OPERASI MESIN BERKAS ELEKTRON (MBE) PTAPB BATAN TIPE BA 350 kev / 10 ma A. PENDAHULUAN Pada umumnya suatu instrumen atau alat (instalasi nuklir) yang dibuat dengan didesain atau direncanakan untuk dapat beroperasi secara tepat pada suatu nilai tertentu dan dapat menjamin bahwa instrumen tersebut dapat beroperasi dengan benar dan aman. BAPETEN adalah badan pengawas yang bertugas mengawasi tentang ketenaganukliran, ada tiga persyaratan yang harus dipenuhi bilamana suatu instrumen (instalasi nuklir) tersebut dioperasikan : 1. Ijin BAPETEN (prosedur operasional) 2. Sumber Daya Manusia (SDM) 3. Memiliki peralatan keselamatan Mesin Berkas Elektron (akselerator elektron) merupakan instrumen nuklir untuk mempercepat berkas elektron. Besar energi dan arus berkas elektron yang dihasilkan dapat diatur dengan spesifikasi MBE. Untuk MBE di PTAPB berdasarkan rancangan mempunyai energi dan arus berkas elektron 350 kev / 10 ma. Pengoperasian MBE hanya dapat dilaksanakan dengan melalui beberapa tahap kegiatan secara berurutan, yaitu persiapan, pemeriksaan awal atau check list, pengkondisian sistem vakum, sistem optik (pemfokus, pengarah dan pemayar), sumber tegangan tinggi (pemercepat) dan sumber elektron. Setelah pengkondisian tersebut dilanjutkan dengan pengoperasian mesin berkas elektron yaitu dengan mengeluarkan berkas elektron dari sumber elektron dan mengatur sumber tegangan tinggi sebagai tegangan pemercepat serta sistem optik. Disamping itu, dalam pengoperasian juga harus dilakukan pengaturan kecepatan konveyor berkaitan dengan dosis yang dikehendaki. Untuk mengatur dosis iradiasi yang diperlukan dilakukan dengan mengatur besar arus berkas elektron dan laju kecepatan konveyor. Semua pengaturan ini dapat dilakukan dengan mengatur parameter operasi melalui panel operasi pada konsul panel. Parameter operasi setiap tahap harus dicatat karena berkaitan dengan operasi tahap berikutnya, data-data tahapan operasi ini sangat diperlukan untuk acuan pengoperasian berikutnya dan untuk identifikasi kerusakan dalam perawatan mesin berkas elektron. Untuk setiap bagian atau sistem dari mesin berkas elektron yang berkaitan dengan keselamatan, baik keselamatan orang maupun mesin atau alat dilengkapi dengan sistem interlock. Interlock ini telah diatur pada posisi batas dari 1 Operasi Mesin Berkas Elektron (MBE) PTAPB BATAN Tipe BA 350 kev / 10 ma
parameter operasi bagian atau sistem tersebut untuk mencegah terjadinya penyimpangan kondisi operasi sehingga tidak terjadi kerusakan. Walaupun demikian, operator harus memahami prosedur operasi dan cara pengoperasiannya agar dapat terjamin keselamatan operasi dan tidak terjadi kesalahan yang dapat menyebabkan kerusakan pada mesin berkas elektron. Seluruh data-data pengoperasian harus dicatat dalam log book. Data-data ini disimpan sebagai dokumen yang dapat digunakan sebagai acuan, baik untuk keperluan pengoperasian berikutnya, maupun untuk keperluan perawatan. Adapun secara skematis mesin berkas elektron di PTAPB ditunjukkan pada Gambar 1. Keterangan : 1. Sumber tegangan tinggi 2. Sumber elektron (electron gun) 3. Tabung akselerator terisolir 4. Magnet pemayar 5. Corong pemayar 6. Jendela pemayar 7. Pompa turbomolekular 8. Sumber tegangan 9. Pompa rotari 10. Konveyor Gambar 1. Skema Mesin Berkas Elektron 2 Operasi Mesin Berkas Elektron (MBE) PTAPB BATAN Tipe BA 350 kev / 10 ma
