124 ISSN 0216-3128 Aminus Salam, d/(k. PERHITUNGAN PARAMETER MEDAN SUDUT BELOK BERKAS ELEKTRON PENGARAH MBE 500 key/ 10 ma MAGNET DAN P ADA SISTEM Aminus Salam, Djoko SP P3TM -BATAN ABSTRAK PERHITUNGAN PARAMETER MEDAN MAGNET DAN SUDUT BELOK BERKAS ELEKTRON PADA SISTEM PENGARAH MBE 500 kev/ 10 IlIA. Te/ah di/akukan perhitungan parameter medan magnet dan sudut be/ok berkas e/ektron pada sistem pengarah MBE 500 kev / /0 ma. Dasar perhitungan dengan menggunakan teori kumparan se/enoid. Kumparan se/enoid dipasang saling berhadapan tegak lurus tabung berkas e/ektron. Untuk memperoleh medan magnet maksimum pada sumbu berkas e/ektron ber/aku hubungan B /(1), dengan memvariasi arus kumparan I dari 0,1 sid 5 A diperoleh medan magnet B yang dapat digunakan untuk mencari besar sudut be/ok berkas e/ektron pada medan magnet berdasarkan kaidah gaya Lorentz gaya sentrifuga/ dan berlaku hubungan a /(B). Dari hasil perhitungan diperoleh B 7,28 Gal/Ss dan a 0,0430 pada arus kumparan I 2 A, sehingga akan diperoleh B (.10 Gauss) dan a makin besar apabi/a I > 2 A. Hasi/ perhitungan ini berman/gat untuk rancangan kumparan se/enoid untuk sistem pengarah MBE. ABSTRACT THE CALCULATION OF MAGNET FIELD AND DEFLECTION ANGLE PARAMETER OF ELECTRON BEAM FOR STEERING SYSTEM OF EBM 500 kev 110 nla. The calculation of magnetic field (B) and deflection angle(a) o/parameters electron beamfor steering system ofebm 500 kev / 10 ma has been done. The calculation based on the theory of selenoid coil. The selenoid coils are constructed perpendicular to electron tube. To find a maximum magnetic field (Bma."!) at the beam axis use the relation betwen Band selenoid current B f(i). With I variation from 0.1 to 5 A the yielded B can be applied for calculate the deflection angle of beam in the magnetic field based on the theory of Lorentz force and centrifugal force. because this angle is a function of magnetic field (a f(b)). From the calculation fields B 7.28 Gauss and a 0.043 at I 2 A. In order to get beam deflection. the coil current must be greater than 2 A and B must be greater than JOG. The result of the calculation supports the design of steering system for the EBM. PENDAHULUAN D alam penggunaan MBE diharapkan sasaran yang diiradiasi harus tepat mengenai sasarannya serta intensitas berkas elektron diharapkan maksimum mencapai target sasaran dalam pembuatan MBE 500 kev/io ma. Agar dapat mencapai target yang maksimum diperlukan sistem pemfokus clan pengarah berkas elektron, lintasan berkas elektron pada tabung stainless steel dengan diameter tabung II Cm clan panjang 120 Cm. Untuk ini dilakukan perhitungan parameter medan magnet (B) clan sudut belok (a) berkas elektron pada pengaruh berkas elektron dengan menggunakan kumparan selenoid dengan jumlah lilitan 1432, lebar kumparan 10 Cm clan panjang 10 Cm. Kumparan selenoid dialiri arus I clan dengan menggunakan perhitungan medan magnet pacta selenoid diperoleh medan magnet B. di sumbu lintas berkas elektron. Adanya medan magnet pada lintasan berkas elektron maka lintasan elektron akan terjadi pembelokan (sudut pembelokan tergantung besar medan magnet (B). Menurut hukum Lorentz pada gerak elektron dalam medan magnet akan sarna dengan besar gaya medan magnet itu sendiri. Dengan menggunakan rumusan matematika dapat dicari besar medan magnet akibat adanya arus listrik pada kumparan selenoid sehingga dapat dicari grafik hubungan I versus B demikian juga hubungan grafik medan magnet versus sudut pembelokan. TEORI Pada lintas berkas elektron pada Mesin berkas elektron 500 kev/lo ma dipasang sistem pengarah yang berupa kumparan selenoid dipasang satu pasang pada lintas berkas elektron dimana telah dibuat kumparan selenoid dengan jumlah lilitan 1342 dengan dialiri arus I amper akan Prosiding Pertemuan dan Presentasl IImlah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta. 27 Junl 2002
