DESAIN AWAL SISTEM KENDALI PARAMETER BERKAS RADIASI MESIN BERKAS ELEKTRON 350 kev/10 ma PTAPB BATAN YOGYAKARTA

Transkripsi

1 DESIN WL SISTEM KENDLI RMETER BERKS RDISI MESIN BERKS ELEKTRON 350 k/10 m TB BTN YOGYKRT SUTNTO Skolah Tinggi Tknologi Nuklir Badan Tnaga Nuklir Nasional - BTN JL.Babarsari Kotak os 6101 YKBB, Yogyakarta sutanto@sttn-batan.ac.id bstrak DESIN WL SISTEM KENDLI RMETER BERKS RDISI MESIN BERKS ELEKTRON 350 k/10 m TB BTN YOGYKRT. Dsain awal sistm kndali paramtr brkas radiasi Msin Brkas Elktron (MBE) 350 k/10 m mmiliki tujuan mndapatkan algoritma kndali MBE di TB-BTN Yogyakarta. Dsain sistm kndali didasarkan pada modl paramtr brkas MBE. Modl trsbut mnunjukkaan ada ktrkaitan antara pngaturan paramtr dosis radiasi dngan pngaturan nrgi brkas, yang mana hal itu mnjadi masalah dalam pngaturan paramtr brkas radiasi. lgoritma kndali diprolh dngan mnntukan prsamaan-prsamaan kompnsator dari modl paramtr brkas. rsamaan-prsamaan trsbut akan mnghilangkan korlasi antara paramtr dosis radiasi dan paramtr nrgi brkas, shingga paramtr brkas dapat diatur dngan mudah. Hasil pngujian algoritma sistm kndali brdasarkan simulasi mnunjukkan bahwa pnntuan bsar paramtr brkas radiasi dapat dilakukan dngan mmbrikan nilai arus filamn dan tgangan pmrcpat yang diharapkan. Bsar dosis radiasi dan nrgi brkas akan diatur scara otomatis ssuai dngan fungsi nilai arus filamn dan tgangan pmrcpat. Kata kunci : paramtr brkas, sistm kndali, prsamaan kompnsator bstract RE DESIGN OF BEM RMETER CONTROL SYSTEM FOR ELECTRON BEM MCHINE (EBM) 350 k/10 m IN THE CENTER FOR CCELERTOR ND MTERIL ROCESS TECNOLOGY (UST TEKNOLOGI DN ROSES BHN/TB) BTN YOGYKRT. r dsign of bam paramtr control systm for Elctron Bam Machin (EBM) 350 k/10 m had an objctiv to find a control systm algorithm for EBM in Th Cntr For cclrator and Matrial rocss Tknology (usat Tknologi dan ross Bahan/TB) BTN Yogyakarta. Th dsign was basd on th bam paramtr modl of EBM. Th modl shown a rlationship btwn th dos paramtr stting and th bam nrgy stting which it was bing a problm in stting th bam paramtrs.th control systm algorithm was found by gtting compnsator quations from th bam paramtr modl of EBM. Th quations would omit th 69

