (11)dimana ds adalah jarak pembelokan maksimum(cm), L adalah jarak dari pusat inagnet ke suatu titikpengamatan (cm), 1 adalah panjang sumbu magnet(cm), q adalah muatan elektron (coulomb), triadalah massa elektron (kg) dan Va adaJah tegangan

. tinggi pemercepat elektron sebeium dibelokkan.

Sislem HampaDalam MBE sistem hampa biasanya terdiri

dari pompa depan (fore-pump), pornpa utama (mainpump), katup dan pipa-pipa hampa dan detektorkehampaan (gauge) serta sistem deteksikehampaan.

Masing-masing jenis pompa bergantungpada fisis pemompaan, yaitu suatu kehampaanminimum yang dapat dicapai yang disebutkehampaan akhir (ultimate vacuura). Kehampaanakhir dari seluruh sistem hampa juga bergantungpada beberapa parair.eter antara lain jumlah gas,jenis gas atau kombinasinya dan laju pemompaandari pompa.

Suatu sistem hampa rnengandung duamacam sumber gas, yaitu gas yang dilepaskan olehsuatu proses selama pelaksanaan eksperimen didalam sistem dan produksi gas yang diakibatkanoleb desorpsi dari permukaan bejana dalam ruanghampa dan komponen- komponen yang terdapat didalam ruang sistem hampa. Oleh karena itu dalammerancang suatu sistem haznpa, kedua macamsumbergas tersebut harus diperhatikan.

HASDL DAN PEMBAHASAN

Berdasarkan konsep dasar perancanganMBE dan deskripsi komponen-komponen utamaMBE seperti yang diuraikan di atas maka pada babini akan dibahas perancangan masing-masingkomponen utama MBE dan spcsifikasi teknis darikomponen-komponen utama tersebut.

Sumber Tcgangan Tinggi

Energi elektron setelah keluar dari tabungakselerator berbanding langsung dengan tegangantinggi yang terpasang, sesuai dengan persamaan (1)di atas, energi elektron akan mempengaruhikedalaman penetrasi elektron pada bahan yangdiradiasi. Tegangan tinggi pemercepat berkaselektron selain mempengaruhi besarnya energielektronjuga menemukan aplikasi dari MBE dalamberbagai bidang. Menurut SUZUKI [1], tegangantinggj sekitar 15OkV-350kVsesuaiuntukaplikasi



MBE daJam bidang "curing (coating/lamination/printing)", tegangan tinggi 200 kV -3000 kV sesuai untuk "heat shrinkable tubing",tegangan tinggi 300 kV - 5000 kV sesuai untuksterilisasi, tegangan tinggi 300 kV- lOOOkVsesuaiuntuk "foamed PE plastics, rubber tire, danDe-NOx/De-SOx of Exhaustgas" (Gambar 1).

saa-

2000—' —1

500-

3 0 0 -

2 0 0 -

I B -

JSIerililabon

• « W n l C U H

-0 Heat Shfindaw» Tu(»no

-•RubbwTlra

-«FOanrvea P.S.

Einaun G«sof

J/Prinitng]

Gambar 1. Tegangan Tinggi Pemercepat vs Aplikasi

Dengan mempertimbangkan kemampuanpenetrasi berkas elektron ke dalam permukaanbahan padat dan aplikasi dari MBEyang dirancang,maka ditentukan besamya tegangan tinggi yanghaais dihasilkan o!eh generator tegangan tinggiCockcroft-Walton dapat mencapai tegangan 500kV. Dengan demikian diharapkan MBE yang akandikonstruksi dapat diaplikasikan untuk1) iradiasi bahan padat berupa lembaran2) curing (coating/lamination/printing)3) sterilisasi4) foamed PE/PVC tape.

Sistem Sumb«r Elektron

Elektron bebas dapat diperoleh dari bahangas atau dari bahan padat, sehingga sumberelektronsebagai penghasil elektron dapat berupa baban gasatau padat. Dalam suatu MBE sumber elektronyang banyak digunakan adalah dari bahan padatyang dipanaskan, yang di sebut katoda panas. Bahankatcxla yang sering digunakan ada tiga macam yaitu

tantalum, tungsten dan LaBe. Sesuai denganpersamaan (7) besarnya arus berkas elektron selainditentukan oleh bahan katoda dan tegangan anodajuga bergantung pada suhu pemanasan dan bentukkatoda, antara bentuk kawat, spiral atau bentukkeping.

Pemilihan bentuk katoda selain diharapkandapat menghasilkan ams berkas yang cukup besar(orde pulu'han raA) juga berdasarkan padapenimbangan umur pemakaian katoda. Umurpemakaian katoda dibatasi oleh karena efek"sputtering" dan evaporasi ^6). SepanjangUntasannya berkas elektron menghasilkan ion-ionyang bergerak dalam arah berlawanan dengan arahgerak elektron, kemudian dipercepat dalam suatulistrik antara katoda dan anoda menuju ke arahkatoda. Apabila katoda tertumbuk oleh ion-ionenergi tinggi, bahan katoda akan tersputter dengankelajuan yang bergantung pada arus berkas ion dantekanan gas daiam sistem sumber elektron. LTntuksebuah sumber elektron dengan arus berkasmencapai 3 - 40 A laju sputtering mencapai sekitar10* - 10 mm/jam ^ . Karena deformasi daripermukaan katodayang disebabkan oleh sputteringion, distribusi rapat arus berkas elektron bergantungpada perubahan luasan permiikaan emisi akibatefek sputtering. Untuk mengurangi efek sputteringini dapat dilakukan dengan cara memperkeciltekanan gas di dalam sistem sumber elektron, ataumemberi Iubang pada pusat katoda yangmemungkinkan sebagai jalan bebas dari sebagjanbesar ion yang menuju ke katoda. Oleh karena itudalam perancangan dan pembuatan sistem sumberelektron untuk MBE ini dipilih bcntak katodaspiral, yang memungkinkan ion-ion yangmenabrak katoda dapat lewat diantara celah-celahspiral sehingga mengurangi terjadinya efeksputtering, serta mampu mengliasilkan arus berkaselektron cukup besar dengan orde puluhan mA.

Berdasarkan konsep dasar perancanganMBE, arus berkas elektron menentukan dosis serapsesuai dengan persamaan (2) tersebut di atas.Menurut SUZUKI [1], ddsis yang terserapberkaitan erat dengan aplikasi dari MBE. Untuksterilisasi diperlukan dosis hingga 2,5 Mrad, untukfoamcd PE diperiukan dosis 2,5 Mrad - 10 Mrad,untuk curing diperlukan dosis 1 Mrad - 9 Mrad,sedangkan untuk PVC tape diperlukan dosis 1 Mrad- 6 Mrad (Gambar2). Oleh karena itu sesuai dengankemampuan dan tersedianya bahan/komponenuntuk pembuatan sistem sumber elektron danrencana ap'ikasi dari MBE, maka arus berkaielektron yang harus dihasi!kan oleh sutnberelektron dapat mencapat nilai 10 mA, sehinggadapat diaplikasikan dalam btdang seperti tersebut diatas.


Volume 1 Nomori Juli 1999 ISSN 1411-134$

I«U YJ./kfffctfM

1 0 -

5-i-

3-

2-

Gambar 2. Dosis vs Aplikasi

Tabung AkseJcrator

Berkas elektron yang dihasilkan olehsumber elektron setelah difokuskan oleh sistempemfokus berfcas elektron diarahkan menuju kedalam tabung akselerator. Dalam tabungakselerator yang terdiri dari dua bagian yaituelektroda dan tabung isolator berkas elektron akandifbkuskan dan dipercepat Tabung-tabung isolatorberfungsi menggandengkan elektroda-elektrodatabung akselerator sekaligus membentuk dindingtabung hampa dari sistem tabung akslerator, sertabersifat isolator. Berdasarkan fungsi tersebut makatabung isolator dipilib dari bahan gelas pyrex,dimana bahan ini bersifat isolator, mempunyai nilailaju "outgassing" cukup rendah dan Uthan terhadappanas.

Elektrcda-elektroda yang terpasang dalamtabung akselerator berfungsi menyalurkanpotensial DC positip terhadap terminal tegangantinggi yang terpasang pada tingkat petnercepatpertama. Dengan memakai sistem resistor, suatubeda potensial akan terjaga tetap antara setiaptingkat pemercepat. Pembagian tegangan tinggi ini*dengan merata dapat didistribustkan antaramasing-masing tingkat sehingga berkas elektronmenerima dorongan aliran sepanjang tabungdengan energj yang bemilai sania dengan drop

potensial pada setiap tingkat. Setiap elektrodasebaiknya hanya menerima tidak lebih dari 15 kV,maka untuk tegangan tinggi 500 kV diperiukan 34buah elektioda. Pada ujung akhir dari tabung akse-lerator berkas elektron telah memperoleh energiyang nilainya saina dengan drop potensial totaJantara terminal tegangan tinggj dan tanah (ground).Berdasarkan fiingsi elektroda tersebut maka dipilihbahan stainless-steel karena mempunyai sifat-sifatsebagai konduktor yang baik, mempunyai laju"outgassing" sangat kecil dan tahan panas.Sistem Pemfokus Berkas Elektron

Sesuai dengan persamaan (9) di atas,panjang fokus sebagai fiingsi dari energi elektrondan besamya medan magnet dari solenoid. Untukpemfokusan berkas elektron, jika massa elektron9,107 x 10*31 kg dan muatan elektron adalah 1,602x 10" C maka persamaan (9) untuk elektron dapatdituliskan

/ » 30 Td/(NJ)2

Dalam MBE yang dirancang terdapat duabuah sistem pemfokus berkas elektron, pemfokuspertama berfiingsi memfokuskan berkas elektronseteiah keluar dari sistem sumbei- elektron. Untukpanjang fokus f = 1 m, medan magnetdipertahankan seragam pada jarak d = 3 cmsepanjang sumbu, dan elektron yang difokuskansetelah keluar dari sistem sumbcr elektron T = 5keV, maka lensa magnet dari sistcm pemfokuspertama memerlukan 67 ampere-lilitan untukmempertahankan rapat fluks sekitar 0,28 x 10*weber/m atau 28 gauss. Sistem pemfolcus keduaberfungsi memfokuskan bericas elektron seteiahkeluar dari tabung akselerator dimana T = 500 keV.Lensa magnet dari sistem pemfokus kedua ini

. memerlukan 670 ampere-Iilitan untukmempertahankan rapat fluks sekitar 2,8 x 10"weber/m atau 280 gauss.

Sistem Pemayaran Berkas Elektron

Dalam perancangan sistem pemayaranberkas elektron hanya digunakan satu buah medanmagnet pembelok karena konstruksi lebihscderfiana dibandingkan dengan sistem pemayaranmenggunakan dua buah medan magnetyang salingtegak lurus. Frekuensi pemayai'ar. berkas elektrondalam arah tegak lurus terhadap gerakan bahanyang diradiasi ditentukan dengan menggunakanpersamaan (10) di atas. Jlka kecepatan bahan yangdiradiasi v = 10 m/n.ienit, diameter efektif berkaselektron def = 4 mm dan = 0,8 (memberikanketakseragaman dosis tidak lebih dari 5%), makabesamya frekuensi pemayaran sekitar 50 Hz

Sudut pembelokan maksimum berkaselektron dipilih tidak lebih besar dari 20° karenapada sudut yang lebih besar, energi elektron

Prosiding Pertemuan dan Presentasi llmiahTeknologi Akselerator dan AplikasinyaVol.1 No. 1 Jufi 1999:1-6


berkurang cukup besar yang akan menyebabkankedalaman penetrasi clektron ke dalam permukaanbahan akan berkurang dan ketidak seragaman dosismenjadi besar. Berkas elektron yang melewatimedan magnet bolak-balik dengan medan magnetmaksimum Bo yang besarnya ditentukan denganpersamaan (11), dimana besarnya Bo tersebutterutama ditentukari oleh tegangan pemercepatberkas elektron danjarakpembelokan maksimum.Jika jarak pemayar dengan jendela 160 cm, jarakpenyimpangan 60 cm, maka jumlah lilitan sekitar920 lilitan unruk mempertahankan medan magnet0,012 weber/ni (untuk arus 1 ampere).

Sistem Hampa

Sistem hanipa dirancang terdiri dari pompadepan berupa pompa rotari dan pompa utamaberupa pompa turbomolekul, yang dilengkapidengan katup-katup hampa, Pirani gaugc, Penninggauge dan meter hampa.

Sistem hanipa untuk MBE 500 keV/10 mAdirancang mampu mencapai tingkat kehampaansampai dengan 10"6 torr, untuk itu diperlukan satubuah pompa rotari dua tingkat yang mempunyailaju pemompaan sekitar 14,6 m /jam. Sedangkanuntuk pompa utama dipilih jenis pompaturbomolekul yang mcmpunyai laju pemompaansekitar 280 liter/detik.

KESIMPULAN

Berdasarkan pecancangan MBE yang telahdibahas di atas dapat diambil beberapa kesimpulansebagai berikut1. Sistem sumber elektron dirancang berupa

jenis katoda yang dipanaskan, bahan katodaadalah tungsten berbentuk spiral. Dipilihbahan tungsten walaupun orde pemaflasantinggi, tetap't dapat menghasilkan arus berkasclektron cukup besar dan mudah diperolehdipasaran. Dipilih bentuk sptral karena untukmenghindari tetjadtnya efek sputtering.

2. Slstem tegangan pemercepat berkas elektrondipilih jenis generator Cockcroft-Waltonkarena mampu menghasilkan tegangan yangcukup tinggi (orde ratusan kV) dengan arushingga mencapai orde puluhan mA.

3. Sistem pemfokus berkas elektron terdiri daridua buah sistem, pemfokus pertama berfungstuntuk tnemfokuskan berkas elektron yangkeluar dari sistem sumber elektron danpemfokus kedua memfokuskan berkaselektron setelah keluar dari tabungakselerator.

4. Sistem pemayaran berkas elektron berupamedan magnet bolak-balik dan hanya terdiridari satu medan magnet pembelok. Hal ini

dipilih agar supaya dalam konstruksi lebihsederhana tanpa mengurangi fungsinya.

5. Sistemhampaterdiridarisebuahpomparotaridan sebuah pompa turbomolekul, diharapkandengan sistem pompa tersebut dapat dicapaitingkat kehampaan 10"6 torr yang telahmemenuhi persyaratan kehampaan sistemMBE.

DAFTAR PUSTAKA

1. SUZUKI, M., Recent Advances in HighEnergy Electron Bcam Machine, Nisstn-HighVoltage Co., Ltd., Proceedings of TheWorkshops on The Utilization of HectronBeams, JAERI, (1990), 49-59

2. ALBERTINSKY, B.I., High VoltageElectron Accelerators for RadiationTechnology. The Main Characteristics, TheDesign of Accelerators and Their Elements,Trainig Course on Low Energy Acceleratorsand Their Applications, Leningrad, USSR,(1988)

3. ZHOU QIZHANG, Electron AcceleratorsManufactured in China, UNDP/IAEA/RCARegional Training Course on EB Irradiation

"Technology, Shanghai Applied RadiationInstitute, Shanghai University of Science andTechnology, Shanghai, CHINA, (1991)

4. MACHI, S., New Trends in IndustrialApplication ofElectron Beam Machine, JapanAtomic Energy Research Institute, TakasakiRadiation Chemistry ResearchEstablishment, Proceedings of TheWorkshops on The Utilization of ElectronBeams, JAERI, (1990), 15-23

5. KHAIRUL, Z„ Potential Applications ofElectron Beam Machine in Malaysia, NuclearEnergy Unit, Proceedings of The Workshopson The Utilization of Electron Beams, JAERJ,(1990), 24-38

6. SCHILLER, S., et al, Electron BeamTechnology, John Wiley & Sons, New York,(1982)

TANYA JAVVAB

Purnomo Enuryanto

Perancartgan Mes'm Berkas Elektron 500keV/10 tnA, tentu saja telah dipertimbangkantentcmg design (rancangan), biaya, waktu danpenggunaan. Mohon dijelaskan penggunaan dariMBE500keV/10mA, untukradiasiapasajasetelahselesai dibuat.


7

Volume 1 Nomer 1 Juli 1999 ISSN-1411-1349

Sudjatmoko

Penggunaan utama adalah untuk prosespelapisan dan pengeringan (curing of coatings)

Syarip

1 Berapa kira-kira harga yang telah dirancangtersebut ? (Iebih mudah jika beli jadi tinggalpakai, atau lebih mahal). Dengan kata Iainapakah sudah dilakukan studi ekonomipembuatan MBE tersebut ?Komponen (sub sistem apa dari MBE tersebutyang paling mahal) tinggi biayanya ?

Sudjatmoko

1

2.

Perkiraan harga MBE yang dirancang adalahsekitar empat milyard rupiah, dan jika beli jadisekitar sepuluh milyard rupiah. Studiekonomi pembuatan MBE secara lengkapbelum dilakukan.Komponen tabung akselerator, sistem sumberelektron dan sistem vakum.

Sudarti

Sebagai aplikasi MBE yang dirancang,belum ada aplikasinya untuk lingkungan, yaitumenekan SO2, Nox dari suatu Cool Fire atau OilPower Plant. Dari sistem tersebitt akanmempunyai hasil samping pupuk. Dari IAEAbuletin vol 36 no. 1, 1994, diperlukan danasebesar $ 500 per kW untuk biaya instalasi danoperasi. Dari sisi ekonomi mungkin terlalu mahaltapi untuk keperluan pengendalian dampaklingkungan, aplikasi tersebut perlu dipertim-bangkan, terima kusih.

Sudjatmoko

Aplikasi MBE dirancang hanya untukproses pelapisan dan pengeringan, sedangkanuntuk aplakasi lingkungan diperlukan energielektron Iebih besar.

Anung Muharini

/. MBEyang ada di PAIR digunakan untuk apasaja, industri apa saja yang telahmemanfaatkannya ? ..

2. Selain di PAIR, di Indonesia sekarang siapalagiyang suduh mempunyai MBE

3. Bagaimana prospek aplikasi MBE dalambidang kedokteran di Indonesia.

Sudjatmoko

1. Digunakan untuk litbang dan proses pelapisandan pengeringan; industri yang telahmemanfaatkannya adalah sarung tangan karetdan parkit kayu.

2. Pabrik ban Gajah Tunggal.3. Prospeknya cakup baik, khususnya untuk

sterilisasi peralatan kedokteran.

Prosiding Pertemuan dan Presentasi llmiahTeknologi Akselerator dan AplikasinyaVol. No. 1 Juli 1999: 1-8

ID0200204

Volume 1 Nomori Juli 1999 ISSN 1411-1349

RANCANG BANGUN SUMBER ELEKTRON UNTUK MESIN BERKASELEKTRON PPNY - BATAN YOGYAKARTADjoko S.P., Sntadji S., Suprapto, SukidiPPNY-8ATAN, SL Babarsari P.O. Box. 1008, Yogyakana, 55010

AbstrakRANCANG BANGUNSUMBER ELEKTRON UNTUKMESIN BERKAS ELEKTRON PPNY-BATAN

YOGYAKARTA. Telah dilakukan rancang bangun sumber elekrron untuk mesin berkas elektron 500keV/WmA PPNY-BATAM Yogyakarta Kegiaian ranccng bangun meliputi perancangan. pembuatan dankonstruksi serta pengulian sumber ekknon. Sumber elektron yang lelah dirancang bangun adalahjenissumSe'r elektrvn termionik dengan pemancar ekktron bempa filamen dari kawat tungsten berdiameter0,25 mm. Sedangkan bagian pembentuk berkas elektrori yang terdlri dari ekktrodapendorong. pemfokusdan anode dirancang dengan model pendekatan Pierce, yattu dengan mempertimbanglusn efek muatanruang akibat muatan elelaron di dalam sumber elektron. Dengan model tersebut elehroda,pendorongdanpemfohis masing-masing membentuksudut 67,5°dan 45° terhadap sumbu bcrkas elektron. Dindingsumber ekforon berbentuksiHnderdengan ukuran dsameter 1! 5 mm danpanjang 255mm. Daripengujianyang telah dilakukan diperoleh hasil bahwa sumber elehronyemg telah dibuatsudah dapat dioperasikan,dan pada kondisi operasi arus filamen 5 A, tegangan pendorong 120 V, tegangan pemfokus 3 kV dantegangan cmode 4,2 kV'arus berlcas elektron terukur sebesar 8 mA.

AbstractDESIGN AND CONSTRUCTION OF ELECTRON GUN FOR ELECTRON BEAM MACHINE

PPNY-BATAN YOGYAKARTA. AJI ekctron gun has been designedar.dcohsructedfor500 keV/10 mAeleccron beam machine at PPNY-BATAN Yogyakarta. The electron gun is a ihermionic rype in which theelecrron emlrtermadefrom tungsten wire with the diameterofO.25 mm. The electron beam shaping-elementwliich consist ofreppekr, focussing electrode and anode is designed usfng Pierce apprcntimation model.In this model the space charge effect caused by electrons must be considered. According to this modeleach ofihe reppeler mdfocussing etecrrode forms cm angle o/67.5° and 45° to the axis ofekctron gun.The shape ofthe ekctron gun is cihndhcal •with tlie diameter ofllS mm and the kngth o/255 mm. Fromthe test done shows ihat the ekctron gun can be operated The ekctron current o/8 mA has been measuredat thefo'.lowing operating condirion: 5 Afilament current, 120 Vreppekr voltcge, 3kVfocussing voltageand *.2 kV anode voltage.

PENDAHIILUAN

Mesin berkas elektron (MBE) mcrupakanperangkat akselerator penghasil elektron.

MBE rnuiai berkembang dalam skala industri padakurang lebih 50 tahun yang lalu, yaitu setelahperang dunia kedua^. Khususnya di negara-negaraindustri MBE telah banyak dimanfaatkan padaberbagai proses industri seperti industri kabel,alat-alat kesehatan/kedokteran, bahan baku obat,makanan kaleng, kayu, keramik, piastik, busa,karet, dan lain-lain.

Saat ini BATAN tetah mempunyai duabuahMBE yang ditempatkan di Pusat Aplikasi Isotopdan Radiasi (P AIR). MBE yang pertama adalah tipeEPS-300 buatan Jepaiig, merupakan bantuaii dariUNDP pada tahun 1984. MBE tersebut merupakanMBE bertenaga rendah dengan tegangan dan arusmaksimum masing-masing 300 kV dan 50 mA( \Sedangkan MBE yang kedua adalah tipe GJ-2buatan Cina yang dibeli pada tahun 1993. MBEtersebut menjpakan MBE bertenaga scdang dengan

tegangan dan arus maksimum masing-masing 2MVdan 10 mA(3).

Pada prinsipnya MBE terdiri dari beberapakomponen yaitu sumber elektron, tabungpemercepat, sumber tegangan tinggi, sistempemfokus, sistem pemayar, sistem hampa dansistem konveyer. Keberadaan sumberelektronpadaMBE sangat vital, yaitu sebagai penghasil elektronyang akan diiradiasikan pada bahan. Walaupunterdapat beberapa tipe sumber elektron untuk MBE,tetapi pada prinsipnya sumber elektron terdiri daribagian penghasil etektron bebas (electron emitter)dan bagian pembentuk berkas elektron (electronbeam shaping-elements}^.

Pada Pelita VI PPNY-BATAN mendapatkepercayaan untuk melaksanakan litbang rancangbangun MBE 500keV/10 mA. Dengan berbekalpada pen ;alainan yang telah dimiliki di bidanglitbang aks:lerator seja!; Pelita III, makadiharapkan PPNY-BATAN mampu melaksanakantugas litbang rancang bangun MBE tersebut.Kegiatan litbang telah dimulai dengan pembuatan

RANCANG BANGUN SUMBER ELEKTRON UNTUK MESIN BERKASELEKTRON PPNY-BATAN YOGYAKARTA(Djoko S.Pudjorahardjo, dkk.)

Volume 1 Nomor 1 JuK 1999 ISSN 1411-1349

sumber elektron pada tahun pertama Pelita VI(tahun 1994/1995). Dalam makalah inidisampaikan hasi! psrancangan dan pembuatansumber elektron untuk mesin berkas elektronPPNY-BATAN disertai dengan hasil pengujianyang telah dilakukan.

TATA KERJA

Perancangan, Pembuatan dan KonstruksiSumber Elektron

Sumber elektron yang dirancang untukMBE 500 keV/10 mA adalah sumber elektron jenistermionik, di mana sebagai bagian pemancarelektron (electron emitter) adalah katoda ataufilamen yang dialiri arus searah (disebut sebagaikatoda panas). Rapat arus emisi termionik elektronyang dihasilkannya telah banyak dikenal melaluipersamaan Richardson-Dushmann yaitu

JeT = AT1cxp(~eG>/kT ) 0 )Rapat arus emisi termionik elektron sangat

dipengaruhi oleh suhu pemanasan T, dalam hal iniberkaitan dengan besarnya arus searah yangmengalir pada katoda. Disamping itu rapat arusjuga tergantung pada jenis bahan katoda yangdiwujudkan dalam koastante Ao dan fiingsi kerja.

Persyaratan katoda sumber elektron adalahharus dapat menghasilkan emisi elektron yangcukup selama periode waktu tertentu. Disampingitu sedapat mungfcin hanya memerlukan dayamasukan yang kecl, yaitu dergan menggunakanbahan katoda yang mempunyai fungsi kerjarendak efisiensi termal tinggi dan ukuran filamenkecil05.

Pemilihan bahan katoda juga perlumemperhatikan kondisi vakum di dalam sumberelektron. Untuk vakum yang tidak terialu tinggiyaitu di bawah 10' mm Hg dapat dipilih bahanokstda misalnya BaO (<j> = 1,6 eV) atau SrO ( 4> =2 eV). Bahan-balian tersebut pada suhu operasisekitar 1000° K dapat menghasilkan rapat arusemisi elektron hingga orde 1 A/cm . Sedangkanuntuk kondisi vakum di atas 10 mm Hg, katodaharus dibual dari bahan yang mempunyai suhuoperasi dan fungsi kena yang relatif tinggi. Untukitu dapat dipilih bahan tungsten (T - 3683° K; <}> =4,55 eV) atau tantalum (T = 3269° K; 4> = 4,1 eV).Pada suhu operasi sekitar 3000° K bahan-bahantersebut dapat menghasilkan rapat arus emisielektron hingga 14 A?cma(2).

Emisi termionik elektron juga dipengaruhioleh bentuk dan Iuas permukaan katoda serta ragampemanasannya. Ada beberapa bentuk katoda untuksumberelektron, misdnyabentuk tusuk konde (hairpin), spiral, keping dan lain-lain tergantung pada

aplikasinya. Berdasarkan pada beberapapersyaratan dan pertimbangan !ain, maka telahdipilih kawat tungsten sebagai bahan katoda.Kawat tungsten dibuat menjadi bentuk spiralberdiameter 4 mm dan panjang 10 mm.

Bagian pembentuk berkas elektron yangterdiri dari elektroda pendorong, elektrodapemfokus dan anoda dirancang mengikuti mode!Pierce, yaitu dengan mempertimbangkan efekmuatan ruang yang diakibatkan oleh muatane)ektron itu sendiri. Muatan ruang berpengaruhterhadap pola medan Hstrik di antaraelektroda-elektroda tersebut. Dengan model Pierceakan diperoleh rapat arus yang seragam danefisiensi yang tinggr'\ Dengan model Pierce makaelektroda pendorong dan elektroda pemfokusmasing-masing dibuat membentuk sudut 67,5° dan45° terhadap sumbu sumber elektron.Sumber elektron yang telah dirancang kemudiandikonstruksi seperti pada gambar 1.

tiiiJL m

Ga-mbarl. Konstruksi sumber elektron untukmesin berkas elektron.

1= Flange, 2= Anoda (celah), 3= Elektrodapemokus, 4= Badan sumber elektron, 5= Elektro-da pendorong, 6= Filamen, 7= feedthrough, 8=Fiange, 9= O-ring, 10= Pemegang, 11= Pe-nyangga, 12= Baut pe.nyangga.

Katoda, elektrcxla pendorong dan pemfokusberada di dalam ruang sumber elektron berbentuksilinderberdiameter 115 mm danpanjang255 mm.Sedangkan anoda yang sekaligus berfungsi sebagaicelah sumber elektron berbentuk kcpingberdiameter 90 mm dan diameter celah 10 mm.Pada celah. tersebut dipasang kasa untuk menarikkeluar berkas elektron dari ruang sumber elektron.

Prosiding Pertemuan dan Presentasi llmiahTeknologi Akselerator dan AplikasinyaVol.1 No. 1 Juli 1999: 9-13

10


Kedua ujung sumber elektron ditutup dengan"Jlange" ukuran DN100. Sebagai teraiinal arusfilamen dan tegangan elektroda dipergunakan"feedthrough".

Pengujian Sumber Elektron.

Terhadap sumber elektron yang telahdirancang dan dikonstruksi kemudian dilakukanpengujian dengan skema pengujian seperti padagambar 2.

Gambar 2. Skema pengujian sumber elektron.

SDF =sumber daya filamen, T = target metalSDFo = sumber daya petnfokus , Amp = penguatSDP = sumber daya pcndorong, M = meter arusSDA = sumber daya anoda

Pengujian meliputi pengujian arus emisielektron dari katoda serta pengukuran arus elektrondengan variabel arus filamen, tegangan pendorong,tegangan pemfokus dan tegangan aiiode. Pengujianini dimaksudkan untuk mengetahui apakah sumberelektron telah dapat merighasilkan arus elektron dansejauh mana pengaruh dari elektroda-elektrodatersebut terhadap arus elektron yang dihasilkan.

Pada pengujian tersebut sumber eiektron dlset dalam tabung vakum berupa "T-piecc DNlOO"yang dihubungkan dengan sistem valcum yangterdiri dari potnpa rotari dan diftisi. Kevalcum.andalam tabung vakum mencapai 1,5 . 10" mm Hg.Untuk mengukur arus berkas elektron di belakangcelah sumber elektron dipasang plat logam"stainless steel" sebagai target yang kemudiandihubungkar. dengan sebuah penguat dan meterarus.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Proses yang mula-mula terjadi pada sumberelektron adalah terlepasnya eiektron dari katodamenjadi elektron bebas. Terlepasnya elektrontersebut dapat disebabkan oleh adanya medanlistrik yang kuat, proses fototistrik, radiasi partikelpengion maupun emisi termionik. Pada suraberelektron jenis termionik seperti yang telah dibuatelektron bebas terbentnk karena ernisi termionik

dari katoda yang dipanaskan menggunakan aliranlistrik searah. Cara ini lazim digunakan karenasecara teknis mudah dilaksanakan. Pengujianadanya emisi elektron dilakukan dengan caramengukur arus pada clektroda pendorong yangdiberi tegangan positif terhadap katoda, sementaraelektroda yang lainnya belum difungsikan. Adanyaarus yang terukur menunjukkan adanya emisielektron dari katoda menuju elektroda pendorong.

Elektron bebas yang te!ah dihasilkan olehkatoda selaj^jutnya harus dibentuk menjadi berkasdan dikeluarkan dari ruang sumber elektron. Dalamhal ini peran bagian pembentuk berkas elektroa(electron beam shaping-element) sangatmenentukan. Untuk msngarahkan elektron bebasdari lcatoda ke celah dipei-gunakan elektrodapepdorong yang berpotensial negatif. Dari hasilpengukuran arus elektron sabagai fiingsi teganganpendorong (gambar 3) menunjukkan bahwategangan pendorong yang diperlukan untukmengarahkan elektron bebas dari katoda ke celahhanya sekitar 120 volt negatif.

<3ambar3. Hasil pengukuran arus elektronsebagai Pangsi tegangan pendorong.

.Dalam perjalanannya menuju anoda(colah) sumber elektron, berkas elektronce-.ideaingmenyebar(divergen)akibatadanyagayauAak menolak antara muatan sejenis yang dimilikioleh masing-masing elektron. Oleh karena ituelektroda pemfokus sangat berperan untukmemfokuskan agar berkas elektron menjaditerfokus dan selanjutnya dapat melewati ceiahsumber elektron. Dalam hal ini tegangan pemfokusharus negatif agar terjadi penekanan elektron kearah sumbu sumber elektrotr \ Pada gambar 4ditampilkan hasil pengukuran arus elektron sebagaifungsi tegangan pemfokus. Tampak bahwapemfokusan terjadi pada tegangan pemfokussekitar 3 kV yang ditunjukkan dengan arus elektronyang maksimum pad . tegangan tersebut

RANCANG BANGUN SUMBER ELEKTRON UNTUK MESIN BERKAS£L£KTRON PPNY-BATAN YOGYAKARTA(Djoko S.Pudjorahardjo, dkk.)

