PERBANDINGAN ANALISIS DESAIN MAGNET SIKLOTRON DENGAN BCALC DAN GENSPEO

Transkripsi

1 PERBANDINGAN ANALISIS DESAIN MAGNET SIKLOTRON DENGAN BCALC DAN GENSPEO Taufik*, Arief Hermanto*, Pramudita Anggraita**, Slamet Santoso**, Emy Mulyani** *Jurusan Fisika, FMIPA, UGM, Jl. Sekip utara **PTAPB-BATAN, Yogyakarta Jl. Babarsari Kotak Pos 611 ykbb, Yogyakarta ABSTRAK PERBANDINGAN ANALISIS DESAIN MAGNET SIKLOTRON DENGAN BCALC DAN GENSPEO. Telah dilakukan penelitian untuk membandingkan analisis desain magnet siklotron dengan BCALC dan GENSPEO. Dalam desain ataupun pembuatan magnet siklotron, data distribusi magnet hasil simulasi atau hasil pengukuran harus dianalisis agar isokronous dan memiliki pemfokusan yang baik. Analisis data medan magnet dapat dilakukan dengan program BCALC atau GENSPEO. Membandingkan hasil analisis dari kedua program tersebut penting dilakukan untuk mengetahui program mana yang lebih baik, sehingga dapat digunakan acuan dalam mendesain magnet siklotron. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa perbedaan dari analisis data magnet siklotron dengan BCALC dan GENSPEO terlihat jelas pada perhitungan medan magnet rerata B. Perhitungan B dengan menggunakan program GENSPEO yang didasarkan pada lintasan partikel yang sebenarnya lebih akurat dibandingkan program BCALC yang berdasar lintasan berbentuk lingkaran. Selisih jumlah arus pembangkit magnet antara model magnet yang didekati menuju isokronos dengan BCALC dan GENSPEO diperoleh sebesar 126 amper, sedangkan selisih dimensi sisi hill diperoleh sekitar 1 sampai 4 mm. Kata kunci : isokronous, analisis medan, BCALC, GENSPEO, magnet siklotron. ABSTRACT COMPARISON OF CYCLOTRON MAGNET DESIGN ANALYSIS WITH BCALC AND GENSPEO. A study to compare the cyclotron magnet design analysis with BCALC and GENSPEO has been carried out. In the design or manufacture of the cyclotron magnet, magnet distribution data from simulation or measurement results should be analyed in order to get isochronous and have a good focusing. Analysis of magnetic field data can be performed with GENSPEO or BCALC programs. Comparing the results of these analysis programs is important to know which one is better, so it can be used as a reference in designing of cyclotron magnet. The results of this study showed that the difference of these cyclotron magnet data analysis is in the calculation of the average magnetic field B. Calculations of B using GENSPEO program based on the real particle trajectories which do not form a perfect circle is more accurate than BCALC program, where the particle trajectories are assumed to be perfect circles. The difference of excitation current between magnetic models approached towards isochronous with BCALC and GENSPEO is about 126 amperes, while the difference in the dimensions of the hill are about 1 to 4 mm. Keywords: isochronous, field analysis, BCALC, GENSPEO, cyclotron magnet. PENDAHULUAN S iklotron merupakan suatu alat untuk meningkatkan energi partikel bermuatan (akselerator) dengan lintasan partikel berbentuk lingkaran/siklik. Partikel bermuatan yang dihasilkan siklotron digunakan untuk memicu terjadinya interaksi atomik atau interaksi nuklir pada target yang ditembakkan. Pada awalnya, siklotron digunakan dalam penelitian fisika nuklir misalnya untuk menemukan isotop baru atau struktur baru dari suatu inti. Dalam perkembangannya siklotron telah banyak digunakan di berbagai bidang salah satunya adalah bidang kesehatan. Pemanfatan siklotron di bidang kesehatan dapat digunakan sebagai alat terapi proton dan dijumpai pada alat Vol. 14, November 212 : deteksi kanker Positron Emmision Tomography (PET). Peran siklotron dalam PET adalah sebagai penghasil radioisotop berumur pendek. Radioisotop tersebut diikatkan pada senyawa yang dapat diserap oleh tubuh sehingga menjadi senyawa bertanda, misalnya 18 FDG (fluoro-deoxy-glucose). [1] Di dalam tubuh, positron yang dipancarkan radioisotop tersebut akan dianihilasi oleh elektron dalam jaringan tubuh, menghasilkan 2 sinar gamma berlawanan arah dengan energi yang sama (sekitar 511 kev) yang dapat dideteksi oleh PET scanner. Siklotron untuk PET, pada umumnya menghasilkan proton dengan rentang energi 9 MeV s.d. 18 MeV. Siklotron terdiri dari beberapa komponen diantaranya adalah sistem magnet, sistem vakum, sistem RF, sumber ion dan sistem target. Magnet 82