2 Forum Nuklir, ol 3 No. 2, Novmbr 2009 ISSN rlation btwn th radiation dos paramtr and bam nrgy paramtr, so that th paramtrs could b adjustd asily. Th rsult of th control systm algorithm xamin basd on simulation shown that th stting of bam paramtr valu could b don by giving th acclrating voltag valu and th filamnt currnt valu as th oprator had dtrmind th valu. Th valu of radiation dos and bam nrgy would b adjustd as its function of th filamnt currnt valu and th acclrating voltag valu. Kyowords : bam paramtr, control systm, compnsator quations ENDHULUN Msin Brkas Elktron (MBE) mrupakan tknologi nuklir yang dapat dimanfaatkan untuk pross bahan shingga bahan trsbut mmiliki sifat yang lbih baik. ross bahan yang dilakukan dalam industri misalnya vulkanisasi kart ban, prbaikan sifat kabl listrik, polimrisasi, pngolahan limbah padat dan cair, dan flu gas tratmnt [1]. Untuk mmnuhi kbutuhan trsbut, usat Tknologi kslrator dan ross Bahan (TB)-BTN Yogyakarta sudah mmbuat msin brkas lktron (MBE) dngan spsifikasi 350 k/10 m. mbuatan msin trsbut brtujuan untuk pnlitian trkait dngan aplikasi MBE dan mningkatkan SDM trkait dngan tknologi MBE. Sampai saat ini, msin trsbut masih dikmbangkan untuk mndapatkan unjuk krja yang lbih baik. Dalam pross bahan mnggunakan radiasi lktron, ada tiga paramtr utama yang harus diprhatikan, yaitu radiasi brkas lktron, bahan yang diradiasi (targt), dan tknik iradiasi [2]. aramtr radiasi brkas lktron mliputi dosis radiasi dan nrgi brkas lktron. Kmudahan pngaturan dosis radiasi dan nrgi brkas lktron mrupakan salah satu ukuran kualitas unjuk krja MBE. Dalam oprasinya, dosis radiasi ditntukan dngan mngatur variabl arus filamn, sdangkan nrgi brkas ditntukan dngan mngatur variabl tgangan pmrcpat. Kdua variabl arus filamn dan tgangan pmrcpat mmiliki ktrkaitan (rlasi), shingga pngaturan kdua paramtr dosis radiasi dan nrgi brkas sulit dilakukan. Hubungan antara variabl arus filamn, tgangan anod, dan tgangan pmrcpat sudah dinyatakan dalam prsamaan modl paramtr brkas MBE [3]. Modl paramtr brkas MBE trsbut dapat digunakan sbagai dasar untuk dsain sistm kndali MBE shingga pnntuan paramtr dosis dan nrgi brkas bisa dilakukan dngan mudah. rinsip dsain kndali brdasarkan modl trsbut adalah dngan mnntukan prsamaan baru (prsamaan kompnsator) yang brfungsi untuk mnghilangkan hubungan antara paramtr dosis radiasi dan nrgi brkas, shingga masing-masing 70

3 ISSN Dsain wal Sistm Kndali...(Sutanto) paramtr dapat ditntukan dngan mudah tanpa dipngaruhi olh prubahan paramtr yang lain. DSR TEORI Msin Brkas Elktron Msin Brkas Elktron trdiri atas bbrapa sistm utama, yaitu: sumbr lktron; tabung pmrcpat; sumbr tgangan tinggi; dan sistm optic [2]. a. Sumbr Elktron ada sumbr lktron, pross dihasilkannya lktron bisa mlalui pmanasan suatu katod (kawat tungstn). ross ini disbut misi trmionik. ada misi trmionik, lktron trlpas dari bahan yang mmpunyai fungsi krja kcil. lpasan ini akan diprkuat olh adanya mdan listrik di antara anod dan katod. Formulasi antara arus maksimum plpasan lktron dngan suhu T ditunjukkan olh formula Richardson/Dushman yang dinyatakan dalam rsamaan (1). I Ew/T ST (1) I mrupakan arus lktron trmisi, S mrupakan luas prmukaan katod, mrupakan ttapan khas bahan, T mrupakan suhu katod dalam klvin, dan E W mrupakan fungsi krja bahan katod dalam lktron-volt. Stlah pmanasan, lktron tidak srta mrta mnjauh dari prmukaan katod. narikan lktron dari prmukaan katod dilakukan dngan mmbrikan potnsial. Formulasi rapat arus lktron J akibat potnsial dinyatakan olh rsamaan Child Langmuir, ditunjukkan olh rsamaan (2). 3/2 J. (2) mrupakan konstanta sbagai fungsi gomtri sistm, yang disbut prviansi. b. Sumbr Tgangan Tinggi Sumbr tgangan tinggi dipasang pada tabung pmrcpat untuk mnghasilkan mdan listrik (mdan pmrcpat). Salah satu tip sumbr tgangan tinggi adalah tip Cockrorf-Walton. Sumbr tgangan tinggi tip Cockcorf-Walton trdiri dari dua bagian utama, yaitu osilator daya dan plipat tgangan. Osilator daya trsusun atas komponn utama triod dan transformator frkunsi tinggi. Osilator daya brfungsi untuk mnghasilkan tgangan brosilasi dngan daya dan frkunsi tinggi. 71