11


ntcac* c«A)

Gambar4. Hasil pengukuran arus elektronsebagai fungsi tegangan pemfokus.

Anoda yang berfungsi jjga sebagai celahkeluaran sumber elektron harus dapat menarikelektron sebanyak-banyaknya dari ruang sumberelektron. Oleh karena itu anoda diberi teganganpositif. Anoda tidak hanya beitentuk lubang bdatmelainkan berbentuk kawat kasa dengan maksudagar elektron dapat ditarik keluar dan tidakmenyangkut di pinggir anoda. Bentuk medanlistrik di sekitar anoda tentu saja sangatberpengaruh pp.da berkas elektron sepertiditampilkan pada gambar 5, yaitu hasil pengukuranarus elektron sebagai fungsi tegangan anoda.

Seperti telah disebutkan di muka bahvva

Gambar5. Hasil pengukuran arus elektronsebagai fungsi tegangan anoda.

banyaknya elektron yang dihasilkan oleh katodatergantung suhu katoda, yang berarti jugatergantung pada arus yang mengalir pada katoda.Tentu saja hal ini akan mempengaruhi anis elektronyang keluar dari sumber elektron. Pada gambar 6ditampilkan arus elektron sebagai fungsi aruskatoda/filamen.

Gambar6. Hasil pcngukuran arus elektronsebagai fungsi arus filamen.

KESEVIPULAN

Dari hasil yangtelah dicapai sampai saat inidapat disimpulkan bahwa kegiatan rancang bangunsumber elektron untuk mesin berkas elektronPPNY-BATAN Yogyakarta telah selesaidilaksanakan. Hasil pengujian sumber elektronmenunjukkan bahwa sumber elektroa telah dapatdioperasikan di mana arus elektron yang dihasilkanpada kondisi operasi arus filamen 5 A, teganganpendorong 120 V, tegangan pemfokus 3 kV dantegangan anoda 4,2 kV adalah 8 mA

UCAPAN TERIMA KASIHPadakesempatan ini penulismenyarnpaikan

rasa terima kasih yang sebesar-besamyakepada stafteknisi, khususnya saudara Sumaryadi, UntungMargono, Murtijan dan Suhactono, yang telahberpartisipasi pada kegiatan pembuatan sumberelektron ini, sehingga dapat terlaksana dengansebaik-baiknya.

DAFTAR PUSTAKA1. BAKISH, R., Introduction of Electron Beam

Technology, John Wiley & Sons, New York(1962).

2. RAHAYU CHOSDU, dkk., "PengalamanMengoperasikan dan Merawat Mesin BerkasElektron EPS-300", Prosiding Seminar SehariProspek Rekayasa dan Aplikasi Mesin BerkasE!ek-tron Untuk Industri di Indonesia,PAIR-BATAN, Jakarta 2 Agustus 1990.

3. SUDJATMOKO, dkk, "Aksel erator EI ektronGJ-2, Komponen Utama dan PrinsipKerjanya", Makalah disajikan padaPertemuan Tim Rekayasa Mesin Berkas


12


EiektronfPAIR-BATAN Jakarta, 25 Mei1993.

4. BREWER, G.R., "High Intensity ElectronGuns" Focussing of Charged Parricles, Vo). II(SEPTIER, A., ed.), Academic Press Inc, NewYork(1967).

TANYA JAWABPurnomo

Pada iembar tranparansi, tentangspesifikasi sumber ion. Berapa lama operasisumber ion untuk arus 10 mA, hal ini berhubungandenganjangka waktu pemeliharaan (overhaul)

Djoko SP.

Dari pengukuran yang telah dilakukan, aruselektron belum mencapai 10 mA, tetapi baru 8 mA,dan secara teori bertahan selama kurang lebih 50jam (umur filamen). Saat ini masih dicari kondisiuntuk mendapatkan arus 10 mA

Tjipto Sujitno

Berapa diameter berkas elektron yangnatinya scanpai ke target

Djoko SP.

Ukuran berkas elektron yang sampai ketarget ditentukan kemampuan sistem pemayar.Direncanakan selebar 1,2 m. Ukuran berkassebelum keluar dari pemayar lcurang lebih 4 mm

RANCANG BANGUN SUMBER ELEKTRON UNTUK MESIN BERKASELEKTRON PPNY-BATAN YOGYAKARTA(Djoko S.Fudjorahardjo, dkk.).

13

ID0200205


PERANCANGAN SUMBER TEGANGAN TINGGI500 kV/20 mASEBAGAITEGANGAN PEMERCEPAT PADA xMESIN BERKASELEKTRONSuprapto, Sutadji S., Djoko SP., Djasiman dan SudjatmokoPPNY - BA TAN, Jt. Bdbarsart P.O. Box 1008, Yogyc&arta 55010

AbstrakPERANCANGAN SUMBER TEGANGAN TINGGI 500 kV/20 mA SEBAGAI TEGANGAN

PEMERCEPAT PADA MESIN BERKASELEKTRON. Telah dilakukan perancangan sumbcr tcgangantinggi 500 kV/20 mA sebagat tegangan pemercepatpada mesin berkas elektron. Sumber tegangan tinggidirancang denganjenis "Generator Cockroft-WaUon" Bagian uiamagenerator cockroft-wclton adalah :Pelipat tegangcm, Osilator daya dart sumber dcya osilator daya. Pelipat tegangan dirancang dengankapasitor 0,22 nF/50 W dan dioda JN 4007 sebanyak 20 tingkat. Sedangkan osilator daya dirancangdengan komponen utama tabung trioda JTK15-2 dan sumber daya osilator daya dirancang dengan trafo3/ase. Daii hasil rancangan menunjukkan bahwa tegangan masukan dan rugi-rugi daya pada pelipattegcmgan udalctt 12,814 kVdan 503 Watt. Daya masukanpelipat tegangan sama dengan daya keluaranostlator daya yaitu 12,6 kW. Sedangkan daya yang harus disediakan oleh sumber daya osilator dayaadalah 17.2 kW.,

AbstractDESJGN OF 500 kV/20 mA POWER SUPPLY FOR THE ELECTRON BEAM MACHINE

ACCELERATING VOLTAGE. The 500 W/20 mA high voltage power supply for the electron beammachine accelerating voltage has been designed. The HVpower supply is a Cockrofi-Walton type andit 's m ain compomnts are voltage mulriplier ts designed using 20 stage o/0.22 nF/50 kV capasitor and IN4007'dioder. ThepoweroscillatorisdesignedusinglTK"J'5-2 triode and'thepowersupplyforthe oscillaioris designed using 3-phase transformer. The design shows that ihe voltage multiplier has input voltage of12.814 kV, power lost o/503 watt and inputpower o/12.6 kW. Thepower whwh must be supplied bypower oscillator is 17.2 kW.,

PENDAHULUAN

Seiring dengan perkembangan teknologi dibidang industri terutama di negara-negara maju

telah banyak memanfaatkan Mesin Berkas Elektron(MBE) untuk proses industri. Adapun industriyang telah memanfaatkan MBE antara lain :Industri kabel, industri alat-alat kedokteran/kesehatan, pelapisan kayu, keramik, karet(komponen-komponen mobil), busa dan lain-lain.

Sejak tahiin 1984 PAIR - BATAN telahmulai menggunakan MBE untuk proses industri.MBE yang digunakan adalah ttpe EPS-300 buatanNissin -Japan dengan daya 300 keV/50 mA. MBEtersebin merupakan bantuan melalui proyekUNDP. Kemudian pada tahun 1993 membdiMBE yang bertenaga lebih besar, yaitu tipe GJ-2buatan China. MBEjenis ini GJ-2 mempunyai daya2 MeV/10 mA<2). Selanjutnya untukmeningkatkan kemampuan penguasaan teknologimengenai MBE, dalam Pelita VI PPNY-BATANmemprogramkan pembuatan MBE dengan daya500 keV/10 mA. Salah satu bagian utama dariMBE ini adalah sumber tegangan tinggi yangberfungsi sebagai tegangan pemerccpat berkaselektron. Untuk keperluan pembuatan MBE, maka

dilakukan pembuatan sumber tegangan tinggi.Agar dalam pembuatan tersebut menghasilkan hasilyang optimum sesuai dengan spesifikasi yangdiperlukan, maka dilakukan suatu peranc?.nganterlebih dahulu. Perancangan sumber tegangantinggi ir.i didasaj-kan' daya yang diperlukan yaitu500 kV/20 mA.

Untuk melakukan perancangan sumber.tegarigan tinggi perlu diketahui jenis-jenis sumbertegangan tinggi yang banyak digunakan. Jenis-jenissumber tegangan tinggi ini antara lain : GeneratorVan de Graaf, Generator Cockroft-WaJton dantransformator bertingkat (Cascade transformef).Secara skematis ketiga sumber tcgangar. tinggi diatas ditunjukkan pada gambar 1, 2 dan 3. Padagenerator Van de Graaf, untuk menghasilkantegangan tinggi didasarkan proses lucutangas/ionisasi (gambar 1). Proses ionisasi inidihasilkan oleh tegangan DC sekitar 30 kV yangdiberikan pada sisir korona bagian bawah. Ion-ionhasil ionisasi ditolak oleh sisir korona sehinggamenuju ke sabuk isolator dan menempel padapermukaan sabuk isolator tersebut. Sabuk isolatorini diputar oleh motor sehingga ion-ion ini terbawakeatas sesuai arah gerakan sabuk isolator. Padabagian atas yaitu di dalam sungkup (elektrode)

PERANCANGAN SUMBER TEGANGAN TINGGI 500 kV/20 mA SEBAGAITEGANGAN PEMERCEPAT PADA MESIN BERKAS ELEKTRON(Suprapto, dkk.)

14


dipasang sisir penghisap muatan sehingga ion-ionyang menempe! pada sabuk isolator mengalir keelektrode meialui sisir penghisap muatan. Dengandemikian, elektrode yang berbentuk bola terisimuaian listrik sesuai muatan ion-ion tersebut.

Gambar 1. Skema generator Van de GraafKeterangan:

1. Sisirkorona bawah2. sabuk isoiator3. Sisirpenghisap muatan4. Sungkup (elektrode)

Pada generator Cockroft-Walton, tegangantinggi dihasilkan dengan menggandakan tegangansinusoidal yang dihasilkan osilator daya.Penggandaan tegangan ini dilakukan oleh. pelipattegangan (gambar 2). Besamya tegangan keiuarangenerator Cockroft-Walton ditentukan oleh jumlahtingkat pelipat tegangan dan amplitudo tegangankeluaran ostlator daya. Besarnya tegangankeluaran ini dapat diatur dengan mengaturamplitudo tegangan keluaran osilator.

Gambar 2. Skema generator Cockroft-WaltonKeterangan :

1. Osilator daya2. Dioda tegangan tinggi3. Kapasitor tegangan tinggi4. Sungkup (elektrode)

Sedangkan pada transfonnator bertingkat(Cascade transformer), tcgangan tinggi dihasilkandengan menyusun transformator tegangan tinggjsecara seri (gambar 3). Selanjutnya untukmendapatkan tegangan tinggi searah denganmenyearahkan tegangan bolak-balik yangdihasilkan oleh transformator bertingkat tersebutTransformatbr tegangan tinggi yang digunakanmasing-masing mempunyat 3 kumparan yaitu :kumparan primer, kumparan sekunder dankumparan terrier yang dihubungkan' ke kumparanprimer transformator tegangan tinggi berikutnya.Ketiga kumparan tersebut mastng-masing harusterisolasi dengan baik sesuai dengan tegangankeluaran transformator tegangan tinggi tersebut.

Keterangan1. Kumparan primer2. Kumparan sekunder3. Kumparan tcrtier

METODE PERHITUNGAN DANANALISIS RANCANGAN

Dalam perancangan sumber tegangan tinggimeliputi: pemilihanjenissumbertegangan tinggi,penentuan komponen-komponen sumber tegangantinggi dan kapasitasnya.

Peniilihan Jcnij Sumbtr Tegangan Tinggi

Dalam pemilihan jenis sumber tegangantinggi yang akan dibuat ada beberapapertimbangan. Pertimbangan-pertimbangan iniadalah dari aspek penggunaan, ekonomi, teknologidan untuk mendapatkan komponen-komponenyang diperlukan baik dari dalam maupun luarnegri. Dalam pemilihan jenis sumber tegangantinggi ini terutama didasarkan pada aspekpenggunaan, teknologi yaitu pengalaman danpenguasaan teknologl pembuatannya serta untukmendapatkan komponen-komponen yangdiperlukan dalam pembuatan sumber tegangantinggi tersebut. Generator Van de Graaf sangat

Prosiding Pertemuan dan Presentasi ilmiahTeknologi Akseierator dan AplikasinyaVol.1 No. Uul i1999: 14-18

15

Volume 1 Nomor 1 Juli 1999 ISSN141M&

menguntungkan untuk penggunaan tegangankeluaran yang besar dan arus beban kecil. Untukpembuatan generator ini, kesulitannya yaitu untukmendapatkan sabuk isolator kualitas tinggi.

Sedangkan sumber tegangan tinggi jenistransfonmator bertingkat menguntungkan untukpenggunaan arus beban besar dan tidakmemerlukan tegangan riak yang kecil. Untukpembuatan sumber tegangan tinggi jenistransformator bertingkat ini, kesulitannya padapembuatan transformator tegangan tinggi yaitupada pembuatan kumparan primer, sekunder dantertier dimana masing-masing kumparan harusterisolasi terhadap tegangan tinggi sesuai der.gantegangan keluaran dari transformator tersebut.Dengan demikian, didasarkan pada beberapa aspektersebut diatas muka dipilih sumber legangan tinggijenis Cockroft-Walton.

Penentuan Komponen-komponen UtamaSumber Tegangan Tinggi dan Kapasitasnya

Dalam menentukan komponen-komponenutama yang diperiukan untuk pembuatan sumbertegangan tinggi periu diperhatikan bagian-bagianutama dari sumber tegangan tinggi tersebut.Bagian-bagian utama sumber tegangan tinggi jenisCockroft-Walron adalah : Pelipat tegangan,Osilator daya dan Sumbtr day a BJioda osil ator day a.

Pelipat tegangan

Pelipat tegangan dirancang dengankomponen utama kapasitor dan dioda tegangantinggi. Untuk menentukan jumlah kapasitor dandioda ini didasarkan dari jumlah tingkat pelipattegangan (n). Agar dapat menghasilkan tegangankeluaran generator Cockroft-Walton sebesar 500kV ditentukan n = 20 tingkat. Setiap tingkat pelipattegangan terdiri atas 2 kapasitor dan 2 diodategangan tinggi, sehingga diperiukan kapasitor dandioda tegangan tinggi masing-masing 40 buah.Pelipat legangan itu_ direncanakan menggunakankapasitor (C) 0,22 7fiF/50 kV. Untuk mendapatkantegangan keluaran 500 kV maka teganganmaksimum (E) dan frekuensi (f) masukan peiipattegangan direncanakan maksimum masing-masingadalah 15 k V dan 40 kHz. Kapasiior tegangan tinggiini akan menerima beban tegangan 2 kali teganganmasukan yaitu 30 kV, sed&ngkan frekuensi 40 kHzditentukan berdasarkan simulasi trafo frekuensitinggi dengan inti ferit. Dengan demikianparameter-parameter pclipat tegangan yangmenyebabkan rugi-rugi daya dapat ditentukan.Parameter-parameter ini antara Iain : Teganganriak, penurunan tegangan akibat arus beban, arusbocor melalui dioda dan amplitudo masukan yangdibutuhkan. Dalam penggunaan tegangan tinggi

sebagai tegangan pernercepat, tegangan riakmenyebabkan fluktuasi energi partikel yangdipcrcepat. Besarnya fluktuasi energi danfrekuensinya adalah sebanding dengan besarnyategangan riak dan frekuensinya sama denganfrekuensi tegangan riak tersebutTegangan riak (5V) dihitung dengan persamaair '

s v -L- HiR±ll W0 K " / . C - 2

dimana arus beban (I) adalah 20 mA, jikaharga-harga tersebut diatas dimasukkan dalampersamaan (1) didapatkan tegangan riak (SV)sebesar 477,3 Volt.

Penurunan tegangan (AV) aJdbat arus bebandihitung dengan persamaan^

Dengan data-data tersebut diatas didapatkan AV =12.568 Volt.

Untuk menentukan arus bocor melalui' diodayang disebabkan karena dioda dioperasikan padafrekuensi (f) 40 kHz teriebih dahulu ditentukanreaktansi (Xc) dari dioda. Dari pengukuran diodaIN 4007 rata-rata mempunyai kapasitansi arahmundur 16 pF. Harga Xc tiap-tiap dioda dihirungdengan persamaan

Xc L_. O)

= 248.680 ohmSedangkan arus bocor melalui dioda I dihitungberdasarkan hukum ohm sebagai berikut

Jika tiap-tiap dioda dioperasikan pada tegangan (V)]25 volt, maka arus bocor melalui dioda adaJah0,503 mA. Dioda tegangan tinggj ini dioperasikanpadategangan arah mundurl5kV, sehinggauntuk1 rangkaian dioda tegangan tinggi tersusun dari 120buah dioda IN 4007 secara seri. Amplitudotegangan rr.asukan (E) dihitung dengan persamaan

2nE-\v (4a)

atau

E= -Vmala + A V (4b)

l.n

adalah tegangan maksimun keluarangenerator Cockcroft-Walton, sedangkan jumlahtingkat maksimum (n maks) ditentukan denganmendeferensialkan persamaan 4a sebagai berikut

d Vmaksdn

= 0 (5)

PERANCANGAN SUMBER TEGANGAN TINGGI 500 kV/20 mA SEBAGA!TEGANGAN PEMERCEPAT PADA MESIN BERKAS ELEKTRON(Suprapto, dkk.)

16


Dengan demikian diperoleh persamaanuntuk menentukan jumlah tingkat maksimumsebagai berikut

rtmaks — V (6)

Untuk tegangan keluaran Vmaks = 500 kV,dtdapatkanEsebesar 12,814 kVdanjumlahtingkatmaksimum didapatkan 74 tingkat. Jadi denganperkiraan arnplitudo tegangan masukan pelipattegangan 15 kV dan jumlah tingkat 20 Qumlahtingkat yang direncanakan) adalah memenuhiperhitungan.

Osilator daya

Untuk menghasilkan tegangan sinusoidalyang mempunyai amplitudo 15 kV pada frekuensi40 kHz digunakan osilator daya. Osilator daya inidirencanakan dibangun dengan komponen utamatabung trioda ITK 5-2 buatan Thomson tubeselectroniques Perands. Pemilihan tabung triodaini didasarkan atas daya keluaran osilator dansistem pendinginan yang diperlukan. Kebutuhandaya yang harus dipenuhi oleh osilator daya (P)adalah

P=P1 + P2 + P3

dimana Pl = Daya keluaran sumbertegangan tinggi sebesar 10 kWP2 = Rugi-rugi daya pada pclipatteganganP3 = Rugi-rugi daya pada frafofrekuensi tinggi

Rugi-rugi daya pada pelipat tegangan (P2 )terdiri atas rugi-rugi daya akibat penurunantegangan keluaran yang disebabkan arus beban(P21 ) dan rugi-rugi daya akibat arusbocormelaluidioda (P22 ). Besarnya rugi-rugi daya ini adalahP21 = IDV dan P22= Ic Vmaks

= 251,36 Watt = 251,5 WattP2 = P21 + P22

= 502,86 Wattdidasarkan simulasi efisiensi trafo (rj) antara 0,75sampai 0,85, maka untuk perhitungan ini diambil r\= 0,8. Rugi-rugi daya pada trafo (P3 ) adaJahP3 = (1 -0,8)x(Pl+P2)

= 2100.6 Watt'~ 2,1 kW

Jadi kebutuhan daya yang harus dipenuhioleh osilator daya (P) yaitu daya keluaran sumbertegangan tinggi ditambah rugi-rugi daya padapelipat tegangan yang besarnya adalah 12,6 kW.Daya tersebut minimal haais sama dengan dayakeluaran osilator daya.

Sutnbcr daya osDatcr daya

Osilator daya agar dapat beroperasimemerlukan sumber daya anoda berupa teganganDC. Untuk osilator yang dibangun dengankomponen utama tabung trioda, sumber daya iniharus dapat memenuhi catu daya anoda tabungtrioda tersebut. Besarnya tegangan dan arus anodahams sesuai dengan spes'tfikasi tabung trioda dandaya keluaran osilator. Daya keluaran osilator (P)adalah(4)

dan

dimana

P — 'rms X Irmi

v — -F5 J/r rms — "Zi£ • r m

(6a)

(6b)

Vm = Amplitudo tegangan keluaranosilator makstmumIrms = Arus Anoda rerata samadengan Idc

Harga Vm maksimum sama dengan tegangan anodayaitu tegangan DC yang diberikan oleh sumberdaya osilator. Maka arus anoda rerata adalah

Irms —

= 1,72 A.Dengan demikian daya yang harus disediakanuntuk catu daya anoda adalah

P -Vdc . Idc

= 17,2 kW

KESIMPULAN

Dari hasil perhitungan dan analisisrancangan dapat disimpulkan bahwa :1. Pelipat tegangan terdiri dari 20 tingkat

dengan penurunan tegangan dan rugi-rugidaya masing-masing 12.568 Volt dan 503Watt

2. Osilator daya direncanakan dengan tabungtrioda ITK 15-2 dengan catu daya anoda dandaya keluaran masing-masing 10 kVdan 12,6kW.

3. Sumber daya osilator daya direncanakandengan trafo 3 fase dengan tegangan dan dayakeluaran minimaJ 10 kV dan 17,2 kW

Dengan hasil perancangan ini diharapkandapat digunakan untuk pedoman dai'am pembuatansumber tegangan tinggi 500 kV/ 20 raA

UCAPAN TERIMA KASEE

Pada kesempatan ini penulismenyampaikan rasa terima kasih yangsebesar-besamya kepada staf teknisi, khususnya


17

Volume 1 Nomor 1 1999 ISSN 1411-1349

saudara Heri Sudarmanto, Uutung Margono, DwiMulyanto dan Suhartono yang telah berpartisipasidalam kegiatan perancangan dan simulasi sumbertegangan tinggj ini, sehingga dapat teriaksanasebaik-baiknya.

DAFTAR PUSTAKA

1. RAHAYU CHOSDU, dkk., "PengalamanMengoperasikan danMerawat MesinBerkasElektron EPS-300", Prosiding SeminarSehari Prospek Rekayasa dan AplikasiMesin Berkas Elektron Untuk Industri diIndonesia, PAIR-BATAN, Jakarta 2 Agustus1990.

2. SUDJATMOKO, dkk., "AkseleratorElektron GJ-2, Komponen Utama danPrinsip Kerjanya", Makalah disajikanpada Pertemuan Tim Rekayasa MesinBerkas Elektron, PAER-BATAN, Jakarta 25Mei 1993.

3. CRAGGS, J.D, and MEEK, J.M., "HighVoltage- Laboratory Technique",Butterworths, Ltd, Lonrion, 1953

4. MELMAN, J. and HALKIAS, CHRISTOSC, "Electronic Devices and Circuits", McGrawHill.Inc, 1967

5. SUMIHAR HUTAPEA, "PengalamamPernbuatan Generator Van de GraaffBATAN Yogyakarta", Pusat PenelitianTenaga Atom Gama, Yogyakarta, 1975.

TANYA JAWABSudarti

kalau tidak salah, sumber tegangan tinggijenis Cokroft-Walton itu siidah pcrnah dibuat diPPNY waktu lalu. Ycuig dircuvzang akan dibuat ini,apakah merupakan pevgembangan GeneratorCockroft-Walton yatjg sudah pernah dibuat dulu,atankah dengan ra/icangcpi sedikii lain ?. Apa segikeunttwgannya.

Suprapto

1. Betul Generator Cockroft-Walton telah dibuatdi PPNY (untuk implantasi ion dan generatorneutron)

2. Yang dirancang ini bukan pemgembang-annya, melainkan membuat lagi dengan dayajauh lebih besar yaitu 500 kV/ 20 mA,sedangkan yang telah dibuat hanya 125 kV/,5mAdanl25kV/l.J5mA

3. Perbedaan rancangan dan keuntungannyadengan yang sudah ada adalah daya keluaranlebihbesar.frekuensi operasi lebihtinggi danripple lebih kecil pada arus beban yang lebihbesar

4. Sumber tegangan tinggi

PERANCANGAN SUMBER TEGANGAN TINGGI 500 kV/20 mA SEBAGAITEGANGAN PEMERCEPAT PADA MESIN BERKAS ELEKTRON(Suprapto, dkk.)

18

Volume 1 Nomof 1 JulM999

ID0200206

ISSN 1411-1349

PERANCANGAN OSELATOR DAYA UNTUK SUMBER TEGANGANTINGGI TEPE COCKROFJT-WALTON 500 kV/20 mA

Djasiman, Sudjatmoko, SupraptoPPST-BATA.VJI. Babanari P.O. Box 1008, Yogyakmla 53010

ABSTRAKPERANCANGAN OSILATOR DAYA UNTUK SUMBER TEGANGAN TINGGI TIPE

COCKROFT-WALTON 500 KV/20 MA. Telah dilakukan perancangan osilaror daya untuk sumbertegcmgcn tinggi tipe Cockroft-Wahon. Sumber tegangan tinggi ini akan digunakan sebagai swnbertegangan pemercepat pada mesin berkas elektron (MBE) yang direnccmakan pembuatannya dengankapasitas 500 keV/IO mA. Perancangan osilator daya ini meiiputipenenman spesifikasi keluaran, bentukuntai, pe.ncatu daya dan komponen utama osilator. Keluaran osilator daya yaitu: daya, tegangan dan/rekvensl dirancang sesuai dengan kebutuhan masukan pelipat tegangan. Hasil perancanganmenunpJJcan bahwa jenis untai yang digunakan adalah "tickler osdllaror" Idas-C dengan spesifikasikeluaran: 12,1 kW, 15 kVdan 40 kHz gelombang sinusoidal. Sedangkan komponen utama digunakantabung trioda tipe ITK15-2.

ABSTRACTDESIGNOFPOWER OSCILLATOR FOR 500keV/20mA COCKROFT-WALTONHIGH VOLTAGE

SUPPLY. A design ofpower oscillator for Cockrofi-Wahon high voltage supply was carried our. Thishigh voltage supply wouldbe usedas the acceleration volrage suppfy ofan electron beam machine designedto have 500 keV/10 mA capacity. The power ocsillator design consisted ofoutput spesifikasi, circuitdiagram, power suplfy artd osillator main components deierminations. The power oscillator ouiput wavepower, voltage and frekuency designed according to voltage multiplier input requirements. The designresults showed that ihe drcuit was class-c "tickler oscilator" having an output spesifikation ofl 2,! kW,I5kV and 40 kffz simis tvave. The main cornponent was a ITK15-2 triode tube.

PENDAHIJLUAN

Sebagai ikut berperan serta dalam kegiatanpembanguan dibtdang IPTEK, PPNY-3ATAN

marencanalcan program pembuatan suatu MesinBericas Elektron (MBE) 500 keV/10 mA. Sebagaisumber tegangan pemercepatnya direncanakandibuat dari tipe pelipat tegangan jenisCockroft-Waiton berkapasitas 500 kV/20 mA.Pembangkit tegangan ini terdiri dari dua bagianutama yaitu osilator dan pelipat tegangan. Osilatorberftingsi menghasilkan tegangan osiiasi sebagaimasukan bagi pelipat tegangan dengan daya yangcukup untuk mengatasi seluruh rugi-rugi dankeluaran generator. Pelipat tegangan berfungsimerubah dan meningkatkan teganggan osilasimenjadi suatu tegangan tinggi searah (DC) sebagaikeluaran generator.

Agar dapat diwujudkan suatu sumbertegangan tinggi yang memadai sesuai yangdiharapkan, dalam proses pembuatan ini perludiawali dengan tahap perancangan atasbagian-bagiannya. Perancangan bagian osilatordiiakukan dengan maksud menyiapkan suatudiagram sistcm osilator yang memiliki d.ataspesifikasi memadai bagi generatorCockroft-Walton 500 kV/20 mA tersebut DaJam

kegiatan perancangan ini dilakukan analisa sistemuntuk dapat memperhitungkan data-dataspesifikasi osilator seita pemilihan bahannya.Dengan demikian dapat diperoleh suatu rancanganosilator daya dengan spesifikasi teknis yangmemadai serta pemilihan bahan/komponen yangcukup sederhana namun juga memadai.

ANALISA SISTEM

Beberapa hal terkait yang perlu ditinjauuntuk dapat memperhitungkan berbagai dataspesifikasi suatu rancangan osilator dalam hal iniantara lain: generatorCockroft-Walton, konfigurasiosilator, pemilihan bahan dan spesiftkasi osilatoryang meliputi frekuensi, daya, tegangan keluaranserta pencatu dayanya.

Generator Cockroft-WaJton

Dalam proses pembangkitan tegangan darisuatu generator Cockroft Walton menurut Bauer,keluarannya\ ' dapat ditinjau menurut dua kondisiyaitu: kondisi fanpa beban (I = 0) dan kondisiberbeban (I = 0).

Pada kondisi tampa beban, tegangankeluaran (Vo) dapat dinyatakan denganpersamaan berikut:

Vo = 2nE (1)

PERANCANGAN OSILATOR DAYA UNT'JK SUMBERTINGGI TIPE COCKROFT-WALTON 500 kV/20 mA(Djasiman, dkkt)

FEGANGAN 19


dengan Vo= tegangan keluaran generatorCockroft-Walton

n = jumlah tingkat dalam pelipattegangan

E = tegangan osilasi masukan padapelipat tegangan.

Bila kondisi berbeban (I = 0), te.gangankeluarannya adalah :

Vo = 2 nE - AV

Vo = 2nE - ( 3 + 2

dengan AV- turun tegangan pada pelipattegangan

Io = arus beban atau keluaranf = frekuensi tegangan osilasiC = kapasitansi tiap kapasitor pelipat

teganganPada tega/igan keluaran generator

Cockroft-Walton bila mengalir arus beban akantimbul tegangan riak (SV) atau "ripple" yangbesarnya dapat dinyatakan dengan:

6r = 7 f e - 2 ( " 2 - ^ (3)

Dari persamaan-persamaan tersebutparameter n dan C adalah dari bagian pelipattegangan, sedangkan f dan E dari osilator. Untuksuatu konstruksi generator Cockroft-Waltonbiasanya parameter n, C dan f adalah tetap,sedangkan E divariasi untuk memperolehpengaturan tegangan keluaran.

Frekuensi Osilator

Untuk memperkecil turun tegangan AV dantegangan riak 6V, dapat dilakukan dengan caramemperbesar frekuensi (f). Frekuensi osilatordapat dibuat tinggi sekehepdak, namun dalam balini perlu disesuaikan dengan kemampuankomponen yang terkait, seperti konstruksi trafoosilator dan kopmonen penyusun pelipat tegangan.Dari eksperimen dcngan komponen yang sejenismenunjukkan bahwa pengoperasian denganfrekucnsi diatas 70 kHz akan menimbulkanpenurunan efisiensi. Karcna itu pilihan frekuensiosilator direncanakan pada harga sekitar 40 kHzdengan gelombang sinusoidal agar sesuai denganrumusan yang diacu. Harga tersebut cukup baikdalam ard sangat menunjang dalam menekantimbulnya rugi-rugi baik turun tegangan maupuntegangan riak.

Daya Osilator

Dayaosilator(Pos),harus dapat mengatasijumlah daya keluaran geneiator (Po), rugi dayapada pelipat tegangan (APpt) dan aigi daya pada

trafo keluaran (APtr), seperti dirumuskan daJampersamaan berikut:

Pos = Po + APpt + APir (4)

Besarnya daya keluaran telah tertentu yaitu:Po = Vo x Io = 500 kV x 20 mA = 10 kW.Rugi daya pada pelipat tegangan: APpt = Io x AV

Dengan parameter yang telah ditentukandalam rancangan yaitu lo = 20 mA, f = 40 kHz, n= 20danC=0,22iiF,maka besarnya APpt tertiitungkurang dari 3 % dengan basis Po, atau dapatdinyatakan bahwa rendemen pelipat tegangan r\ ptsebesar 97 %.