4 A minus Salam, dkk. ISSN 0216-3128 125 diperoleh induksi magnet B, dengan adanya medan magnet B akan mempengaruhi besar simpangan berkas elektron. Untuk ini akan dibahas pertama sistem medan magnet pada kumparan selenoid kedua besar simpangan berkas elektron MBE karena pengaruh medan magnet B.. Sistem Medan Magnet Kumparan Selenoida Medan magnet sepanjang selenoid dengan panjang kumparan 1 dan diameter lilitan 2a dapat diperoleh besar induksi magnet B terhadap sumbu z pada titik P(x,y,z) dimana r» a, R1» a dan R2» a seperti pada Gambar I. Sehingga B- Rlr -r'l Xx + yy+ Z(Z -Z) (3) 2 1/2 R ~V f -2ZdZ' R ~v - 4 4-1/2 2 1/2 J --2 -(~-Z1!!!!' -.1/2 [X + Y +(Z-Z'rr/2 2 -_!!.-!.!!-E.!1. V 2]-1/2 1 1/2 [ X2 + y2 + (z -Z) -II -4 -~[v(*)j~' P(x,y,z) -~!!.&v [~-~ 4 R. ~ (4) Dimana: R1 jarak bagian atas kumparan selenoid ter. hadap titik P. R2 jarak bagian bawah kumparan seieloid terhadap titik P,( Dalam permasalahan ini titik P yang dilakukan -2a pemahaman terletak diluar kumparan selenoid atau (r» 1) maka Gambar.l. Kumparan se/enoida. R,-' ~ r-1 [1 +(I/2r)Cos8] Untuk panjang segmen dz dengan kumparan/lilitan Ndz yang dialiri arus I, besar momen dipole magnet adalah m z NI dz ;r d dengan potensial A dapat diperoleh B 6. x A maka hubungan B dan m secara langsung dituliskan dengan mengambil db pad a titik P adalah sebagai berikut dimana R jarak elemen magnet sampai titik P dan RZ-' ~ r-1 [1 + (1/2 r) COg e (5) Sehingga dapat diperoleh B- NJ~~V(~) (6) Maka besar Medan magnet dititik P adalah R R2 V(R-1 ) -~ --- "RT B-"'--.uO(N/1ra2J)[ ;~+O~] 41C (7) Sehingga dapat dituliskan Nilai R adalah B &v 1 V(~) Z2 NJ 1ra2 dz 4;r," R (2) Pembe/okan Berkas E/ektron Ptlda Met/tin Magnet Apabila elektron melintasi pacta medan magnet homogen maka akan terjadi penyimpangan berkas ditunjukkan pacta Gambar 2, besar simpangan tergantung dari besamya medan magnet. Dalam --- Prosldlng Pertemuan dan Presentasilimiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002
126 ISSN 0216-3128 A minus Salam, dkk. gerak partikel 1. pacta medan magnet maka berlaku gaya magnetik (F Lorentz) gaya sentrifugal, dim ana gaya Lorentz adalah : F q v B, sedangkan gaya sentrifugal adalah F mv2lr, panjang lintasan pacta selenoid adalah f, un~k pembelokan yang kecil sudut belokannya adalah : a.,., fir (dimana r q.b f I m. v) sehingga dapat dituliskan besar sudut pembelokan adalah : v~-- xxxxx xxxxx a qbf./m.v B Ix x x x x x x x x x x x x x x xxx x x xx xxx xxx xxx xxxi x x x x'; x xx X x xx x xxx xxx xxx xxx xx xxx xxx xxx xxx xx xx~ xxx xx '(8) titik P terletak pada tengah-tengah antara dua selenoida (dimana kumparan selenoida disusun menempel tabung berkas) agar supaya diperoleh B maksimal pada sumbu berkas elektron. Dengan menggunakan persamaan (6) diasumsikan () 0 sehingga diperoleh persamaan sebagai berikut dimana 1'0 N I a I r B- 2X~(NIJra21) [r~ r3 (9) f. B besar permiabilitas ruang hampa 1,2566 x 10-6 H-m-i Jumlah lilitan 1432 Arus I (variasi 0,5 sid 1 ampere) Jari-jari kumparan selenoida 5 Cm panjang lintasan 10 cm Jarak selenoid terhadap titik P 5,5 cm sudut terhadap sumbu z 00 Gambar 2. Sudut pembe/okan akibat gerak e/ektron pada medan magnet (B). dengan memasukkan nilai-nilai diatas dapat diperoleh TATAKERJA 36,418 X 10-5 X Pad a lintas berkas elektron dibuat dari bahan logam stainless steel berbentuk tabung dergan panjang 110 cm clan tebal 1 cm dan diameter luar tabung 11 Cm. Apabila berkas elektron melintasi tabung berkas menuju ketarget, agar supaya berkas elektron dapat mencapai target bahan yang akan dikenai sasarannya maka lintas berkas tersebut harus dipandu atau diarahkan. Kumparan selenoida digunakan sebagai pengarah berkas, sebagai pengarah kumparan selenoid disusun satu pasang atas dan bawah atau samping kanan dengan samping kiri seperti pad a Gambar 3. BASIL DAN PEMBABASAN Dengan menggunakan rumus dari hasil perhitungan diatas kemudian dimasukkan parameter-parameter yang ada dengan kumparan selenoid dialiri arus I bervariasi dari 0, I ampere sid 5 ampere maka dapat diperoleh kuat medan magnet di titik P (Bp). Dari hasil perhitungan diatas (diperoleh hubungan Arus I dengan B) grafik hungungan I dan B ditunjukan pada Gambar 4. Ubung bcrlcas clcl<;tron 0 1 2 3 Aru. (Ampec) 4 5 Gambar 3. Sistem pengarah MBE 500 kev/jo ma Gambar 4. Grajik hubun,i,'qn besar aru:,' versus medan magnet. Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelltian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002
