Sutadji Sugiarto Pusat Penelitian Nuklir Yogyakarta

Transkripsi

1 MANGKUK FARADAY BANYAK KOLEKTOR UNTUK PENGUKURAN KESERAGAMAN ARUS BERKAS ON AKSELERATOR Sutadji Sugiarto Pusat Penelitian Nuklir Yogyakarta ABSTRAK Keseragaman distribusi ion terimplantasi pada sasaran tergantung pada keseragaman arus berkas ion akselerator. Telah dibuat sebuahmangkuk Faraday yang dilengkapi 9 kolektor untuk pengukuran keseragaman arus berkas ion akselerator. Kolektor disusun dalam larikan 3 x 3 yang mencakup luasan 45 x 45 mm2 Model kolektor adalah lingkaran dengan garis tengah luar 12,5 mm dibuat dari baja tahankarat dan diisolasi dengan PVC. Arus berkas ion pada kolektor dikonversi menjadi tegangan dan ditampilkan bergantian pada sebuah penampil analog.pengujian" simulasi menunjukkan ketidakseragaman pengukuran kurang dari 0,97., ketidaklinieran kurang dari 0,87.dan ketidakstabilan dari 0,27.untuk 1 jam. kurang ABSTRACT Uniformity of implanted ions distribution in a target depends on the uniformity of accelerator ion beam c~rrent. A Faraday cup completed with 9 collectors for measuring uniformity of accelerator ion beam current was constructed. The collectors are arranged in a 3 x 3 array covering an area of 45 x 45 mm2 The collector model is circular 12.5 mm in outer diameter made of stainless steel and isolated with PVC. The ion beam current at the collectors are converted to voltage and displayed alternately at an analog display. Simulation test shows that nonuniformity in measurement is less than 0.97.,nonlinearity less than and instability is less than 0.27.for 1 hour., 52

2 . PENDAHULUAN Dalam pembuatan piranti fisika dengan tekn1k implantasi ion beberapa piranti dalam sebuah sasaran diimplantasi bersama-sama seperti terlihat pada gambar 1. Langkah implantasi ion pada sasaran adalah : berkas ion terseleksi dan terfokus disapu horisontal dan vertikal disasarkan pada sasaran. LV- LH S B~~ Gambar 1. Pembuatan piranti fisika dengan teknik implantasi ion. B-berkas ion, LV-lempeng vertikal, LHlempeng horisontal, S-sasaran. Untuk menjamin piranti mempunyai karakteristik seragam, distribusi ion terimplantasi pada sasaran harus seragam yang hanya dapat dicapai apabila arus berkas ion akselerator seragam. Ada 3 cara untuk mengukur keseragaman arus berkas ion akselerator yaitu dengan(1~2) :

3 54 1. Probe putar 2. Lempeng pendar 3. Mangkukk Faraday banyak kolektor. / Dalam makalah ini disajikan uraian tentang mangkuk Faraday yang dilengkapi 9 kolektor yang dirancang untuk pengukuran keseragaman arus berkas ion akselerator 90 kev/l0 ua di Pusat Penelitian Nuklir Yogyakarta (PPNY)-BATAN.. TATA KERJA A. Teori operasi Mangkuk Faraday adalah alat untuk pengukuran arus berkas ion akselerator, spektrometer massa, radiator elektron dan lain sebagainya. Untuk pengukuran arus total suatu mangkuk Faraday cukup dilengkapi dengan sebuah kolektor. Untuk pengukuran keseragaman arus berkas ion mangkuk Faraday harus dilengkapi dengan lebih dari satu kolektor. Mangkuk Faraday yang dibuat dilengkapi 9 kolektor disusun dalam larikan 3 x 3 untuk pengukuran arus berkas ion pada lokasi : tengah-tengah, samping kanan, kiri, atas~ bawah, pojok Kanan atas, kiri atas, kanan bawah dan kiri bawah seperti terlihat pada gambar 2. Arus berkas ion yang terkoleksi pada masing-masing kolektor dikonversi menjadi tegangan untuk ditampilkan pada suatu penampil analog secara bergantian seperti terlihat pada gambar 3. Dengan mengamati pergeseran simpangan jarum penampil analog dapat diketahui keseragaman arus berkas akselerator. ion

4 Gambar 2. Mangkuk Faraday 9 kolektor tampak depan: K-kolektor, -isolator. 'Df]1.. - s Gambar 3. Skematik penampilan arus terukur. K-kolektor 9 buah, KAT-konverter arus tegangan 9 buah, S sakelar penyambung 9 bbuah, PT-penguat tegangan, M-penampil analog, PP-pengendali penampilan 9 jalur.