B. TUJUAN Tujuan dari praktikum pengoperasian ini adalah agar peserta dapat mengoperasikan MBE dengan benar dan mengerti tentang tanggung jawab pelaksanaan operasi MBE serta pekerjaan yang berhubungan dengan operasi MBE. C. PRINSIP KERJA MBE Prinsip kerja MBE secara umum adalah berkas elektron dihasilkan oleh sumber elektron dimasukkan ke tabung pemercepat untuk dipercepat sampai dengan energi yang diinginkan sesuai dengan kemampuan sistem pemercepatnya. Untuk mempercepat berkas elektron ini, diperlukan sumber tegangan tinggi sebagai tegangan pemercepat yang dipasang pada elektrode pemercepat. Berkas elektron ini kemudian difokuskan, diarahkan dan dimayarkan dengan sistem optik (sistem pemfokus, pengarah dan pemayar) kemudian dikeluarkan melalui jendela (window) menuju target yang diiradiasi. Pada saat operasi, lintasan berkas elektron di dalam mesin berkas elektron (MBE) harus pada kondisi hampa, yaitu pada tingkat kehampaan sekitar 10-5 mbar agar tidak terjadi hambatan berkas elektron dari sumber elektron menuju window. Makin tinggi tingkat kehampaan, makin baik untuk operasi mesin berkas elektron karena makin kecil hambatan yang terjadi. Setelah keluar melalui jendela, berkas elektron digunakan untuk mengiradiasi target yang diletakkan setelah window pada tekanan atmosfir, maka target yang diiradiasi didekatkan pada jendela dengan mempertimbangkan hembusan yang terjadi oleh udara pendingin jendela. 3 Operasi Mesin Berkas Elektron (MBE) PTAPB BATAN Tipe BA 350 kev / 10 ma
D. DATA PENGAMATAN Suhu ruangan : 22 0 C Kelembaban relatif : 70 % Suhu pendingin osilator : 10 0 C Tekanan udara kompressor : 7,8 kg/cm 2 Kevakuman : 4,1.10-6 mbar Laju paparan Sebelum operasi : 0,008 mr/jam Pada saat operasi : 0,012 mr/jam No. Waktu (detik) Arus Target (µa) Arus Coulomb (µa) Kevakuman (mbar) 1 0 250 30 6.1 x 10-6 2 150 220 30 6.1 x 10-6 3 300 210 30 6.1 x 10-6 4 450 200 30 6.1 x 10-6 5 600 200 30 6.0 x 10-6 6 750 180 32 6.1 x 10-6 7 900 160 32 6.0 x 10-6 8 1050 150 32 6.0 x 10-6 9 1200 150 30 5.9 x 10-6 10 1350 150 30 5.9 x 10-6 E. PEMBAHASAN Praktikum ini bertujuan dari agar mahasiswa dapat mengoperasikan MBE dengan benar dan mengerti tentang tanggung jawab pelaksanaan operasi MBE serta pekerjaan yang berhubungan dengan operasi MBE. Dalam pelaksanaannya, pengoperasian MBE dilakukan untuk mengiradiasi sampel yang berupa polimer, bahan makanan, limbah warna, serta untuk pengukuran dosimeter Fricke dan dosimeter Ceri-Cero. Mesin Berkas Elektron (MBE) adalah suatu peralatan listrik dan elektronik yang mempercepat elektron hasil pemanasan sebuah filamen, dengan medan listrik dari beda potensial atau tegangan yang relatif tinggi sehingga diperoleh elektron berenergi. Elektron tersebut kemudian digunakan untuk meradiasi sampel percobaan. Dengan demikian MBE dapat juga dikatakan sebagai sumber radiasi yang dioperasikan pada tegangan tinggi. Secara garis besar MBE memiliki komponen utama yakni sumber elektron, sumber tegangan tinggi, tabung pemercepat, sistem vakum, sistem optik, konveyor dan 4 Operasi Mesin Berkas Elektron (MBE) PTAPB BATAN Tipe BA 350 kev / 10 ma
instrumentasi kendali. Dimana sistem optik itu sendiri terdiri dari sistem pemfokus, sistem pengarah dan sistem pemayar. Di dalam MBE yang dihasilkan adalah berupa berkas elektron (elektron bebas). Berkas elektron ini dihasilkan oleh sumber elektron yang berupa filamen yang dialiri arus listrik. MBE milik PTAPB dilengkapi dengan dua jenis tegangan, yaitu tegangan terisolir dan sumber tegangan tinggi. Tegangan terisolir berfungsi sebagai penyuplai elektron. Tegangan terisolir (220 V) ini merupakan tegangan yang berdiri sendiri dan tidak boleh terkena medan listrik lingkungan karena fungsinya untuk menyuplai elektron, sehingga tegangan ini harus diberi isolator agar tidak