~./,,/ ~ A minus Salam, dkk. ISSN 0216-3128 127 Dengan diperoleh besar medan magnet fungsi arus maka dapat diperoleh sudut simpangan (a) yang sebanding dengan fungsi B dengan menggunakan persamaan : dim ana a B qbf. mv Sudut pembelokan muatan elektron, 1,6 x 10-19 Coulomb Medan magnet panjang lintasari 10 cm massa elektron 9,1 x 10-31 kg kecepatan elektron 3 x 108 m/dt dengan nilai B bervariasi seperti hasil diatas, maka dapat diperoleh besar sudut simpangan. dan dari hasil perhitungan diatas (diperoleh hubungan B dengan sudut simpangan a) grafik hubungan B dengan a adalah seperti yang dilukiskan pada Gambar 5. K y- ~ 5 10 is 20 M.d.n Ma~ (Gau..) Gambar 5. Grafik hubungan besar medan magnet versus sudut pembe/okan. Oari hasil yang telah diperoleh hasil perhitungan untuk mencari besaran medan magnet dan sudut beloknya masing-masing, diperoleh pola bahwa makin besar arus yang dialirkan makin besar B yang diperoleh, demikian pula makin besar B akan diperoleh sudut belok yang makin besar. Arus pada kumparan selenoid > 2 A akan terlihat makna bahwa sistem pengarah diatas akan lebih baik. KESIMPULAN Telah berhasil dilakukan perhitungan parameter medan selenoid clan sudut belok berkas elektron pada sistem pengarah MBE 500 kev/io ma, dengan menggunakan satu pasang kumparan selenoid dengan jumlah lilitan masing-masing N 1324. Medan magnet (B) diperoleh dari perhitungan kumparan selenoid dimana I bervariasi 0,1 sid 5 A dan akhimya dapat dihitung besar simpangan lintasan berkas elektron a. Variasi simpangan a diperoleh dengan memvariasi B yang diakibatkan variasi arus I basil yang diperoleh menunjukkan bahwa B > 7,28 dan a > 0,043 pacta I > 2A. Hasil perhitungan B dan a ini mendukung basil rancangan selenoid yang telah dibuat sebelumnya dan juga sangat mempunyai arti yang penting dalam rancangan kumparan selenoid lebih lanjut untuk sistem pengarah berkas elektron. UCAP AN TERIMAKASIH Pada kesempatan ini kami mengucapkan banyak terima kasih kepada Bpk Badi Wiyana dan Bpk Ngatinu star kelompok Instrumentasi Akselerator yang telah membantu kelancaran hingga terwujudnya makalah ini DAFTARPUSTAKA 3. 4. MACHI, S., New Trends in Industrial Application of Electron Beam Machine, Japan atomic Energy Reasearch Institute, Takasaki Radiation Chemestry Research Establishment, Proceding of The Workshop on The Utilization of Electron Beams, JAERI, (1990),24-38. Prosiding PPI "TEKNOLOGI A KSELERA TOR DAN APL/KASINYA", Vol. 1 No. I Pusat Penelitian dan Pengembangan Teknologi Maju BATAN Yogyakarta, 1999. UMRAN S. INAN, AZIZ S. INAN, Engineering Electromagnetics, Addison Wesley, Tokyo, Mexico City (1999). M. STANLEY LIVINGSTON, JOHN P. BLEWELL., Particle Accelerator, McGraw Hill Book Company New York, London (1962). TANYAJAWAB Agus Purwadi -Bagaimana cara anda menyusun medan magnet dalam tabung berkas tersebut sedemikian sehingga diperoleh hasil arah berkas yang optimum. Prosiding Pertemuan dan Presentasilimiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nukllr P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Junl 2002
128 ISSN 0216-3128 Afninus"Salam, dkk. Aminus Salam -Kumparan solenoid ada 4 (2 pasang),.satu pasang disusun pada ayah vertikal dan satu pasang disusun pada ayah horisontal yang saling berhadapan dimana masing-masing kumparan solenoid tersebut pada posisi menempel tabung berkas elektron. Djoko Sujono -Mohon dijelaskan, apakah B dan a yang dipakai itu maksimum atau optimum, mengapa? Aminus Salam -Kumparan solenoid digunakan untuk sistem pengarah berkas, agar supaya elektron terarah (tidak menyebar) dengan harga B yang sesuai untuk mengarahkan, apabila berkas elektron membentuk sudut a terhadap sumbu tabung, sehingga berkas elektron (hampir) sejajar sumbu tabung, jadi B dan a belum tentu maksimum. ;:t:::1:' Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta. 27 Juni 2002