PERANCANGAN KOMPONEN DEE SIKLOTRON PROTON 13 MEV

Transkripsi

1 Rian Suryo Darmawan, dkk. ISSN PERANCANGAN KOMPONEN DEE SIKLOTRON PROTON 13 MEV Rian Suryo Darmawan, Slamet Santosa Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Jl.Babarsari Kotak Pos 6101 Ykbb, Yogyakarta ABSTRAK PERANCANGAN KOMPONEN DEE SIKLOTRON PROTON 13 MeV. Siklotron merupakan mesin pemercepat ion dengan lintasan berkas spiral. Komponen utama dari siklotron adalah sistem sumber ion, sistem magnet, sistem RF (radio frekuensi), sistem vakum, sistem ekstraktor berkas dan sistem instrumentasi dan kendali. Sistem RF berfungsi untuk mempercepat ion-ion hidrogen (H + atau H - ). Salah satu komponen sistem RF adalah dee yaitu elektrode yang menghasilkan medan listrik sebagai pemercepat ion pada siklotron. Dari hasil perhitungan komponen dee, didapatkan material yang digunakan adalah tembaga jenis Oxigeen Free High Conductivity (OFHC), dengan dimensi radius, sudut, panjang komponen koaksial masing-masing adalah 480 mm, 39 dan 245 mm. Kemudian dengan geometri yang ditentukan tersebut dilakukan simulasi menggunakan software CST Microwafe Studio untuk mendapatkan struktur vektor medan listrik yang dihasilkan. Dari proses simulasi didapatkan nilai frekuensi resonansi 61,0851 MHz dan Q factor 5642,1. Kata kunci : siklotron, sistem RF, dee. ABSTRACT DESIGN OF DEE COMPONENT OF 13 MeV PROTON CYCLOTRON. Cyclotron is an ion accelerator machine with spiral beam path. Main components of cyclotron are ion source system, magnet system, radio frequency (RF) system, vacuum system, beam extractor system and instrument and control system. The use of RF system is to accelerate hydrogen ions (either H + or H - ). One of RF system components is dee, electrodes that generate an electric field as ions accelerator on the cyclotron. From calculation results on dee component, materal that should be used is of type Oxigeen Free High Conductifiity (OFHC) copper with the geometrical dimensions of 480 mm, 39 and 245 mm for radius, angle and coaxial component length respectively. With those geometrical data we then simulate the dee component using CST Microwafe Studio software in order to obtain the structure of electric field vector which will be generated. From the simulation we obtain resonant frequency 61,0851 MHz and Q factor 5642,1. Keywords :cyclotron, RF system, dee. PENDAHULUAN Saat ini di Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan BATAN sedang dilaksanakan kegiatan perancangan dasar siklotron untuk produksi radioisotop dengan energi proton sekitar 13 MeV yang berinisial Design Experimental of Cyclotron in Yogyakarta 13MeV (DECY-13). Siklotron bekerja dengan mempercepat ion, positif maupun negatif, secara periodik (siklus) menggunakan tegangan pemercepat bolak-balik (alternating voltage) yang dipasang pada dua buah elektrode berongga dalam ruang yang dihampakan sehingga dapat dilintasi oleh berkas ion. Dengan medan magnet ditimbulkan gaya Lorentz yang merupakan gaya sentripetal pada berkas ion sehingga lintasannya melingkar dan dapat dipercepat berulangulang (cyclic) setiap kali melalui celah (gap) pemercepat. Berkas ion masuk dengan energi tertentu, kemudian setiap kali mengalami percepatan energi akan bertambah besar, sehingga radius lingkaran makin besar. Pada energi dan radius tertentu berkas dikeluarkan untuk ditembakkan pada target padat, gas atau cair sehingga terjadi reaksi nuklir yang menghasilkan radioisotop yang didinginkan atau memberikan dosis radiasi untuk sterilisasi, terapi, maupun modifikasi sifat bahan [1]. Salah satu komponen penting dari siklotron adalah sistem RF dee, dengan komponen tersebut berfungsi sebagai sistem untuk mempercepat ion-ion hidrogen (H + atau H - ) yang dihaslikan oleh sumber ion. Dee merupakan elektrode yang memberikan medan listrik pemercepat dalam siklotron, yang pada permulaan perkembangan siklotron berbentuk setengah lingkaran (180º) seperti huruf D (dee). Dee sebagai elektrode merupakan bagian yang terintegrasi dengan sistem radio frekuensi (RF) yang memberikan tegangan pemercepat AC dengan frekuensi antara Mhz. Sistem RF ini harus mempunyai faktor kualitas (Q) yang baik, terbuat