terpengaruh oleh medan listrik dari lingkungan, maupun terpengaruh oleh sumber tegangan tinggi. Sedangkan sumber tegangan tinggi digunakan untuk mempercepat elektron yang telah dihasilkan dari sumber elektron. Elektron-elektron bebas tersebut kemudian dilewatkan melalui tabung pemercepat dimana di dalam tabung pemercepat tersebut berkas elektron didorong dengan katoda pendorong yang mempunyai potensial negatif dan selanjutnya ditarik dengan anoda yang mempunyai potensial positif. Selanjutnya, elektron-elektron dipercepat lagi dengan sumber tegangan tinggi, dimana pada praktikum ini digunakan sumber tegangan tinggi sebesar 300 kv. Di dalam tabung pemercepat ini berkas elektron dinaikkan energinya hingga mencapai energi yang diinginkan. Tabung pemercepat ini juga harus dikondisikan vakum dengan tingkat kevakuman sekitar 10-5 mbar agar tidak terjadi hambatan berkas elektron dari sumber elektron menuju window. Semakin tinggi tingkat kevakuman semakin baik untuk operasi Mesin Berkas Elektron karena semakin kecil hambatan yang terjadi. Elektron yang telah dipercepat kemudian difokuskan dan diarahkan dengan sistem pemfokus dan sistem pengarah berkas. Sistem pemfokus ini berfungsi untuk memfokuskan berkas elektron yang telah dipercepat agar fokus atau mengumpul pada satu titik. Sedangkan sistem pengarah berfungsi untuk mengarahkan berkas elektron yang telah dipercepat agar menjadi satu garis lurus dan berada di tengah, tidak membelok. Berkas elektron yang telah melalui tabung pemercepat serta telah diarahkan dan difokuskan akan mengumpul pada sebuah titik berkas elektron yang memiliki energi yang sangat tinggi yang bahkan dapat menembus logam. Namun MBE di PTAPB ini didesain untuk energi sebesar 300 kev dan arus target sebesar 10 ma. Desain ini termasuk desain untuk MBE energi rendah (100 kev 500 kev). Agar berkas elektron mengenai seluruh bahan yang diiradiasi secara merata, maka setelah keluar dari tabung pemercepat, berkas elektron disapukan menggunakan sistem pemayar (scanning system). Oleh karena itu, di bawah tabung pemercepat dipasang magnet pemayar untuk memayarkan berkas elektron 5 Operasi Mesin Berkas Elektron (MBE) PTAPB BATAN Tipe BA 350 kev / 10 ma
tersebut agar tidak menjadi satu titik. Pada akhirnya berkas elektron yang dimayarkan dengan sistem pemayar tersebut dikeluarkan melalui window menuju bahan atau target yang akan diiradiasi. Material yang diiradiasi dilewatkan di bawah jendela (window) MBE menggunakan sistem ban berjalan atau conveyor. Sebelum MBE dioperasikan, terlebih dahulu dilakukan persiapan dan pemeriksaan awal atau check-list terlebih dahulu. Dari hasil check-list diperoleh data sebagai berikut : Suhu ruangan : 22 0 C Kelembaban relatif : 70 % Suhu pendingin osilator : 10 0 C Tekanan udara kompressor : 7,8 kg/cm 2 Kevakuman : 4,1.10-6 mbar Laju paparan Sebelum operasi : 0,008 mr/jam Pada saat operasi : 0,012 mr/jam Selain itu juga dilakukan check-list terhadap parameter sistem interlock yang meliputi sumber tegangan tinggi (HV), posisi pintu ruang MBE, tombol emergency, blower, tegangan terisolir, konveyor, dan pemayar. Dari hasil check-list tersebut dapat diambil kesimpulan bahwa MBE milik PTAPB - BATAN layak pakai karena sesuai dengan ketentuan yang ada. Hanya saja tingkat kelembaban relatif sedikit di atas batas yang ditentukan, yakni sebesar 70%, padahal ketentuannya adalah antara 50% - 60%. Kondisi ini masih diizinkan mengingat kelembaban relatif ini juga dipengaruhi oleh kondisi lingkungan. Laju paparan sebelum dan selama operasi juga relatif kecil dan masih dalam batas