2 merupakan salah satu komponen penting dalam siklotron karena berfungsi sebagai pembelok partikel sehingga lintasannya melingkar. Selain itu medan magnet berfungsi untuk pemfokusan berkas partikel sehingga berkasnya tidak hilang. [2] Agar magnet dapat memberikan pemfokusan yang baik maka kutub magnet siklotron dibuat sektor-sektor. [3] Percepatan partikel pada siklotron terjadi karena adanya medan listrik bolak balik pada dee dengan frekuensi pada daerah frekuensi radio (RF). Agar partikel pada siklotron selalu mengalami percepatan maka frekuensi medan listrik harus konstan. Akan tetapi frekuensi medan listrik sebanding dengan medan magnet dan berbanding terbalik dengan faktor relativistik. Oleh karena terjadi peningkatan kecepatan partikel, maka faktor relativistik menjadi bertambah. Dengan demikian medan magnet harus bertambah ke arah radial untuk mengimbangi penambahan faktor relativistik atau dikenal dengan istilah isokronous. Dalam desain ataupun pembuatan magnet siklotron, data hasil simulasi ataupun hasil pengukuran medan magnet harus dianalisis agar isokronous dan memiliki pemfokusan yang baik. Saat ini ada beberapa program untuk menganalisis medan magnet untuk siklotron diantaranya adalah BCALC [4] dan GENSPEO [5]. Karena pentingnya perangkat lunak untuk menganalisis medan magnet, maka perlu dilakukan perbandingan hasil analisis kedua program tersebut untuk mengetahui mana yang lebih sesuai untuk mendesain magnet siklotron 13 MeV. TEORI DASAR Gerak partikel pada siklotron dipengaruhi oleh gaya Lorent yang dinyatakan dalam persamaan 1 r r r r F = q E + v B (1) ( ) dengan q muatan partikel, E r vektor medan listrik, v r vektor kecepatan partikel dan B r vektor medan magnet, sedangkan frekuensi revolusi (f) partikelnya dibuat konstan dan memenuhi persamaan 2 qb qb f = = = konstan (2) 2πm 2πγ m o dengan m massa partikel, γ faktor relativistik dan m o massa diam partikel. Frekuensi medan listrik bergantung pada frekuensi revolusi dan harmonik yang digunakan. Dari persamaan 2, tampak bahwa dengan bertambahnya γ sebagai akibat peningkatan energi partikel, maka B harus bertambah. Dengan demikian medan magnet B harus bertambah secara radial. Indeks medan (n) didefinisikan untuk menyatakan perubahan B secara radial dan dinyatakan dalam persamaan [2] n R B B r = (3) dengan R jari-jari kutub dan B medan magnet ke arah aksial. Pemfokusan partikel ke arah aksial pada siklotron dinyatakan dalam frekuensi pemfokusan aksial (ν ) yang didefinisikan sebagai perbandingan frekuensi osilasi aksial terhadap bidang tengah (ω ) dan frekuensi revolusi partikel (ω o ). Demikian juga pemfokusan partikel ke arah radial dinyatakan dalam frekuensi pemfokusan radial (ν r ) yang didefinisikan sebagai perbandingan frekuensi osilasi radial terhadap normal orbit (ω r ) dan frekuensi revolusi partikel (ω o ). Semakin besar ν dan ν r semakin besar pemfokusan. Untuk kutub magnet tanpa sektor frekuensi pemfokusan aksial dinyatakan dalam persamaan ν, (4) = ω ω = o sedangkan frekuensi pemfokusan radial dinyatakan dalam persamaan [2] r n ωr = = 1 n ω ν.(5) Penambahan B secara radial atau n < mengakibatkan ν imajiner atau partikel mengalami penyebaran ke arah aksial seperti ditunjukkan pada Gambar 1. [2] Dengan memenuhi medan magnet isokronous, partikel mengalami penyebaran ke arah aksial yang berpotensi kehilangan berkas partikel. Oleh karena itu medan magnet dibuat sektor-sektor untuk memberikan pemfokusan aksial pada partikel seperti ditunjukkan pada Gambar 2. [3] Setiap sektor terdiri dari satu hill dan satu valley Frekuensi pemfokusan aksial pada magnet sektor dinyatakan dalam persamaan [3] ( B B )( B B ) H V ν = n + (6) 2 B dengan B H medan hill, B V medan valley dan B medan rata-rata. Dari persamaan (6), nilai ν dapat ditingkatkan dengan memperbesar selisih B H dan B V. o PERBANDINGAN ANALISIS DESAIN MAGNET SIKLOTRON DENGAN BCALC DAN GENSPEO Taufik, dkk 83