2 66 ISSN Rian Suryo Darmawan., dkk. dari bahan penghantar yang baik dan tahan hampa (sifat degassing yang baik) dan ditala (tuned) untuk memberikan tegangan pemercepat yang maksimal. Dee bentuk sektor dengan lebar bergantung pada harmonik frekuensi pemercepat yang digunakan: harmonik pertama lebar dee sekitar 180º, kedua sekitar 90, ketiga sekitar 60, keempat sekitar 45 [1]. Struktur sistem RF dan dee siklotron proton dengan harmonic frekuensi pemercepat keempat dapat dilihat pada Gambar 1. Perancangan dee ini bertujuan untuk mengetahui material yang digunakan dan dimensi dari dee itu sendiri sehingga memudahkan dalam proses pembuatan komponen, ekonomis dan efisien serta dapat dimanfaatkan sebagai dasar dalam simulasi menggunakan perangkat lunak untuk mendapatkan resonanasi sistem. TATA KERJA DECY-13 akan menggunakan frekuensi tetap (78 MHz), isochronus dengan harmonik frekuensi keempat. Dalam kegiatan perancangan dee siklotron DECY-13 ini perlu memperhatikan spesifikasi keseluruhan dari siklotron itu sendiri. Material Kriteria yang dipakai dalam pemilihan material dee didasarkan pada: 1. Karena merupakan komponen penghantar listrik, maka material dee harus merupakan metal yang mempunyai konduktivitas listrik yang tinggi atau resistivitas yang rendah. 2. Agar tidak memberikan efek penurunan vakum, maka material dee harus mempunyai sifat desorpsi (pelepasan gas dari gas yang terserap sebelumnya) dan evaporasi yang kecil. Kedua efek ini juga akan mempengaruhi kemurnian gas yang akan diionisasi pada ruang anoda sumber ion. 3. Karena sumber ion berada dalam medan magnet siklotron, maka material tersebut harus bukan bahan magnetik agar tidak mengubah pemetaan medan magnet, khususnya untuk komponen dee yang terletak di daerah pusat magnet. Geometri Geometri dee menyesuaikan struktur sektorsektor sistem magnet siklotron. Sistem magnet memiliki dua sektor utama, yaitu hill dan valley. Hill adalah bagian dari sistem magnet yang memiliki medan magnet yang kuat, sedangkan valley adalah bagian dari sumber magnet yang memiliki medan magnet lemah. Sistem dee terletak pada valley dari sistem magnet siklotron yang berjarak 8 cm dan ditunjukkan pada Gambar 2. Keterangan: 1. RF dee 2. Center dee 3. Liner 4. Komponen koaksial 5. Rongga Rf 6. RF coupler 7. Kabel transmisi 8. RF finetuner Gambar 1. Struktur sistem RF dan dee siklotron proton 13 MeV

3 Rian Suryo Darmawan, dkk. ISSN Perancangan geometri dee harus dapat mengoptimalkan tempat yang tersedia agar didapatkan nilai Q-value yang tinggi sehingga rugiruginya rendah. Langkah-langkah dalam penentuan geometri dee adalah sebagai berikut: a. Menghitung jarak minimum tegangan dadal RF Untuk menhitung tegangan dadal RF digunakan rumus killpatrick criterion dengan persamaan [2] : Gambar 2. Posisi dee pada sistem magnet siklotron (1) (2) (4) (5) dengan S dee adalah luas permukaan dee (m 2 ), R dee adalah jari-jari dee (m), θ dee adalah sudut dee ( ), C dee adalah kapasitansi dee (F), ε 0 adalah konstanta elektrik (F/m) dan d adalah jarak antara dee dengan liner (m). c. Menghitung panjang komponen koaksial Untuk menghitung panjang komponen koaksial menggunakan persamaan [4] : (3) dengan f adalah frekuensi siklotron (MHz), E k adalah killpatrick limit (MV/m), E s adalah puncak medan listrik di permukaan (MV/m), b adalah bravery factor, d min adalah jarak minimum tegangan dadal RF dan V dee adalah tegangan dee. b. Menghitung kapasitansi dee Untuk menghitung kapasitansi dee, pertama kali menghitung luas permukaan dee kemudian baru dapat ditentukan kapasitansi dee dengan persamaan [3] : (6) (7) Dengan L adalah panjang panjang komponen koaksial (m), c adalah kecepatan cahaya (m/s), ω adalah 2πf, Z 0 adalah impedansi komponen koaksial (ohm), adalah impedansi ruang vakum (ohm), A adalah jari-jari luar komponen koaksial dan a adalah jari-jari dalam komponen koaksial.