Rugi trznsfer daya (APtr) pada suatu trafo,pada umumnya sekitar 10 %. Dengan niengambilsuatu toleransi agar penyediaan daya sedikit lebih,maka rendemen tarfo tersebut diperhitungkan

Dari analisa tersebut dapat diperhitungkanbesarnya daya osilator (Pos) yang harus disediakan,yaitu :

(5)

Pos=10kW/(0,97xO,S5)=12,lkW. Makadayaosilator direncanakan sebesar 12.1 kVV

Tegangan Keluaran Osiiator

Yang dimaksud tegangan keiuaran osilatordalam hal ini adalah tegangan yang diambil darisekunder trafo osilator yang siap diberikan kepelipat tegangan. Untuk memperoleh tegangankeluaran sebesar 500 kV dari pelipat tegangan yangdirencanakan memiliki 20 tingkat (n = 20),diperlukan masukan tegangan osilasisekurang-kurangnya 12,5 kV. Untuk memberikelonggaran agar osilator tidak periu dioperasikanmaksimum maka tegangan osilator direncanakansebesar 15 kV.

Pencatu Daya OsHator

Sumber daya utama untuk mencatu osilatorini adalah suatu sumber daya arus searah yangmencatu axioda dari tabung trioda TK 15-2 yangdirencanakan menjadi komponen utamanya.Sumber daya auoda ini harus mampu mendukungjumlah daya keluaran osilator dan rugi-ruginya,sehingga merupakan sumber daya penyangga atasgenerator Ccx:kroft-Walton secara keseluruhan.Osilator direncanakan dibuat dengan tipe kias-Cyang memiliki efisiensi daya maksimum 75 %,untuk perhitungan ini diambil efisisnsi 70 %.sehingga diperiukan catu daya anoda sebesar;Pa = Pos / 0,70 = 12,1 kW / 0,70 = 17,2 kWJadi kapasitas sumber daya anoda direncanakansebesar 17,2 kW.

Prosiding Pertemuan dan Presentasi llmiahTeknologi Akselerator dan AplikasinyaVo!.1 No. 1 Juli 1999: 19-23

Vok

Ko

Coaruyaiiegsinrurdeiositinpeipo:de;da;urr1.

ko

I

G:

b:at.sete;

j "dikv

bt

iu

ol

PE

(D.i

20

Volume 1 Nomori Juli 1999 ISSN 1411-1349

Konfigurasi Osilator

Osilator merupakan bagian dari generatorCockroft-Wahon yang berfungsi merubah dayaarus searah (DC) menjadi arus bolak-baiik (AC).yang diperlukan sebagai masukan bagi pelipattegangan. Gelombang keluaran osilator ini dipilihsinusoidal dengan maksud menyesuaikan denganrumusan tecri acuan, walaupun dimungkikan jugadengan bentuk gelombang yang lain. Kebanyakanosilator penghasil gelombang sinus frekuensitinggi menggunakan prinsip resonansi dengan untaipenala LC(induktor dan kapasitor) dan utnpanbalikpositif. Berbagai ragam untai osilator dapat dibuatdengan prinsip terscbut, namun pada dasarnyadapat d'ibedakan menurut cara memperolehumpan baliknya yaitu:1. "Tickler oscillator", menggunakan suatu

kumparan sekunder dari trafo osilator untukmemperoteh tegangan umpan balik.

2. "Hartley oscillator", tegangan umpan balikdiperoleh dari pembagi tegangan secarainduktif.

3. "Colpitts oscillator", tegangan umpan balikdiperoleh dari pembagi tegangan secarakapasitif.

Konfigurasi dasar dari ketigamacamosilator tersebut dengan trioda sebagaikomponen aktifhya, diperlihatkan pada gambar-1.

Gambar 1. Konfigurasi dasar osilator resonansi(a "Tickler oscillator", b "Hartleyoscillator", c "Colpitts oscillalor)

Pada "tickler oscillator" gambar- la ,kumparan L2 paralel C2 membentuk untai tangkiatau penala yang memberikan tegangannyascbagai umpan balik positif ke grid. Besamyategangan umpan balik dapat diatur dengan memilihjumlah lilitan L2, bila perlu polaritasnya dapatdisesuaikan dengan m.embalik ujung-ujungkumparannya untuk memperoleh umpan balikpositif.

Pada "Hartley oscillator" gambar-lb,besamya tegangan umpan balik ditentukan olehjumlah lilitan L2a dan L2b, untai tangki dibentukoleh C2 paralel dengan jumlah L2a dan L2b.

"Colpitts oscillator" pada gambar-lc,prisipnya sama dengaii gambar-lb hanyaberbedapada pembagi tegangannya yang dibentuk olehkapasitor C2a dan C2b untuk memperolehtegangan umpan baliknya.

Osilator akan berosilasi sesuai denganfrekuensi resonansi dari untai tangkinya (L2 C2)yang besarnya dapat dihitung menurut persamaan(6). Berdasarkan kondisi resonansinya, hargakomponen induktor dan kapasitoruntai tangki jugadapat dihitung dengan menggunakan persamaan(7) dan (8) berilcut(3; •

/ • • *

L =

c =

159

ic25300

f.c25300

(6)

(7)

(3)

dengan f = frekuensi resonansi (kHz)L = induktansi untai tangki (jiH)C = kapasitansi untai tangki (pF)

Untai tangki berfimgsi sama seperti rodagila pada putaran mekanik (flywheel effect), yaitumenyimpan tenaga selama perioda aktif danmemberi tenaga pada perioda pasif agarkelangsungan osilasi dapat terjaga. Kualitas suatuuntai tangki disebut dengan faktor Q, dirumuskansebagai perbandingan antara reaktansi induktifterhadap resistannya. Pada dasarnya faktor Qmenyatakan perbandingan antara tenaga tersimpanterhadap rugi tenaga (karena resistan) selama satuperioda osilasi^

R

dengan Q = faktor kualitas untai tangki (figureof merite)

Xl= reaktansi induktif untai tangki(ohm)

R - resistansi untai tangki (ohm)Menaikkan faktor Q akan dapat

meningkatkan kestabilan frekuensi dan amplitudotegangan keluaran osilator(3\ Faktor Q suatuuntai tangki dapat diperbesar denganmemperbesar induktansinya (L), karena XI = 27rfL.Resistan untai tangki merupakanjumlah secara seridengan resistan beban, sehingga faktor Q akanmengecil bila dibebani.

Dalam kondisi resonansi, tenagayang dapattersimpan juga dipengaruhi oleh besarnyakapasitansi dan tegangan untai tangki sepertiditunjukkan oleh persamaan (10) berikut*-

(10)

PERANCANGAN OSILATOR DAYA UNTUK SUMBER TEGANGANTINGG! TIPE COCKROFT-WALTON 500 kV/20 mA(Djasiman, dkk,)

21

Volume 1 Nomori Jull 1999 ISSN 1411-1349

dengan Wt= tenaga tersimpan setiap periodaosilasi

C *» kapasitansi untai tangkiEt= tegangan efektif untai tangki

Untuk menjaga frekuensi tertentu yangdikehendaki, menainbah harga C hams diikutidengan penurunan harga L, karena itu suatuperbandingan L/C periu dipilih secara experimenagar dapat memberikan keluaran bentukgelombang sinusoidal yang 'oaik.

UNTAIOSILATORUntuk mewujudkan osilator daya dengan

kapasitas atau spesifikasi teknis sebagai yang telahdiperhitungkan terdahulu, dipilihjenis konfigurasi"tickler oscillator", karena kesederhanaannyadalam memperoleh besar dan polaritas umpanbalik positif. Secara lebih lengkap bentuk untaiosilator ini direncanakan seperti diagram padagambar-2.

Gambar2. Diagramuntaiosilatordaya40kHz/15kV

Cl :0 .1 nF/l5kVC2:0.0l^iF/15kVC3:0.1nF/l5kVC4:0.0l5|iF/15kV

C5 : 500 pFC6:C.IuFLl : 1,5 mHRl:3,5kOhm

Sebagai koponen aktif dari untai osilatorinidigunakan tabung trioda tipe ITK 15-2 buatanTTE (Thomson Tube Elektroniques) Perancis.Anoda dicatu oieh suatu surnber daya DC (SDA)17,2 kW/10 kV dan filamen dengan suatu sumberdaya AC(SDF) 7,2 V/240 A untuk pemakaianbebanl80A (2 )

Trafo osilator Tl dengan inti ferit dibentukoleh tiga kumparan L1.L2 dan L3. Kumparan LIsebagai primer yang dialiri oleh arus anoda.Kumparan L2 paralel dengan C2 membentuk untaitangki, dengan nilai L2 = 1,5 mHdanC2= 0,01 JIFakan memberikan fiekuensi osilasi sekitar40 kHz.Tegangan keluaran osilator diambil dari kumparanL3 untuk diberikan langsung ke pelipat tegangan.Tegangan umpan balik positif untukgrid diambil

dari untai tangld melaiui Cl. Kombinasi Rl Cldengan tetapan waktu yang dibuatjauh lebih besardibanding periode frekuensi osilasi, berfungsimemberi tegangan DC yang kontinyu untukmebias grid. Kombinasi Cl dengan penyearahgrid-katoda akan beraksi sebagai pengeklem atassinyai umpan balik ke grid sehingga puncaknyaakan terklem pada nol Volt atau ground, yangberarti memberi tegangan bias negatif ke grid.Tegangan umpan balik dibuat 600 Vpp agardiperoleh tegangan bias grid untuk operasi triodasebagai penguat klas-C^

Kapasitor keramik C5 dimaksudkanuntuk mengurangi timbulnya osilasi parasit,besamya dapat diperkirakan dengan persaroaan(13)berikut(2)

kPo (13)

dengan Cgc = nilai kapasitor untuk grid-katoda(pF)

k = suatu angka untuk pendekatanantara 12s/d 15.

Po = daya osilator (kW)f = frekuensi osilator (M Hz)

Untuk Po = 12,1 kW, f = 40 kliz, besarnya Cgcsekitar 500 pF.

PEMILIHAN BAH.4N

Mengingat besarnya daya osilator yangdirencanakan, maka sebagai komponen utamadalam untai osilatorini dipilih menggunakanjenistabung elektron karena kemampuannya terhadapdaya dan tegangan yang besar dibanding denganjenis komponen dari bahan semi konduktor.Tabung trioda tipe "ITK 15-2" antara lain memilikispesifikasi daya maksimum sebesar 63 kW dantegar.gan anoda maksimum 33 kV. Denganspesifikasi data tersebut dipandang cukupmemadai baik untuk kapasitas daya yangdirencanakan sekarang maupun untuk prospekpengembangan iebih Ianjut. kebutuhan kapasitordengan berbagai nilai kapasitasnya dapatdipenuhi dengan membuat sendiri dari bahan foilalmunium tebal 0,1 mm (produksi Reynolds MetalsCompany, Virginia, USA) sebagai elektroda danplastik mika 0,2 mm sebagai bahandielektrikumnya. Ketahanan plastik mika tersebuttelah teruji kemampuannya terhadap teganganhingga 30 kV, sehingga untuk tegangan kerjakapasitor sebesar 15 kV sebagai yangdirencanakan sudah cukup memadai. Untuk suatunilai kapasitor, dapat dirancang pembuatannyamenurut rumusan (14) berikut(6).


22


r _ e_A (14)U ~ d

dengan C = kapasitans (F)s = permitivitas (coulomb /N.m ),

tetapan dielektrikumA - luasan elektroda (m )d = jarak clektroda atau tebal

dielektrikum (m)Kumparan untuk induktor (L) dapar dibuat

dengan mengacu pada rumusan (15) dan (16)berikut(5).

„ l O p ) L

0,39^

dengan L = induktansi (jiH)n-jumlahlilitanr = 0,5 diameter kumparan (cm)p = panjang kumparan (cm)

Untuk memperkecil nilai kapasitansi iiardari kumparan, susunan antara kawat lilitan periudibuat lebih renggang.

KESIMPULAN

Dari analisa untuk menyiapkan suaturancangan osilator daya yang diharapkan mampuuntuk mendukung kapasitas generatorCockroft-Walton 500 kV/20 mA, dapat dihasilkansuatu rancangan untai osilator daya denganspesifikasi teknis sebagai berikutKonflgurasi untai : "Tickleroscillator", klas-CKomponen utaina : Tabung trioda "ITK 15-2"Frekuensi : 40 kHzGelombang : SinusoidalDayakeluaran : 12,1 kWTegangan keluaran : 15 kVPencatu daya anoda: Sumber DC 17,2 kW/10 kVPencatu daya filamen : Sumber AC 7,2 V/240 A

DAFTAR PUSTAKA1. J.D.CRAGGSandJ.M.MEEK,HighVdtage

And Laboratory Technique, London, 1953.2. THOMSON TUBE ELECTRONIQUES,

France, 1994.3. SLURZBERG, OSTERHELD, Essential

OfCommunicatin Electronics, Mc.Graw-Hill. Inc, 1973.

4. MILMAN & HALKIAS, Electrontc DcvtcesAnd Circuits, Mc Graw-Hill, 1967.

5. WASITO. S, Vademekum elektronika, PT.Gramedia, 1984.

6. POERNOMO E, Pembuatan SumberTegangan Rendah dan Tinggi UntukIrradiator Elektron, PPNY-BATAN, 1984.

TANYA JAVVAB

Budi Santoso

1. Apokah trioda dapcl digantipower transisiordan apa keuntimgannya dan kerugiannya

2. Berapa efisiensi daya sampai elektronmenghasilkan daya 500 keVxJOmA^S kW

Djasiman

1. Penggunaan transistor power jugadimungkinkan

keuntungan/kerugiannya:- trioda mampu daya dan tegangan besar,

umumnya transistor tidak- trioda tahan terhadap tegangan dan arus Iebih,

transistor tidak2. Efisiensi daya untuk beban/daya 5 kW adalah

70%

Sudarti

Jenis oscl. yang disebutkan adalah tipeTickler osc, Hardley Osc atau Colpitts oscl.Mengapa untuk perancangan ini dipilih Tichlerosc. Apa segi keunggulamrya terhadap sistemycmglcdnDjasiman

Dipilih tickler osc, keunggulannya- untainya lebih sederhana- Cara .:nemperoleh besar dan polaritas sinyal

umpan baliknya lebih mudah

Prayitno

Jenis "Core" (kern)/Inti apakah yangdipakai dalam trafo tersebut dan bagaimana caramenghitung / menentukan inti tersebut

- sebab apakahjrekuensi osilasi dipilih 40 kHs,karena jika frekuensinya ditinggikan akanmengurangi jumlah lilitcm

* apakah r\ dapat dicapai 70 % ?

Djasiman- Inti trafo menggunakan bahan ferit, sesuai

yang disarankan oleh "TTE" untuk nilaifrekuensi tersebut (40 kHz). Cara menetukankami berpedoman agarinti tidaksampaijenuh, karena belum memperoleh rumusan yangdapat dipakai

- Dipilihf=40kHz,karenadisesuaikandengankemampuan komponen yang terkait ( trafoosilator dengan inti ferit, komponen pelipattegangan yaitu dioda dan kapasitor

- Untuk memperoleh T| = 70 %, osilator dibuate!as-C

PERANCANGAN GSILATOR DAYA UNTUK SUMBER TEGANGANTINGGI TIPE COCKROFT-WALTON 500 kV/20 mA(Djasimart, dkk,)

23

ID0200207

Volume 1 Nomor 1 Juli 1999 lSSN 1411-1349

PERANCANGAN SISTEM OPTEK MESIN BERKAS ELEKTRON 500keV/lOmASutadji Sugiarto, Djoko SP. Rahardjo, SudjatmokoPPNY'BATAN. JL Babanari Po. Box 1008 Yogyahirla 55010

ABSTRAKPERANCANGAN SISTEM OPTIK MESIN BERKAS ELEKTRON 500 keV/10 mA. Dalam Tahun

Penelirian 1995/1996 telah dilahikan Peranccngan Komponen-komponen Mesin Berkas Elektron 500keV/10 mA. yang meliputi : Sumber Elektron, Tabiwg Akselerator, Sumber Tegangan Tinggi, SistemPemfokw, Sisiem Pengarah, Sistem Pemayar, Sistem Hampa, Sistem Fasilitas Radiasi dan Konveyer seriaSistem Elektronik dan Pengendali. Makalah ini membahas Perencanaan Sistem Oprikyang meliputi:Sistem Pemfokus. Sistem Pengarah dan Sistem Pemayar, Sisiem Pem/okus adalah berupa kumparanterbungkus besi, Slstcm Pengarah adalah berupa duapasang elcktromagnet yang saling tegak lurus danSistem Pemcyar adolah berupa satu pasang elektromagnet arus rukar. Sistem Pemfokus-J, didepanTabung Akseleraior, dirancang mempunyai jarak fokus 1 m untuk lenaga elektron 10 keV. SistemPemfokus-2, dibelakang Tabung Aksekrator cbrancang mempuyaijarakfokus 1 m untvk tenaga elektron1 MeV. Sistem Pengcrah dircmcang mempunyai sudutpembelok 30° unmk tenaga elektron 1 Me V. Sistem-Pemayar dirancang mempunyaijarakpenyimpangcm 120cm dengan sudutpembelokan 20° untuk tenagaelektron 1 MeV. De/igan sistem ini diharapkan berkas ekktrort 500kcV/10 mA dapat dikendalikan.

ABSTRACTDESIGNOFOPTICSISTEMFOR 500keV/10 mA ELECTRONBEAMMACHINE. In The 1995/1996

Research Year design oj'Electron BeamMachine componenls i.e.: Electron Source. High Voltage Supply,Accelerator Tube, Focussing System, Steering System, Scanning System, Vacuum System, RadiationFasility and Conveyer System also Electronics and Con trol System was carried out. This paper describesthe design o/Focussing, Steering cmd Scamtng Systems. The Focussing System was an iron sheaihedselenoid ihe Steering System was two sets of electromagnet placed perpendicular each other and theScanningSystem was asetofaltemaringcurrentelectiomagnet. ThefirstFocussingSystem wasdesignedlo hcrve 1 mfocus distcmcefor electron beam oflO keVenergy ihe secondFocussing System was designedto have 1 mfocus distanze for electron beam ofl MeVenergy, the Steering System was designed to have30° deflection anglefor electron beam ofl MeVenergy and the Scanning System was designedso have120 cm deflection distance and20° deflection anglefor electron beam ofl MeV. Using these systems the500 keV/10 KA Electron Beam Machine could be controled

PENDAHULUAN

Dalam Mesin Berkas Elektron, berkas elektronyang dihasilkan oleh Sumber Elektron

dilewatkan pada Sistem Pemfokus-1, TabungAksderator, Sistem Pemfokus-2, Sistem Pengarah,Sistem Pemayar, Jendela da.n diiradiasikan padasasaran di belakang jendela. Sistem Pemfokusdipergunakan untuk memfokuskan (membuat arahmengumpul) berkas elektron yang arahnyamenyebar. Arah berkas menyebar dapat terjadikarena : tumbukan dengan atom-atom bebas, gayatolak antar elektron dalam berkas dan medan listriksistem, misal pada sistem ekstrak'.or. SistemPengarah dipergunakan untuk mengarahkan berkaselektron agar bergerak sepanjang sumbu tabunghampa. Berkas elektron dapat bergerakmenyimpang dari sumbu tebung hampa karenapelurusan sistem hampa yang tidak lurus benar.Sistem Pemayar dipergunakan untukmenyimpangkan berkas elektron ke samping kanandan kiri agar jatuh di seluruh permukaan sasaran di

belakang jendela Mesin Berkas Elektron. SistemOptic dirancang dengan kriteria :

1. Untuk tenaga elektron yang lebih tinggi agardapat dipergunakan untuk tenaga elektronyang dirancang

2. Menggunakan daya tegangan dan arus yangrendah

3. Dapat dimodifikasi agar dapat ditingkatkankemampuannya

4. Menggunakan bahan-bahan yang ada.

PERANCANGAN

1. SISTEM PEMFOKUS-1

Berkas elektron yang dihasilkan olehsumber elektron diarahkan menuju kanal keluarandan masuk ke dalam sistern pemfokus-1, tabungakselerator dan sistem pemfokus-2. Sistempemfokus berfungsi untuk memfokuskan berkaselektrcn yang dipancarkan oleh sumber elektrcnsecara rnenyebar sehingga masuk kedalam tabungakselerator secara mengumpuJ.

PERANCANGAN SISTEM OPTIK MESIN BERKAS ELEKTRON500 keV/10 mA(Sutadji Sugiarto, dkk.)

24


Sistem pemfokus berkas elektron adalahberupa kumparan terbungkus besi (iron sheathedselenoid) yang mempunyai sumbu sama dengantabung hampa. Bungkus besi dipergunakan untulcmengurangi medan magnet tepi dan memampatkanmedan magnet ke suatu sela antara unjung bungkusbesi. Medan magnet arahnya sejajar dengan sumbutabung hampa dan mcmpunyai komponen radialpada tepi-tepi bungkus besi dibagian depan danbelakang, Bz = Bo dan O ditempat lain sepertiterlihat pada Gambar 1.

Gambar 1. Sistem Pemfoicus Berkas Elektron.

Diandaikan berkas elektron mempunyaikomponen kecepatan aksial dan radial. Pada saatberkas memotong komponen medan magnet dibagtan depan lensa, interaksi silang antarakompopen medan dengan komponen keccpatanmenjadikan gerakan memutar pada berkas.Didalam lensa komponen kecepatan angular danradial berkas memotong medan magnet aksial yangmenyebabkan gerakan spiral sepanjang sumbu.Akhirnya medan radial di bagian beiakang lensaberinteraksi silang dengan komponen aksialkecepatan.

Jarak fokus f sisiem fokus ini adaJah :

, SmEd

dimana m : massa elektron, kgmE : tenagaelektron, eVd : panjang sela, me : muatan elektron, C0 : permeabilitas udara, H/mN : jumlah Jilitan1 : kuat arus, A

Untuk memperkecil daya sistem pemfokusyang berada di terminal tegangan tinggi dipilihjumlah Iilitan kumparan yang besar.

Unluk tabung hampa dipergunakan ukuranyang biasa dipergunakan pada aksderator yaituDN100CF, yangmempunyai diameter 100 mm dan

panjang 127 mm. Panjang kumparan dipilihsetengah panjang tabung hampa, agar dapat digeserdengan jarak setengah panjang tabung yaitu 100mm. Panjang sela dipilih 25 mm.

Untuk Sistem Pemfokus-1, didepan TabungAkselerator, dipilih iarak fokus 1 m untuk tenagael ektron 10 ke V dan kuat afus e! ektromagnet 0,5 A.Dari nilai-nilai ini dapat nihitung junlah lilitan

N = = 170

Untuk kumparan dipergunakan kawat tembagadiameter 1 mm .platbesi tebal 1 mm, pertinektebal3 mm dan kertas isolasi 0,2 mm. Dari nilai-nilai inidapat dihitung ukuran kumparan :a. Diameter dalam kumparan = diameter tabung

hampa + 2 x (tebal plat besi dan pertinek) =108 mm

b. Diameter luar kumparan = diameter dalam +2 x tebal kumparan = 108 + 2x(l,2 x 170/94 )= 113 mm

c. Tahanan kumparan = tahanan jenis x panjang/luas t'embaga,=(l,7xlO'6X170X^)((10,8+1 l,3)/2y(7t/400) = 1,3 ohm.

Spesifikasi Teknik1. Panjang tabung hampa : 250 mm2. Diameter tabung hampa : 100 mm3. Panjang kumparan : 100 mm4. Diameter dalam kumparan: 108 mm5. Diameter luar kumparan : 113 mm6. Panjang sela : 25 mm7. Tebal bungkus besi : 1 mm8. TebaJ pertinek : 3 mm9. Diameter kawat : 1 mmlO.Tebal kertas isolasi : 0,2 mmll.Jumlahlilitan : 17012.Tahanan kumparan : 1,3 ohm13.Arus maksimum : 1 A14Jarak fokus f: K E/I, K : 25E-6 A /eV(Jarak fokus 1 m untuk tenaga elektron 10 keVanis 0,5 A)

2. SISTEM PEMFOKUS-2

Sistem Pemfokus-2 diletakkan sesudahtabung akselerator. Cara kerja sistem ini samadengan cara kerja Sistem Pemfokus-1, namununtuk elektron yang sudah dipercepat, berartitenaga elektron be. ar. Untuk itu dipergunakankumparan dengan jurr.lah Iilitan besar. Dipilihtenaga elektron 1 MeV, dengan nilai parameteryang lain sama, maka dapat dihitungjumlah lilitan

= 1 6 9 8


25

Volume 1 Nomori Juli 1999 ISSN 1411-134!

Dengan dipegunakan bahan-bahan yang samadapat dihitung ukuran kumparan :a. Diameter dalam kumparan = diameter tabung

hampa + 2 x (tebal p!at besi dan pertinek) =108 mm

b. Diameter iuar kumparan = diameter dalam +2 x tebal kumparan = 108 + 2x( 1,2x1609/94)= 149mm

c. Tahanan kumparan = tahananjenisx panjang/luas tembaga,=(I,7xl0'*X1609Xjr)((10,8+1 l,3)/2)/(7c/400) = 15 ohm.

Spesifikasi Teknik1. Panjang tabung hampa : 250 mm2. Diameter tabung hampa : 100 mm3. Panjang kumparan : 100 mm4. Diameter dalam kumparan : 108 mm5. Diameter luar kumparan :149mm6. Panjang sela : 25 mm7. Tebal bungkus besi : 3 mm8. Tebal pertinek : 3 mm9. Diameter kawat : 1 mm

10. Tebal kertas isolasi : 0,2 mrall.Jumlahlilitan : 169812. Tahanan kumparaii : 15 ohm13. Arus maksimum : 1A14. Jarak fokus f ; K f f l , K : 25E-8 A /eV

( Jarak fokus 1 m untuk tenaga elektron 1 MeVarus 0,5 A )

3. SISTEM PENGARAHBerkas elektron yang dihasilkan oleh

sumber elektron diarahkan menuju kanal keluarandan masuk kedalam sistem pemfokus-1, tabungakselerator, sistem pemfokus-2 dan sistempengarah. Sistem pengarah berfungsi untukmengarahkan berkas elektron agar bergeraksepanjang sumbu tabung hampa.

Sistera pengarah berkas elektron adalahberupa dua pasang elektromagnet yang dipasangsaling tegak lurus dan memotong sumbu tabunghampa. Arah berkas elektron dapat dikendalidengan medan elektromagnet karena penganihgaya Lorentz. Teriihat pada Gambar 2, besar sudutpembelokkan a adalah :

\LoNILot = arcsin •

dimana :m : pernieabilitas udara, H/mN : jumlah IilitanI : kuat aius, AL : panjang elektromagnet, mg : panjang sela elektromagnet, mm : massa elektron, kgmU : tegangan pemercepat, Ve : muatan elektron, C

Gambar 2. Sistem Pengarah Berkas Elektron.

Untuk Sistem Pengarah ini dipilih ukuraninti elcktromagnet sama dengan ukuran tabunghampa, 100 x 100 mm, dan panjang selaelektromagnet juga 100 mm. Kemudian dipilihsudu! pcmbelokan 30untuk tegangan pemercepat 1MV dan arus elektromagnet 0,5 A. Dengannilai-ni.lai ini dapat dihitung jumlah lilitan padakumparan:

N = sin ag(2m U/e)m/\^ IL~ 1342Dengan dipergunakan bahan-bahan yang sainadapat dihitung ukuran kumparan:a. Diarneter dalam kumparan = diameter tabung

hampa + 2 x (tebal plat besi dan pertinek) =108 mmDiameter luar kumparan = diameter dalam +2 x tebal kumparan = 108 + 2 x (1,2 x 1342/94) = 142 mmTahanan kumparan = tahanan jenis x panjang/ luas tembaga,= ( 1 , 7 X 1 0 " X 1 3 4 2 X K )

((I0,8+14,2)/2y(7t/4O0) = 11 ohm.Spesifikasi Teknik1. Panjang tabung hampa : 320 mm

Diameier tabung hampa : 100 mmPenampang elektromagnet: 100 x 100 mmKuat medan magnet B : K I, K : 1.686E-2W/m2 .A(B : 0,017 W/m2 untuk arusTebal pertinek : 3 mmPanjang kumparan : 100 mmDiameter dalani : 108 mniDiameterluar : 142 mmDiamcier kawat : 1Tebal kertas isolasi :Jumlah lilitan : 1342Tahanan kumparan :Arus maksimum : 1Sudut oembelokkan a:arcsinKI/U

b.

c.

2.3.4.

5.6.7.8.9.

10.11.12.13.14.

A )

mm0,2 mm

11A

ohra

Tl/2

: 1E3 V1/2 /AK

PERANCANGAN SISTEM OPTIK MESIN BERKAS ELEKTRON500keV/10mA(Sutadji Sugiarto, dkk.)

26

Volume 1 Nomcr 1 Juli 1999 ISSN 1411-1349

(a 30° untuk tegangan pemercepat I MVarus0,5 A )

4. SISTEM PEMAYAR

Berkas elektron yang dihasilkan o!ehsumber elektron diarahkan menuju kanal keluarandan masuk kedaJam sistem pemfokus-1, tabungakselerator, sisiem pemfokus-2, sistem pengarahdan sistem pemayar. Sistem pemayar berfungsiuntuk menyimpangkan berkas elektron agarbergerak kearah samping kiri dan kanan terhadapsumbu tabung hampa sehingga jatuh ke seluruhpermukaan cuplikan di bawah jendela.

Sistem pemayar berkas elektron adalahberupa satu pasang elektromagnet arus tukar yangdipasang memotong sumbu tabung hampa. Arahberkas elektron dapat dikendalikan dengan medanelektromagnet karena pengaruh gaya Lorentz.Sistem Pemayar ini terlihat pada Gambar 3. Besarjarak penyimpangan berkas elektron dari sumbutabung hampa D adalah:

D = R (1 - cos a) + Li ig a

Gambar 3. Sistem Pemayar Berkas Elektron.

R =

dimana

a = arc sin —

gmUej^o

NILi

jarak antara kutub elektromagnet: massa elektron, kgmtegangan pemercepat, voltmuatan elektron, Cpeimeabilitas udara, H/mjumlah lilitankuat arus, Apanjang eiektromagnet, m

Li'- jarak dari elektromagnet ke jendela,

m

Untuk Sistem Pemayar ini dipilih ukuraninti elektromagnet sama dengan ukuran tabunghampa, 100x100 mm, dan panjang selaelektromagnet juga 100 mm. Kemudian dipilihsudut pembelokan 20° untuk tegangan pemercepat1 MV dan arus elektromagnet 0,5 A. Dengannilai-nilai ini dapat Jihitung jumlah lilitan padakumparan :

(2mU/e) m

Dengan dipergunakan bahan-bahan yang samadapat dihitung ukuran kumparan :a. Diameter dalam kumparan = diameter tabung

hampa + 2 x (tebal plat besi dan pertinek) =108 mm

b. Diameter luar kumparan = diameter dalam +2x tebal kumparan= 108+ 2x (1,2x 918/94)=130mm

c. Tahanan kumparan = tahananjenisx panjang/ luas tembaga= (\,lx\Q*)(9\Tfa)((10,8+13,0)/2y(;t/400) = 7,5 ohm.

Untuk jarak penyimpangan ke samping120/2 = 60 cm, dapat dihitung jarak dari SistemPemayar ke Jendela:

Lz = (D - R (1 - cos aJJ /(ga = 1600 mm

Spesifikasi Teknik1. Panjang tabung hampa : 170 mm2. Diameter tabung hampa : 100 mm3. Penamparig elektromagnet: 100 x 100 mm4. Kuat medan magnet B : K I, K : 1.523E-2

W/m2 .A( B : 0,012 W/m2 untuk anis 1 A)

5. Tebal pertinek6. Panjang kumparan7. Diameter dalam8. Diameter luar9. Diameter kawat10. Tebal kertas isolasi11. Jumlah lilitan :12. Tahanan kumparan13. Arus maksimum14. Sudut pembetokkan

: 3 mm: 100 mm

: 108 mm130 mm

: 1 mm: C,2 mm918

: 7,5 ohm

,1/2: 1 A

a : arc sin K I/U'K:6,84E2V1 /2 /A(a 120° untuk tegangan pemercepat 1 MVarus 0,5 A)

15. Jarak pemayar-jendela : 1600 mm16. Panjangjendela : 1300 mm17. Lebarjendela : 100 mm18. Frekuensi arus tukar : 200 Uz

PEMBAHASAN

Dari perhitungan daiam perencanaandiperlukan 3 komponen pokok untuk sistem optik

Prcsiding Pertemuan dan Presentasi llmiahTeknologi Akselerator dan AplikasinyaVol.1 No. 1 Juli 1999: 24-28

27


1. 4buahtabunghampaDN100CF2. Kawat tembaga panjaiig 3,2 Km untuk 8 buah

kumparan3. 5 buah sumber daya tegangan rendah 15 V/l

A, satu diantaranya arus tukar frekuensi 200Hz.