3 Gambar 1. Pengaruh db(r)/dr terhadap pemfokusan partikel. Gambar 2. Sector focusing. Desain model magnet Simulasi 3 dimensi Data medan magnet Analisis data dengan BCALC Analisis data dengan GENSPEO T medan isokronous Y Bandingkan medan isokronous Y T Simpulkan Gambar 3. Diagram alur penelitian. METODOLOGI Dalam penelitian ini, data distribusi medan magnet diperoleh dari hasil simulasi 3 dimensi dengan menggunakan program opera-3d dan modul TOSCA. Data hasil simulasi tersebut diinputkan pada program BCALC dan GENSPEO untuk mencari medan rata-rata fungsi jari-jari, medan rata-rata fungsi jari-jari tersebut harus Vol. 14, November 212 : memenuhi isokronous. Jika belum menenuhi isokronous, maka model magnet diubah dan disimulasi lagi. Jika data medan magnet memenuhi isokronous pada salah satu program analisis, maka selanjutnya dibandingkan untuk mengetahui perbedaan perhitungan medan rata-rata, frekuensi pemfokusan aksial dan frekuensi pemfokusan radial. Diagram pelaksanaan penelitian ditunjukkan pada Gambar 3. 84

4 HASIL DAN PEMBAHASAN Dari hasil analisis data magnet dengan menggunakan program BCALC, diperoleh data medan magnet rata-rata yang mendekati isokronous seperti ditunjukkan pada Gambar 4. Dari Gambar 4, selisih medan hasil simulasi dan medan isokronous cukup kecil, yaitu ±2 gauss. Namun apabila data tersebut dianalisis dengan menggunakan program GENSPEO, maka selisih medan magnet rerata dan medan isokronous menjadi besar, yaitu ±175 gauss seperti ditunjukkan pada Gambar 5. Perbedaan besar antara hasil analisis dengan program BCALC dan GENSPEO sangat jelas terlihat pada perhitungan medan magnet rata-rata, sedangkan pada perhitungan ν r dan ν, perbedaannya hanya sedikit. Perbedaan ini didapat karena program BCALC dan GENSPEO menggunakan metode yang berbeda dalam menghitung medan magnet rata-rata. Perhitungan medan magnet rata-rata B pada program BCALC dilakukan dengan merata-ratakan medan arah B Z (r,θ) pada jari-jari yang sama dan dinyatakan dalam persamaan 7. B 1 2π 2π () r = B ( r, θ ) dθ (7) B(r)(tesla) 1,296 1,294 1,292 1,29 1,288 1,286 1,284 1,282 1,28 1,278 1,276 1,274 medan hasil simulasi medan isokronous,5,1,15,2,25,3,35,4,45 (a) medan rata-rata fungsi jari-jari νr 1,62 1,53 1,44 1,35 1,26 1,17 1,8,999,99,981,972,4,8,12,16,2,24,28,32,36,4 (b) frekuensi pemfokusan radial fungsi jari-jari,54,48,42,36,3 ν,24,18,12,6 -,6,5,1,15,2,25,3,35,4,45 (c) frekuensi pemfokusan aksial fungsi jari-jari Gambar 4. Hasil analisis data dengan program BCALC. PERBANDINGAN ANALISIS DESAIN MAGNET SIKLOTRON DENGAN BCALC DAN GENSPEO Taufik, dkk 85