5 56 B. Rincian lator 1. "Feedthr-ough" kolektor- Model "feedthr-ough" kolektor- seper-ti ter-lihat pada gambar- 4. Elektr-oda kolektor K dibuat dar-i baja tahankar-at diisolasi ter-hadap dinding sistem hampa dengan PVC. Sistem hampa diisolasi dar-i atmosfer- dengan ring 0 yang dibuat dar-i viton. Ukur-an "feedthr-ough" kolektor- adalah : garis 27,5 M.6 12,5 15,0 tengah mm luar elektroda el~ktr-oda kolektor- kolektor L ~!Ef! lm1~1 Gambar 4. Model "feedthr-oughll kolektor. isolator, O-r-ing 0. K-kolektor, 1-

6 > -. Lokasi titik pusat lingkaran penarnpang elektroda kolektor adalah: (-15;15), (0;15), (15;15), (-15;0), (0;0), (15;0), (-15;-15), (0;-15), dan (-15; 15) dengan elektroda tengah-tengah pada lokasi (0;0) diberi notasi nornor 0 dan elektroda lainnya dari kiri bawah searah jarum jam berturut-turut nornor 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 dan Konverter arus tegangan Untuk konverter arus tegangan digunakan untai terintegrasi penguat operasional LM-4250 seperti terlihat pada gambar 5. Tegangan keluaran konverter : Uk = - R~ dengan : arus berkas ion, R~ : tahanan balik. Arus berkas ion akselerator 90 kev/l0 ua 10 ua untuk luasan 45 x 45 = 2025 rnm2 Untuk (1) adalah sebuah elektroda kolektor garis tengah 12,5 mm atau seluas 122,7 mm2 arus berkas ion terdeteksi : = (122,7) (10)/(2025) = 605,9 na (2) +1,5-1,5 s 10K Gambar 5. Konverter arus tegangan. -arus berkas R~-tahanan balik, RE-tahanan kerja. ion,

7 -ter Uo = -(750 na) (1 MOhm) = -0,75 volt (3) Dengan tahanan kerja R. 10 MOhm maka arus kerja. = (1,5-0,5)/(10 MOhm) = 0,1 ua (4) yang memberikan arus bias (pendekatan) 0,75 na(3). Dengan demikian pada 1/10 skala penuh akan memberikan kesalahan 1~. 3. Pengendali penampilan Untuk mengendalikan penampilan arus terukur pada 9 kolektor secara bergantian dengan kolektor tengahtengah sebagai acuan dibangun suatu. pengendali penampilan seperti terlihat pada gambar 6. S A o G r _- D _ Gambar 6. Skematik pengendali penampilan. O-osilator, G-gerbang, P-pengnadali gerbang, C-pencacah, D-pencatat, S-skelar, A-penguat balik, M penampil analog.

8 Suatu gelobang kotak dari osilator 0 dilewatkan gerbang G yang dapat dibuka dan -ditutup dengan pengendali gerbang P. Dalam hal gerbang G terbuka gelombang kotak yang dilewatkan dicacah oleh pencacah (counter) C biner 4 bit dan dicatat oleh pencatat (decoder) D 4-16 jalur. Keluaran pencatat jalur nomor genap 0, 2, 4, 6, 8, 10, 12 dan 14 digunakan untuk mengendalikan sakelar nomor sedang jalur nomor ganjil 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13 dan 15 digunakan untuk mengendalikan sakelar nomor 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 dan 8, nomor sakelar sesuai dengan nomor kolektor. Sakelar menghubungkan 9 konverter arus tegangan ke panguat balik secara bergantian. Keluaran penguat balik ditampilkan pada penampil analog M. Penguat balik dirancang dengan tetapan penguatan 4 sehingga tegangan keluaran skala penuh : Uo 7 (-4)(-0,75) = 3 volt (5) Untuk penampil analog digunakan ampermeter dengan skala penuh 1 ma sehingga diperlukan tahanan depan : \ Rd = (3 volt)/(l ma) = 3 KOhm (6) termasuk tahanan dalam ampermeter. Gambar elektronik lengkap pengendali penampilan dapat dilihat pada gambar7.. HASL DAN PEMBAHASAN Untuk mengetahui ketidakseragaman pengukuran, ketidaklinieran dan ketidakstabilan dilakukan pengujian simulasi dengan arus dari sampai dengan 750 na. Hasil pengujian lengkap dapat dilihat pada lampiran 1, sedang hasil pengujian yang telah dihitung ni1ai ratarata dan deviasinya terlihat pada tabel 1.