Ketiga komponen pokok ini relatif murahharganya. Selain itu alat secara realistis napatdibuat. Jadi untuk Mesin Berkas Elektron, bagianini adalah bagian yang relatif mufah dan mudahdikonstruksi dibandingkan dengan bagian lainseperti Sumber Tegangan Tinggi atau SistemHampa.

KESIMPULAN

Telah dilakukan perencanaan Sistem Optikuntuk Mesin Berkas Elektron 500 keV/10 mA yangmeliputi : Sistem Pemfokus-1, Sistem Pemfokus-2,Sistem Pengarah dan Sistem Pemayar. Dari hasilperhitungan dalam perencanaan diperlukan 3komponen pokok untuk Sistern Optik ini, yaitu :1. 4 buah tabung hampa DN100CF

2. Kawat tembaga diameter 1 mm panjang 3,2Krn untuk kumparan

3. 5 buah sumber daya tegang&n rendah 15 V/lA, satu diantanya aius tukar frekuensi 200 Hz.

Secara realistis bagian 5ni relatif murah dandapat dibuat sendiri.

DAFTAR PUSTAKA :

1. LrVTNGSTON M.S., BLEWET J.P., "ParticleAccelerator" McGraw Hill, New York, 1967

2. KLEMPERER O. "Electron Optics",Cambridge Univcrsity Press, London, 197]

3. SUDJATMOKO DKK, "AkseleratorElektron GJ-2, Kcmponen Utama dan PrinsipKerjanya", Pertemuan Tim Rekayasa MesinBerkas Elektron, PAIR, Jakarta, 1993

4. SUDJATMOKO, "PeneHtian danPengembangan Rancang Bangun, MesinBerkas Elektron 500 keV/10 mA\ UsPen,PPNY, Yogyakarta, 1995

PERANCANGAN SISTEM OPTIK MESIN BERKAS ELEKTRON500keV/10mA(Sutadji Sugiarto, dkk.)

28

Volume 1 Nomor 1 Juii 1999

ID0200208

ISSN 1411-1349

PERANCANGAN TABUNG AKSELERATOR UNTUK MESIN BERKASELEKTRON 500 keV/10 mAW. Maksum, Sudjatmoko, SupraptoPPSY-BATAS, Jl. Babarsari. P.O. Bax 1008. rogyakarta 55010

ABSTRAKPERANCANGAN TABUNG AKSELERATOR UNTUK MESIN BERKAS ELEKTRON 500 KEV/IO

MA. Telah dilakukan perancangan suatu tabung akselerator untukMesin Berkas Elektron 500 ke V/10 mA.Tabungini berfimgsi sebagai pemfokus dan pemercepat berkas elekrrort. Tatrung akselerator dirancangterdiri dari beberapa buah elehroda, tabung isolator dan sistem pembagi tegangan. Sebagai elektrodadipilih bahan stainless-steel karena mempunyai laju "outgassing"rendahdan tahan karat. tabttng isolatordipilih bahan gelaspyrex karena mempunyai laju "outgassing" rendah dan tahan panas, sertapembagitegangan berupa resistor dengan nilcri ohm-tinggi untuk mendistribttsikan tegafigan pemercepct padaelektroda-elektroda. Elektroda stainle.ss-steel dirancang bcrbentuk kerucut dettgan tebal 3 mm, diameterlubang masuk 134 mm dan diameter lubang keluar 60 mm. Jumlah elektroda adalah 34 buah agar supayabedapoiensial antara elektroda tidak lebih dari 15 kV. Tabung isolatoryang akan digwakan mempunyaiketebakm 5 mm, diameler luar 150 mm. diameter dalam 140 mm dcm panjcmg 32 mm. Tabung isolarordisambungkan poda elekrroda dengcm menggunakan perekat epoxy sehingga terbennik satu unit tabimgakselerator. Diharapkem tabung akselerator yang dirancang dapat dikonstrulai dan dioperasikan padatingkat kehampaan sehtar 1CT torr dan dapamntuk mempercepat berkas elektron hingga energi 500keV.

ABSTRACTDESIGN OF AN ACCELERATOR TUBE FOR 500 keV/IO mA ELECTRON BEAMMACHINE. A

design ofan accelerator tubefor 500 kev/10 ma electron beam machine was carriedout. Thts tube wasusedforfocussingandacceleratingofelehron beams. Thetube v/asdesignedtoconsistofsome electrodesinsulator tubes arida voltage de\nder. The elektrodes was made ofstainless steel due to its law outgassingconstant andstainlees, the insulator M/as made ofpyrex glass due to its low outgassing constani andhightemperature proof, and the voltage devider was made ofhigh-ohmic resistors usedfor acceleratingpotenrial distribution at the electrodes. The stainless steel electrodes were comic shaped 3 mm thick with134 mm inlet diameter and 60 mm oullet diameter. The number ofihis electrodes was 34 so that thepoiensial gap berween adjacent electrodes not exceed 15 kV. The insulators were 5 mm thick, 150 mmouter diameter, 140 mm irtner diameter cmd 32 mm long. The insulators wervj'oined to the elctrodes byusingan epoxyformcm acceleratortube. Thedesignedaccerelatortubecouldbeconstructedandoperatedat a vacuum ofiO^ torr and acceleraied electron beam ai an ene'rgy ofSOO keV

I. PENDAHULUAN

Salah satu komponen utama dari MBE (MesinBerkas Elektron) adalah tabung akselerator

yaitu suatu tabung dengan medan listrik konstanuntuk mempercepat partikel bermuatan (berkaselektron). Tabung akselerator dikonstruksi daribahan isolator, berupa gelas atau porselin danelektroda-elektiroda logam berbentuk kerucut yangdipasang antara ruas-ruas isolator denganmenggunakan perekat vinyl-acetat at3u bahanperekat lainnya.

Dalam proses pemercepatan berkas elektrondi dalam tabung aksderator diperlukan tingkatkehampaan minimal 10 torr agar supayaelektron-elektron yang dipercepat tidak bertumbukan dengan atom-atom di dalam tabung,sehingga elektron akan memperoleh energi yangsebanding dengan beda potensial yang terpasang

antara ujung-ujung tabung. Untuk mencapaitingkat kehampaan tersebut perlu dilakukanpemilihan bahan isolator yang mempunyai nilailaju "outgassing" cukup rendah.

Elektroda-elektroda yang terpasang padatabung akselerator menyalurkan tegangan DCpositif terhadap terminal tcgangan tinggi yangterpasang tingkat pemercepat pertama. Denganmenggunakan sistern resistor, suatu beda teganganakan terjaga tetap antara setiap tingkatpemerccpatan, sehinggaberkaselektron menerimadorongan aliran sepanjang tabung dengan nilaienergi yang sama. Pada ujung akhir tabungakselerator, berkas elektron telah memperolehenergi yang nilainya sama dengan penurunantegangan total antara terminal tegangan tinggi dantanah (ground). Fungsi elektroda adalah untukmenghasilkan medan pemercepat dan pemfokusanberkas elektron. Untuk keperluan tersebut maka

PERANCANGAN TABUNG AKSELERATOR UNTUK MESIN BERKASELEKTRON 500 keV/20 mA(W. Maksum, dkk.)

29

Volume 1 Nomor 1 Juli 1999 ISSN 1411-134:

perlu dirancang bentuk, ukuran dan bahan sertajumlah elektroda sehingga dapat berfiingsi sesuajdengan yang diharapkan.

II. TEORI DAN PRINSIP PERAN-CANGAN

Dalam suatu MBE berkas elektron yangdihasilkan oleh sumberelektron diarahkan menujukanal keluaran dan masuk ke dalam sistempemfokus berkas elektron, kemudian masuk kedalam tabung akselerator. Tabung akseleratortersebut terdiri dari beberapa buah elektroda dantabung isolator, dimana tabung akselerator iniberfungsi ganda yaitu memfokuskan danmempercepat berkas elektron yang masuk hinggamencapai suatu nilai energi tertentu yang besamyasebanding dengan tegangan tinggi yang di- pasangpada elektroda-dektroda tabung akselerator' '.

Ec-qV (I)dengan : E« adalah energi elektron

q adalah muatan elektronV adalah tegangan tinggi pemercepat

berkas elektron.Untuk memberikan distribusi tegangan

pemercepat yang seragam elektroda, makadigunakan suatu sistem pembagi tegangan yangterdiri dari resistor dengan nilai ohm-tingsisehingga beda potensial akan teijaga tetap antarasetiap tingkat pemercepat (antara dua buahelektroda), serta setiap elektroda maksimaJmenerima pembagian tegangan 15 kV *•''. Selainjuga berfungsi sebagai pemercepatberkas elektron,elektroda yang terpasang pada tabung akseleratorberfungsi sebagai pemfokus berkas elektron.Fungsi pemfokusan ini sangat penting karenasepanjang lintasan mulai saat masuk sampai keluardari tabung akselerator, berkas elektronmempunyai kecenderungan untuk menyebar. Agarsupaya elektroda-elektroda tersebut dapatberfungsi sebagai pemfokus berkas elektron, makaelektroda dibuat mempunyai bentuk kerucut.Besamya sudut miring dari bidang tabiuig elektrodadapat ditentukan dengan persamaan

[_Oi - <t>d] (2)tga = * 27

dengan : a adalah sudut kerr.iringan bidangtabimg elektroda

4>l adalah diameter luar lubangelektroda

4>d adalah diameter dalam iubange'ektroda

1 adalah tinggi kerucut dari elektroda.Tabung isolator pada tabung akselerator

berbentuk silinder dipilih dari bahan isolatoryang

mempunyai laju "outgassing" rendah, sehinggjakan mampu dioperasikan pada tingkat kehampaar,minimal 10"6 torr. Selain iw dipilih bahan isolatorkarena tabung tersebut berfungsi untulpenggandeng elektroda-elektroda tegangan tinggidimana beda potensial antara dua buah elektrodamencapai nilai 15 kV. Dengan detnikian padaprinsipnya pemilihan bahan tabung harusberdasarkan dua aspek tersebut di atas, yaitu suatubahan yang mempunyai nilai laju outgassing rendahdan bahan tersebut adalah suatu isolator yang baikuntuk tegangan tinggi.

Gambar 1. Bagan Tabung Elektroda

IU. PERANCANGAN SISTEMA. Cetakan Petnbentuk Elektroda

Tabung elektroda akan lebih baik apabiladalam pembuatannya dirancang menggunakanbahan masif atau pejal kemudian dibubut, namuncukup memakan waktu yang relatif lama dan mahalsekaii. Untuk mengatasi masalah di atas ada suatucara yang iebih mudah namun hasilnya cukupmemadai yaitu dengan memakai cetakan dimanatenaga yang dipakai untuk mendorong bahan platdibentuk dalam cetakan memerlukan mesin presshidraulik. Adapun cetakan untuk membentukelektrode lerdiri dari 2 cetakan yaitu satu cetalcansebagai pola (cetakan pola) dan cetakan lainnyasebagai penekan (cetakan penekan). Keduacetakan ini direncanakan dari baja tabung (st-60),bahan ini mampu dibuat permukaan nya halus danlicin srta tidak mudah berkarat dan mempunyaitegangan permukaan cukup besar.A.l. Cetakan penekan

Pada umumnya cetakan penekan dalammesin press dijadikan satu dengan batanganpendorong sehingga akan bergerak naik turun ataumaju mundur. Cetakan penekan untuk membentuktabung eiektroda ini meropunyai ukuran sama besardengan ukuran lubang dari tabung elektroda yaituD 134 mm, d 60 mm, tinggi 32 mm, yangpengerjaan pembuatan cetakan ini dari bahan pejalatau masif selanjutnya dibuat dengan sudutkemiringan 50°.


30

Volume 1 Nomor 1 Juli 1999 ISSN1411-1349

Gambar 2. Cetakan penekan

A.2. Cetakan pola

Bagian dalam dari cetakan pola mempunyaibentuk dan ukuran sama dengan diameter luar daritabung elektroda, sedangkan bagian Juar cetakanpola boleh dibuat bulat atau persegi disesuaikandengan mesin pressyangdipakai. Bibir cetakan dansudut miring harus disiapkan secara halus dan licin,karena cetakan pola digunakan sebagat wadahpembentukan elektrode.

Garnbar3. Cetakanpola

Bahan EJektrode

Elektrode dibuat dari bahan stainless steel.Bahan ini dipilih karena mempunyai outgassingrendah yaitu 180 10*7 W/m2 pada rentang waktusampai 1 jam7-', tahan kafat dan dapat dibentukdengan mudah dengan pengepresan. Pengepresandilakukan dengan cetakan penekan dan cetakanpola sehingga dtdapatkan bentuk elektrode koment

B. Tabung Isotator

Gelas pyrex merupakan bahan tabungisolasi yang cukup baik karena mempunyaioutgassing rendah yaitu 98 10* W/m padarentangwaktu sampai 1 jam, tahan panas dan dapatbertindak sebagai tempat mendepositkan metalsputter yang dihasilkan oleh elektroda metal akibattertabrak oleh berkas elektron. Syarat. utamapermukaan tabung isolasi harus rata dan halus, agarpada waktu perangkaian dengan tabung slektrodacukup mudah dan sistem penyambunganmenggunakan lem epoxy akan berhasil baik, karenadiperiukan tingkat kehainpaan yang tinggi sekitar10 torr. Ulcuran tabung isolasi direncanakanberdiameter luar 150 mm, diameter lubang 140mm dan tingginya 32 mm, berjumlah 35 buahpotongan.

Gambar 4. Tabung Isolator

C. Flange

Dikedua ujung tabung akselerator dipasangflangeyang dibuatdari bahan stainless-steel dengantebal antara 12,5 mm -.15 mm, diameter luar 200dan diameter lubang 100 mm. Adapun Hngkaranjarak baut mur disesuaikan dengan flange sumberelektron, flange sistem vakum.

IV. HASEL DAN PEMBAHASAN

Seperti telah diuraikan di atas bahwa tabungakselerator terdiri dari sgumlah elektroda identikyang dipisahkan oleh tabung isolator, selanjutnyamembentuk dinding vakum dari tabung akselerator. Fungsi dari elektroda adalah mempercepat danmemfokuskan berkas elektron yang melewatitabung akselerator. Sebagai pemercepat berkaselektron maka setiap elektroda diberi beda potensialtertentu sesuai dengan energi elektron yangdikehendaki. Dalam perancangan MBE, energielektron yang diharapkan adalah 500 keV makasesuai dengan persamaan (1) di atas sehingga bedapotensial yang terpasang pada tabung akseleratoradalah sebesar 500 kV. Beda potensial diantaraelektroda kira-kira mempunyai nilai yang samasehingga berkas elektron memperoleh jumlahtambahan energi yang konstan pada saat melewatisetiap elektroda. Agar supaya tidak teijadi lucutanlistrik diantara elektroda dan berkas elektronmengalami percepatan yang seragam setiapmelewati medan listrik diantara dua elektroda,maka beda potensial yang terpasang tidaklebih dari15 kV. Oleh karena itu dalam perancangan tabungakseterator ini, jumlah etektroda yang diperiukanunfjk mempercepat berkas elektron hingga energi500 keV dapat ditentukan sebagai berikut,

N = 500 kV/lS kV ~ 34 buah

dimana N adalah jumlah elektroda yang yangterpasang pada sistem tabung akselerator.

Elektroda-elektroda yang terpasang padatabung akselerator harus mampu menyalurkantegangan DC positif terhadap terminal tegangantinggi sampai 500 kV yang terpasang pada tingkat

PERANCANGAN TABUNG AKSELEPATOR UNTUK MESIN BERKASELEKTRON 500 keV/20 rnA(W. Maksum, dkk.)

31

Volume 1 Nomor 1 Juli 1999 ISSN 1411-13*

pemercepatpertama. Sedangkan tabung akseleratordirancang dapat dioperasikan pada tingkatkehampaan sekitar 10 torr. Oleh karena itu perludilakukan pemilihan jenis bahan elektroda dalamperancangan tabung akseleratorini yang memenuhikriteria tersebut di atas. DaJam perancangan inidipilih bahan stainless-steel sebagai bahanelektroda berdasarkan pada kriteria,1. mempunyai laju outgasstng sangat rendah2. mempunyai nilai konduktivitas yang baJk3. tahan terhadap korosi dan panas.

Fungsi y ang lain dari elektroda adalah untukmemfokuskan berkas elektron yang melewatitabung akselerator. Agar dapaf. berfungsi sebagaipemfokus berkas elektron maka dipilih bentukkerucut, sehingga garis-garis gaya vnedan Hstrikdiantara dua elektroda berbentuk sedemikian rupasehingga dapat memfokuskan berkas elektron yanglewat. Besarnya kemiringan sudut dari bidangtabung elektroda ditentukan dari persamaan (2) diatas. Ukuran lubang masuk dari elektroda 134 mmyang disesuaikan dengan diameter tabung isolator,diameter lulang kduar 60 mm dan tinggi kerucutelektroda adalah 32 mm. Dengan demikianbesamya sudut keniiringan dapat dihitung, yaitu

tga. =21

= [134-60J/64= 1,156sehingga a = 50°

Selanjutnya akan diperoleh besarnya sudut padabibir tabung elektroda yaitu 90° + 50° = 140°.Skema diagram bentuk tabung elektroda dapatdilihat dalam Gambar 1 pada lampiran.

Tabung isolator pada sistem tabungakselerator adalah menggandengkanelektroda-elektroda dan bertindak. sebagaj isolator.Dalam perancangan sistem tabung akseleratorraaka haais dipilih suatu bahan yang bersifatisolator dan mampu beroperasi pada tingkatkehampaan sekitar 10"* torr. Maka dalamperancangan ini dipilih gelas pyiex sebagai bahantabung isolator berdasarkan pertimbangan1. mempunyai Iaju ouigassing cukup rendah2. mempunyai sifat isolator3. tahan panas tinggi.

Ukuran tabung isolator direncanakanberdiameterluarl50mm, diameterlubang 140mm,panjang setiap tabung 32 mm dan jumlah tabungisolator untuk satu unit tabung akselerator adaJah35 buah. Dengan jarak ant&r elektrode sebesar 32mra mempunyai tegangan dadaJ sebesar85,8 kV ^Geometri dari tabung isolator dapat dilihat dalamGambar 2 yang terdapat pada lampiran.

Berdasarkan pembahasan di atas dan hasilperancangan yang telah djlakukan maka diperoleh

spesiflkasi teknis dari tabung akselerator untukh/fBE 500 keV/10 mA sebagai berikut.

1. Bagian-bagian Tabung Akselerator

a) Tabung isolator : gelas pyrexb) Elektroda : stainless-steelc) Tahanan pembagi tegangan : resistor

ohm-tinggi

2. Dimensi Tabung Akselerator

a) Geometri tabung isolator: <|>iuar = 150 mm4>dalam = 140 mm

panjang *= 320 mrab) Geometri elektroda: lebal = 3 mm

«fauar1* 134 mm4> dalam = 60 mmjumlah = 34 buah

c) Geometri tabung aksel erator: iuar = 150 mm(jidalaro = 60 ntltl

panjang= 1.212 mm.

V. KESIMPUJLAN

Berdasarkan hasil dan pembahasan tersebutdi atas dapat diambil beberapa kesimpulan sebagaiberikut Tabung aksel.erator terdiri dari elektrodadengan bahan stainless swel sebanyak 34 buah dantabung isolator dari balian gelas pyrex berdiameter150 ram dan panjang 32 mm sebanyak 34 buah.Bahan ini mempunyai laju pelepasan gas(outgassing) cukup rendah. bahan perekat untukmemasang elektrode dan tabung isolator denganlem epoxy, sedangkan untuk perobagi teganganpada tiap-tiap elektroda digunakan tahanan dengannilai ohm tinggi. Dengan perancangan inidiharapkan tabung akselerator dapat dioperasikanpada tingkat kehampaan sekitar 10"6 Torr sebagaitabung akselerator mesin berkas elektron 500keV/lOmA.

!. Tabung akselerator untuk MBE 500 keV/10rnA tcrdiri dari beberapa buah elektroda dantabung isolator dilengkapi dengan sistempembagi tegangan. Sebagai bahan elektrodadipilih s tainless-stee! dengan dasarpei t imbangan bahwa bahan tersebutmempunyai nilai konduktivitas yang baik,mempunyai laju outgassing sangat rendah,tahan terhadap korosi dan p&nas. Elektrodasebagai pemfokus berkas clektron, makadektroda dibuat berbentuk kenicut sehinggagaris-garis gaya medan listrik yang terbentukdiantara dua buah elektroda akan bertindaksebagai pemfokus berkas elektron.

2. Tabung isolator yang mengcandengkanar.tara dua buah elektroda dipilih dari gelas

Prosiding Pertemuan dan Presentasi llmiahTeknologi Akselerator dan AplikasinyaVo!.1 No. Uul i 1999: 29-33

32

Volume 1 NotnoM Juti 1999 ISSN 1411-1349

pyrex karena bahan tersebut adalah bahanisolator, mempunyai laju outgassiiig cukuprendah dan tahan terhadap panas. Dengandemikian diharapkan tabung akselerator yangdirancang akan dapat dioperasikan padatingkat kehampaan sekitar 10 torr. Sebagaibahan perekat, yaitu bahan untukmenggandengkan tabung isolator denganelektroda d'ipilih bahan perekat epoxy. Dasarpertimbangan pemilihan bahan ini karenaperekat epoxy mempunyai laju outgassingcukup rendah dan tahan panas.

3. Elektroda-dektroda pemfokus menyalurkantegangan DC positif terhadap terminaltegangan tinggi 500 kV yang terpasang padatingkat pemercepat pertama. Sebagaipembagi tegangan digunakan sistem resistorpembagi tegangan sehingga beda potensialakan terjaga tetap antara setiap tingkatpemercepat. Sistem resistor pembagitegangan ini terdiri dari sesistor ohm-tinggisehingga diharapkan akan dapat memberikankeseragaman tegangan pada setiap elektrodayang terpasang pada tabung aksderator.

DAFTAR PUSTAKA1. LIVINGSTON, M.S. & BLEV/ETT, J.P.,

Particle Accelerators, McGraw-Hill BookCompariy, New York, 1962.

2. NARGOLWALLA, S.S., &PRZYBYLOWICZ, E.P., ActivationAnalysis with Neutron Generator, John Wiley&Sons,NewYork,1973.

3. ALBERTINSKY, B.I., High VoltageElectron Accelerators for RadiationTechnology. The Main Characteristics, TheDesign of Acceierators and Their Elements,Training Course on Low Energy Acceterators

and Their Applications, Leningrad, USSR,1988.

4. Nissin HIGH VOLTAGE CO.LTD.,"Electron Beam Processing System", Tokyo,Japan(1992).

5. ZHOU QIZHANG, "Electron AcceleratorsManufactured in CWna, UNDP/IAEA/RCARegional Training Course on EB IrradiationTechnology, Jia Ding, Shanghai, China(1991).

TANYA JAWABPurnomo

Bahan dari kacapirex apakah sudah cukupmenahan panas ? menurut pengalanan kamidengan bahan dan tebal yang sama, dekatkeluaran sumber elektron retak

W. Maksum

Kalau sistem daJam MBE tenrtama tabungakselerator cukup baik maka, gelas pyrex cukupkuat, gelas pirex pecah karena sistemnya jelek danpanas yang timbul disitu menabrak dinding-dindingsistem

Supriyanto

Apakah sudah diperhitungkanhambatem-hambatan laju berkas elektron dalamtabung akselerator

W. Maksum

Secara mekanik agar tidak ada hambatanpada tabung akselerator : sistem tabung lurus,dinding tabung akselerator halus dan sambunganbaik

PERANCANGAN TABUNG AKSELERATOR UNTUK MESIN BERKASELEKTRON 500 keV/20 mA(W. Maksum. dkk.)

33

ID0200209

Volume 1 NomoM Juli 1999 ISSN 1411-1349

SISTIMINTERLOCK MESIN BERKAS ELEKTRON GJ-2Nada MarnadaPAJR-B.4TAN,, FPTA PcaarJwn •atjakarta

ABSTRAKSISTEM JNTEKLOCKMESIN BERKAS ELEKTRONGJ-2. Sebagaisuatu instalasi iradiasi, mesin

berkas ekktron (MBEJjuga karus mendapat perlakuan yang sama temang aspek keselamatannya sepertihalnya instalasi iradiasi lain yang menggunakan radionutdida. Ada tiga aspek keselamatan yang hantsdiperhatikan di dalam insiatasi terhadap bahaya radiasi dan kerusakan. Kervsakan yang dimaksudadalah kerusakm mesin dan sampel karena lerfodi kegagalcm dalam sistem pengoperasian. Pada MBEGJ-2 (buatan CinaJ aspek-aspek keselamatan lersebut dijaga dengan pemasangan sistem inlerlockpadamesin lersebut yang terdiri dari dua belas parameter kerja. Setiap interlock terdiri dari iranduseryangmengontrol sebuah saklar, relay magnetik, dan tndikator imerlock baikyang dapal dilihat maupun yangdapat didengar. Selain itu untuk mendapatkan keandalon yang lebih baikpada setiap sistem interlockdiierapkan meloda redundansi, terutama pada pengoperasian tegangan tingginya.

ABSTRACTINTERLOCK SYSTEM OF ELECTRON BEAM MACHINE GJ-2. As an irradiation installation

facility, the electron beam machine (EBM) irradiation facility which use radionuclide as radiation source.There are three safety aspects to be considered in thefacility t.e the safetiesfor huma, machines, emdsamples to be irradiated, The safety aspeci'for human is io the radiation hazardand the safery aspecl formachine andsample is to ihe damage as the result ofoperatingfailure. In the EBMGJ-2 (made in china)twelve interloct system parameter are insialkd to keep all ofthe safety aspects. Each interlock systemconsist transducer that controls a certain switch, a magnetic relay, and visible and audible interlockindicators To imprave tbe reliability ofinterlock systems a method'called'redudancy meihod'is appliedtothe systems ofoperation ofhigh voltage

PENDAHULUAN

Mesin bertes elektron (MBE) adalah suatuperalatan Hstrik dan (elektronik) yang

mempercepat elektron hasil pemantuan sebuahfilamen, dengan medan listrik dari beda potensial

' atau tegangan yarig relatif tinggi sehingga diperolehelektron berenergi energi. Elektron tersebutkemudian digunakan untuk meradiasi sampelpercobaan. Dengan demikian MBE^ dapat jugadikatakan sebagai sumber radiasi yangdioperasikan pada tegangan tinggi.

Karena itu, sebagai sumber radiasi MBEharus pula mendapat periakuan yang sama sepertifasilitas iradiasi lainnya dalam hal penangananaspek-aspek keselamatan. Terlebih Jagi, MBEharganya relatif mahal dan aplikasinya luas.Sehingga selain aspek keselamatan karena radiasi,aspek keselamatan mesin dan sampel karenakegaga]an operasi harus pula diperhatikan. Jadipada instalasi iradiasi alat ada tiga aspekkeselamatan yang harus diperhatikan yaitukeselamatan untuk orang, mesin, dan sampel(terutama sampel yang h.?xganya mahal).

Untuk mendapatkan keandalan bagi sistemkeselamatan suatu instalasi MBE maka perluditerapkan bagiEji dari filosofi kesdamatan padainstalasi tersebut yang disebut metode redudansi

yaitu penggunaan lebih dari jumlah minimumparameter-parameter yang diperlukan untukmendapatkan fungsi keselamatan yang lebi'h baik.Kerja parameter-parameter tersebut dapatdikoordinasikan dalam suatu sistem yang disebutsistem interiock. Pada MBE G.J-2 yang dimiliJdBATAN, PAIR, juga digunakan sistem interiockuntuk menjaga aspek-aspek keselamatan dalamper.goperaniannya. Parameter-parameterkeselamatan dalam sistem interiock tersebut berupaparameter yang dapat dilihat (visible: misalnyalampu), parameter yang dapat didengar (audible:misalnya bel alarm), parameter fisika, danparameter listrik. Sernua ftingsi parameter tersebutdiintegrasikan di daiam suatu relay magnetik untukmenunjukkan status interiock yang bersangkutan.

SPESIFIKASIMBE GJ-2Pada tahun 1993 BATAN membeli sebuah

MBE dari China yang diresmikan pemakaiannyaoleh Presiden Soehano pada tanggal 24 Januari1994 di PAIR, Jakarta Mesin ini dapat dikatakansebagai pelengkap MBE yang telah dimilikfsebeIumnyayaituMBEEPS-300 dengan energi danaais berkas elektron maksimum masing-masing300 keV dan 50 raA. Tetapi, karena energi elektronini relatif rendah maka pemakaiannya terbatashanya untuk pemrosesan suaui permukaan sampe!,

SISTEM INTERLOCK MESIN BERKAS ELEKTRON GJ-2Nada Mardada

34


seperti laminating dan coating. Sedangkan MBEyang bam dibeli tersebut mempunyai energimaksimum 2 MeV. Karena cnergi ini cukup tinggimaka pemakaiannya akan menjadi iebth luaswalaupun di negara China sendiri jenis MBE inidipakai hanya khusus untuk iradiasi kabel.

Spesifikasi teknik MBE tersebut sbb.:

1. Nama: MBE GJ-2 (GJ= gao jia: high voltageaccelerator)

2. Tipe: Dynamitron, dengan gas isolator berupacampuran gas CO2 dan N2

3. Energi elektron::O.7 - 2.0 MeV, dapat diatursecara kontinyu

4. Amsberkaselektron:O-10mA,dapatdiatursecara kontinyu

5. Lebar pemayar (scanner): 80 - 120 cm, dapatdiatiir secara kontinyu

6. Daya maksimum: 20 kW7. Sistem pendingin:

- Air tekanan 2.5 - 2.8 kg/cm tenipcraturlebih rendah dari 20°C laju aliran 13 ton/jamkandungan garam lebih rendah dari1.75xlO-3g/L

- Udara

PARAMETER-PARAMETERINTERLOCK MBE GJ-2

Oi dalam instalasi MBE GJ-2 dipasang duabelas parameter interiock yang berfungsi menjagaaspek-aspek keselamatan yang terdiri dari

keselamatan orang^keselamatan mesin, dankeselamatan sampel.

Keselamatan orang meliputi keselamatanoperator, peneliti, atau publikyang berada di dalamatau dt sekitar instalasi terhadap bahaya radiasiyang timbul dari interaksi antara elektron denganmetal yang ditumbuknya atau terhadap elektron itusendiri. Keselamatan mesin perlu diperhatikankarena MBE beroperasi pada tegangan yang relatiftinggi dan mempunyai komponen-komponen yangmahal. Sedangkan keselamatan sampel perludiperhatikan, terutama sampel yang harganyamahal, terhadap dosis radiasi yang berlebihankarena kegagalan sistem tranportasinya(konveyor).

Kedua belas parameter interlock tersebutadalah

pintu-pintu ruang iradiasi das ruangakselerator (door inter-lock open)kotak/tombol pengaman masuk ruang iradiasi{process area emergency)kotak/tombol pengaman masuk ruangakselerator (acceleratbr room emergency)

air pendingin pompa turbo (no turbomdecular pump cooling)air pendingin tangki (no tank cooling)air pendingin osilator (no oscillator cooling)udara pendingii: jendela pemayar (no windowair flow)tegangan tinggi/pemercepat (over voltage)tekanan ruang periiercepat (poor vacuum)peralatan transportasi (conveyor fault)

Dari kedua belas parameter interiock di atastiga yang pertama beriiingni untuk keselamatanorang dan satu yang terakhir berfungsi untukkeselamatan sampel. Sedangkan sisanya berfiingniuntuk keselamatan mesin.

Pada meja kontrol masing-masingparameterdi atas ditampilkan dengan lampu 24 voltberwama kuning yang disusun dalam dua baris.Pada setiap baris terdapat enam lainpu. Jika teijadikegagalan pada salah satu atau lebih fungsiinterlock maka lampu indikator interlock yangbersangkutan akan menyala. MBE dapatdioperasikan jika semua lampu indikator interiockpadam.

PRINSIP KERJA MASING-MASINGPARAMETER INTERLOCK MBEGJ-2

Telah disebutkan sebelumnya bahwa padaM3E GJ-2 dipasang dua belas parameter interlockuntuk menjaga aspek-aspek keselamatan. Pada babini dijelaskan prinsip kerja masing-masinginterlock tersebut secara detail. Pada umumnyasetiap interlock terdiri dari saklar yang dioperasikanoleh suatu tranduser, relay magnetik, peralatan atauparameter yang harus diinteriock, dan indikatorinterlock baik yang visible maupun yang audible.Saklar tersebut menghubunglcan kontaktor relaymagnetik dengan tegangan 220 volt sehinggamerubah kondisi lidah-lidah saklar di dalam relaymagnetik dari terbuka menjadi tertutup atausebaliknya.