5 1,3 1,6 B(r)(tesla) 1,295 1,29 1,285 medan hasil simulasi νr 1,4 1,2 1 1,28 1,275 medan isokronous,5,1,15,2,25,3,35,4,45 (a) medan rata-rata fungsi jari-jari.98,5,1,15,2,25,3,35 (b) frekuensi pemfokusan radial fungsi jari-jari (c) frekuensi pemfokusan aksial fungsi jari-jari Gambar 5. Hasil analisis data dengan program GENSPEO. Pengaruh adanya sektor pada magnet siklotron mengakibatkan medan magnet hill lebih besar dibanding medan magnet valley. Karena jarijari pembelokan (ρ) partikel berbanding terbalik dengan medan magnet, maka berdasarkan persamaan mv ρ = (8) qb jari pembelokan pada hill (ρ H ) lebih kecil dibandingkan dengan jari-jari pembelokkan pada valley (ρ V ). Untuk mengetahui lintasan partikel energi tertentu pada magnet sektor, maka dilakukan simulasi lintasan partikel dengan menggunakan perangkat lunak opera3d dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar 6. Dari Gambar 6 terlihat bahwa lintasan partikel tidak membentuk lingkaran sempurna, jari-jari lintasan bergantung pada medan magnetnya. Perhitungan B akan lebih tepat dilakukan pada lintasan yang dilewati partikel. Dengan demikian metode perhitungan GENSPEO lebih akurat dibandingkan dengan metode perhitungan BCALC. Karena perhitungan B dengan GENSPEO belum mendekati medan magnet isokronous, maka model magnet diubah dan disimulasi lagi sehingga diperoleh model magnet yang memiliki B mendekati isokronous. Hasil analisis GENSPEO dari model magnet yang diperbaiki ditunjukkan pada Gambar 7. Dari Gambar 7, selisih maksimum medan magnet rerata dan medan magnet isokronous menjadi ±2 gauss lebih kecil dari sebelumnya, yaitu 175 gauss. Adapun perubahan model magnet dilakukan dengan mengubah jumlah lilit amper, yang sebelumnya 78,354 lilit amper menjadi 78,48 lilit amper dan mengubah dimensi hill. Perubahan dimensi hill ditunjukkan pada Gambar 8 di mana garis putusputus menyatakan dimensi model magnet sebelumnya dan garis penuh menyatakan dimensi model magnet yang telah diperbaiki. Perbedaan sisi hill model magnet sebelumnya dengan model yang telah diperbaiki sekitar 1 mm s/d 4 mm. Vol. 14, November 212 :

6 hill trajectory valley Gambar 6. Simulasi lintasan partikel pada magnet sektor. 1,3 B(r)(tesla) 1,295 1,29 1,285 1,28 1,275 1,27,5,1,15,2,25,3,35,4,45 (a) medan rata-rata fungsi jari-jari (b) frekuensi pemfokusan radial fungsi jari-jari (c) frekuensi pemfokusan aksial fungsi jari-jari Gambar 7. Hasil analisis GENSPEO model magnet yang diperbaiki. PERBANDINGAN ANALISIS DESAIN MAGNET SIKLOTRON DENGAN BCALC DAN GENSPEO Taufik, dkk 87

7 Vol. I,North-Holland Pub. Co, Amsterdam, Gambar 8. Perbedaan dimensi hill pada model magnet yang diperbaiki. KESIMPULAN Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa perbedaan dari analisis data magnet siklotron dengan BCALC dan GENSPEO terlihat jelas pada perhitungan B. Perhitungan B dengan menggunakan program GENSPEO yang didasarkan pada lintasan partikel yang tidak membentuk lingkaran sempurna lebih akurat dibandingkan program BCALC. Selisih jumlah arus pembangkit magnet antara model magnet yang didekati menuju isokronous dengan BCALC dan GENSPEO diperoleh sebesar 126 amper, sedangkan selisih sisi dimensi hill antara 1 sampai 4 mm. DAFTAR PUSTAKA Hill [1] EBERI, S., et.al., High beam current operation of a PETtrace TM cyclotron for 18 F production, Elsevier Ltd, Applied Radiation and Isotopes, Volume 7, Issue 6, June 212,, Pages [2] LIVINGOOD J.J., Principles of Cyclic Particle Accelerators, D. Van Nostrand Co. Inc, New York London, [4] FRANCO J, et.al., BCalc - A Computer Program for Processing the Cyclotron Magnetic Structure Measurement Data, Journal of Electrical Engineering, Vol. 56, NO. 1-2, 25, [5] AN, D.H., et.al., The Stripping Extraction System in The KIRAMS-13 Cyclotron, Proceedings of APAC 24, Gyeongju, Korea, [6] GORDON, M.M., Computation of Closed Orbits and Basic Focusing Properties for Sector-Focused Cyclotrons and The Design of Cyclops, Particle Accelerators, 1984 Vol. 16 pp TANYA JAWAB Silakhuddin Apakah dengan data-data dan (sebagai fungsi radius) sudah cukup untuk meyakinkan bahwa sudah tidak terjadi resonansi antara osilasi ke arah dan r, jika tanpa menyajikan tune diagram? Taufik Untuk energi partikel 13 MeV data medan rerata fungsi, dan sebagai fungsi radius r sudah cukup untuk meyakinkan tidak terjadi resonansi, asalkan mendekati isokronus ± 2 gauss dan grafik hanya sekali melintas garis 1 pada daerah r < 9 mm. Bila dibuat grafik terhadap data yang disajikan melintasi daerah resonan 1 sekali pada daerah r < 9 mm (daerah bump). [3] RICHARDSON, J.R., Sector Focusing Cyclotrons, Prog. in Nucl. Tech. and Instr. Vol. 14, November 212 :