4 Forum Nuklir, ol 3 No. 2, Novmbr 2009 ISSN Masukan osilator brupa tgangan anod. Tgangan anod dibangkitkan olh variac dan pnyarah. ariac diatur olh prputaran motor DC. Bsar tgangan anod sbagai fungsi posisi motor brupa prsamaan linar yang ditunjukkan olh rsamaan (3). mθ c (3) dngan adalah tgangan anod, m adalah gradin garis, θ adalah posisi sudut variac, dan c adalah konstanta garis. Tgangan kluaran osilator kmudian dilipatkan dan disarahkan olh plipat tgangan shingga dihasilkan tgangan tinggi DC. ross plipatan tgangan mngikuti rsamaan (4). omax 3 I 2n 2nin max (4) fc 3 dngan o max adalah tgangan tinggi DC, I adalah arus bban, n adalah jumlah tingkat plipat tgangan, f adalah frkunsi osilasi tgangan masukan, C adalah kapasitansi kapasitor plipat tgangan, dan in max adalah amplitud tgangan masukan. c. Tabung mrcpat Tabung pmrcpat mrupakan ruang vakum (tkanan udara cukup kcil) di mana pada bagian dinding tabung trsusun atas lktrod-lktrod. Jika pada lktrod-lktrod trsbut dipasang tgangan tinggi maka akan dibangkitkan mdan listrik dngan ujung yang satu brsifat positif, dan ujung yang lain brsifat ngatif. Saat ada brkas lktron pada bagian ngatif, maka brkas trsbut akan diprcpat mnuju ujung yang positif. Dalam prjalanannya, arah brkas lktron diatur olh sistm optik, yaitu brupa mdan magnt. Sistm optik mngarahkan brkas lktron mnuju window, kmudian kluar mngnai matrial targt. Sifat matrial akan brubah ssuai dngan bsar dosis dan nrgi brkas lktron. Jumlah lktron (dosis) dan nrgi grak lktron trgantung pada bsar arus filamn dan tgangan pmrcpat yang dipasang pada tabung pmrcpat. Modl aramtr Brkas MBE Modl statik paramtr brkas MBE dinyatakan dalam rsamaan (5) [3]. c log1 xp c a 1 d I f (5) b 72

5 ISSN Dsain wal Sistm Kndali...(Sutanto) dngan adalah tgangan pmrcpat (tgangan tinggi DC), adalah tgangan anod, I f adalah arus filamnt, dan a, b, c, d adalah paramtrparamtr modl. Idntifikasi sistm MBE di TB-BTN mndapatkan nilai paramtr-paramtr modl: a = 0,0005 b = 1,2 c = 4768,6 d = 39,7 Modl dalam rsamaan (4) mnunjukkan hubungan antara variabl tgangan anod pada osilator daya ( ), arus filamn pada sumbr lktron (I f ) dan tgangan pmrcpat/tgangan tinggi DC ( p ). ariabl arus filamn akan mmbangkitkan arus brkas lktron. Bsar arus brkas lktron brkaitan dngan bsar dosis radiasi. rus brkas lktron mrupakan bagian dari arus bban sumbr tgangan tinggi, ssuai dngan rsamaan (6). I bban I I I (6) STT brkas korona dngan I bban adalah arus total bban sumbr tgangan tinggi, I STT adalah arus sumbr tgangan tinggi dari plipat tgangan, I brkas adalah arus brkas lktron, dan I korona adalah arus bocor yang mngalir di antara lktrod pmrcpat. rsamaan (4) dan (5) mnunjukkan bahwa variabl arus filamn mmpngaruhi variabl tgangan pmrcpat (tgangan tinggi DC). Dsain Sistm Kndali rinsip dsain sistm kndali ditunjukkan olh Gambar 1 [4]. rinsip dsain kndali mliputi pmodlan sistm yang hndak dikndalikan. Modl dapat dinyatakan dalam bntuk rumusan matmatika. Modl sistm digunakan sbagai ksprsi sistm yang mmiliki prmasalahan. rmasalahan modl sistm dislsaikan dngan mrumuskan prmasalahan matmatika. Solusi trsbut kmudian diimplmntasikan k sistm fisik shingga diharapkan sistm bkrja sprti dngan yang diharapkan. Jika unjuk krja sistm blum mmnuhi ktntuan yang diinginkan, maka prosdur dsain kndali dilakukan lagi sampai unjuk krja sistm mmnuhi ktntuan yang dittapkan [5]. 73