Door Interlock Open (DIO)

Interiock DIO berfungsi untuk mengontrolkondisi pintu-pintu ruang iradiasi dan ruangakselerator yaitu dalam kondisi tertutup utauterbuka. Jadi interiock DIO msnjaga keselamatanorang dari bahaya radiasi yang keluar ataumencegali orang masuk ke ruang-ruang tersebutselama MBE beroperasi. Setiap pintumengoperasikan relay mekanik sebagai saklaryangkondisinya menutup jika pintu ditutup. Di daJamsistem interiock DIO relay-relay mekanik relaymagnetik interlock DIO dengan tegangan 220 volt.Relay magnetik ini mempunyai tiga lidah saklar didalamnya. Lidah sakJar pertama menghubungkan••


35

Volume 1 Nomor 1 Juli 1999 ISSN 1411-1.'

lampu indikator interlock DIO dengan tegaiigan 24V, Iidah saklar kedua menghubungkan saklar alarm(dan bel alarm) interiock dengan tegangan 24 volt,dan lidah saklar ketiga (tersusun secara seri dengansembilan lidah saklar relay magnetik sisteminteriock lainnya) menghubungkan osilator dengantombol tegangan ringgi.

Dalam kondisi normal yaitu jika satu ataulebih pintu-pintu terbuka, dua lidah Saklar yangpertama menutup dan Hdah saklar ketiga mernbuka.Interiock DIO menampilkan kondisi sbb.:

lampu indfkator interlock DIO menyala,bel alartn interiock berbunyi, dantegangan tinggi tidak dapat dioperasikan.

maka kondisi yang ditampilkan adalah kondisikebalikannya. Diagram skematik sistem interlockDIO ditunjukkan pada garobar 1.

Prosess Area Emergency (PAE)

Sama seperti interiock DIO, sistem interiockPAE juga berfungsi unvuk menjaga keselamatanorang yang masuk ke ruang iradiasi denganmenyediakan kotak emerjensi (emergency box) didaJamnya. Selain kotak emerjensi, bagi'an sisteminterlock PAE Jainnya adaJah relay magnetik, danindikator interlock. Diagramskematik sisteminterlock PAE dapat dilihat pada gambar 2.

Untuk menjaga keselamatan orang/operator/ peneliti yang dalam ruang tersebut harusmenekan tombol emerjensi lebih dahulu yangterdapat pada kotak emeriensi. Penekanan tombolemerjensi mengakibatkan hubungan kontaktorrelay magnetik interlock PAE dengan tegangan 220volt terputus. Kondisi yang terjadi adalah

saklar tombol reset kotak emerjensi terbuka,lampu indikator imerlock PAE menyalakarena lidah saklar pertama relaymagnetiknya menutup,bel alarm jnterlock berbunyi karena lidahsaklar kedua relay magnetik menutup,lidah saklar ketiga relay magnetik membuka,Jampu merah (6.3 voh) pada kotak emerjensimenyala tanda aman berada di ruang iradiasi,lampu hijau (6.3 volt) pada kotak emerjensipadam, dantegangan tinggi tidak dapat dioperasikankarena lidah saklar ke enam (yang disusunsecara seri dengan sembilan lidah saklarsistem interlock lainnya) relay magnetikmembuka.

Setelah selesai melakukan kegiatan didalam ruang iradiasi orang tadi hanis menekantombol reset yang berada pada kotak emerjensisebelum keluar. Perubahan status yang teijadi padasiteem interiock PAE adalah keadaan sebaliknyadari keadaan di atas setelah kontaktor relay

magrxstiknya terhubung dengan tegangan 220 vocdan MBE siap diopcrasikan (kedua pintu ruariiradiasi tertutup).

Acctlcrator Room Emergency (ARE)

Prinsip kerja sistem interlock ARE adalaipersis sama dengan prinsip ksija sistem ineeriodPAE. Fungsinya pun sama yaitu untuk menjajikeselamatan crang terhadap bahaya radiasi. Kanytsaja sistem interlock ARE adalah untultkeselamatan orang/operator/peneliti yang akanrnasuk kc ruang akselerator dan lampu indikator

. interlock yang ditampilkan pada meja kontrdadalah Jampu ARE. Diagram skematik sisteminterlock ARE dapat dilihat pada gambar 3 danpnnsip kerjanya dapat dibaca pada penjelasansistem interiock PAE.

NO Turbo Molecular Pump Cooling (NTMPQ

Sistem interiock NTMPC adalah salah satuinterlock yang berfungsi menjaga keselarnaUnbagian dari MBE yaitu pompa turbo yang harganysrelatif mahal dan memerlukan air pendingin <>elamaberoperasi. Karena itu diperiukan sistem pendinginyang sesiiai spesifikasinya. Sistem interiock initerdiri dari relay aJiran air yang mengatur saklaryang menghubungkan kontaktor relay magnetikinterlock NTMPC dengan tegangan 220 volt, relaymagnetik, indikator interlock, dan sakJar padameter vakum yang diatur oleh kondisi kevakumandi dslsm ruang pemercepat.

Prinsip kerja sistem interlock NTMPC sbb.:

Jika terdapat air pendingin dengan debitaliran scsuai dengan spesifikasinya mengalir padarelay aliran air maka saJdaryang dioperasikannyaakan menutup. Karena saklar rnenutup makakontaktor relay magnetik interlock NTMPC akanterhubung dengan tegangan 220 volt sehinggamerubah kondisi lidah-lidah saklarnya menjadi:

lidah saklar pertama membuka maka lampuindikator interlock NTMPC padam,lidah saldar kedua membuka maka bel alarmjnteriock tidak berbunyi, danlidah saklar ketiga menutup maka sumberdaya pompa turbo siap dioperasikan jikakevakuman di dalam ruang pemercepat telahmencapai orde ] 0*' torr.

Meskipun sudah ada air pendingin pompatuit>o belum dapat dioperasikan jika kevakumanbelum mencapai orde terbebu: di atas Tingkatkevakuman diukur dengan ion gauge sebagaitranduber yang mengatur kondibi saldar yang diberidengan iidah saklar ketiga relay magnetik interiockNTMPC. SakJar terbebut akan membuka jikakevakuman masih di bawah orde 10' torr. Kondisiyang ditampilkan adalah kondisi sebaliknya dari

SISTEM INTERLOCK MESKJ BERKAS ELEKTRON GJ-2Nada Mardada

36


kondisi di atas Gambar 4 memperlihatkan diagramskematik sistem interiock NTMPC.

No Tank CooJing (NTQ

Untuk menyataJcan ada atau tidak adanya airpendingin yang mengalir pada tangki akseleratormaka dipasang relay aJiran air (water flow relay)sebagai tranduser yang mengoperasikan sakJaryang menghubungkan kontaktor relay magnetiksistem interlock NTC dengan tegangan 220 volt.Bagian di daJam tangki akselerator yang mendapatpendingin air tersebut adaJah trafo tegangan tinggiyang menimbulkan panas selama mesin beroperasi.Jadi sistcm interlock NTC berfttngsi sama sepertisistem interiock NTMPC yaitu untuk menjagakesdamatan bagian mesin dari MBE.

Prinsip kerja sistem interiock NTC dapatdijelaskan dangan diagram skemariknya padagarobar 5 ,Jlka terdapat air pendingin yang cukupmaJca saklaryang dioperasikan relay aJiran air akanmenutup sehingga relay magnetik bekerja Relaymagnerik tersebut akan merubah kondisi intedockNTC menjadi

lampu indikator 'mteriock KTC padam karenaJidah saJdarpertamamembuka, danbe! alann interlock a'dak berbunyi karenalidah saklar kedua membuka, danlegangan tinggf dapat dioperasikan karenalidah saklarketigamenutup

No OsciUator Cooling ( N 0 Q

Sistem interlock NOC termasuk intedockyang menjaga aspek keselamatan bagian mesindengan menyediakan pendingin airbagi komponenosilator yang metmerlukannya yaitu trioda.Osilator adalah pembangldt daya frekuensi tinggibagi MBE. Pada sisteminteriock ini digunakanpengontrol tekanan yang dihubungkan dengankontaktor AC trioda. Pengontrol tekanan tersebutmelihat tekanan yang terdapat pada -water relay-yang mengoperasikan saklar yang menghubungkankonraktor relay magnetik sistem interlock NOCdengan tegangan 220 volt

Jika tekanan air pendingin memenuhi syaratmaka status yamg terjadi pada sistem interiock NOCadaJah

trioda akan bekerja (osiiator dapatdioperasikan),lampu indikator interiock NOC padam, danbel alarm a'dak berbunyi

karena reiay magnetik bekeija setelah terhubungdengan tegangan 220 volt. Sedangkan jika tidakada air pendingin atau ada tapi tekanannya tidakmemenuhi maka yang akan terjadi adaiah keadaansebaliknya Diagram sketatik sistem interlock NOCditunjukksji pada gambar 6

No WiBdow Air Flow (NWAF)

Berbeda dengan pendingin tiga sisteminterlock di atas, pada sfstem interlock NWAFdigunakan udara sebagai pendingin -vindow-yaitubagian dari sistem vakum MBE tempat berkaselektron dikefuarkan atau dapat juga dikatakansebagai pembatas antara ruang vakum denganruangatmoofir. Karena-window-selaiu ditumbukelektron selama MBE beropersi makapermukaannya menjadi panas sehingga diperiukanpendingin sistem interiock MWAF juga termasuksistem interlock yang menjaga aspek keselamatanbagi mesin.

Sistem interlock ^TWAF terdiri dari saklaryang dioperasikan dengan tekanan udara yangdihembuskan oleh blowler reiay magnetik danindikator interiock sakJar tersebut menghubungkankontaktor relay dengan tegangan 220 volt. Jjkatekanan udara meinenuhi maka saklar akanmenutup dan relay magnetik interlock NWAFbekerja merubah kondisi slsiem interiock NWAFmenjadi

tegangaj) linggi dapat diopersikan karenaJidah saklar pertama menutup,lampu indikator interlock NWAF padamkarena lidah saklar kedua membuka yangberarti memutuskan hubungan NWAFdengan tegangan 24 volt, danbel alarm indikator interiock tidak berbunyikarena terputus hubungan dengan tegangan24 volt akibat Hdah saklar ketiga membuka

Diagram skematik sistem interlock NWAFditunjukkan pada gambar 7

No Scannfng (NS)

Sistem interlock NS berfungsi untukmengontrol besar arus listrik yang mengalir padascanner (pemayar) MBE agar tidak lebih rendahdari arusminimum selamamesinberoperasi. Anis 'dengan besar mmimum tertentu diperiukan untukmenjaga agar tidak terjadi kegagalan padapengopersian scanner yai'tu timbutnya panas yangberlebihan karena tumbukan elektron padabagian-bagian dinding scanne. Untuk itudiperlukan sistem interlock NS yang menjag'a aspekkeselamatan bagian mesin. Besar arus minimumatau yang diinterlockkan bagi scanner MBE GJ-2adalah 1.1. A.

Sistem interlock NS terdiri dari saktarmagnetik yang pengoperasiannya ditcntukan olehbesar arus yang mengalir pada scananer sakJarmagnetik interlcck NS dan indikator interiock.Saklar magnetik yang membuka atau menutupnyadiatur oleh besar arus scanner tersebutmenghubungkan kontaktor relay magnettkinterlock NS dengan tegangan 220 volt Diagram

Prosiding Perternuan dan Presentasi llmiahTeknologi Akseleratcr dan AplikasinyaVol.1 No. 1 Juli 1999: 34-42

37


skematik sistem interlock NS diperiihatkan padagambar 8. Jika arus yang mengaHr pada scannerlebih besar atau sama dengan 1.1.A. maka relaymagnetik interlock NS bekerja merubah kondisiinteriock NS menjadi

lampu mdikator interlock NS padam karenalidah saklar pertamamembukabel alanm interlock tidak berbunyi karenalidah saklar keduamembuka, dantegangan tinggi dapat dioperasikan karenalidah saklar ketigamenutup

Kondisi sebaliknya terjadi jika arus yang mengalirpada scannerlebih kecil dari 1.1.A.

Ovtr Corrent (OC)

Sistem interlock OC berfungsi untukmengontrol besar arus daya (pover current) agartidak melebihi batas maksimum yang telahditehtukan kegagalan pada pengortrolari ini akanmengakibatkan kerusakan pada beberapakomponen MBE, seperti filamen tabungpemercepat scanner dan sistem vakum karena ituperlu dibuatkan sistem i.nteriock OC untuk menjagaagar tidak terjadi kerusakan padakomponen-komponen terscbut.

Pada sistem interlock OC yang menjadipengotrol arus adalah relay arus (cun-ent rday)yang salah satu kaJd kontaktornya dihuhungkandengan arus dari akslerator dan kaki yang laindihubungkan dengan meter arus -power current-.Relay arus mempunyai satu lidah saklar yangmenghubungkan konlaktor relay magnetikinteriock OC dengan tegangan 220 volt. Diaj ramskematiksistem interlock OC ditunjukkan padagambdr 9.

Prinsip kerja slstem interlock OC sbb.:

Jika arus totaJ dapat dilihat pada meter-power current-) yang masuk ke kontaktor relayamsJebihkecil dari 15mA(batasmaksimum)makakondisi lidah saklar relay tersebut tctap terbukasehingga relay magnetik interlock OC tidakbekerja. Pada kondisi sepeni ini:

lampu indikator intedock OC padam karenalidah saklar kedua tetap terbuka,bel aJarm tidak berbunyi karena lidah saldarketiga tetap terbuka,tegangan'tinggi tetap beroperasi karena lidahsaklar keempat tetap tertutup, dantidah saklar pertama, yang menghubungkansalah satu kaki kontaktor dengan tegangan220 volt, tetap terbuka.

Sedangkan, jika arus totaJ yang memasukikontaktor relay arus melebihi batas arus maksimummaka relay tersebut akan menutup lidah sakJaniya.Karena saklar ini menghubungkan kontaktor relaymagnetik interiock OC dengan tegangan 220 vo!t

maka relay magnetik bekerja. Kondisi yangditampilkan sbb.:

iampu indikatorinterlock OC menyala karenalidah saklar kedua membuka,bel alarm interlock berhunyi karena lidahsaklar ketiga membuka,tegangan tinggi berhenti heroperasi karenaIidah saklar keempat, yang merupakan salalisatu dari sepuluh lidah saklar yang disusunseri membuka, danlidah saklar pertama menutup.

Lidah saklar pertama, karena menutup,menghubungkan kontaktor relay niagnetik dengantegangan 220 volt sehingga mempertahankankondisi -over current-. Kondisi ini bertujuan untukmemberi kesempatan melakukan perbaikan ataumencari penyebab ten'adinya -over cuurent- barukemudian direset ke kondisi normal.Ovcr Voltage (OV)

Sistem interlock OV berfungsi untukmer.gontrol tegangan tinggi selama MBEberoperasi agar batas maksimumnya tidakteriampaui. Sistem intertock OV juga merupakansistem yang menjaga aspek keselamatan mesinkarena tegangan tinggi yang beriebihan.

Pada sistem interlock OV terdapatkomponen proteksi tegangan tinggi OVR (overvoltage protektor), relay magnetik, dan indikatorinterlock, OVR berfungsi raengatur kondisi saklaryang menghubungkan relay magnetik dengantegangan 220 volt. Dalam keadaan normal yaitutegangan tinggi masih di bawah batas maksimumkondisi yang diberikan oieh sistem OV adaJah

lampu indikator interiook OV padam karenalidahsaklarkeduarelay magnetikintrlockOVteituka,bel alarm interiock tidak berbunyi karenalidah saklai' ketiga relay tersebut terbuka,tegangan tinggi tetap berop«asi karena lidahsaklar keempat tertutup, danlidah saklar pertamanya, yang menghu-bungkan kontalctor relay magnetik terssbutdengan tegangan 220 volt, rnembul-a.

Sedangkan dalam keadaan tidak normal yaitutegangan tinggi melebihi batas maksimum yangtelah ditentukan maka OVR akan menutupsakJamya sehingga relay magnetik interiock OVbekerja. Akibatnya

lainpu indikator interiook OV rnenyaJa karenalidah saklar keduanya menunip,bel alarm interlock berbunyi karena lidahsaklar kedganyamenutup, dantegangan tinggj berhenti bekerja karena lidahsaklar keempatnya rnembuka.


38

Volume 1 Nomor 1 Juti 1999 ISSN 1411-1349

Untuk memberi kesempatan melakukanperbaikan atau mencari penyebab kerusakan makarelay magnetik dibuat tetap dalam keadaan bekerjadengan menghubungkan lidah saklar p«rtamanya

• dengan tegangan 220 volt. Hubungan ini dapatdiresetjika dipeiiukan. diagram skematik interiockOV diperlihatkan pada gambar 10.

. Poor Vacuum (PV)

Untuk rnengontrol tingkat kevakunian didalam ruang pemercepat maka dipasang sisteminteriock PV yang menampilkan kondisi tekanan didalam ruang tersebut. Batas minimnm tingkatkevakuman yang telah ditentukaii adaJah dalamorde 10-5 torr karena dianggap pada tingkat inisudah tidak ada lagi partikel-partikel udara di dalaniruang pemercepat yang akan menghambat jalannyaelektron. Ststem interlock PV adalah termasuksistem interiock yang menjaga aspek keseiamatanmesin.

Pada sistem interlock PV terdapat ion gaugesebagai probe yang akan mengukur tingkatkevakuman di dalam ruang pemercepat. Informasiyang diperoleh dari ion gauge dipergunakan untukmengatur saklar yang menghubungkan relaymagnetik interlock PV dengan tegangan 220 voltSelain itu, komponen sistem interlock PV adalahrelay magiietik dan indikator interlock. Diagramskematiknya diperlibatkan pada gambar 11. Jikatingkat kevakuman telah mencapai orde 10-5 torrmaka relay magnetik interlock PV bekeija merubahkondisi yang ditampilkan sebelumnya menjadisbb.:

lampu indikator interlock PV padam karenalidah sakJar pertamanya membuka,bel alarm interlock tidak berbunyi karenalidah saklar keduanya membuka, dantegangan tinggi dapat dioperasikan.

Conveyor Fault (CF)

Sistem interlock CF adalah satu-satunyasistem interlock yang menjaga aspek keselamatansampel yang ditimbulkan karena kegagalan padasistem transportasinya. Diagram skematik sisteminterfock CF dapat dilihat pada gambar 12. Sisteminierlock CF terdiri dari peralatan di bawah-scanning born- yang mengontrol kelancaransistem transportasi atau konveyor, relay magnetik,dan indikator interlock. Untuk dapatmenyelamatkan sampel yang bergerak di ataskonveyor maka MBE harus berhenti jika konveyoratau sampel tersebut tiba-tiba berfienti.

Jika konveyor atau sampel berhenti dibawah -scanning horn- maka relay magnetikinteriock CF akan bekerja dan kondisi yang terjadipada sistem imeriock ini adalah

lampu indikator imerlock CF menyaJa karenalidah saklar pertamenutup dantegangan ting^i berhenti beroperasi karena!idah sakJar ketiga relay magnetik interlockCF ini membuka.

Saklar dan Bel Alarm.

Pada gambar setiap rangkaian sisteminterlock terlihat ada st-buah saklar dan bel alarminterlock yang juga menjadi bagian dari sisteminterlock. Sebenarnya untuk seluruh sisteminterlockdi atashanyaadasatusaklardanbel alarminterlock. Keduanya disusun secara paralelterhadap setiap sistem interiock yang ada sehinggadapat menunj ukkan adany a perubahan kondi si padasistem interlockyangmanapuir. Gambar saklardanbel alarm interlock tersebut ditunjukkan padagambar 13.

Tombol -Test Lamp-

Untuk menguji kondisi lampu-lampuindikator interlock s^mua sistem interlock makalampu-lampu tersebut diparalel oleh dua buah relaymagnetik. Setiap relay mengoperasikan enam buahiampu. Jika tombol -test lamp- ditekan berartimemberikan tegangan sebesar 220 vo!t kepadasetiap relay sehingga kedua belah lidah saklar didalam dua relay tersebut akan menutup.Lampu-Iampu yang masih baik akan menyalakarena terhubung dengan tegangan 24 voltsedangkan yang kondisinya buruk/putus tidak akanmenyala walaupun mendapat tegangan Diagramskematik sistem pengujian lampu dapat dilihat padagambar 14.

KESEMPULAN

1. Mesin berkas elektron GI-2 mempunyaisistem interiock yang cukup untuk menjagaaspek-aspek keselamatan bagi orang, mesindan sampel karena itu sebagai fasilitas iradiasiMBE GJ-2 memenuhi syarat untukdioperasikan. Selain itu sistem keselamatanyang diterapkan memenuhi ketentuan yangdisebutkan dalam salah satu filosofikeselamatan IAEA yaitu metoda redundansiuntuk meningkatkan keandalannya hal initerlihat pada setiap sistem interiock yang ada

2. Dengan melihat proses pengoperasiannyasistem interlock keselamatan yang ada padaMBE GJ-2 dapat dikembangkan lagikeandalannya dengan membuat interlocktambahan, seperti interlock talidi dalam niangiradiasi dan ruang akselerator, dan interlockkunci multiguna yaitu satu kunci dapatdigunakan untuk mengoperasikan meja


39

Volume 1 NomoH Juli 1999 ISSN 1411-1349

kontrol, msmbuka pintu-piniu ruang iradiasidan ruang kontrol, dlsb.

DAFTARACUAN

1. Technical Documentation of operating andMaintenance Manual for Accelerator ModelGJ-2, Shanghai Xian-Feng ElectricManufacturing Works (1993)

2. Principal Diagram, Connection Diagram, andComponcnt List the Control System forAccelerator Model G.J-2, ShaaghaiXian-Feng, Electric Manufacluring Works(1993)

Catatan: Keterangan berikut berlaku untuk semuagambar

L : Lampu indikator interiockS : SakJaralarm interlockB : bel alarm interlockSl, S2 : lidah-Iidah saklar interlock lain

Gambar 1. Sistem Interiock Door Interiock OpenKeterangan:Pl , P2, P3 : relay-relay mekanik pintu3F3 : relay magnetik interlock -Door

Interlock Open-

Gambar 2/3.Sistem Inte.riock PA/AR EmerjensiKeterangan:Em : kotak emerjensi4F9/4F8 : relay magnctik interlock PA/AR

Erne^'ensiLl, L2 : lampu-lampu operasi kotak emerjensi

ifio22Q\r, Pil*.

24V-*-%

| Jfi"

{)--•

1

K.

xs®C?e

' — rs —i

Gambar 4. Sistem Inierlock No TMP CoolingKeterangan:WR : saklar aliran air3F10 : relay magnetik interlock -No TMP

Cooling-IG : ion GaugePS : sumber daya pompa turbo

GambarS. SistemlnteriockNoTankCooIingKetei-angan:WR: saklar aJiran air.3F9 : rclay magnetik interlock -No Tank

Cooling-

ziav, f*

24^»

£K

-\

nu *XS B

Gambar6. Sistem Interlock No OscillatorCooling

Keterangan:PR : relay tekanan air3F8 : relay magnetik interiock -No Oscillator

Cooling-

7JLPV

Gambar 7. SislemlnteriockNoWndowAirFlowKetes-angan:3F7 : relay magnetik interlock -No Window Air

Flow-BR : saklar tekanan udara


40


-r

Gambar 8. Sistem Interiock No ScanningKeterangan:SR : relay pembatas arus scanner3F6 : relay magnetik interiock -No Scanning-

Gambar 9. Sistem Interiock Over CurentKeterangan:3F1 : relay magnetik interiock -Over Current-4F1 : relay arus (current relay)R : tombol reset, A: meter -power current-

Gambar 10. Sistem Interlock Over VoltageKetsrangan:OVP : saklar -Over voltage protector-3F4 : relay magnetik interiock -Over Voltage-

Sx

Gambar 11. Sistem Interlock Poor VacuumKeterangan:IGR : saklar -ion gauge-3F5 : relay magnetik intetiock -Poor Vacuum-

Gambar 12. Sistem Interlock Conveyor FaultKeterangan:CR : sakJar peralatan pengontrol konveyor3F4 : relay magnetik interlock -Conveyor Fault-

Gambar 13. Diagram Rangkaian Relay-RelayMagnetik dengan Saktar dan BelAJarm Interlock

Keterangan:S : saklar alann interlockB : bel alarm interiockFl,..., F12 : relay-relay magnetik sistem interlock

120 V

Gambar 14. Sistem Pengujian Lampu-lampuIndikator Interlock

Keterangan:TL : tombol pengujian lampuFl, F2 : relay-relay magnetikLl,..., L12 : lampu-lampu indikatorinterlock

Prosiding Pertemuan dan Presentasi llmiahTeknologi Akselerator dan AplikasinyaVoi.1 No. 1 Ju!i 1999: 34-42

41

Volume 1 Norr.or 1 Juli 1999 ISSN 1411-1349

TANYA JAWAB

Supriyanto

1. Bagaimaria cara menjadi operatoryang baikuntukMesin Berkas Elektron (orangiiya).

2. Dan bagaimcaia cara mengoperasikan danmaintetumce yang baik (mesin).

Nada Mardada1. Cara menjadi operator yang baik dengan

mengikuti prosedur dengan taat dan mengertibetul maksud tahap-tahap dalam proseduryang sudah dilakukan uji kualitasnya. Selainitu prinsip keija setiap bagian dari mesin harusdiketahui oleh setiap operator

2. Cara mengoperasikan yang baik dapatmengikuti jawaban nomer satu denganmelakukan pemeriksaan awal yang hamsdilakukan (katup pcndingin, temp. dsb)sebelum mesin dioperasikan sedangkanperawatan dapat dilakukan secara harian,mingguan, bulanan dan tahunan sesuaidengan yang diperiukan daJam pengoperasian

Purnomo

Dalam pengalamun-pengalaman bapakNada, sebagai operator Mesin Berkas Elektrongangguan-gangguanyang serius apa sajakah yatigpemah dialami baik lentartg keselamatan mesin,oratig dcoi baratig. Bagaimaiia cara mengalashrya

Nada Mardada

Gangguan yang serius pada sistem/ruangpemvakuman, dalam ptrnvakuman ruang terscbutterjadi ketidak sinkronan antara besar arus scannerdan lebar scanner. Akibatnya terjadi panas yangberlebihan pada leher scanner. Cara mengatasinyadengan melokalisirkebocoran kemudian dilakukanpengelasan argon pada tempat tsb. Kecelakaanorang belum pemah terjadi, kecelakaan barangdapat dideteksi melalui monitor sehingga dapatdicegah sebelura terjadi kerusaan sampel.

Anwar Budianto

1. Dalam pengembangan teknologi suatunegara, djkenal metode "reverse technology".

Apakah MBE 500 ke V/l 0 mA yang dirancangini juga sustu reverse technology dari MBEGJ-2 ?

2. Apakah kompomn-komponen mesin MBEGJ-2 dapat dipsroleh di pasaran dalamnegeri sehingga mudah perawatcomya ?

3. Ada b'erapa tenaga ahli (S3, S2, SJ, SO) dalmpengoperasian MBE CJ-2 ?

Nada Mardada1. Bisa juga dikatakan demikian kalau saya

melihat design dan jenis komponen yangdigunakan pada MBE 500 keV/10 mA miripdengan yang ada pada MBE GJ-2 danEPS-300

2. Sehingga kecil komponen-komponennya bisadidapat dipasaran kecuali pompa turbo dantrioda

3. Sangat sedikit, calon S3 satu orang S2 satucrang

AgusArif

Berapakah tingkat keondalan sistemi/iterlock MBE GJ-2, baik secara perhitunganteoritis maupun pengalaman praktis ?. Berapabesar pelnang kegagalannya dan berapa besartingkai resikoiiya

Nada Mardada

Tingkat keaudalan yang diinginkan adalahsetinggj mungkin tidak dapat saya jelaskan secarateoritis. Berdasarkan pengalaman (praktis) sisteminterlock selalu berfungsi jika teijadi kegagalanpada salah satu parameter kerjanya. PeJuangkegagalan/resikonya tergantung kepada sistempenunjang (misalnya chiller) dan keandalanoperatoritu sendiri

Prayitno

Sistem Redudansi apakah yang dipakaidalam MBE GJ-2 , mohon dijelaskan ?

Nada Mardada

Sistem redudansi yang dipakai adalah "zeroout of all" artinya jika saiah satu sistem yangdiinteriock tidak berftjngsi maka MEE tidak dapatdioperasikan. Karena itu tidak boleh ada satupun"zero" dari scmua "all" sistem imerlock yanggagaljika MBE ingin dioperasikan


42

ID0200210


RANCANGAN OTOMATISASI LNSTRUMENTASI MESIN BERKASELEKTRON 500 keV/10 mA

SudiyantoPPXY-BATAXJL Babarsan P.O. Box /00$, Yogyakaria 55010

ABSTRAKRANCANGAN OTOMATISASI INSTRUMENTASl MESIN BERKAS ELEKTRON 500 keV/10 mA.

Telah dikembangkan otomatisasi sistem inSiTumen:asi mesin berkas elekrron 500 ke V/l 0 mA menggunakanIBM-PC'ATdilengkapi dengan sejumlah sistem interface tipe industriyang terdiri dariPCL-718ADC-l2bit, PCLD-889 programable gain.'rnux, PCLD-786driverrelaydengansejumlah optocoupkrrelay. Padasimulasi di laboratorium seluruh slstem otomarisasi ini telah berfungsi dengan baik menggunakanso/tware Turbo-C.

ABSTRACTAN AUTOMATION DESIGN OF 500 keV/10 mA ELECTRON BEAM MACHINE

tt/STRUMENTATIONS. An instrumemations automation ofa 500 keV/10 mA Elecrron Beam machine byusing an IBM-PG'AT which equiped with art indusrrial rype interfaces siich as PCL-718 ADC-12 bit,PCIJD- 889 a programable gain/mulriplexer, PCLD-786 a driver relay with optocoupleur relays hasdesigned. Duringihe laboratory simulation testsbyusing a Turbo-C sofiware proved that the whole systemhas Junctioning properly.

PENDAHULUAN

Perancangan mesin berkas elektron 500 keV/10raA yang bam berjalan sekitar satu tahun ini

didukung oleh sejumlah tim yang antara lainmempersiapkan sistem mekanik, sistem vakumsumb^r ion dan tegangan tinggi dan sisteminstrumentasinya, dalam perancanganinstrumentasi tersebut telah dipilih sistemelektronik digitaJ menggunakan IBM-PC/AT 3'angdilengkapi dengan sistem interface tipe industribuatan AdvanTech yang telah diujicobakeandalannya di lab Komputer elektronikaPPNY-BATAN sejak dua tahun ini, dengandemikian sebagai modal awal rancanganinstrumentasi ini telah dikenal sejumlah tehnikkonversi ADC tipe 12 brt dengan berbagai tehnikpenggandaan kanal masukan analog menggunakaninterface PCLD-889 programable gain/multiplexerdimana setiap penggunaan sebuah interface iniakan menambah 16 buah kanal analogbaru. Untuksistem keluaran digitalnya juga telah dikenal tehnikpenggandaannya dengan intcrface PCLD-786driver relay yang mampu menggandakan keluarandigital barj sebanyak 8 buah untuk setiapinterfacenya. Tehnik pengaturan stepper motordengan berbagai langkah halus maupun langkahkasar telah pula dikenal dengan baik, sehinggauntuk mengatur posisi potensiometer pengaturtegangan maupun pengatur posisi valve telah dapatdikuasai dengan baik. Di dalam makalah ini akan

dijelaskan secara rinci tehnik penggandaan kanalmasukan analog interface ADC-12 bit tipePCL-718 AdvanTech menggunakan interfacePCLD-889 programable gain/ multiplexer,sedangkan tehnik penggandaan digital outputnyamenggunakan interface PCLD-786 juga akandijelaskan dengan rind. Dari hasil ujicoba simulasidi laboratorium komputer PPNY menggunakansumber tegangan analog DC telah diperoleh datakonversi AJDC sebanyak 48 buah kanal hasilpenggandaan 3 buah PCLD-8S9 dari sebuahsumber regulated DC power supply Trio modetPR-651. Simulasi secara kalang tertutup (closeloop) untuk otomatisasi pengaturan tegangananalog DC dengan menambahkart stepper motoryang mengendalikan PR-65I lewat reduction gearyang terpasang pada poros potensiometeraya telahdapat direalisirbaik, tegangan DC nya dipantau dariPCLD-889 yang selanjutnya mengumpankan kePCL 718 ADC-12 bit sedangkan pengaturanstepper motomya dilakukan dari digital outputlewat PCLD-786 driver relay, tegangan DC yangdikehendaki dapat diberikan dari key board yangolsh software aplikasi dalam Turbo-C dapatdibandingkan dengan tegangan DC yang dipantaudari PCLD-889 yang selanjutnya akan memutarstepper motor ke posisi potensiometer PR-651untuk mengeluarkan tegangan DC yangdikehendaki secara otomatik.