yang diizinkan untuk pekerja radiasi, yakni di bawah 2,5 mr/jam sehingga MBE berada dalam kondisi aman untuk dioperasikan. Pengoperasian MBE dilakukan selama 22,5 menit dengan tegangan sebesar 300 kv. Tegangan ini dibuat tetap (konstan) dan yang diamati adalah mengenai kestabilan sebagai fungsi waktu operasi bagian-bagian operasi MBE, yaitu arus target (µa), arus Coulomb (µa) serta tingkat kevakuman (mbar). Pengamatan dilakukan setiap 2,5 menit. Dalam pelaksanaannya, iradiasi sampel dilakukan sebanyak 2 pass. Hal ini dilakukan agar mengurangi beban alat sehingga alat tidak cepat rusak. 6 Operasi Mesin Berkas Elektron (MBE) PTAPB BATAN Tipe BA 350 kev / 10 ma
Arus Target (µa) Kestabilan Arus Target sebagai Fungsi Waktu Dari hasil percobaan diperoleh data sebagai berikut : Waktu (detik) Arus Target (µa) 0 250 150 220 300 210 450 200 600 200 750 180 900 160 1050 150 1200 150 1350 150 Gambar 2. Hubungan Antara Waktu dengan Arus Target Dari kurva pada Gambar 2 tersebut dapat dilihat bahwa semakin lama waktu pengoperasian MBE, maka arus target yang dihasilkan semakin menurun. Padahal, secara teori pada kondisi tegangan yang tetap (konstan) seharusnya arus target yang dihasilkan juga sama disetiap waktu. Hal ini dapat disebabkan karena sumber elektron yang berupa filamen yang dipanaskan dengan cara dialiri arus listrik secara terus-menerus akan mengakibatkan emisi dari filamen tersebut menurun dan filamen akan semakin meregang. Semakin meregangnya filamen tersebut dapat menyebabkan tahanannya (R) menjadi semakin besar, sehingga elektron yang dihasilkan akan berkurang. Selain itu, penurunan arus target juga dapat dipengaruhi oleh adanya arus Coulomb dan pengaruh tekanan yang berhubungan dengan tingkat kevakuman. 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 Hubungan Antara Waktu dengan Arus Target 0 500 1000 1500 Waktu Operasi (detik) 7 Operasi Mesin Berkas Elektron (MBE) PTAPB BATAN Tipe BA 350 kev / 10 ma
Arus Coulomb (µa) Pengaruh Waktu Terhadap Arus Coulomb Dari hasil percobaan diperoleh data sebagai berikut : Arus Waktu Coulomb (detik) (µa) 0 30 150 30 300 30 450 30 600 30 750 32 900 32 1050 32 1200 30 1350 30 Gambar 3. Hubungan Antara Waktu dengan Arus Coulomb Arus Coulomb dapat mengakibatkan penurunan arus target yang dihasilkan pada saat operasi MBE berlangsung dan arus ini merupakan arus yang tidak diinginkan dalam operasi MBE. Arus Coulomb ini merupakan arus yang muncul karena elektron yang melewati sistem optik (pemfokus) tidak fokus pada satu titik saja. Karena berkas elektron tersebut tidak fokus, maka dalam perjalanannya, elektron tersebut menumbuk dinding tabung pemercepat. Tumbukan elektron dengan dinding tabung pemercepat ini terukur sebagai arus Coulumb. Hubungan Antara Waktu dengan Arus Coulomb 50 Dari kurva pada Gambar 3 di atas, terlihat bahwa terjadi peningkatan arus Coulomb pada saat t = 750 detik, kemudian mulai stabil kembali pada saat t = 1200 detik. Peningkatan ini menyebabkan arus target mengalami penurunan karena ada elektron yang menumbuk dinding tabung pemercepat, sehingga intensitas elektron yang menuju window akan berkurang dan pada akhirnya arus target menjadi menurun. 45 40 35 30 25 20 15 10 0 500 1000 1500 Waktu Operasi (detik) 8 Operasi Mesin Berkas Elektron (MBE) PTAPB BATAN Tipe BA 350 kev / 10 ma