6 Forum Nuklir, ol 3 No. 2, Novmbr 2009 ISSN Gambar 1. rinsip Dsain Kndali METODOLOGI ENELITIN lat dan Bahan oltmtr, busur drajad, stopwatch, sistm sumbr tgangan tinggi tip Cockcrof-Walton, Msin Brkas Elktron. Tahap-Tahap Dsain Sistm Kndali Titik-titik ukur pngukuran data ditunjukkan pada Gambar 2. a. Mngukur bsar tgangan anod sbagai fungsi posisi variac. Tgangan anod dibangkitkan olh rangkaian pnyarah dngan masukan posisi variac. Jangkauan tgangan anod adalah dari 0 volt sampai dngan 2500 volt untuk jangkauan posisi variac dari 0 o sampai dngan 360 o. b. Mngukur kcpatan putar motor pada tgangan motor DC 6 volt. osisi variac diatur olh grakan motor DC. ada kcpatan motor DC ttap, posisi variac mrupakan fungsi waktu hidup motor DC. c. nalisis modl paramtr brkas MBE. Brdasarkan pada pnlitian sblumnya diprolh bahwa modl paramtr brkas MBE ditunjukkan olh rsamaan (6) dan (7). ˆ log 1 xp 4768,6 4768,6 0, ,7 I f_modl (6) 1,2 74

7 ISSN Dsain wal Sistm Kndali...(Sutanto) I Î f f_modl (7) Dsain sistm kndali paramtr brkas MBE. Diagram blok pngndali paramtr brkas MBE ditunjukkan olh Gambar 3. Gambar 2. Titik-Titik Ukur Data Dsain Sistm Kndali aramtr Brkas MBE Gambar 3. Diagram Blok ngndali aramtr Brkas MBE HSIL DN EMBHSN Data hasil pngukuran ditunjukkan olh Tabl 1 dan Tabl 2. Dalam bntuk kurv, tgangan anod sbagai fungsi posisi variac ditunjukkan olh Gambar 4. Gambar 4 mnunjukkan kurv prsamaan tgangan anod sbagai fungsi posisi motor dalam rsamaan (8). 14,2θ 3,7 (8) 75

8 Forum Nuklir, ol 3 No. 2, Novmbr 2009 ISSN Tabl 1. Tgangan nod ( ) sbagai Fungsi osisi Motor ( ) No ( o ) () Gambar 4. Kurv Tgangan nod Sbagai Fungsi osisi Motor Tabl 2. Waktu Hidup Motor (Tgangan Motor 6 ) No. ( o ) t (dtik) , , ,17 Waktu rata-rata 2,46 ada tgangan motor 6 volt, waktu tmpuh rata-rata adalah 2,46 dtik untuk jarak tmpuh 90 o. Kcpatan putar motor dapat dihitung sbagai brikut: o ω 90 /2,46 dtik 36,59 drajad/dtik Dngan dmikian rsamaan (8) mnjadi rsamaan (9) 76