PERANCANGAN OTOMATISASI INSTRUMENTASI MESIN BERKAS-ELEKTRON 500 keV/20 mASudiyanto

43

Volumei Nomori Juli 1999 ISSN 1411-1349

PENGGANDAAN KANAL MASUK-AN ANALOG INTERFACE ADC-12BIT TIPE PCL-718 ADVANTECHMENGGUNAKAN AMPLIFIER/MULTIPLEXER BOARD TIPEPCLD- 889.

Dalam teknik interfacing proses konversidari warta analog ke warta digital merupakanbagian yang terpenting, makin banyak jumlah kanalmasukan analog sebuah sistem ADC akan semakinbaik sebagai unit akuisisi. Semaldn besar jumlah bitsistem ADC akan meningkatkan sensitifitaskemampuannya dalam memonitor perubahantegangan analognya. Dewasa ini pemakaianinterface tipe industri sudah cukup luas baik untukpengendalian maupun akuisisi. PCL-718 buatanAdvantech adalah interface ADC-12 bit dengankanal masukan analog sebanyak 16 buah, untukmenambah jumlah kanal masukannya dapatdigunakan PCLD-889 programmablcamplifier/multiplexer board yang menggandakah16 buah masukan analog baru dengan scbuahkeluaran analog. Selanjutnya keluaran analog dariPCLD-889 tersebut dapat diumpankan ke salah satumasukan analog PCL-738, dengan menggunakansebuah PCLD-889 dan software aplikasimenggandakan masukan analog PCL-718 ADC-12bitmenjadi 16buah.

Penelit ian ini merupakan bagianakuisisi/momtoring tegangan analog mesin berkaselektron (MBE) yang memiliki sekitar 42 buah titikpantauan sistem HV nya, untuk unitpengendaliannya juga sedang diteliti penggunaaninterface driver relay yang mengatur sekJtar 32buah penyedia daya tegangan tinggi menggunakanPCL-718 kedua pada IBM-PC/AT yang sama.Pemakaian dua interface PCL-718 terpaksaditempuh karena penggunaan digitaJ output baikuntuk programmable gain PCLD-889 dan on/offdriver relay PCLD-786 menggunakan alarnat yangsama.

PCL-718ADC-12BIT.PCL-718 ADC-12 bit buatan Advanlech

adalah Sistem ADC berkualitas industri yang dapatberoperasi pada EBM-PC dengan software aplikasiantara lain Turbo-C, mempunyai 16 masukananalog, 16 keluaran digital, 2 keluaran analog, dantimer/counter yang mampu memonitor sekitar 42buah titik penting, untuk memenuhi hal tersebutperlu dikembangkan sistem multiplexing anaJoginput menggunakan multiplexer/amplifier boardPCLD-889 yang juga berkualaitas industri buatanAdvanTech. PCLD-889 mampu menggandakan 16buah masukan analog untuk diumpankan ke salah

satu masukan PCL-718 ADC-12 bit. SctiapPCLD-889 mempunyai jumper yang harus dipilihsesuai dengan alamatnya sebagai mux board no.Osampai dengan mux board no.9. SedangkanPCL-718 dalam setup softwarenya dapat dipilihmenggunakan address base Hex 000 s/d Hex 3F0.Multiplexer/amp!ifier PCLD-889 yang terhubungke PCL-718 ADC-12 bit dapat diprogram faktorpenguatan setiap kanal masukan analognya lewatdigital output PCL-718, pilihan faktor penguatanyang tcrsedia mulai dari 0.5, 1, 2, 10, 50, 100, 200dan 1000 kali. Secara manual faktorpenguatanjugadapat dipilih lewat SWl pada board, sedangkanpemilihan faktorpenguat secara software dilakukanmelalui digital output Iewat D6, D5, D4 mulai daristatus 0 0 0 bingga 1 1 1.

TATA KERJA DAN HASIL PEM-BAHASAN

PCL-718 ADC-12 bit dapat dioperasikanpada address base hexa mulai dari 000 hingga 3F0,di dalam eksperimen dipilih hex 302, sedangkanuntuk PCLD-889 multip!exerny3 dipilih addresshexa 303. Gambar 1 menunjukkan penggabungantiga buah PCLD-889 dengan ADC-12 bit PCL-718.

Gambar 1 Susunan PCLD-889 bertingkat tiga.

Untuk menggabungkan PCLD-889 secaraberting.kat-tingkat perkt dipersiapkan susunanseperti tampak dalam gambar no.l denganmengatur kabel digitalnya untuk mengatur faktorpenguatan sistem amplifiemyaserta kabel masukankanal analog untuk meneraskan masukan analog kePCL- 7! 8. Penentuan nomor PCLD-889 dilakukandari JP16 (jumperl6) yang akan memilih nomormasukan analog PCL-718 yang ditentukan sebagaipengolah konversi ADCnya, sedangJ^n untuk caramelarik masukan analog PCLD-889 dari nomorawal sampai nomor akhir ( ada 16 buah noinormasukan ) dilakukan lewat sofhvare.

Prosiding Pertemuan dan Presentasi UmtahTeknologi Akselerator dan AplikasinyaVol.1 No. 1 Juli 1999:43-50

44


Dalam percobaan telah dipilih JPl 6 yang ke9 untuk simulasi PCLD- 889 board yangdihubungkan kc PCL-718 ADC-12 bit pada kana]masukan analognya yang ke 10, dengan kanal awalnomor 0 dan kanal akhir nomor 15 telab berfungsidengan baik konversi ADC dari sebuah regulatedDC power suppply model PR-651 Trio . Dari hasiltersebut dapat disimpulkan bahwa pengoperasianmultiplexer board PCLD-889 secara beitingkat(cascading) layak dilakukan sampai 10 tingkatsehingga maksimal dapat menyediakan masukananalog sistem ADC-12 bit sebesar 10x16 buah.Dengan memakai sebuahPCL-718 ADC-12 bkdan10 buah PCLD-889 dapat disusun sebuah sistemakuisisi data dari sumbcr tegangan analog sebanyak160 buah kanal, masih terbuka lagi kemungkinanpenggunaan PCL-713 yang kedua dengan addressbase lain dengan konfigurasi senipa yang secaratehnis mampu menyediakan kanal masukan analog160 buahlagi.

OTOMATISASI PENGENDALIANON/OFF PENYEDIA DAYA UNIT HVMBE MENGGUNAKAN PCL-718DAN PCLD-786.

Untuk mengatur pengendaKan on/off 32buah relay AC tersebut periu dikembangkan sisteminterface PC yang terdiri dari sistem keluarandigital yang dapat diprogram dan bagianmultiplexer yang menggandakan keluarandigitalnya. Untuk memenuhi keperluan seperti diatas telah dipasang PCL-718 card yang kedtta padaPC yang digunakan untuk otomatisasi MBE yangterpasang di slot nomor 2 dimana pada s!ot nomor1 terpasang PCL-718 untuk akuisisi data, danPCL-786 AC/DC power SSR & relay driver untukmenggandakan kana! digital output.

PCL-718 ADC-12 bit tnempunyai fasilitaskeluaran digital sebanyak 16buah, kanal digital inidapat langsungdihubungkan kePCLD-786 di CNl.Dengan kedua jenis interface tersebut dapatdiprogram status 16 buah relay yang mengaturon/ofF sistem HV MBE. PCLD-786 juga dapatdipasang bertingkat dua dengan caramenghubungkar. CNl pada PCLD-786 kedua keCN5 pada PCLD-786 pertama menggunakan kabelribbon.

VO PCL-718 disediakan mulai addressHexa 000 sAttFO, Untuk PCL- 718 board keduadipilih alamat Hexa 200 sehingga untuk PCLD-786dapat dipilih mu!ai dari Hexa 203. Untukmengendalikan reiay AC/DC dari PCLD-786tersedia 8 kanal yang berkualitas photocoupleisolated solid state relay terpasang pada boardnyadan tambahan 8 buah kanal untuk extemal relaydriver. Dengan menggunakan dua tingkat

PCLD-786 dapat dikendalikan 32 buah kanalkeluaran ditjtal untuk mengatur on/offrelay.Pengaturan on/offrelay secara otomatik sangatpenting terutama untuk pengendalian penyediadaya tegangan tinggi.pengaturan konveyor dansistem katup MBE berikut in't:1. mengatur energj elektron yang menetukan

kedalaman penetrasinya yang dirumuskansebagai berikut:

A = 0,33 -P

dengan A = Kedalaman penetrasi -(cm)p = Kerapatan bahan (g/cm )E = Energi elektron (MeV)

mengatur arus berkas elektron yangmenentukan doses serapannya yangdirumuskan sebagai berikut:

D = ^

dengan D = dosis serapann = efisiensiI = kuat arusV = kecepatan konveyorW = luas targetAE = perubahan energiAR = perubahan radial

kuantitas iradiasinya yang dirumuskansebagai berikut:

M - 360D

(kg/jam)

dengan M = Dayaberkas elektronP =TenagaD = Dosis serapan

Gambar 2. Sistem Pengendalian on/offrelay

PERANCANGAN OTOMATISASI INSTRUMENTASI MESIN BERKASELEKTRON 500 keV/20 nxASudivanto

45

Volume 1 Nomori Juti 1999 ISSN 1411-1349

Pengaturan penyedia daya dan lainnyasecara akurat di atas hanya bisa dicapai denganmelibatkan otomatisasi menggunakan sisteminterfacing PC dimana batas tolerensi ralat yangdikehendaki dapat diprogram dengan pengaturansistem on/off relay dan akuisisi data secara terusmenerus mendekati sistem real time.

Untuk mengendalikan 32 buah relay ACdigunakan dua buah interface PCLD-786 buatanAdvantech, setiap PCLD-786 menyediakanfasilitas 8 buah kanal photo-couple isolatedsolidstate relay module yang pengendaliannyamenggunakan data bus D0-D7 (Low Byte) dialamat mulai dari Hex 203, untuk 8 buah kanalexternal relay dikendalikan dari data busD8-D15(High Byte). Pemilihan on/off relaydiprogram dari PCL-718 d\ alamat mulai dari Hex203 untuk D0-D7(low Byte) yang mengatur photocouple isolated solid state modul dan untukmengatur extemal relay digunakan D8-D15 (KghByte).

PCLD-786 kedua dihubungkan lewat.kabelribbon pada digital input CNl nya ke digital outputdari PCLD-786 pertama. Untuk pemilihan alamatdasar PCL-718 dilakukan dari SW6 yangmempunyai 6 buah switch mulai dariA4,A5,A6,A7,AS,A9. bila dipilih alamat dasarHex300 maka A8 dan A9 posisi 1 sedangkan sisanyaposisi 0, dan penulihan alamat dasar 200 untukPCL-718 yang kedua dilakukan dengan rr.emilihA9 posisi 1 dan lainnya posisi 0. Selain daripemilihan alamat dasar secara manual dari SW6juga harus diikuti dengan penyiapan alamat dasarsoftwarenya pada pilihan yang sama.Hasil simiiasi pengaturan on/off sistem relayditampilkan pada lampiran 2.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Dari hasil eksperimen menggunakanPCL-718 dan PCLD-786 nampak bahwa keperluanpengendalian 32 buah realay tpe AC yang akanmengatur penyedia daya HV MBE dapat dipenuhidengan baik, untuk softwarenya digunakanTurbo-C yang masih merupakan pilihan utamauntuk konsep sistem otomatisasi menggunakan PCyang dilengkapi dengan sejumlah interface tipeindustri. Untuk menentukan status on/off relay baikyang bertipe 8 buah photo-couple isolated solidstate relay maupun 8 buah external relay dapatdipilih dari sofhvare. Pada saat simulasi menupilihan status nomor kanal digital outputnyaditampilkan pada layar monitor, sedangkan hasileksekusi sofhvarenya nampak pada lampu LEDyang menyala (status reiay on) dan lampu LED mati(status relay oflf), indikator LED terdapat padaPCLD- 786 baik untuk 8 buah photo-couple

isolated solid siate relay maupun 8 buah kanal untukexternal relay yang dapatlangsung mengendalikanon/off relay di luar PCLD- 786 menggunakantegangan DC +12 volt atau +5 volt didukung kuatarus yang memadai sebesar 500 ma dari susunanDariington transistor daya yang terdapat didalamPCLD-786.

KESIMPULAN

Rancangan otomatisasi instrumentasi mesinberkas eiektron 500 kcV/10 mA menggunakanBBM-PC/AT yang dilengkapi sejumlah interfaceuntuk masukan tegangan analog dan keluarandigital bertipe industri buatan AdvanTech sudahmemadai baik dari kualitas, jumlah masukan dankeluarannya yang direncanakan mampumenyederhanakan pengoperasian mesin berkaselektron. Sistem instrumentasi tersebut masih dapatdit ingkatkan kemampuannya dengan caramenambah jumlah interface I/O nyabila dirasaperiu untuk akuisisi data.

UCAPAN TERIMA KASIH

Pada kesempatan iru penulis mengucapkanterima kasih atas bantuan serta partisipasinya dalammencoba sistem PCL-718 dan PCLD-786menggunakan software Ti2ibo-C kepada SaudaraBadi Wiyana, Ngatinu dan segenap staf kelompokKomputer elektronika, Bidang Fisika Atom &Nuklir, PPNY-BATAN.

DAFTAR PUSTAKA

1. PCL-7]8H3ghPerformanceData AcquisitionSystem Card User'manual

2. PCL-718 AVD Modulized Data AcquisitionCard User manua]

3. PCLD-786 Power AC/DC SSR&DriverRelay User manual

4. PC-Based Industrial & Lab AutomationProduct master Cauiog Voiume 31.

5. Turbo_C Version 2.0 Boriand User Guide.6. Sudjatmoko, Dasar-dasar Fisika dari

akselerator-elektron, Seminar Sehari MesinBerkas Elektron, PAIR, Jakarta, 2 Agustus1990

7. Sudjatmoko, dkk., Akseler3torElektron GJ-2,Komponen Utama dan Prinsip Kerjanya,Pertemuan Tim Rekayasa Mcsin BerkasElektron, PAIR, Jakarta, 25 Mei 1993.

Prosiding Pertemuan dan Presentasi llrniahTeknologi Akselerator dan AplikasinyaVol.1 No. 1 Juli 1999:43-50

46


TANYA JAWAB

Prayitno

Bagaimana komputer menyediakanmasukan, secara interupt atati polling mohondijelaskan

Sudiyanto

Pemantauan sejumlah titik pantaudiprogramkan secara scanning yang datanyatersimpan di buffer virtnil pada softwa.reTURBO-C, selanjutnya diproses dibandingkandengan data referensi dalam nilai digital (dari 0 -4095)

Tjipto Sujitno

1. Hasil rancangan pak Sudiyanto untuk skalalaboratorium di kantor cukup berfungsidengan baik. Bagaimana mengantisipasitroubel-troubel ycmg mungkin timbul biladiterapkan dilapangan. Dan kira-kiratroubelapa yang mungkin titnbul

2. Apakah untuk merancang otomatisasiinstrumentasi MBE 500 keV/10 mA tersebutpak Sudiyanto tidak terlalu bila dilakukansendirian ?

Sudiyanto

1. Troubel yang ada di lapangan antara iain- ja rak titik pantau/titik kendali akan

menurunkan tegangannya- komponen R khusus yang berfungsi sebagai

penurun tegangan sulit didapat- keandalan software untuk pengaturan

sistem secara terpa.du periu keteUtian2. Cukup berat namun berkat pengalaman

otomatisasi daya reaktor kartini cukupoptimis untuk berhasil

Purnomo

Pada perancar.gan membuat Mesin BerkasElektron 500 keV/IO mA apakah tidak lebih baikdibuat pengertdalian arus berkas dan operasi yangsederhana (manual) terlebih dahulu sehubunganpembuatan MBEperdcma (ycuigpertama)

Sudiyanto

Pengendaltan operasi secara manual tidakjauh beda tingkat kesulitannya jadi langsung sajapakai teknik digital pakai interface tipe industri

LAMPERAN 1.

Profyram Init PCL-718 dan PCLD 786#include<stdio.h>#inc)ude<string.h>#include<dos.h>#inciude<conio.h>#define enter'Ne'mainO{int adc,dtl,dth,rch,chv,adt,adl;i ntdi g=0,dog=O,ss=0,y=0, a=0,b=0, k=0,1 =0,d=O,p,t)p=0,v=O,n=0,m:char kar[l];ku:clrscrO;gotoxy(lO,4);cprintf(H\nInput Kanal PCL-786 <1—15> :");{gotoxy(50,5);scanft"%d",&k);outpoftb(0x20Bj0x00);outportb(0x203,0x00);iftk<=7)if(k>=0)goto sat;if^k>=7)if[k<=15)goto dua;iftk<l)iftk>15)goto tig;tig:{outportb(0x203,0);outportb(0x20b,0);}goto ku;sat:

;outportb(0x203,0x0x00+1);

1=2;outportb(0x203,0x0x00+1);ifOc—2)1=4;outportb(0x203,0x0x0C+l);if(k=3)1=8;outportb(0x203,0x0x00+l);if(k==4)1=16;outportb(0x203,0x0x00+1);if(k=5)1=32;outportb(0x203,0x0x0C+1);

PERANCANGAN OTOMATISASI INSTRUMENTASI MESIN BERKASELEKTRON 500 keV/20 mASudiyanto

47


if(k=6)1=64;outportb(Ox203 ,OxOxCO+1);

1=128;outportb(Ox203,OxOxOO+1);delay(lOOO);}goto ku;dua:{if(k=8)i-i;outporb (0x20B ,0x00+r)

;outporb(0x20B,Cx00+r)if(k=lO)i-4;outporb(0x20B,0x00+r)i f (k=l 1)r=8;outporb(0x20B,0x00+r)f

r=16;outporb(0x20B,0x0CH-r)ifl[k=13)r=32;outporb(0x20B,0x00+r)

r=64;outport>(0x20B(0x00+r)

r=128;outporb(0x20B,0x00+i)delay(lOO);goto ku;

}LAMPERANProgram Init PCL-718 dan PCL 889#include<stdio.h>#include<string.h>#include<dos.h>#inc!ude<conio.h>#define enter '\r'mainO{int adc,dtl,dth,rch,chv,adt,adl;int y,a=0,b=0,k=0,l=0,p==0,n=0,m;char karakter,ku:clrscr,gotoxy(l,26);cprinrft"@}by dab");gotoxy(10,2);

cprintfl["nlnput Tegangan <0--10000> mv :");gotoxy(10,3);cpjint^-nlnput Kana] ADC 71S <0-7> mv :");gotoxy(10,4);cprintfTnlnput Gain PCLD 889 <0(0,5}-]000>");gotcxy(10,5);cprintf("nAwal Scan PCLD 889 <0-15> :");goioxy(10,6);cprintf("nAkhir Scan PCLD 889 <0-15> :");for(p=0;p<15;++p){gotoxy(10,lO+p);cprintf("PCLD 889 NOMOR = ");gotoxy(34,IO+p);cprintf("INPUTKANAL= ");gotoxy(54,10+p);cprint^-HASILDIGITAL» ");

{gotoxy(49,3);scanft"%d",&gotoxy(49,4);

gotoxy(49,5);scanf("%d",&b);gotoxy(49,6);scanf("%d",&k);if(b=O)m=0;

if(b==2)m=32;iftb==10)m=48;if(b==5O)m=64;iftb==100)m=80;iftb=200)m=96;if(b==1000)m=112;outportb(0x303,(m+a));outponb(0x302,0 6'd-i-d));rch = inportb(0x302);outportb(Ox300,Ox01);delay(lO);dd = inportb(Ox300);dth = inponb(Ox301);a'dl = dtl/16;adt = dth * 16+adI;

= dtl-adl*16

}for (t=O; t<=3;++t)

Prosiding Pertemuan dan Presentasi llmiahTeknologi Akselerator dan AplikasinyaVoM No. 1 Juli 1999: 43-50

48

Volume 1 Norrof 1 Juli 1999 ISSN 1411-1349

clrscngotoxy(l,25);cprintf("@}by Dab");gotoxy(10,2); -cprintf(Hnlnp&. Tegangan <0-10000> tnv :%d mv",v);gotoxy(10,3);cprintfCnlnput Kanal ADC 718 <0—7> mv :%d",d);gotoxy(10,4);cprintf("nlnput Gain PCLD 889 <0(0,5)-1000>:%d",b);gotoxy(10,5);cprintfCnAwai Scan PCLD 889 <0-15> :%d",k);gotoxy(10,6);cprintfTnAkhir Scan PCLD 889 <0—15> :%dM);for(p=0;p<15;-H-p){gotoxy(10,lCH-p);cprintf('PCLD889NOMOR= ");gotoxy(34,lCHp);cprint^"INPLTKANAL = ");gotoxy(54,10-T>);cprintf("HA5E.DIGITAL = ");}for (a = k;a<=l;++a)

outportb(0x3 03 ,(outportb(0x302,d);rch = inportb(0x302);outportb(0x3 00,0x01);delay(lO);dtJ = inportb(CxJOO);dth = inportb(0x301);adl=dtl/16;adt = dth* 16+adl;gotoxy(10,9+a);cprintf("PCLD 889 NOMOR = %d",rch);gotoxy(34,9+a);cprintfCINPUTKANAL= %d",a);gotoxy(54,9+a);cprintfCHASH-DIGITAL = °/od\n\adt);de!ay(1500);}delay(1500);

}delay(1500);

}goto ku;

LAMPIRAN 2.

Hasi! eksperimen konversi ADCInput tegangan <0—10000> : 5000 mVInput Kanal ADC 718<0—7> : 3InputGain PCL 889 <0(0.5)-1000> : 1AwalScan PCL889O—15> :0AJdiir Scan PCL 889 <0— 15> ; 15

t - 3 INPUTKANAL

t - 3 INPI,T KANAL ••3

PCLD-mSOMORPCIJD-*f9 NOMORPCUMSU NOMORPCU>K9NOMORPCLD-W9 NOMORPCU5-jr9 SO.VIORPC1D-J19SOMOR-3 INPLT KAXAL -

PCLD-M9 NOMCRPCU>*»9 NOMORPCLD-W NOMCR'PCUJ-«S9 NOMOR •PCLD-tt9 NOWOR •PCLD-«J9 NOMOR •PCLD-*» NOMOR •PCLD-M9 NOMCR •

•3• 3• 3• 3• 3 M t / T K A K M . '

' 3 E H T U T K A N A I . '•3 INPUTK.-VNAL'

3•3•33

INPtrr-KANALINPLT KAKAL

•0 HASH.D(CrTAL• I HASIL MGITAL•J FUSILWGrrAL3 HASILDiCaTAL4 HASn-HOTAL} HASCDIGITAL« HASILDtGrTAL7 HASBLDIGn'AL« HASILDICHTAL9 HASILDlGrrAL10 HASII. DtCHTALHHASILDfCHTAl.12 HASB. DK3TTAL13 HASTL DICaTAL14 HASDL D«3TAL'

»33

•S3-a»3-aai-»33-aai- » 2 2-2033-2023- » 3 2- 2023•2032

Input tegangan <0—10000>InputKanal ADC 718<0—7>InputGain PCL 889<0(0.5)-1000>Awal Scan PCL 889 <0—15>AkhirScan PCL 889 <0—15>

5000 mV21015

PCLD-t!9 NOMORFCLD-tWNOMORPCLD-M9 NOMORPCU>»«9NOMORPCLD-t» NOMDR -PCLD-JI9 NOMOR -PCLMJ9 hWVOR -PCU>J»9 NOMOR -PCLD-W9 NOMOR -PCU>-«t9 NOMOR -PCLD-JJ9 NOMOR -PCU>«X9NOMOR-PCLCH» NOMOR -PCU>-JJ9NOMCK-PCU)-«S9 NOMOR -PCLDJtW NOMOR -

-2- 2 [NPUTKA.VAL- 2 tN3tJTKA.VAL

- 2 INPUTKANAl.- 2 INPWKANAl.

- 2 DJPUTKASAL'- 2 INPUTKANAL•2 INPUTKANAL'- 2 INPUDCOCVL'- 2 INPUTKANAL'- 2 INPUTKAKAL'

2 INPWKAKAL-2

• 0 HASn.DK3TAL

•2 HASILD(C3TAL•3 HASILDIGITAL

•5 HASn.DtGtTAt.6 HASILDrCHTAL7 HASILHCHTALt HAsiLnarrAL

10HASn.DtC3TALtl IIASIL HC3TA1.12 HASIL MC3TALU HASH. acTTM.14 HASIL D«3TAL •15 HASn. DtGTTAL •

-2035-2034-2029-2CB3-2031-2033-2031-2033-2020-2032-2021-2033-2023-2030"2024•2032

Input tegangan <0—10000>Input Kanal ADC 718<0—7>Input Gain PCL 889 <0(O.S)-tOOO>AwalScan PCL 889 <0—15>AkhirScan PCL889<0~15>

PC7JMS9NOMOR-paX>-J89 NOMOR -PCLMS9 NOMOR -PCLD-SJ9 lWMOR -PCLD-SS9 NOMOR -PCLD-*S9 NOMOR -PCID-889 NOMOR -PCLO-SI9 NOMOR -PCLD-4S9 NO!»1OR -PCLD-*S9 NOMOR -PCLD-«89 NOMOR •PCLD-889 NOVKDR -H 3 J M J 5 NOMOR -PCU>-»t9 NOMOR -POJJ4S9 NOMOR -PCLO-SW NOMC» -

1 JNPITTKASM.-1 INPUT KANAL •

INPUTKAKAJL-INPUT KMOJ. •INPUTKA^-J."

t HAsn. DK3TAL2 HASILMOTAL3 HASILDICHTAL4 HASII.DKHTA1.5

iNPtrr KANALtNPUT KANALn^PUT KA.V.'O.[NPUT K.\N.".LMPVT KAS.U.tKPUTKANAL

- 7- 1 HASn.DK3TAL- 9 HASn. DIC3TAI.- 10 HASn. DK3TAL-11HASI1.DICHTA1.

13 HASTL aGtTAl .14 HASIL K O T A L

D^PUT KANAL - 15 KASIL MC5TAJL

5000 mV11015

•4OTt-4090-4CJJ-4090-4OT7-40*7-4OM- 4 0 «-4073•4OU-4OT7-4073-4079-4OT7-407t- 4 0 «

PERANCANGAN OTOMATISASI INSTRUMENTASI MESIN BERKASELEKTRON 500 keV/20 mASudiyanto

49

Volume 1 NomoH Juli 1999 ISSN 1411-1349

Input tegamjan <O—10000>Input Kanal ADC 718<0—7>InputGain PCL 889 <O(0.5>lOOO>AwaJ Scan PCL 889 <0—15>AkhirScan PCL889<0-15>

5000 mV010

: 15

PCLD-I» NCMORPCLD-SWNCMORPCtD-*» >JCWORPCLD-MSNOUCR

- 0 WPUTKAKAL'- 0 IWUTKANAJL'

- o imrr KAKAL •- 0 INPUTK.\NAL'

PCLD-I19NCMORPCLD-ltS NCWCRPCLD-W9NOMORPCLD-M9NCWORFCUVIWNOMCR'PCLD-*»NOJCR'PCLD-WNCMCR'

0 JNJVTKANAL000 INPUTKANAL0 INPUTKAK/U.

0 INPOTKANAL0 INPOTKANAI,0 WPUTKAS'Al.0 INPUTKANAL0 INPUTKAKAL

0 HASTLDICHTAL1 HASLDIGrTAI.': HASTLDiC3TAl.'J HASILDiaTAL'4 HASn.DJCTTAL'i H\SU. DIC3TAL •t HAStL DIC3TAL •7 R\Sn.DICHTAL-« HASILDIGfTAL-f HASXD10rTAL"lOHASILDJGfTAL"HHASILDIGrrAL-CHASD-DICHTAl.-13HASn.DICHTAL>HHASILDlCaTAL-

• 4077•4019*Ot$409040854OK84015

tor)407}

40(7

4076

4089

4077

40S7

4071

4081

LAMPIRAN 3.HASEL EKSPERIMEN PENGENDALIANON/OFFRELAYgunakan :•PCL -718 ADC' 12 BIT D.A.S-PCLD-786 AG/DC POWER SSR & RELAYDRJVER

Keiuaran PCLD-786Photo Couple

Status Rclay TipeIsolated Solid State

Kanal Nomor:Kanal Nomor:Kanai Nanor:Kanal N'omor:Kanal Nomor:KanaJ Nomor:

0 =0 =0= 10= 10 = 10 = 1

Relay Nomor;Relay Nomor:Relay Nomor:Relay Nomor:Relay Ndmor

0 = ON0 = ON0 = ON0 = ON0 = ON

Kana! Nomor: 0 = 1Relay Nomor: 0 = ONRelay Nomor : 0 = ON

Kanal Keluaran PCLD-786untuk EkstemaJ relay

Kanal NooiorKanaJ Nornor:KanaJ Nomor:KanaJ Nomor:Kana] Nocnor:Kanal Nomor:Kanal Ts'omor:

0 =0 =0 =0 =0 =0 =0 =

Status RelayTiDeEkstemal

KanaJ Noraor : 0 = 1

Relay Nomor: 0 = ONRelay Nomor: 0 = ONRelay Nomor: 0 = ONRelay Nomor: 0 = ONRelay Nomor : 0 = ONRelay Nomor: 0 = ONRelay Nomor : 0 = ONRelay Nomcr : 0 = ON

Prosiding Pertemuan dan Presentasi llmiahTeknologi Akselerator dan ApOkasinyaVol.1 No. 1 Juli 1999:43-50

50

ID0200211


PERANCANGAN SISTEM KONVEYOR UNTUK MBE 500 keV/10 mAW. Maksum, Suprapto, Djasiman, SudiyantoPPNY-BATANJt. BahanariP.O. Box 100%. Yogyakwta 55010

ABSTRAKPERANCANGANSISTEMKONVEYOR UNTUKMBESOOkeV/lOmA. Telah dilakukanpermcmgan

sistem kor.veyor untukMBE (Mesin Berkas Elektron) energi 500 keVdan anis 10 mA. Dalam tehtikradiasi dengan menggunakan MBE dimerlukan suatu sistem pembawa obyek atau bahan yang alcandiradiasi ke dalam ruangMBE. sistem ini disebut konveyor. Peranccmgan sistem konveyor ini meliputipenenntan kecepatan dan lebar konveyor.. Doslsyang diserap oleh bahan yan% diradiasi adalah jungsiarus berkas elektron (I), kecepatan bahan diiradiasi (v) dan lebar bahan diiradiast (W). Slstem konveyorditengkapi dengan suaiu ban berjalanymg digerakkan oteh motorltstrikyangkecepatannya dapat diubahsesuat dertgan dosis yang ditentukcm dan suatu sistem interface sehingga pengoperasiannya dapatdikendalikan dari rvang kontrol. Dari hasilpercmccmgan sistem konveyor dapat dikonstruksi satu slstemkonveyor untukMBE500keV/10mA,yaiigdapatdigunakan uniukpengangku:an ditradiasl, baikbahanlembaran atau bahan terbuka dimasukan dalam korak. tenutup.

ABSTRACTDESIGNOFA CONVEYOR SYSTEMFOR 500 keV/lOmA ELECTRONBEAMMACHINE A design

ofConvsyorSystemof500keV/10mAEkcrronBeamMachine wascarriedout. In <m tradiationtechntqueusing Ekctron Beam Machine, a conveyor system i.e. an equitment for conveying samples, is requtredThe design includeddetermination ofthe speedand'width ofthe system. The dosis absorbed'by samplesdepent on the election beam current (I), samples speed (V) and wldth (W), The sysrem was equiped withmoving n-ails notated by an electric motor that its speed couldbe controlkd according to be the dose andan interface so thatit couldbe operated'fivm a control room. From the design, the cotrveyor system couldbe constructed and operated in a 500 keV/!Q mA Electron Beam Machine, for either sheet (maked) orcontained samples (closed)

PKNDAHULUANTjenelitian dan pengembangan dari aplikasi MBEX (Mesin Berkas Elektron) dalam proses iradiasitelah dilakukan pada beberapa dekadeyang lalu dinegara-negara maju. ApHkasinya dalam bictangindustri telah menghasilkan bahan-bahan potimerbaru, konversi permukaan suatu bahan, sterilisasiperalatan kedokteran dan iradiasi bahan-bahanmakanan ^ \ ApHkasi dari MBE dalam btdangindustri memerlukan suatu sistem yang disebutsistem konveyor, diniana sistem ini mengangkutbahan yang akan diiradiasi baik yang beaipa bahanlembaran atau bahan-bahan yang dimasukkan didalam suatu wadah/kotak.