4 68 ISSN Rian Suryo Darmawan., dkk. d. Simulasi perangkat lunak Proses simulasi menggunakan perangkat lunak CST MicroWaveStudio trial version. CST MicroWaveStudio adalah perangkat lunak yang dikhususkan untuk simulasi electromagnetic frekuensi tinggi. Sebelum proses simulasi dimulai, user harus menentukan satuan-satuan yang akan dipakai dan batasan-batasan dari sistem. Simulasi dimulai dengan membuat model geometri yang didapatkan dari perhitungan poin a, b dan c di atas. Setelah model geometri selesai dibuat, maka dilanjutkan dengan proses simulasi yang akan menghasilkan nilai frekuensi resonansi dan tampilan didtribusi Nama Material medan listrik. Dari proses simulasi tersebut juga dapat diketahui nilai Q factor. HASIL DAN PEMBAHASAN Material Tabel 1. Sifat-sifat material logam untuk dee Resistivitas, Titik leleh, Laju desorpsi, µ ohm-cm [5] C [5,6] mb l/det cm 2 [7] Berikut sifat-sifat dari material sebagai pertimbangan untuk dee yaitu aluminium, tembaga dan perak. Pertimbangan pemilihan material tersebut terutama pada sifat-sifat yang memenuhi kriteria untuk bahan dee dan juga ketersediaan bahan dan kemudahan dalam pengerjaan konstruksinya. Sifatsifat dari material tersebut tercantum pada Tabel 1. Laju evaporasi, gr/cm 2 det [8,10] Susceptibility -6 [9] magnet, x 10 Aluminium 2,67 660,4 6 x ,7 x ,5 Tembaga 1, ,5 x ,0 x ,1 Perak 1,63 961,9 2,0 x ,5 Keterangan: i. Laju desorpsi adalah laju pelepasan dari gas yang terabsorpsi sebelumnya ii. Data laju desorpsi tersebut adalah setelah satu jam pemvakuman iii. Laju evaporasi dihitung pada suhu 500 C dan tekanan 10-2 micron Hg Fungsi utama dari dee adalah sebagai pemercepat muatan dengan cara memberikan medan listrik sehingga muatan yang melalui dee akan ditolak atau ditarik. Agar suatu material dapat menghasilkan medan listrik yang baik, maka harus dicari material yang memiliki nilai resistivitas yang kecil. Material tembaga dan perak merupakan suatu pilihan yang baik karena memilliki resistivitas 1,69 µ ohm cm dan 1,63 µ ohm cm. Karena dee berada di dalam medan magnet, maka harus dipilih material yang memiliki nilai susceptibility kecil agar tidak mempengaruhi medan magnet yang ada. Dari ketiga pilihan material yang ada, perak memiliki nilai suseptibilitas yang paling kecil yaitu -19,5. Agar tidak memberikan efek penurunan vakum, maka material dee harus mempunyai sifat desorpsi (pelepasan gas dari gas yang terserap sebelumnya) dan evaporasi yang kecil. Dari ketiga pilihan material yang memenuhi kriteria tersebut adalah aluminium. Tetapi aluminium memiliki nilai resivitas dan suseptibilitas magnet yang lebih tinggi yang dikhawatirkan dapat mengganggu proses penghantaran listrik dan medan magnet yang ada. Selain itu aluminium juga memiliki nilai titik leleh yang rendah, sehingga jika terjadi pendinginan yang kurang baik, material ini berpotensi untuk meleleh. Dari ketiga material tersebut, tembaga dan perak memiliki keunggulan dalam nilai resistivitas. Perak juga memiliki keunggulan dalam nilai suseptibilitas yang paling kecil dibandingkan dengan dua material yang lain. Tetapi perak memiliki kekurangan dalam nilai laju evaporasi yang tinggi dibandingkan dengan aluminium dan tembaga. Material tembaga menjadi pilihan karena unggul dalam nilai resitivitas, titik leleh dan laju evaporasi. Dalam pemilihan material tembaga juga tidak boleh memilih sembarang tembaga, harus dipilih tembaga dengan grade Oxygen-Free High Conductivity (OFHC). Tembaga OFHC adalah tembaga dengan konduktivitas yang tinggi dengan kandungan oksigen sama atau kurang dari 0,001%. Kandungan oksigen yang sangat rendah menguntungkan bagi material yang beroperasi di dalam ruang vakum karena proses pelepasan gas dari material tersebut juga akan sangat rendah sehingga dapat mengurangi efek penurunan tingkat kevakuman sistem. Geometri Perancangan geometri dee menyesuaikan geometri sistem magnet. Geometri sistem magnet memiliki struktur sektor-sektor, yaitu hill dan valley. Hill adalah sektor magnet yang memiliki medan magnet yang tinggi, sedangkan valley adalah sektor magnet yang memiliki medan magnet yang rendah. Struktur sistem magnet dan spesifikasinya masingmasing ditunjukkan pada Gambar 3. dan Tabel 2.