9 '". ",- L 1. r:/ ~-- -- " ~ ( ~~ o 15 ( j &:.& :1-1--' -J._. <- :A L... A K tq mt r 14 -'" r:1,... 1 J L -.- h L~ f'-' 29K 9 A ~ _r1 400K.. Ji358 r l..... to.. T ~T'\T C ~, ~ (~,~ ~ 9 x r1, & W8 x N914-5V " 5V ~ rt ~ f 9 x, S211E 5V 100~ 10K 4 5ort-... 5V ~ 9 x AC 5V - 11, L-]- ] KAT 0 8 5V 470 5V 74154~ 1CJ ma 5" 1fl: 10 0 r K o fl Gambar 7. Rangkaian pengendali pen3nmpilan

10 Tabel 1. Hasil pengujian simulasi na 9. kolektor dihitung rata-rata dan deviasinya arus (na) tegangan keluaran (mv) :.:t :! 0, , , , , , , , ,6 893,9 1,0!: 1: 1: LSB 0, , , * - se&udah 1 jam Dari hasil pengujian telah dihitung : 1. Ketidakseragaman pengukuran terbesar 0,88X (kurang dari 0,97..) 2. Ketidaklinieran terbesar 0,741. (kurang dari 0,81.) 3. Ketidakstabilan untuk 1 jam 0,141. (kurang dari 0,21.). V. KESMPULAN Telah dibuat sebuah mangkuk Faraday yang dilengkapi dengan 9 kolektor dirancang untuk pengukuran keseragaman arus berkas ion akselerator yang telah diuji simulasi menunjukkan kelakuan cukup baik. SPESFKAS Mangkuk Faraday banyak kolektor jumlah kolektor luasan terpantau garis tengah luar kolektor arus berkas ion skala penuh ketidakseragaman pengukuran ketidaklinieran larikan 90,9 0,8 namm x ,5 750 mm

11 - ketidakstabilan 1 Jam - penampil flange 0,2 Yo analog : 63 SO-F UCAPAN TERMA KASH Penulis mengu~apkan terima kasih kepada saudara Margono, Sumaryadi dan Bambang Wido Purwanto yang membantu dalam pengkonstruksian dan pengujian. Untung telah ACUAN 1. Ryssel, H., ilon mplantation Te~hniques", Spinger, New York, Ziegler, J.F., ilon mplantation Sc:ien~e and Te~hnology", A~ademi~ Press, New York, , "Linear Data Book, Semic:ondu~tor Corp., California, LAMPRAN 1 DATA PENGAMATAN TEGANGAN KELUARAN 9 KOLEKTOR SEBAGA FUNGS ARUS SMULAS MASUKAN na. Arus Tegangan keluaran <mv) (na) K2 K3 K4 Ke K. Ke B ? ? B

12 LAMPRAN 2 PERBANDNGAN NLA TEOR DAN PENGAMATAN TEGANGAN KELUARAN SEBAGA FUNGS ARUS SMULAS 0-75 na. Nilai teori dihitung berdasar nilai terendah dan tertinggi Arus (na) Tegangan keluaran (mv) Teori Pengamatan Deviasi 69 o , ' ,2 3,2 0,2 890,7 593,8 0 5' ,7 593,6 893, TANYA JAWAB 1. Budiono a. Apakah rangkaian pengendali rangkaian tidak memerlukan rangkaian osilator kristal? b. Apakah tidak perlu suatu komputer untuk proses image dalam penampilannya? b. Sutadji a. Tidak Dapatdigunakan perlu karena dilakukan untuk frekuensi tidak dan akan lebih baik.