Perancangan sistem konveyor yangdilakukan ini disiapkan untuk MBE 500 keV/10mA, dirancang dan akan dibuat memakai pipa-piparol yang dirangkai dengan ban berjalan. Salah satudari rol digerakkan oleh sebuah motor listrik DCdan agar supaya kecepatan ban berjalan dapatdivariasi, maka putaran motor DC tersebutdireduksi dengan rangkaian roda gigi tranrnisi

(reduction gear) sehingga putar rol konveyormenjadi 1/10 dan 1/24 nya.

Ukuran dari sistem konveyor mempunyaiketinggian 800 mm dan lebar 1300 mm, yangdirencanakan cukup untuk tempat dan membawalembaran bahan (papan tripleks utuh). Pipa-pipa rolberukuran 75 mm, pada kcdua ujungnyamempunyai sumbu poros (AS) berdiamter 19 mmyang disangga oleh blok bantalan lager KSM P204,kemudian dipasang di atas kerangka penyanggadari bahan baja siku L70.70.7.

Ban berjalan yang dipasang dirancangbcjajar 4 jalur yang digerakkan oleh dua pipa roldi ujungyaagdirangkai dengan motorlistrik, dapatdiatur regang-kendomya dengan mengubah posisisalah satu pipa rol tersebut deagan memakai boutmur baut pengikat. Diharapkan pipa-pipa rol yangberada di tengah karena adanya gesekan banbeijalan akan ikut berjalan meskipun tanpa beban.

Sistem konveyor yang dirancang untukMBE 500 keV/10 mA diharapkan dapatdikendalikan kecepatan gerakannya dari ruangkendali. Untuk keperluan tersebut maka sistem

PERANCANGAN SISTEM KONVEYOR UNTUK MBE 500 keV/20 mA(W. Maksum, dkk.)

51


conveyor dilengkapi dengan sistem interface yangmerupakan sistem pengendali selama konveyordioperasikan.

PRINSIP DASAR PERANCANGAN

Dalam merancang sebuah sistem konveyoruntuk Mesin Berkas Elektron ada beberapaparameter yang harus diperhitungkan secaraseksama, yaitu dosis yang diserap oleh bahan yangdiradiasi dan ukuran medan iradiasi atau lebarpemayaran.

Dosis Serap

Aplikasi MBE dalam bidang industri, salahsatu parameter yartg sangat penting adalah dosisyang diserap oleh bahan yang diiradiasi. Besarnyadosis serap tersebut adalah fungsi dari besamyaarus berkas elcktron, kecepatan bahan yangdiiradiasi dan lebar pemayaran. Secara matematisbesamya dosis ini dapat ditulis dalam bentuk * '

W) (Mrad) (1)

dengan I adalah ams berkas elektron (mA)h adalah koefisien penggunaan MBE

(0,3-0,9)v adalah kecepatan bahan yang

diradias: (cm/detik)W adaJah lebar pemayaran (cm)

5£>5/? adalah energi yang hilang sesuaidengan besarnya teganganpemercepat.

Berdasarkan persamaan (]) di atas, jika arusberkas elektron tetap (direncanakan sebesar 10mA), sedangkan parameter lainnya adalah suatutetapan, maka besamya dosis serap yang diperlukanhanya ditentukan oleh besamya kecepatan bahanyang diiradiasi (atau kecepatan gerak konveyor)dan lebar pemayaran (atau lebar bahan yangdiiradiasi).

Lebar Pemayaran

Perancangan sistem konveyor selainmemperhitungkan besarnyt kecepatan bahan yangdiiradjasi atau kecepatan konveyoi", perlu jugadiperhitungkan besannya lebar pcmayaran berkaselektron, yang berhubungan dengan Iebar darisistem konveyor. Lebar pemayaran tersebut akanmempengaruhi ketidakseragaman rapat arus berkaselektron pada peimukain bahan yang diiradiast.Pada umumnya MBE modern dirancsngmempunyai panjang zona iradiasi atau Iebarpemayaran 500 mm - 2.000 mm dan mampumemberikan ketidakseragaman rapat arus 5 %.

Lebar pemayaran dari berkas elektronmenentukan besarnya kuantitas iradiasi (untuk

iradiasi permukaan bahan yang berbentukIembaran), yang ditentukzn oleh persamaan *• * '

S = 6x10'* [vWJ (2)

dengan S adalahkuantitasiradiasi (m /menit)v adalah kecepatan bahan yang

diradiasi (cm/detik)W adalah lebar pemayaran (cm).

Berdasarkan periamaan (2) di atas dapatdiketahui bahwa kuantitas iradiasi (m /menit) yangdikehendaki pada kecepatan gerak bahan yangdiiradiasi (atau kecepatan gerak konvcyor) tertentu,maka lebar pemayaran sangat menentukankuantitas iradiasi.

TATA KERJASistem konveyor untuk MBE 500 keV/10

mA yang dirancang dan akan dikonstruksimemerlukan ketelitian di dalam pengerjaan, baiksistem penggerak (rangkaian roda gigi transmisi),pipa-pipa rol maupun kerangka penyangga.Disainping itu masih ada beberapa pekerjaan akhirnantinya yaitu meliputi uji komponen, uji sistematau operasional, penghalusan dan pengecatan.

Sistem Penggerak

Pada tahap rancang bangun MBE 500keV/10 mA sistem penggerak konveyor disiapkandengan membuat sendiri roda gigi transmisi(reductJon gear), sedangkan motor listrik sebagaitenaga penggerak disiapkan motor DC atau ACdimana putaran motorbebas. Yang disiapkan untukkonveyor ini adalah motor listrik DC 800 rpm; 24volt; 8,8 A, sehingga untuk rangkaian dalammenggerakkan pipa-pipa rol memcriukan roda gigitransmisi, dandirancangdenganperbandingan 1/10serta 1/24.

Gambar 1. SkemaReduction Gear

Rodagigi z = 20dan'z = 40bisadigerakkansecara bergantian, tergantung keperiuan putarari

Prosiding Pertemuan dan Presentasi llmiahTeknologi Akselerator dan AplikasinyaVol.1 No. U u l M 999: 51-55

52


D = 33tebal 10D = 63tebal 10D=153tebal 10D=183tebal 10

rol. Bahan untuk 4 buah roda gigi dari baja tuangsedangkan pulley dari bahan aluminium.Penempatan roda gigi transmisi berada di Juarkerangka penyangga dan ditutup dengan rumahatau box, sedangkan penyetelannya dalampemasangan bisa diatur dari Juar.

Adapun ke 4 roda gigi transmisi mempunyaiukuran sebagai berikut:a. Roda gigi z = 20 M = l , 5b.Rodagigi7.= 40 M = l , 5c. Roda gigi z = 100 M = 1,5d. Rodagigiz=120 M = l , 5

Selanjutnya 2 buah pulley yang disiapkanmempunyai perbandingan ukuran 1 : 4, satu buahdipasang nienjadi satu sumbu dengan motorlistriksedangkan yang satu !agi dipasang satu sumbudengan roda gigi penggerak. Sebetulnya apabiladana tersedia, akan lebih baik sistem penggerak darikonveyor ini memakai tnotor Iistrik dan roda gigitransmisi yang siap pakai dengan perbandingan 1 :30; 1 : 50 atau 1 : 60 yang dijual di pasaran.

Pipa-pipa Rol

Ada dua macam diameter pipa-pi.pa rolkonveyor, yaitu pipa-pipa rol dikedua ujungmempunyai diameter 'ebih kecil dibandingdiameter pipa-pipa rol yang di tengah. Hal itudimaksudkan agar pada saat rol konveyor berputar,dimana pipa ro) ujung digerakkan oleh putaranmotorlistrilc, makapipa-piparol di tengah akan ikutberputar karena adanya gesekan antara pipa denganban berjalan yang dipasang berjajar sebanyak 4jalur.

Ukuran pipa-pipa rol di tengah berdiamater75 mm, panjang 1330 mm ditambah 2 x sumbuberdiameter 19 mm panjang 60, maka panjang totalpipa rol adalah 1450 mm. Pipa air (BWG)merupakan bahan yang cukup bagus untuk rolkonveyor karena Iapisan luarnya sudah ditambahdengan bahan tahan oksidasi (fcarat). Begitu pulapada waktu MBE beroperasi besamya arus berkaselektron diharapkan tidak akan membawaperubahan pada pipa rol termasuk oksidasi.

Gambar 2. Bagan pipa rol konveyor tengah.

Kekuatan pipa-pipa rol yang disanggakedua sumbu/poros ujung, bisa dihitung denganmengambil saJah satu sumbu cj> 19 mm, dimana :MB=»ML = P x LWl ^ML/6B 5B = 0,8 5t

Bahan diambil dari Bd 370,lD3 = (Px71)/(0,8?:37) D = 75mmmaka P = 28,5 kg.

Gambar 3. Bagan pipa-pioa rol konveyor ujung.

Karena pipa rol disangga o!eh dua sumbu,dengan sendirinya kekuatan pipa = 57 kg.

Rangkaian Roda Gfgi Dengan Surabu

Ada banyak sistem sambungan di bidangmekanik yang dikelompokkan menjadi dua besaryaitu sambungan tetap dan sambungan lepas,meliputi sambungan las, paku keling, rantal, bautmur, roda gigi, pasak spie. Untuk perangkatanantara sumbu dengan roda gigi transmisi sertapulley pada konveyor MBE ini memakai sistemsambungan pasak spie, sehingga batang sumbuyang ada harus dibuat alur memanjang, sedangkanlubang roda gigi dan pulley harus dibuat alur. Halini dimaksudkan agar sistem penggerak mudahdipasang dan dilepas. Namun dari segj pembuatanalur memerlukan ketclitian dan kepresisian yangcukup baik, agar sistem penggerak menjadi tepattidak terjadi kesalahan karena adanya toleransi.

Gambar 4. Bagan Alur Pada Lubang dan Sumbu.

PERANCANGAN SISTEM KONVEYOR UNTUK MBE 500 keV/20 mA(W. Maksum, dkk.)

53

Volume 1 Nomor 1 Juli 1999 iSSN 1411-1349

Kerangka Penyangga

Kerangka penyangga konveyor MBEmerupakan bagian utama yang menentukan bagjanlain berkedudukan tetap dan pasti, sehingga secaraaturan konstruksi mekanik kenangka penyanggasangat diperiukan kekuatannya, terutama dalammemilih bahan dan merangkai menjadi satu unitpenyangga. Dalam arti lain bahwa kerangkapenyangga harus marapu menerima bebanditambah dengan beratnya sendiri. Begitu puiatidak timbul kelengkungan apabila dipindah ditempat lain.

Bahan yang dipakai untuk kerangkapenyangga konveyor MBE 500 keV ini adalah bajasiku L 70.70.7 dan baja siku 50.50.5, denganmemakai sistem sambungan mati yaitu Jas listrik.Karena bentuk luar kerangka adalah persegi empatpanjang, meskipun sudah kuat masih diperkuat lagidengan bentangan melintang.

Gambar 5. Kerangka Penyangga.

Dt atas kerangka penyangga dipasangsejumlah blok lager SKM P 204, sehinggadipedukan 2 lubang untuk satu blok bantalan lageryang pengeijaannya dilakukan dengan pengeburanditempat, artinya tidak bisa dilakukan pengeburanpada mesin bur standar. Karena jumlah kerangkapenyangga yang disiapkan pada tahap awal ini ada3 unit dengan.panjang 2,75 meter, 6 meter dan 2,75meter; semuanya mcmeriukan 88 blok bantalanlager, maka jumlah lubang dibuat 176 buahberdiameter 13 mm.

Gambar 6. Kerangka Penyangga.

. Dengan bentuk kerangka penyanggatersebut akan mampu menyangga tanpa harusdiganjal !sgi, namun akan lebih baik apabiladitambah dengan baut tanam pada lantai tetapimudah dilepas untuk penggeseran tian penyetelan.

Ban Berjalan dan Pemasangannya

Pada konveyor MBE 500 keV/10. mAdirancang 4 jalur ban berjalan yang berada padapipa rol dengan ukuran lebar 150 mm dan tebal 5mm, bahan ban berjalan dari kalp berserabut kasarsejenis V belt (strength).

Untuk pengaturan pemasangan agartegarigan ban berjalandapat diatur, salah satu piparol ujung diikat dengan mur baut penyetel yangposisi dudukannya berada pada tiang kerangkapenyangga dan ujung lainnya dipasang tetap.Dengan ikatan seperti ini, ban berjalan tidak akanmudah berubah.

Gambar 7. Ban Berjalan.

HASIL DAN PEMBAHASANSesuai dengan uraian di atas, sistem

konveyor merupakan salah satu komponen utamadari suatu Mesin Berkas Elektron jika mesintersebut diaplikasikan dalam bidang industri.Berdasarkan perumusan (1) di atas, kecepatanbahan yang diiradiasi yang sama dengan kecepatangerak konveyor sangat menentukan besamya dosisyang diserap cJeh bahan yang diiradiasi. AplikasiMBE dalam bidang pengeringan dari suatupelapisan perrnukaan bahan (curing of coatings)diper!uka.n dosis 1 Mrad sampai sekitar 8 Mrad,sedangkan untuk sterilisasi diperiukan dosis sampaisekitar2,5Mrad. JikaMBEyangdirancangtersebutakan diaplikasikan untuk pengeringan pelapisandan sterilisasi, maka pada dosis 8 Mrad, aius berkaselektron 1=10 mA, rj = 0,9, 5E/5R = 2,9 (untukenergi elektron 500 keV) dan W = 120 cm, makakecepatan bahan yang diiradiasi (atau kecepatangerak konveyor) adalah

v = (5E/5R) [(100 r) T)/(D W)]

Prosiding Perttmuan dan Presentasi llmiahTeknologi Akselerator dan AplikasinyaVol.1 No. 1 Juli 1999:51-55

54

Volume 1 Nomor 1 Juli 1999 ISSNJ411-1349

= (2,9)[(100){0,9X10)/(8X120)]= 2,72 cm/detik

Konveyor ini menggunakan motorpenggerak jenis DC, karena dengan motor DCdapat dengan mudah diatur putarannya yaitudengan cara mengatur arus atau tegangan catu dayamotor DC tersebut. Pengaturan putaran mctorberarti mengatur putaran roda gigi transmisisehingga kecepatan bahan yang diiradiasi(kecepatan konveyor) diatur sesuai dengankecepata n yang ctikehendaki.. Sehubungan denganmotor DC yang digunakan mempunyai daya 200Wati.800 rpm, untuk meningkatkan daya anglcutdigunakan roda gigi transmisi (redudansi gear).Roda gigi transmisi ini disamping untukmemindahkan daya dari motor listrik jugadigunakan untuk mereduksi putaran motor listrikdengan perbandingan 1/10 dan 1/24. Denganmereduksi putaran motor listrik, maka kecepatankonveyor akan tumn sesuai dengan perbandinganreduksi tersebut. Untuk perbandtngan reduksi!/10, maka kecepatan konvcyor turun menjadi 1/10nya. Akibatnya penurunan kecepatan denganreduksi putaran melalui putaran rodagigi transmisimaka akan menambah kemarapuan daya angkut(massa yang dapat diangut lebih besar). Hal inisesuai dengan persamaan energj E = 1/2 m V

KESIMPULAN

Hasil rancang bangun konveyor MBE 500keV/10 mA secara sederhana mampu untukdtoperasikan, namun masih memerlukan perbaikandan penyempurnaan, terutama sistempenggeraknya berupa meter listrik dengan roda gigitransmisi (reduction gear) periu motor diadakandengan cara membeli. Begitu puta berbagai banberjaian baik berupa ban kalp, rantai perludiadalcan.

DAFTAR PUSTAKA1. MACHI, S., Nevv Trends in Industrial

Application of Electron Beam Machine, JapanAtomic Energy Research Institute, TakasakiRadiation Chemistry ResearchEstablishment, Proceedings of TheWorkshops on The Utilization of EiectronBeams, JAERI (1990), 15-23

2. SUZUKI, M., Recent Advances in HtghEnergy Electron Beam Machine, Nissin-HighVoltage Co., Ltd., Proceedings of The

Workshops on The Utilization of ElectronBeams, JAERI (1990), 49-59.

3. ALBERTINSKY, B.I... High VoltageElectron Accelerators for RadiationTechnology. The Main Charaaeristics, TheDesign of Accelerators and TheirApplications, Ler.ingrad, USSR, (1988).

4. LIVINGSTON, M.S. & BLEWETT, J.P.,Particle Accelerators, McGraw- Hill BookCompany, New York, 1962.

5. NARGOLWALLA, S.S., & PRZYBY-LOWICZ, E.P., Activation Analysis withNeutron Generator, John Wiley & Sons, NewYork, 1973.

6. ALBERTINSKY, B.I., High VoltageElectron Accelerators for RadiationTechnology. The Main Characteristics, TheDesign of Accelerators and Their Elements,Training Course on Low Energy Acceleratorsand Their Applications, Leningrad, USSR,1988.

7. Nissin HIGH VOLTAGE CO.LTD.,"Electron Beam Processing System", Tokyo,Japan(1992).

8. ZHOU QIZHANG, "Electron AcceleratorsManufactured in China, UNDP/IAEA/RCARegional Training Course on EB IrradiationTechnology, Jia Ding, Shanghai, China(1991).

TANYA JAWABTjipto Sujitno

Sistem conveyor untuk MBE SOOkeV/lOmAyang dirancang dHengkapi dengcai tempat bahan,baik bafian yatig berupa lembaran maupiin bahcmyang terbungkus dalani kolak. Kalau bahan ituterbungkus dalam kotak apakah justru kotaknyayatig teriradiasi, mengingat rarige elektron yartgbegitu pertdek

W. Maksum

yang diiradiasi bahannya, bukan kotaknyakarena kotak berlubang atasnyadalam lembar pendahuluan, baris 9 :bahan-bahan yang dimasukan dalamwadah/kotakContoh kotak MBE Gj -2 PAIR

PERANCANGAN SlSTEM KONVEYOR UNTUK MBE 500 keV/20 mA(W. Maksum. dkk.)

55

ID0200212


DASAK DISAIN SISTEM VAKUM MESIN BERKAS ELEKTRON (MBE)Darsono, Suprapto, Dja.'jimanPPNY-BAT.-UUL Babarsari P.O. Box 1008, Yogyakarta 55010

ABSTRAKDASAR DISAIN SISTEM VAKUMMESIN BERKAS ELEKTRON (MBE). Sistem vakum merupakan

bagian utama MBE karenc\ tanpa ini elekrron tak dapat diproduksi. Sistem vakum terdiri dcri pompavaJcum, ruang vakum. pipa penghubung. kran dan tera vakum. Untuk mendisain sistem vakum MBEdiperlukan pengetahuan dasar teknologi vakum. Pada makalah ini dijelaskan jenis-jenis pompa vakum,perhimngan kondulaansi pipa dan wcktu pemompaan sistem vakurn kemudian dikaiikan dengan kriteriapemilihan pompa vakum MBE. Dari telaah studi disimpulkan bahwa untuk MBE 500 keV/IO mA yangnantinya akan diaplikasikan untuk pelapisan ka)v maka dengan memperhatikan faktor teknis danekonomis maka sebaiknya memakai pompa difasi.

ABSTRACTDESIGN FONDATION OF VACUUMSYSTEMFOR ELECTRONBEAMMACHINE. Vacum system

Is a main part ofelectron beam Machine because (EBM) the electron can not be produced wi:hout thisvacuum. Vacuum system consists ofvacuum pump, conectingpipe. valve. and vacuum gauge. The designvacuum system o/EBM. basis knowledge and tecnology o/vacuum is needed. The paper describes lypesofvacuum pump, calcuianon ofpipe conduciar.ee andpumping ,ime ofvacum system then there are usedas consideration ofcriteria to choose vacuum pumpfor EBM. From the result ofstudy, it is comelodedthatforEBMof5Q0keV/10mA which isgoingto usefor woodcootingandwiih considerarion ofeconomicand technis factor ii is betier to use deffusion pump.

PENDAHULUAN

Salah satu bagian utama mesin berkas elektron(MBE) adalah sistem vakum karena tanpa ini

berkas elektron sukar dihasilkan. Sistem vakumlebih mempengaruhi terhadap watak keluaran MBEdibanding komponen lainnya. Sistem vakumMBE terdiri dari pompa vakum, ruang vakum, pipapenghubung, kran dan tera vakum. MengingatMBE sangat luas aplikasinya maka pompa vakumtinggi dan konstruksi sistem vakum meaipakankriteria pemilihan disain. Misal jika MBEdiaplikasikan untuk pembuatan lapisan tipis makakontaminasi uap o!i dari pompa harus dihindari.Untuk menghindari ini, biasanya dipasang "coldtrap" dan "baffles" diantara pompa vakum tinggidanruangvakum(chamber). SebaliknyajikaMBEdiaplikasikan untuk "welding" dan "melting" makapemasangan "cold trap" dan "baffles" tidak perlukarena efisiensi pemompaan lebih serius dari padakontaminasi. Beban pemompaan juga merupakandasar yang digunakan untuk pemilihan ukuranpompa vakum tinggi. Makin besar volume ruangvakum yang akan divakumkan makin besar pulaukuran pompa vakum tinggi yang sebaiknyadigunakan.

Operasi sistem vakum MBE berkisar 10"5

s/d 10' Torr tergantung aplikasi MBE, yang hanya

dapat dihasilkan oleh pompa vakum tinggi. Untukmendisain sitem vakum MBE diperlukanpengetahuan dasar teknologi vakum. Padamakalah ini diuraikan definisi besaran yang pentingpada sistem vakum, jenis-jenis pompa vakum tinggibeserta watak kecepatan pemompaannya,perhitungan konduktansi pompa, perhitunganwaktu pemompaan sistem vakum, dan komponenvakum yarig dikaitkan dengan kriteria pemilihanpompa vakum MBE.

DASAR TEORIVAKUM

Besaran Penting Sistem Vakum

Untuk membahas sistem vakum perludiketahui beberapa definisi besaran penting padasistem vakum, misal besaran pada walak pompavakum yang dapat dijumpai pada katalog pompavakum. Definisi besaran panting perlu dipahamiuntukmengkalkulasi dan menginstal sistem vakum.

Besaran-besaran itu adalah:1. Throughput: kuantitas gas dalam satuan

volume x tekanan yang melswati suatu bidangper satuan waktu.

2. Mass flow (aliran massa): kuantitasmasing-masing moleku! dalam satuankg.mol yang melewati bidang persatuanwaktu.

DASAR DISAIN SISTEM VAKUM MESIN MESIN BERKAS ELEKTRON(MBE)(Darsono, dkk.)

56


3. Volume flow rate (laju aliran volume):volume gas yang melewati suatu bidang persatuan waktu pada temperatur dan tekanantertentu.

4. Pumping speed (kecepatan pemompaan): lajuvolumetrik gas y'ang dilewatkan suatubidang atau throughput dibagi tekanan padabidang tera vakum.

5. Conductance (konduktansi): throughputdibagi penurunan tekanan sepanjangkomponen misal pipa penghubung

6. Ultimate pressure (tekanan ultinia): haigatekanan vakum terendah yang dapat dicapaipada tiji standar AVS (American VaccumSosiety).

Kalkulasi Sistetn Vakum

Contoh instalasi sistem vakum terlihatpada gambar-1 terdiri dari pompa rotari; pompadifusi, ruang vakum dan komponen vakum. Terlihatbahwa pipa penghubung pada sistem vakum adayang berbentuk tabung dan bentuk sikii. Hal initentu mempunyai konduktansi yang berbeda.Besarnya konduktansi berbagai bentuk dapatdijumpai diberbagai literatur (1, 2). Untukmengkalkulasi sistem vakum misal jika akanmenentukan waktu pemompaan sistem vakummaka pengetahuan mengenai kecepatanpemompaan pompa vakum, sumber gas yang adadaJam sistem vakum, konduktansi sistem vakum,volume ruang vakum harus diketahui dengan pasti.

Kecepatan pemompaan pompa vakum

Kecepatan pemompaan didefinisikansebagai gas throughput dibagi tekanan pada bidangdari tera tekanan.

Gambar 1. Instalasi sistem vakum

Keterangan :1. Pompa rotsri2. Penangkap uap air3. Kran pembocor udara4. Kran pompa rotari5. Saluran "backing"6. Kran vakum rendah7. Penghubung vakum rendah Penning8. "Head Pirani"9. Kran "backing"

10. Pompa difusi11. Kran vakum tinggi12. Ruang vakum13. Terminal kabel Jistrik14. Penyekat poros "seal"15. "Head"16. Jendela .

Untuk menentukan kecepatan pemompaansuatu pompa vakum dilakukan dengan carapengukuran uji standar AVS (American VacuumSociety). Kecepatan pemompaan suatu pompavakum penting dalam mengkalkulasi danmenginstal sistem vakum karena akan menentukanlama pemompaan. Gambar-2 memperlihatkankecepatan berbagai jenis pompa.

<- to

1

^ i ~ " rf <* rf «s*

Gambar2. Kecepatan pemompaan berbagaipompa vakum

Keterangan:1. Pompa rotari satu tingkat tanpa gas ballast.2. Pompa satu tingkat dengan gas ballast -3. Pomparoot's.4. Pompa pancaran5. Pompa difusi6. Pompa turbo molekul

Jlka kecepatan pemompaan pompa vakumpada masukan dan konduktansi pipa penghubungdiketahui maka kecepatan pemompaan pada ruangvakum (chamber) dapat dihitung. Atau waktu yangdiperlukan untuk memvakumkan ruang vakumpada volume tertentu dapat dihitung. Dari gambar2 suatu hal yang periu diperhatikan ialah dalam

Prosiding Pertemuan dan Presentasi llrniahTeknologi Akselerator dan AplikasinyaVol.1 No. 1 Juli 1999:56-61

57

Volume 1 Nomori Juii 1999 !SSN 1411-1349

pemilthan pompa muka (fore pump) misal pomparotari untuk pompa vakum tinggi dari pompa difustatau turbomolekul. UntuJc menghasilkan tekananvakum operasi ultima yang cepat maka harusdipilih pompa muka dengan kevakuman serendahmungkin.

Kalkulasi konduktans; bentuk tabung

1) Untuk gas dalam rentang kekentalan (viscous)Besamya konduktansi ini untuk aliran

kental (viscous) ialah

C = n/128 fD*/t)LJP

dalam satuan cgs _secara praktis ditulis C = 3,27 x 10"2 [D /(r|L]Pdjmana:P = tekanan rata pada tabung ={P1 + P2)/2(Torr)L = panjang tabung (cm)D = diameter tabung (cm)ri = koefisien kekentalan (Poise)Pl & P2 = tekanan pada masing-masing ujungtabung.

2) Untuk gas dalam rentang molekulerPada reatang ini molekul-molekul bergerak

lurus secara acak diantara tumbukan dengandinding tabung. Dengan mengasumsi bahwakecepatan hanyut molekul merata dan mengikutidistribusi Maxwell -Bol tzman, Knudsenmenyatakan babwa

C = 3,81 (T/tJ)Xa (L?-/L)

dengan: T = suhu, M = massa gasUntuk udara pada temperatur 20°C (T/M)172 : 3,18

jadi C = 12,1 D3 /L (liter/sec.)D & L dalam cm. Teriihat bahwa untuk rentang

. molekuler konduktansi tidak tergantung tekanan.

Sutnber gas dalam sistera vakum

Suatu sistem vakum terdiri dari pompavakum, teravakum, kran (valve) dan.pipa-ptpayangmenciptakan daerah bertekanan rendah. Untukmengekpresikan watak sistem vakum pada aksipemompaan, berbagai sumber gas yang ada dalamsistem harus dipertimbangkan. Sumber gas dalamsistem vakum adalah:a) Molekul gas pada tekanan awal atmosfir

dalam sistem-(Q).b) Gas menerobos sistem akibat bocor (QL ).c) Gasdari"outgassing"bahansistem(QD)p3da

ruang vakum.d) Gas/uap berasal dari tekanan uap bahan pada

ruang vakum (Qv)

e) Gas masuk ke sistem dengan menembusdinding, window bahan sistem (bukan karenabocor) (Qp).

Kuantitas gas berasal dari b) s/d e) merupakanfungsi konstmkst sistem vakum.Jumlah total gas dalam sistem (QG )

0 0 = OL + Qo -+ £?v - QP

untuk intervaJ waktu tertentu konstan.

KaJkulasi waktu peraotupaan sistem vakum

1) Pemompaan dalam rentang kekentalan (Viscous)

Dengan mengasumsikan kecepatanpemompaan pompa konstan • maka kecepatanpemompaan dicapai melalui kor.duktansi pipa Cyaiig menghubungkan pompa dan ruang denganvolume V.

[(Sp/Ef + P2}*P = tekana pada ruang (chamber) pada waktu tPi = tekanan awalSp = Kecepatan pemompaan pompa vakumE diperoleh dari konduktansi pipaC = (TT/128) [D4 /(ML) ] [(P + PpV2]C = E(P + Pp) /2

= (7c/128)D/(nL)dengan D = diameter pipa

L =panjangpipaT) = koefisien viskositasPp =• tekanan pada masukan pompa

Jika pompa dihubungkan langsung (L=0) keruang, maka D /L = ~ jadi E - ~. Maka daripersajnan diatas waktu pemompaan pemvakiiinan

/ = (V/Sp) In (Pi/P)

2) Pemompaan dalam rentang molekulerPemompaan dalam rentang molekuler

dibatasi oieh kesetimbangaa antara beban gas dankecepatan pemompaan itu sendiri jugakesetimbangan dalam ruang vakum. Waktu yangdiperlukan untuk memvakumkan dari tekanan awalPi inenjadi P adalah

V .. & Pi - Pu

. dimana Sp = kecepatan pemompaanC =

OASAR DISAIN SISTEM VAKUM MESIN MESIN BERKAS ELEKTRON(MBE)(Darsono, dkk.)

58


konduktansi pipa antara ruangvakum dan masukan pompa

Pw = Tekanar. ultima ruang vakum(tekanan vakum maksimum yangdapat dicapai)

V = Volume ruang vakumPersamaan diatas menganggap bahwa Sp

konstan dan tidak tergantung pada P. Jugamenganggap bahwa tekanan terendah padapompa sangat kecil jika dibandingkan Pu.Persamaan diatas dapat ditulis menjadi

P = (Pi-Pu) exp. {-(Sp/V)/t (1 + Sp/C)} + Pu

Terlihat baJiwa untuk waktu pemompaanyang lama tekanan PmenujuPwditentukanbebangas. Jadi menggambarkan pemompaan transien.

P - Pi exp [ -<S/V)t]

dan keadaan ajeg

S = kecepatan pemompaan sistem vakumS/V = I/T, T = konstanta waktu pemompaan

Harga x waktu pemompaan yangmengurangi tekanan pada nisbah tertentu. Misalwaktu yang diperlukan untuk memvakumkantekanan 10 kali tekanan mula

/ //2= 2,3 (V/S)

JENIS POMPA VAKUMUntuk mernvakumkan suatu sistem vakum

digunakan suatu pompa vakum. Secara garis besarpompa vakuni dibagi menjadi 3 jenis pompa antaralain:1. Pompa-pompa mekanik2. Pompa uap3. Pompa-pompa ionik dan sebagainya.

Dalam makalah ini dibahas duajenis pompayaitu pompa-pompa mekanik dan pompa-pompauap, sedangkan poTipa yang !ain tidak dibahas.

Pompa-pompa mekanik

Macam-macam pompa mekanik yangbanyak digunakan untuk pompa vakum adalah:pompa sudu (vane) putar, pompa sudu luncur,pornpa putar pengisap, pompa root's dan pompaturbo molekuler. Bagan pompa- pompa iniditunjukkan pada gambar-3.

Pompa sudu putar (gambar-3a) mempur.yaidua sudu yang berputar didalam stator berbentuksilindris secara ekscntrik, pompa ini banyakdigunakan untuk pompa pra vakum. Kevakuman

akhir yang dapat dicapai adalah 10' Torr untukpompa satu tingkat dan 10 Torr untuk pompadua tingkat.