5 Rian Suryo Darmawan, dkk. ISSN Tabel 2. Spesifikasi sistem magnet Spesifikasi Sistem Magnet Radius Hill gap Valley gap Gambar 3. Dimensi sistem magnet dalam mm Dimensi 480 mm 40 mm 120 mm Sudut hill 35 Sudut valley 55 Komponen dee terletak pada valley dari sistem magnet yang berjarak 120 mm dan sudut valley sebesar 55, sehingga tebal keseluruhan dari dee tidak boleh melebihi 120 mm dan radiusnya lebih kecil dari 55. Selain menyesuaikan geometri sistem magnet, geometri dee juga ditentukan dengan perhitungan beam dynamic siklotron. Spesifikasi yang ditentukan oleh beam dynamic adalah sudut dee dan phase acceptance atau acceleration gap. Phase acceptance adalah rentang fase antara berkas yang dipercepat dan medan pemercepat. Dari phase acceptance tersebut dihitung acceleration gap yang merupakan jarak antara dee dengan ground. Sudut dee dan acceleration gap dari perhitungan beam dynamic berturut-turut adalah 39 dan 39 mm. Untuk radius dee harus lebih besar dari radius ekstraksi berkas yaitu 410 mm. Untuk memaksimalkan ruang dee, maka radius dee sesuai radius magnet yaitu 480 mm. a. Jarak minimum tegangan dadal RF Untuk faktor keamanan, maka perlu dihitung jarak minimum tegangan dadal RF antara dee dengan ground. Perhitungan ini dilakukan untuk menentukan jarak aman antara dee dengan ground agar ketika siklotron beroperasi tidak terjadi discharge. Perhitungan ini menggunakan persamaan (1), (2) dan (3) dengan nilai f = 78Mhz, b = 2 (untuk pulsa kurang dari 1 ms) dan V dee = 40 kv. Dari perhitungan tersebut didapatkan jarak minimum antara dee dengan ground adalah 2 mm. Nilai tersebut adalah jarak minimum, tetapi jarak tersebut jauh lebih kecil dari acceleration gap yang telah ditentukan dari perhitungan beam dynamic yaitu 39 mm, sehingga dengan nilai 39 mm tersebut diharapkan tidak akan terjadi discharge. b. Kapasitansi dee Untuk menghitung kapasitansi dee menggunakan persamaan (4) dan (5) dengan nilai R dee = 480 mm, θ dee = 39, ε 0 = 8,854 x F/m dan d = 39 mm. Dari perhitungan tersebut didapatkan nilai kapasitansi dee yaitu 35,6 pf. Ditambah dengan kapasitansi dari sambungan dan acceleration gap, diasumsikan nilai kapasitansi total adalah 50 pf. c. Panjang komponen koaksial Untuk menghitung panjang komponen koaksial menggunakan persamaan (6) dan (7) dengan nilai c = 300 x 10 6 m/s dan = 376 ohm. Diasumsikan komponen koaksial dengan jari-jari luar A = 0,1 m dan jari-jari dalam a = 0,02 m maka didapatkan panjang komponen koaksial yaitu 0,245 m. Desain siklotron DECY-13 menggunakan frekuensi harmonik keempat sehingga dua dee disambung dan fase RF-nya selalu sama. Jarak antara pelat atas dan pelat bawah dee adalah 30 mm, memaksimalkan hill gap 40 mm yang dikurangi dengan tebal liner atas dan bawah sebesar 5 mm masing-masing. Dari nilai-nilai yang didapat dari perhitungan dan spesifikasi sub-sistem yang lain, maka dapat disusun gambar teknik dari komponen dee, seperti ditunjukkan pada Gambar 4. d. Simulasi menggunakan perangkat lunak Setelah dilakukan perancangan, kemudian hasil rancangan tersebut dijadikan dasar untuk melakukan simulasi dengan perangkat lunak CST MicroWaveStudio Trial Version. Distribusi medan listrik ditunjukkan pada Gambar 5. Terlihat bahwa vektor medan listrik tegak lurus terhadap dee sehingga berkas ion yang melaluinya dapat dipercepat.