9 ISSN Dsain wal Sistm Kndali...(Sutanto) 14,2ωt 3,7 14,2 x 36,59 t 3,7 519,58 t 3,7 (9) Jika dinyatakan waktu (t) sbagai fungsi tgangan anod, maka: t 519,58 dt d 1 519,58 3,7 519,58 (10) nalisis Modl aramtr Brkas MBE Diagram blok modl paramtr brkas dapat dinyatakan sprti pada Gambar 5. Gambar 5. Diagram Blok Modl aramtr Brkas MBE rsamaan modl trsbut ditunjukkan dalam rsamaan (6) dan (7). rsamaan (6) dan (7) mnunjukkan hubungan antara 3 variabl, yaitu variabl tgangan anod, variabl arus filamn modl, dan variabl tgangan pmrcpat. Brdasarkan rsamaan (6) dan (7), prsamaan kompsator diprolh sbagai brikut: 4768,6 1/39,7 I / f_modl log ,6 ˆ 0,0005 1,2 4768,6 1/39,7 If_modl/ 0,0005ˆ log ,6 4768,6 1/39,7 If_modl/ 0,0005ˆ log ,9 6/5 1/39,7 I / 4768,6 6/5 f_modl 12,97 ˆ log 1 1,2 1,2 1,2 77

10 Forum Nuklir, ol 3 No. 2, Novmbr 2009 ISSN ,6 1/39,7 If_modl/ 12,97 ˆ log ,6 1/39,7 If_modl/ 12,97 ˆ log1 1 12,97 ˆ 4768,6 1/39,7 If_modl/ Jika angka 1 diabaikan maka: ,97ˆ 4768,6 1/39,7 I ,6 I 6 12,97 ˆ / 12,97 ˆ 39,7I , f_modl 4768,6I ,6 I f_modl 12,97 ˆ f_modl f_modl f_modl 5/6 12,97 ˆ 39,75If_modl (11) 120 rsamaan (11) mrupakan prsamaan kompnsator. Jika rsamaan (9) disubtitusikan k rsamaan (11) maka diprolh: 519,58 t 3,7 39,75I t 9,75I f_modl 12,97 ˆ ,58 f_modl 5/6 12,97 ˆ (12) ada saat start up MBE, nilai arus filamn adalah nol, maka rsamaan (12) dapat dinyatakan dalam rsamaan (13). 5/6 78

11 ISSN Dsain wal Sistm Kndali...(Sutanto) t o 12,97ˆ 5/ ,58 37 (13) Gambar 6. Diagram Blok Sistm Kndali aramtr Brkas MBE TB-BTN Dari rsamaan (6) dan (7), rsamaan (10), rsamaan (11), dan rsamaan (13), dapat didsain suatu sistm kndali, yang ditunjukkan olh Gambar 6. ada start up awal sistm STT MBE, tgangan pmrcpat ditntukan pada nilai trtntu ssuai dngan prmintaan nrgi brkas lktron. ngaturan ini dilakukan pada kondisi arus filamn brnilai nol. Slanjutnya arus brkas diatur dngan mnaikkan arus filamn ssuai dngan prmintaan dosis radiasi. ada pngoprasian ini diharapkan tgangan pmrcpat tidak brubah akibat dari prubahan arus filamn. Untuk mngtahui unjuk krja sistm pada Gambar 5, dilakukan pngujian oprasi untuk nilai yang diharapkan = volt dan I f = 10, langkahlangkah oprasi sistm kndali adalah sbagai brikut: 1. ada saat I f = 0, dngan mnggunakan rsamaan (13) diprolh nilai waktu hidup motor awal t o sbagai brikut: t o 12,97 x ,58 5/6 3,7 4,9832dtik 79

12 Forum Nuklir, ol 3 No. 2, Novmbr 2009 ISSN Tgangan anod yang dibangkitkan dihitung dngan mnggunakan rsamaan (9). 519,58(5) 3,7 2585,5 volt 3. Tgangan anod ini mmbangkitkan tgangan pmrcpat ssuai dngan rsamaan (6). ˆ , volt log1 xp 4768,6 0, , Saat arus filamn dinaikkan mnjadi 10, maka baru yang diprlukan dihitung dngan mnggunakan rsamaan (7) dan (11). 1,2 I f_modl x (baru) 39,75x2,05 12,97 x rubahan tgangan anod yang harus dilakukan adalah Δ 2666,8 volt volt 81,4 volt 5/6 2666,8 volt 6. Maka motor harus dihidupkan lagi slama waktu ssuai dngan prsamaan dt d dtik 519,58 519,58 7. Waktu total hidup motor mnjadi t 5dtik 0,1566dtik 5,1566dtik 8. Tgangan anod dihitung dngan rsamaan (9) 519,58(5,14) 3,7 2666,8 volt Dngan dmikian, saat ada prubahan arus filamn dari 0 mnjadi 10, tgangan pmrcpat mnjadi: 80