Sedangkan pompa sudu luncur (gambar-3b)hanya mempunyai satu sudu untuk memisahkanruangan didalam silinder menjadi dua bagian yaitusisi masuk dan sisi keluar. Pada operasinya rotorberputar secara eksentrik sehingga menyebabkanpeaibahan volume ruangan disisi masuk dan keluar.Perubahan volume ini menyebabkan langkah isapdan langkah keluar.

a. pompa sudu putar b. pompa sudu luncu

c. pompa putar pengisap d. pompa root's

e. pompa turbo molekuler

Gambar-3 : Bagan pompa-pompa mekanik

Untuk pompa putar pengisap (gambar-3c)prinsip kerjanya sam3 dengan pompa sudu luncur.Untuk pompa root's (gambar-3d) biasanyadigunakan sebagai pompa boster yaitu dtpasangdiantara pompa pra vakum dan pompa difusi ataupompaturbomolekuler. Daeralikerja pomparoot'sberkisar dari 10 Torr sampai 10"4 Torr. Untukmemindahkan gas yang dipompa, digunakan duaperiolak (baJing-baiing) yang berputar satu samalain dengan beda fase 90° didalam aimah pompa.Sedangkan pompa turbo molekuler (gambar-3e)terdiri atas celah- celah sudu bftrtingkat dalam arahaksial yang beiputar dan sudu- sudu tetap padacakram. Kecepatan keliling sudu yang berputarsangat tinggi yaitu sekit?r 80 m/detik. Pompa ini

Prosiding Pertomuan dan Presentasi llmiahTeknologi Akselerator dan AplikasinyaVol.1 No. 1 Juli 1999:55-61

59


biasanya mempunyai bcberapatingkatyaitu sekitar9 tingkat. Perbandingan kompresi tiap tingkatsekitar 5, sebingga dengan jumlah tingkat inimempunyai perbandingan kompresi 5 . Pompaturbo mdekul mampu memberikan tekanan ultima10"'° Torr. Pompa ini memerlukan pompa mukadengan tekanan vakum 10 Torr agar dapatdioperisakan. Keunggulan pom.pa turbo molekulterhadap pompa vakum lainnya ialah waktupengoperasian cepat, kontaminasi uap oli rendah,perawatan relatif mudah. Namun struktur bahansudu bisa berubah sehingga perlu pengecekanminimal 2 tahun sekali. Disamping itu sudu ini bisapatah bila terjadi kotoran di antara ce!ah sudu tetapdan putar.

Potnpa uap (pompa difusi)

Bagan pompa difusi ditunjukkan padagambar 4. Pada pompa difusi ini minyak difusiditempatkan pada bagjan bawah (bejana didih),selanjutnya minyak difusi dipanaskan sampaiterjadi pendidihan. AJdbatnya uap minyak difiisinaik ke atas meialui tabung tengah dan selanjutnyadengan dipasangnya "nozle" (celah sempit) uapminyak difusi akan memancar ke arah sisi pompamembentuk tabir uap. Pada dinding- dindingpompa difusi dipasang suatu pendingin untukmendinginkan uap minyak difusi tersebut AJcibatpendinginkan ini uap minyak difusi mengerabundan kembali ke bejana didih. Pancaran uap minyakdifusi ini menyebabkan moleku-molekul gasdisekitar "nozle" tertarik ke bawah bersamaan uaptninyak difusi. Dengan demikian akan terjadipenghampaan ruangan di atas tabir dan begitu pularuangan sistem yang dihubungkan. Pompa inimemeriukan pompa muka dengan tekanan vakum10 Torr agar dapat dioperisakan.

rt/sM) i v o

« ».**

Gambar 4 : Bagan pompa difusi

KRITERIA SELEKSI POMPA VAKUM MBE

Kriteria seleksi pompa vakum untuk MBEbiasanya memperhatikan beberapa kriteria berikutini yaitu:1. Tekanan operasi ultima MBE orde 10 -10

Torr2. Segi aplikasi MBE3. Volume nxang vakum MBE4. Ekonomi

Agar berkas elektron dapat diproduksi,diperiukan vakum tinggi yaitu minimum orde 10"Torr, im merupakan syarat mutlak. Biasanyadigunakan pompa difusi atau pompa turbomolekul.Kemudian MBE mempunyai aplikasi yang sangatlua^, apabila MBE diaplikasikan untuk pembuatanlapisan tipis tnaka faktor kontaminasi dari pompavakum ke aiang vakum harus diperhatikan. Uutukkeperluan aplikasi ini biasanya digunakanpornpaturbomelekul karena pompaini mempuyai proteksiuap oli ke ruang vakum paling rendah dibandingpompa lainnya. Apabila akan memakai pompadifusi maka peiiu dipasang "cold trap" dan "baffles"an.tai-a pompa difusi dan ruangvakum. Namuniniberarti menambah ruang vakum dan akanmengakibatkan waktu pemompaan sistem vakumlama. Untuk aplilcasi MBE selain lapisan tipisfaktor kontaminasi uap oli pompa vakum ke ruangvakum tidak begitu serius. Waiaupun faktorkontaminasi harus ditekan serendah mungkinkarenajikatidakmakauap oli ini lama-lama akanmelapisi window keluaran berkas elektron. Jilca initerjadi maka daya henti dari window menjadi besar,ini berarti tenaga berkas dektron akan berkurang.

Hal lain yang perlu diperhatikan dalampemilihan pompa vakum adaiah volume aiangvakum MBE. Hal ini berhubungan dengan ukuranpompa vakum atau kecepatan pemomopaan.Untuk mendapatkan kecepatan pemompaan yangcepat maka diperiukan pompa vakum ukuran besaruntuk volume yang besar. Namun bisamenggunakan pompa vakum ukuran menengahapabila menggunakan pompa turbo molekul,karena dewasa ini telah diproduksi pompaturbomoleku! dengan kecepatan rotor sampaidengan 42000 RPM.

Hal yang paling penting daJam pemilihanpompa vakum untuk MBE ialah segi EKONOMI,baik dari segi harga alat, tnaupun perawatan. Darisegi harga pompa turbo molekul lebih mahal jikadibanding dengan pompa difusi, demikianjuga darisegj perawatan pompa difiisi lebih mudah. Dari segiumur alat kedua pompa ini berimbang. Beberapakeunggulan pompa turbo molekul dibandingkandengan difusi ialah pengoperasian pompa vakum

DASAR DISAIN SISTEM VAKUM MESIN MESIN BERKAS ELEKTRON(MBE)(Darsono, dkk.)

60


lebih cepat dan sederhana juga poiusi uap oli kesistem vakum lebih rendah.

KESIMPULAN

Dari uraian diatas maka untuk MBE 500keV/IO mA yang nantinya akan diaplikasikanuntuk pelapisan kayu maka dengan memperhatikanfaktor teknis dan ekonomis maka sebaiknyamemakai pompa difusi.

ACUAN

1. ROTH, A Vacuum TechnoJogi.North-Holand Publishing Company, 1976.

2. O'HANLON, JOUN f.A User's Guide toVacuum Technology, John Wiley & Sons,1989.

3. ROL. P. K. , Teknik Vakum, Gajah MadaUniversity Press, 1977.

TANYA JAWABSudarti

Kebutuhan vacum MBE untuk suatu tujuandalam aplikasinya masing-masing adalah siidahtertentu (memirut masing-masing kebuiuhan).

Mengingal vacwn tersebnt adalah sitdah tertentubesarnya, sehingga dapal dipilih sistem vakumycrng tertenlu pula. Apakah permasalahan "dasardisain sistem vacum MBE" tersebut akart diangkal

Darsono

Permasalahan dasar disain sistem vakumMBE dibahas, dalam rangka pemilihan pompavakum tinggi yang tepat sesuai dengan aplikasiMBE 500 keV/ 10 mA. Dan periu diketahui bahwasistem vakum dan pompa vakum sangat berbeda

Tri Mardji Attnono

Selama ini yang saya ketahtti sebagatpeneliti kita menggttnakan pompa vakwn denganmudah membeli bukan dengcn membuat sendiri.Tetapi bapak metTyajikai) makalah/uraian tentangpompa vahim dan disairurya. Apakah relevansinyadengan perancangan mesin berkas elektron ?mohort petijelasan

Darsono

Kami tidak akan mendisain pompa vakum. tetapi mei?,ncang (disain) sistem vakum. Padasistem vakum ada pompa vakum dan ini kita belinamun agar pemilihan pompa vakum dengan tepatperiu dipahami dasar desain sistem vakum

Prosiding Pertemuan dan Presentasi llmiahTeknologi Akselerator dan ApiikasinyaVo!.1 No. 1 Ju!i 1999:56-61

61

Volume 1 Nomor 1 Juli 1999.

ID0200213

lSSN 1411-1349

STUDIAWAL REKAYASA VAKUM TINGGIPADA TABUNGAKSELERATOR PAiN PERMASALAHANNYAM. Muuawir Z, Sri Mulyono A, Romi Santoso, KaryantoPPSR - BATAN. Serpong

ABSTRAKSTUDI AWAL RSKAYASA VAKUM TINGGI PADA TABUNG AKSELERATOR DAN

PERMASALAHANNYA. Telah dilakukan studi meiiputi aspek konstruksi dan aspek Kimla- Fisikaycmgbisa berahba:gagahrya sisiem vakumpada tabung Akselerator. Konseppemecahanpermasalahan.jugadisajikan dalam tulisan ini. Diharapkan dengan konsep tenebu:perekayasaan Tabung Akselerator dansistem vakumnya diperoleh hasil sesuai dengem spesifikasi teknisyang ditetapkan.

ABSTRACKA STUDY OF THEHIGH VACUUM ENGINEERING FOR THE ACCELERATOR TUBE

CONSTRUCTION HAS PERFORMED. Failure of the accelerator tube vacuum systems due toconstruction andphysical chemistry aspect are reported in thts siudy. The problem solving are presentedin thispaper, where the results ofthis engineering concepts are met with the requirement ofthe technlcalspedfications.

PENDAHULUAN

Tabung akselerator merupakan salah satukomponen pokok dalam akselerator atau Mesin

Berkas Elektron. Pada komponen ini ion/elektronakan dtpercepat dan diarahkan denganmenggunakan elektroda-elektroda yangdihubungkan dengan beda potensial tertentu.Sehingga mencapai intensitas berkas (arus berkas)semaksimal mungkin sesuai dengan kondisi yangdimilikinya.

Salah satu faktor yang dapar mempengamhikualitas berkas ion adalah tingkat ke vakuman daritabung tersebut, yang mana untuk mencapaikualitas berkas yang cukup baik, tingkatkevakuman tabung harus berada pada kondisivakum tinggi atau sangat tinggi. Oleh karenanya,untuk memperoleh arus berkas yang baik ,memeriukan kontruksi elektroda yang mendukung,tingkat kevakuman dan cara mencapainya hamsmenjadi bahasan utama dalam rekayasa ini.

Permasalahan timbul dan seringkali sulh diselesaikan dalatn rekayasa, karena tidaktersedianya bahan yang memenuhi spesifikasiteknis yang ditetapkan, misalnya tidak tersedianyatabung-tabung pirex yang cukup tebal untukmelaksanakan rekayasa tabung Akseierator ini.Permasalahan menjadi semakin rumit, karenadiperlukannya penyambungan yang cukup banyak,bericaitan dengan pemasangan elektroda-elektrodapenyearah , yang secara teknologi bisamenimbulkan kebocoran vakum yang harus diatasi.

Dalam tulisan ini, akan disajikanpermasalahan yang berkaitan dengan teknikpemvakuman dart aspek konstruksi, maupun aspekKimia-Fisika berdasar teori teknologi vakum.Usulan pemecahan masalah tersebut berdasarkonsep rckayasa disajikan dalam tulisan ini.Dengan demikian, dapat diharapkan RekayasaMBE energi rendah, khususnya untuk tabungAkselerator dapat direaJisir lebih cepat dan lebihbaik.

BASIC REQUIREMENT (KEBUTUH-AN DASAR) DALAM PEMVA-KUMAN

Didalam teknologi vakum (pemvakuman),kebutuhan dasar/basic requipment agar kcndisivakum dapat dicapai adalah :

1. Kemampuan pompa harus meiebihi tekananakhir vakum yang dikehendaki.

2. Konduktivitas pipa/tabung sebesar mungkin3. Beban gas sekecil mungkin

Namun dalam pelaksanaannya , ketiga haltersebul sulit dicapai. Untuk ketiga hal tersebut diatas hanya pompa vakum yang bisa dipenuhi,karena komponen ini dapat dipesan sesuai denganspesifikasi teknis yang diharapkan, sedangkankonduktivitas dan beban gas sangat ditentukan olehkemampuan teknologi dan kebutuhan setempat (onsite requirement) dari peralatan tersebut yangseringkali sangat komplek. Berikut akan dijelaskankonduktivitas, beban gas, serta permasalahandalam perekayasaan sistim vakum.

STUDI AWAL REKAYASA VAKUM TINGGI PADA TABUNGAKSELERATOR DAN PERMASALAHANNYA(M. MunawirZ., dkk.)

62


Konduktivitas pipa/tabung

Sesuai dengan teori, gas yang dikeluarkandari ruang vakum oleh pemompaan akanmengatemi hambatan, karena peristiwa tumbukandengaii dinding-dinding pipa/bejana, tumbukandengan material Iain yang bergerak lebih lambatdari moleku) gas tersebut. Besar hambatan inJtergantung dari bentuk dan diameter bcjana/pipaserta tingkat aliran (tingkat kevakuman) dari pipatersebut. Atau dengan kata lain konduktivitasnyajuga bergantung pada bentuk dan ukiiranpipa/bejana, serta lingkat kevakuman. Secaramatematis, besar konduktivitas akan sebandingdengan laju aliran yang diwakili oleh jumlahmolekul gas yang mengalir dalam satuan waktu N,dan dapat ditulis

N = C(nl~n2) (1)

dimana C = konduktivitas pipanl,n2 = rapatmolekulpadaujungpipa 1 dan

2persamaan (1) dapat ditulis menjadi

1C N

J L

dimanaSl ,S2= cepat pemompaan di ujung pipa 1

dan2;maka cepat pemompaan diujung 2, melaluipipa/sistim dengan kondoktivitas C adalah :

Si = Ji'CSehingga bila C keci!, maka S 2 « S 1 . Sebaliknyabila C besar, maka S2 ~ Sl , maka idealnya hargaC harus diusahakan sebesar mungkin.

Untuk menghubungkan ruang vakumdengan pompa diperiukan berbagai sambungan daribermacam-macam pipa (ukuran maupun bentuk),maka akan terjadi tiga kemungb'nan sambungan,yakni paralel, seri atau kombinasi ; yangmasing-masing pipa/sambungan punyakonduktivitas sendiri-sendiri. Untuk sambunganberbentuk paralcl, konduktansi totalnya ,

(4)Cn — ^\ Ci (C2 Tnetnbssca")

/ -1

Sedang sanibungan berbentuk seri, konduktansitotalnya

3 " 1 ( 5 )

7T- = T T T (Cl mengeci!)(=1

Didalam praktek, hubungan sistim konduktansipada pengavakuman dalam bentuk seri, sesuairumus (5) maka konduktansi akhir selaiu mengecil.Berdasar rumus (3) maka keadaan ini akanrr>erugikan dalam pemompaan. Hal ini adalah salahsatu masalah yang dihadapi dalam pengvakuroan,sehubungan dengan struktur sistem.Penyambungandari pompa ke ruang vakum, biasanya terdiri darisatu atau lebih komponen konduktansi antara lain"seal", pipa penghubung silinder, pipa"elbow".Sistim "diaphragma efek" (karena perbedaandiameter), yang mempunyai konduktansi padavakum tinggi, dimana gas berada pada aliranmolekuler sebesar:a). Pipa bentuk silinder panjang, dengan

penampang tetap, punya konduktansi padasuhu T (° K) dan berat molekul M menurutKmudsen sebesar:

C=3,8I(T/m) m(6)

dimana D = diameierpipa,L = panjangpipa

b). Sedang pada siJinder . pendek denganpenampang tetap konduktansinya adalah

C = 3,8] (TM) xn &/(L + 1,33 D) (7)dengan asumsi I X 0,2 Dv-dimana Dv = diameter bejana (vassel)c). Bentuk silinderyangberbentjk "elbow" bcsar

konduktansinya menurut Dushman danLafferry (1962) adalah

dimam

C\ = 3,83. 103

dan

3,81 . 1Q3

(8a)

(DJ -Dt ) (Do- A)2 = ' (Z2+1,33(Z)U-Z)/))

dengan Do, Di adalah diameter luar dan dalamd). Untuk pipa dengan "diaphragma effect'

Konduktansinya menunit Rath adalah

Ao

| C, C, ( U7

Ce = ' A O -(9)

Prosiding Pertetnuan dan Presentasi llmiahTeknologi Akselerator dan AplikasinyaVol.1 No. 1 Juli 1999: 62-70

63


Dimana Ao = luas penampang silinder besarA = Iuas penampang silinder kecil

Sedang £ = ••± + £e). Untuk "seal" akan punya konduktansi

menurut Rath (1976) sebesar

3/4 V„ 2 ic ,-<2 (.-J, / .-()2 ( 1 - 0,36 ,4, /A) (10)ln(/tvW)4(l

Gambar 1. Model Antar Muka proses perapatan(sealing) Rath

Dari urain di atas, berdasar persamaan (4)atau (5) terlihat bahwa dalam sistim vakumkonduktivitas total cenderung mengecil. Berdasar(6) (7) (8) dan (9), kondukvitas akan dipengaruhioleh suhu dan berat molekul gas yang akan dipompakeluar. Untuk molekul semakin berat,konduktivitassnya semakin kecil, maka sesuaipersamaan (3), efek peniompaan berkurang.

Beban Gas (Gas Load) Qa

Yang dimaksud beban gas dalam sistimvakum, bukan beban gas yang menimbulkantekanan awal. dan harus dikeluarkan oleh oomoa

rm

.*• {

0.1

p - p,t'r

?,-:j |: 0.693 V/3 |

Gambar 2. Proses pemompaan turun dan keadaansteady

vakum, tapi yang dimaksud beban gas adalahgas-gas yang masuk ke dalam ruang vakum, yangakan mengurangi tingkat kevakuman, karenaprosesnya bisa teijadi terus menerus. Beban gas ini,yang akan menetapkan tekanan akhir dari sistimvakum, seperti teriihat pada gambar.

Sesuai dengan aimus pemompaan

(11)S = cepat pemompaanV = volume ruangPi - tekanan awa!

P(t) tekanan dalam waktu t, dimana dalam keadaan"steady" didapat tekanan akhir

Pu ~SDidalani tekndogi vakum, beban gas ini terjadidari dua peristiwa, yaitu :1. Peristiwa kimia-fisika yang merupakan

pembawaan dari material dan di pengaruhikondisi lingkungan.

2. Kegiatan konstruksi, bisa dihindari denganpenyempurnaan struktur dan prosedurrekayasa.

Beban gas yang berkaitan dengan kontruksi,adalah dalam bentuk kebocoran-kebocoran gasyang terjadi pada saat melakukan kegiatanpenyambungan (pengelasan, pengeleman,pemasangan "seaP dst). Semakin banyaksambungan, resiko kebocoran semakin besar.Sedang beban gas karena perisflwa Kimia-Fisika,dalam bentuk permeasi/difusi, out gassing,evaporasi, tentunya hanya dapat diselesaikandengan perlakuan Fisika-Kimia dan pemilihanbahan yang mendukung. ( perlu difahamikarakteristik bahan dalam keadaan vakum). Danpenyelesaian permasalahan bisa dilakukan, biladifahami mekanisme peristiwa-peristiwa tersebutdengan baik.

Khususnya pada peritiwa "permeasi",karena perilakunya seperti mekanisme kebocoran,dimana gas masuk dari luar, akibat teijadinya bedatekanan. Gas yang masuk akan seniakin besar bilatingkat kevakukam semakin tinggi, tnakapenanganannya harus lebih spesifik. Sedang pada"out gassing" dari "vaporosi" karena sumbemyadidalant materialnya, dapat dipedakukan denganmenghilangkan sumber, sebclum dilakukanrekayasa misalnya dengan panas kejut padamaterial (untuk "out gassing") dan penghilangancairan pada dinding (pada vaporasi)Secara matematis beban gas pada sistim vakumdapat ditulis

QQ " QL + Qo + Q? + Qv (12)

dimanaQL «= beban gas karena kebocoranQ D = beban gas karena "out gassing"Qp - beban gas karena PermeasiQv = beban gas karena penguapan

(vaporasi)

STUDIAWAL REKAYASA VAKUM TINGGI PADA TABUNGAKSELERATOR DAN PERMASAU\HANNYA(M. MunawirZ., dkk.)

64


Beban gas ini akan membatasi tekanan akliirmenjadi sebesar

PU = PL + PD+PP + PV (13)

dengan

PL = rfrjx = [—-] x (pengaruh kebocoran)

(pengaruh "out gassing")

/ V = [

A/

[]

x (pengaruh penneasi)

= [—] x (pengamh "Vaporasi")tst y

Besamya beban gas karena kebocoran adalah

<2L = qXL sehingga Pi = q]L (UV) (15)

q L = tingkat kebocoran persatuan panjang"seaT/pipa untuk tabune/bejana berbentuk kubusdengansisia,L/V= 12/a ; sedangkan untuk bentukSiiinder dengan diameter d, panjang L didapat L/V= 4/d 1Untuk "seal" dengan tebal h, makaqL=hq'L = (poe xp (-3 P/R) A2 (Pl - PO) (16)p 0 =faktor spesifik seal untuk berbagai gas

misalnya Het« 200 - 340 (l/dtXinm/cmP = indek "tighttening" (pengencangan)R =faktor "sealing"

Sedang beban "out gassing" dapat ditulisQD =qoSqD =tingkat "out grassing" spesifik persatuan

luas permukaanS =Iuas permukaan "out gassing"

Maka aimus (14) untuk beban tekanan karena "outgassing" dapat ditulis

dimana untuk tabung bentuk :Kubus dengan sisi a, besar SA' = b/a, s^dang untukSilinder dengan diameter d, besar SA' = 4/dBeban gas "permeasi" dapat ditulis

dimana qp = laju permeasi, persatuan luas (cm )untuk tebal 1 mm

qp = D\ b(Pim-P2\/2)

D = koefisien difusi bahanb = tetapan penmeasiPl, P2 = tekanan pada sisi bahan ke 1, dan 2j = 1 untuk gas monoatomik

= 2 untuk'gas diatomikmaka dapat ditulis untuk gas diatomik

(18)

(19)

Gambar terlampir adalah laju permeasiberbagai bahan dan monogram permeasi beban gasuntuk "out gassing" dan permeasiBesar beban tekanan karena pengaruh penguapan V

Sesuai rumus Claussius - Clapeyron

L ^ _ R / T (20)-pce

dimanaA =-tetapan bergantung pada luas bahanT = suhu gasdimana Lo= panas penguapan

C= 1/1,987Maka secara umum beban tekanan dapat ditulisPU =

dimana vvaktu pemompaan, yang besarnyax = v/SS = cepat pemompaan efektifSp = cepat pemompaan pompa.dengan 1/ S = 1/ Sp = 1/C dimana harga S sangatdipenganihi oleh C untuk C - 0, maka S - 0 dant - ~ berarri tekanan akhir, akan sangat sulit sekalidicapai

Teknologi Pengurangan beban gas karenapermeasi

Untuk beban gas karena peristiwa "outgassing" dapat dihilangkan dengan mengeluarkangas dari materia] (sebelum dikontruksi), misalnyadengan pemanasan. Sedang untuk beban gas karenapenguapan cairan yang menempel di dinding, dapatdilakukan pembersihan lebih dahulu sebelum dikontruksi. Namun beban gas permeasi, karena gasdatang dari luar, dan sifatnya sangat spesifik padatiap bahan, maka kedua kegiatan di atas tidakmungkin dilakukan. Ada 3 (tiga) cara untukmengurangi beban gas ini, yaitu :

1. Perlu dipilih bahan yang tingkal permeasinyasangat rendab dan memenuhi syarat kontruksiSS 304, SS 316 dan Pirex, adalahbahan-bahan yang cukup rendah tingkatpermeasinya, kecuali pada suhu tinggi.

2. Bila bahan yang tersedia belum memenuhisyarat, tingkat ketebalannya atau diubahkarakter dari bahan dengan teknik pelapisankorost (sebjngga seoiah-olah bahan terdiri


65

Volume 1 Nomor 1 Juli 1999 ISSN1411-1349

dari dua lapis), atau dengan menutuplubang-lubang penneasi dari bahan denganteknik impletansi.

3. Bila (1) dan (2) belum dapat mengatasikebutuhan, maka dapat dilakukanpengurangan beda tekanan, denganmemberikan dindiug vakum. sekundairterhadap ruang vakum primer, melalui caraini masalah beban gas "permeasi" dapatdikurangi.

Efek Panjang Pipa terhadap pemompaan

Selain induktansi C, panjang pipajuga akanberpengaruh terhadap tekanan dalara prosespengvakuman. Untuk pipa dengan keliling B = T; D,dan panjang dxBesar beban gas adalah

dQ = qD B dxqD = laju "out gassing"

Sedangkan "through pat" adalah

maka

Kombinasi (1) dan (2) didapat

Jadl $L

Diujung pipa X = L [-?•] =

Kl=qDB/DPerhitungan selanjutnya akan didapat

(22)

(23)

(24)

(25)

0 maka

Untuk L yang cukup panjang, terjadi bedatekanan yang cukup besar, sehingga untukmenurunkannya perlu tambahan pompa lagi,seperti gambar

- L p •

Po Po Po

rGambar3. Pemasangan pompa-pompa pada

sistim pipa panjang

Lp - panjangjarakantarpompa

Masaiah Tabung Akselator

Berdasarkan kepada pemikiran di atas,maka tabung harus berperan pula sebagai isolator.Oleh karena itu, salah satu bahan yangmemungkinkan untuk digunakan adalah gelas pirex(borosilicate glass). Bahan ini dapat diperoleh didalani negeri, dengan maksimum diameter sekitar200 mm dan panjang 1500 mm. Sedangkan bahar.elektroda pemercepat dapat menggunakanstainless steel. Kedua bahan ini cukup baik, untukdapat digunakan sebagai tabung pemet cepat karenaselain memenuhi kriteria di atas juga mempunyaikoefisien "out gassing" (penguapan permukaan)yang kecil, sehingga tidak mengganggu perjalananberkas elektron yang dibangkitkan.

Bahan lain yang periu diperhatikan padatabung akselerator adalah bahan lem yangdigunakan untuk menyambung antara tabung gelasdan elektroda pemercepat. Lem inipun harusdiusahakan agar mempunyai penguapanpermukaan yang kecil serta dipilih yangmempunyai daya lekat yang kuat atau denganmencari luas optimal untuk pengeleman. Hal inidiperiukan untuk memperoleh sistim konstruksiyang memadai sehingga dapat mendukungpemasangan komponen-komponen yang lain.Masalah Konstruksi

Untuk keperluan rekayasa konstruksitabung, didasarkan pada kemungkinan kemudahanbahan didapat di pasaran dalam negeri tanpamengurangi fungsi tnasing-masing komponenkonstruksi. Secara umum, konstruksi tabung yangada di pasaran terdiri dari gelas pirex berbentukring, dengan tebal (30 mm, lebar ring (30 mm danelektroda dari plat stainJess steei yang berbentukkerucut, yang dibuat dengan sistim press(lampiran-4). Kedua komponen ini disusun secaraberselang-seling (gelas-elektroda-gelas-elektrodadst) dan dilakukan dengan lem.

STUDIAWAL REKAYASA VAKUM TINGGI PADA TABUNGAKSELERATOR DAN PERMASALAHANNYA(M. MunawirZ., dkk.)

66


Kemungkinan perekayasaan dengan bahanyang ada di pasaran dalam negeri adaJah dengantabung gelas pirex yang mempunyai tebaJ standar (5 mm. Jika diinginkan spesifikasi seperti di atas,maka tabung gelas ini dipotong dengan panjang (90 mm. Tabung ini kemudian dilebarkan padakedua ujungnya sepanjang masing-masing 30 mm,sehingga diameter kedua ujung yang dilebarkanmenjadi 210mm(diameterawal tabungadalah 150mm). Bentuk akhir tabung gelas ini seperti padaIampiran-5. Dengan bentuk seperti ini diharapkanakan memenuhi spesifikasi teknik yang ada dipasaran. Elektroda kerucut dapat dibuat daristainless steel pejal dengan cara dibubut. Bentukakhfr dari kericut ini seperti pada Iampiran-5

Bentuk dari komponen ini, meniungkinkanpengeleman lebih baik, karena permukaan yangdidapat cukup luas. Demikian pula akan diperotehstruktur yang cukup kuat, dan memudahkanpemasangan komponen lainnya.

Komponen tabung gelas ini dapat dibuatdengan fasilitas bengkel gelas PPNY ataupunPPNR. Demikian pu!a elektrodanya, walaupunpembubutannya cukup sulit.Catatan :Untuk mendapatkan spesifikasi yang lebih baik,geias dapat dibuat menjadi dinding rangkap (doublewaJJ)

Kesimpulan dan Saran

Berdasarkan uraiandisampaikan sebagai berikut:1. Bahwa dalam konstruksi tabung akselerator

yangmemeriukan kondisi kerja vakum tinggi,periu dipikirkan sumber-sumber beban gasvakum dalam bentuk permeasi, out gassing,penguapan atau kebocoran karena konstruksi,dengan tidak meninggalkan efek konduktansi.

2. Untuk mengurangi beban gas tensebut, dapatdilakukan pra rekayasa melalui pengujian /penyiapan bahan untuk menjamin kualitasproduk yang dihasilkan.

di atas, dapat

3. Konsep pelindung ganda dan memperluasdaerah pengeleman bisa dijadikan alternatifkonstruksi, bila balian pirex yang cukup tebalsulit dJperoleh.

Konstruksi tabung akselerator ini dapatdikeijakan di PPNR, setelah dilakukan kegiatandetail desain yang memadai oieh Tim MBE

Daftar Pustaka

1. John F. D' Hanlon, A user's guide vacuumtechnology, John Wiley and Sons, 1989

2. Karyanto, Laporan Training MBE TypeGJ.2. (2 MeV/10 mA) di Jhanghai XianFeng Electric Manufacturing Work 1993

3. J Verhoeven, Techniquest to obtaln ultravacuum, Fom Instituut voor Atoom enMolecuulfysica, 1978

. 4. Siegfried Schiller, Electron BeamTechnology John Wiley & Sons, 1982

5. Rath, Vacuum Technology Second Edition,1982 •

6. Munawir dkk, Evaluasi Kelayakan Bahan SS304 & SS 316 sebagai bahan rekayasa VacumTinggi Peralatan Permeasi Hidrogen.

TANYA JAWABSudarti

Apakah tidak ada overlaping dengan tugasdi PPNY detigan penanggungjawab Drs. Darsono,MSc.

Sri Mulyono

Tidak overlaping, tetapi justru salingmegisi

Prosiding Perlemuan dan Presentasi llmiahTeknologi Akselerator dan AplikasinyaVol.1 No. 1 Juli 1999: 62-70

67

Volume 1 Nomor 1 Jdi 1999 ISSN 1411-1349

LAMPIRAN 1

Gambar4.1.Monogram untuk menentukan batas kebocoian

LAMPIRAN 2

'. 1.1....

1.

•s

o -

o"

3} iisivu * ^ • • H" *

L

i">«WIMh

H

Jj

4Ji

U/1

-

i i

/J

*

$itt

t

l

•u

h>

tt

.Jrao*

»»?U

> w

• I

6*

I il l

i

J «••

u u

•I O

•o »

•b* o 1

•0*a

»!?•3

? ..

- - • »

Iv'

'.}"•a

Gambar4.2.Monogram untuk menentukan batas kebocoran

STUDIAWAL REKAYASA VAKUM TINGGI PADATABUNGAKSELERATOR DAN PERMASALAHANNYA(M. MunawirZ., dkk.)

68

Vofume 1 Nomor 1 Juli 1999ISSN 1411-1349

LAMPFRAN 3

« . ' V * . l > : . . |

rJ '

T

Gambai- 4.3.Monogram untuk menentukan batas perembesan gas

LAMPmAN4

yfe ^ 5-^ • • r i^ <c

Gambar Tabung Ge!as Pemercepat Elektron

•/W'fi

Gambar Elektroda pemercepat elelctron


69


LAMPERAN5

nii/5 —'

o "

I"1

aono~do

. 3~"t

o- Ct>uo

2

r

>

Ulg

Ul

>

—(

n'.0

<n

o'

o

tvl

t\1

J>

5

—.

f ^T^7^^^^^^^^*T^^

"T"~"i

•3

Gambar Bejana Pemercepat

STUDI AWAL REKAYASA VAKUM TINGGI PADA TABUNGAKSELERATOR DAN PERMASALAHANNYA(M. MunawirZ.,dkk.)

70

prosiding - inis.iaea.org

Documents