6 70 ISSN Rian Suryo Darmawan., dkk. e. Simulasi menggunakan perangkat lunak Gambar 4. Gambar teknik komponen dee siklotron DECY-13 Setelah dilakukan perancangan, kemudian hasil rancangan tersebut dijadikan dasar untuk melakukan simulasi dengan perangkat lunak CST MicroWaveStudio Trial Version. Distribusi medan listrik ditunjukkan pada Gambar 5. Terlihat bahwa vektor medan listrik tegak lurus terhadap dee sehingga berkas ion yang melaluinya dapat dipercepat. Gambar 5. Hasil Simulasi CST MicroWaveStudio Trial Version

7 Rian Suryo Darmawan, dkk. ISSN Dari hasil simulasi didapatkan nilai Q factor 5642,1 dan frekuensi resonansinya 61,0851 MHz. Perbedaan nilai frekuensi resonansi antara perhitungan dengan simulasi disebabkan oleh penyederhanaan komponen-komponen dan karakteristik material di dalam sistem. KESIMPULAN Dari kegiatan perancangan komponen dee siklotron DECY-13, dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut : 1. Material tembaga OFHC adalah merupakan pilihan terbaik untuk bahan dee. 2. Dimensi dari struktur dee yaitu radius, sudut dan panjang komponen koaksial secara berturut-turut adalah 480 mm, 39 dan 245 mm 3. Dari proses simulasi menggunakan perangkat lunak CST MicroWaveStudio trial version didapatkan frekuensi resonansi 61,0851 MHz dan Q factor DAFTAR PUSTAKA 1. PRAMUDITA ANGGRAITA, 2010, Akselerator siklik, Batan Accelerator School 2010, Yogyakarta 2. THOMAS P. WANGLER, 2008, RF Linear Acclerator 2nd Edition, Wiley-VCH Verlag GmbH, Wienheim 3. SEKIGUCHI M., 2003, Design Example of a 50-MeV Cyclotron 4. JUNG IN SU, 2010, Design and Calculation a 13-MeV Cyclotron RF Structure, Batan Accelerator School 2010, Yogyakarta 5. Cyclotron Operating and Service Manual: Ion Source and Power Supply, 1985, CTI, Berkeley 6. ANONIM, 1995/1996, Catalogue Goodfellow 7. ANONIM, Catalog ESPI ANONIM, Catalog Balzers, Edisi 1989/ ROTH, 1983, Vacuum Technology, North Holland Publishing Company, Amsterdam 10. R.H. PERRY, 1997, Perry s Chemical Engineer s Handbook, Seventh Edition, McGraw-Hill, New York 11. IN SU JUNG, Design of Kirams-13 RF System for Regional Cyclotron Center TANYA JAWAB Pramudita Anggraita - Apakah sumber ion sudah dimasukkan dalam perhitungan, mengingat jaraknya dekat dengan dee/puller (hanya sekitar 6mm), komponen lain seperti beam guides juga perlu diperhatikan, juga ukuran sudut dee supaya disinkronkan dengan simulasi lain. Rian Suryo Dalam perhitungan komponen yang dicari nilai C nya hanya Dee, tetapi dalam simulasi menggunakan CST MWS komponen sumber ion dan linear sudah dimasukkan. Widi Usada - Apakah sudah dihitung atau belum impedansi Dee, bila ia dipandang sebagai beban? - Sejauh ini dee, dianggap sebagai C murni (kapasitor murni), adakah besaran lain seperti R atau L ataukah besaran tersebut diabaikan? Rian Suryo Impedansi Dee menggunakan 15 Ω Untuk perhitungan, nillai R dan L diabaikan, jadi hanya menghitung besaran C