13 ISSN Dsain wal Sistm Kndali...(Sutanto) 2666,9 log1 xp 4768,6 4768,6 ˆ 0, volt 1 39,7 2, ,8 1,2 nurunan tgangan volt volt 290 volt Jika tanpa sistm kndali, maka: ,05475 log1 xp 4768,6 4768,6 39,7 2666,9 ˆ 0, volt nurunan tgangan volt volt volt rubahan tgangan pmrcpat pada sistm STT MBE dngan pngndali jauh lbih kcil dari prubahan tgangan pmrcpat tanpa pngndali. Tabl 3 mnunjukkan data pngujian untuk stting point tgangan pmrcpat dan arus filamn yang lain. 1,2 No Tabl 3. Data ngujian Dsain Kndali Brdasarkan rhitungan rus filamnt () o () o () _tanpa kndali () I f () _dngan kndali () 1 11, , , , , , , , , , , , Ktrangan: o : Tgangan anod saat arus filamn 0 o : Tgangan pmrcpat saat arus filamn 0 I : Tgangan anod saat ada arus filamn f KESIMULN Brdasarkan pmbahasan maka diprolh ksimpulan sbagai brikut: 1. nggunaan algoritma sistm kndali dapat mnghilangkan rlasi antara paramtr dosis radiasi dngan nrgi brkas radiasi. danya rlasi antara kdua paramtr mnjadi masalah dalam mngatur bsar paramtr brkas radiasi. 81

14 Forum Nuklir, ol 3 No. 2, Novmbr 2009 ISSN Dkorlasi antara paramtr dosis radiasi dngan paramtr nrgi brkas ditunjukkan olh hilangnya pngaruh prubahan arus filamnt trhadap bsar tgangan pmrcpat. SRN lgoritma sistm kndali dapat diimplmntasikan k dalam prangkat digital sprti mikrokontrolr shingga dapat dipasang k sistm MBE di TB-BTN Yogyakarta. DFTR USTK 1. DNU, S., 2004, plikasi Msin Brkas Elktron Dalam Bidang olimr Industri, Diktat Matri Kuliah BTN cclrator School 2004, BTN. 2. SURTO, dkk, 1999, rancangan Sumbr Tgangan Tinggi 500 k/200 m Sbagai Tgangan mrcpat ada Msin Brkas Elktron, rosiding rtmuan dan rsntasi Ilmiah Tknologi kslrator dan plikasinya, BTN. 3. SUTNTO, 2009, modlan Sumbr Tgangan Tinggi Msin Brkas Elktron 350 k/10 m, Tsis, UGM. 4. HILLIS C. L., Harbor R. D., 1996, Fdback Control Systm, rntic Hall Intrnational, Inc. 5. LNDU I. D., 1990, Systm Idntification nd Control Dsign, rntic-hall Intrnational Edition. 6. DRWIS D., 2004, plikasi Msin Brkas Elktron Dalam Bidang Biomdical 7. olymrs dan Farmasi, Diktat Matri Kuliah BTN cclrator School 2004, BTN. 8. DEWNTO., 2000, modlan Sistm ngatur Ktinggian ir ada Sbuah Tangki Tunggal, Jurnal Tknik Msin, Univrsitas Kristn tra. 9. DJSIMN, dkk, 1999, rancangan Osilator Daya Untuk Sumbr Tgangan Tinggi Tip Cockroft-Walton 500 k/20 m. 10. HELLBORG R., 2005, Elctrostatic cclrators, Fundamntal and pplications, Springr. 11. KUFFEL E., 2000, High oltag Enginring, Fundamntals, Buttrworth- Hinmann. 12. SETIWN, 1998, Instrumntasi Dan Kndali, ngnalan Dan plikasi kslrator, usdiklat, BTN. 82