Kevakuman (mbar) (x 10-6) Pengaruh Waktu Terhadap Tingkat Kevakuman Dari hasil percobaan diperoleh data sebagai berikut : Waktu (detik) Kevakuman (mbar) 0 6.1 x 10-6 150 6.1 x 10-6 300 6.1 x 10-6 450 6.1 x 10-6 600 6.0 x 10-6 750 6.1 x 10-6 900 6.0 x 10-6 1050 6.0 x 10-6 1200 5.9 x 10-6 1350 5.9 x 10-6 Hubungan Antara Waktu dengan Kevakuman 10 9 8 7 6 5 4 3 0 500 1000 1500 Waktu (detik) Gambar 4. Hubungan Antara Waktu dengan Kevakuman Selain disebabkan karena meregangnya filamen serta adanya peningkatan arus Coulomb selama pengoperasian, menurunnya arus target juga dapat disebabkan karena pengaruh tekanan terhadap tingkat kevakuman di dalam tabung pemercepat. Sesuai dengan teori yang ada, tabung pemercepat harus dikondisikan vakum dengan tingkat kevakuman sekitar 10-5 mbar agar tidak terjadi hambatan berkas elektron dari sumber elektron menuju window. Apabila tekanan yang diberikan tidak stabil bahkan semakin menurun, maka dapat menyebabkan tingkat kevakuman juga akan menurun. Apabila tingkat kevakuman di dalam tabung pemercepat semakin menurun, maka hal tersebut dapat mengakibatkan hambatan di dalam tabung pemercepat akan semakin besar. Dengan demikian, berkas elektron dari sumber elektron yang menuju window akan bereaksi dengan partikel-partikel ataupun materi yang ada di dalam tabung pemercepat sehingga mengakibatkan arus target yang dihasilkan akan menurun. Dari Gambar 4 dapat dilihat bahwa tingkat kevakuman mengalami penurunan. Namun penurunan tersebut sangatlah kecil, yakni sekitar 10-7 mbar, sehingga tingkat kevakuman pada saat pengoperasian MBE dilakukan dapat dikatakan relatif stabil. MBE milik PTABP BATAN dirancang untuk tenaga sebesar 350 kev / 10 ma. Namun, pada saat percobaan dilakukan hanya dioperasikan pada kondisi kerja dengan tegangan sebesar 300 kv (300 kev). Dalam pembahasan sebelumnya telah dijelaskan bahwa irradiasi dilakukan sebanyak 2 pass, sehingga secara teori energi yang akan diterima oleh sampel adalah sebesar 600 kev. Intensitas radiasi yang dihasilkan bergantung pada waktu, 9 Operasi Mesin Berkas Elektron (MBE) PTAPB BATAN Tipe BA 350 kev / 10 ma
kecepatan konveyor, serta arusnya. Sedangkan untuk penetrasinya bergantung pada tegangan tingginya. F. KESIMPULAN 1. Mesin Berkas Elektron (akselerator elektron) merupakan instrumen nuklir untuk mempercepat berkas elektron. 2. Pengoperasian MBE rancangan PTAPB BATAN dilakukan selama 22,5 menit dengan tegangan sebesar 300 kv. 3. Sampel yang diiradiasi berupa polimer, bahan makanan, limbah warna, serta larutan untuk pengukuran dosimeter Fricke dan dosimeter Ceri-Cero. 4. Arus target yang dihasilkan tidak stabil dan semakin menurun seiring dengan berjalannya waktu. 5. Arus Coulomb yang dihasilkan meningkat seiring dengan berjalannya waktu. Hal ini menyebabkan penurunan arus target yang dihasilkan. 6. Tingkat kevakuman pada saat operasi relatif stabil. 7. Intensitas radiasi yang dihasilkan bergantung pada waktu, kecepatan konveyor, serta arus target yang dihasilkan. Sedangkan untuk penetrasi, bergantung pada tegangan tinggi yang digunakan. 10 Operasi Mesin Berkas Elektron (MBE) PTAPB BATAN Tipe BA 350 kev / 10 ma
G. DAFTAR PUSTAKA Saptaaji, Rany dkk.2010.petunjuk Praktikum Operasi Mesin Berkas Elektron Tipe BA 350 kev / 10 ma.yogyakarta : PTAPB-BATAN http://www.scribd.com/doc/16184763/optimasi-keluaran-arus-berkas-mesin- BERKAS-ELEKTRON-350-keV-10-MA-PTAPBBATAN (diakses pada tanggal 30 November 2010) http://jurnal.sttn-batan.ac.id/wp-content/uploads/2008/07/07-karman-jfn_hal121-130.pdf (diakses pada tanggal 30 November 2010) http://jurnal.sttn-batan.ac.id/wp-content/uploads/2008/12/18_deniswantomo207-215.pdf (diakses pada tanggal 30 November 2010) Asisten, Yogyakarta, 31 Desember 2010 Praktikan, Rany Saptaaji, ST Dyah Kumala Sari 11 Operasi Mesin Berkas Elektron (MBE) PTAPB BATAN Tipe BA 350 kev / 10 ma