Volume 13, Januari 2012 ISSN 1411-1349 ANALISIS KOMPOSISI DAN KURVA B-H BAHAN LOW CARBON STEEL PT. KRAKATAU STEEL MENGGUNAKAN VSM DAN EDX UNTUK KEPERLUAN DESAIN MAGNET SIKLOTRON 13-MeV Taufik 1), Emy Mulyani 1), Slamet Santosa 2), Kusminarto 3) 1) Mahasiswa S2 Ilmu Fisika FMIPA UGM 2) PTAPB BATAN Yogyakarta 3) Dosen Fisika FMIPA UGM 1,3) Jl.Sekip Utara Yogyakarta 2) Jl.Babarsari Kotak Pos 6101 Ykbb, Yogyakarta 55281 ABSTRAK ANALISIS KOMPOSISI DAN KURVA B-H BAHAN LOW CARBON STELL PT KRAKATAU STEEL MENGGUNAKAN VSM DAN EDX UNTUK KEPERLUAN DESAIN MAGNET SIKLOTRON 13 MeV. Siklotron merupakan salah satu jenis akselerator untuk mempercepat partikel secara melingkar (siklik), sehingga diperoleh energi kinetik yang tinggi. Salah satu komponen utama siklotron adalah sistem magnet, berfungsi untuk membentuk lintasan partikel menjadi siklik, terbuat dari bahan baja karbon rendah tempa (low carbon steel forging). Dalam desain magnet, pemilihan bahan magnet sangat penting dalam menentukan magnet siklotron dapat beroperasi dengan baik atau tidak, dan bahkan optimal. Untuk itu perlu dilakukan pengujian sampel bahan magnet produksi lokal, dalam hal ini diambil dua sampel bahan dari PT Krakatau Steel (KS). Pengujian yang dilakukan meliputi pengujian kurva B-H menggunakan VSM (Vibrating Sample Magnetometer) serta komposisi bahan menggunakan EDX (Energy-dispersive X-ray spectroscopy). Kurva B-H yang diperoleh digunakan sebagai data bahan pada simulasi 3 dimensi menggunakan Opera 3D dengan mengacu model magnet Kirams 13. Dari penelitian ini dapat disimpulkan bahwa posisi benda uji terhadap arah medan magnet induksi menghasilkan kurva B-H berbeda, selain itu kedua sampel bahan yang diperoleh dari KS memiliki kandungan karbon yang masih besar. Semakin kecil kandungan karbon pada besi akan menghasilkan sifat magnet yang lebih baik. Bahan sampel yang dianalisis akan menghasilkan medan yang tidak optimal bila digunakan dalam magnet siklotron 13 MeV. Kata Kunci : pengujian, bahan magnet, siklotron ABSTRACT Composition and B-H Curve Analysis of Low Carbon Steel from Krakatau Steel Company using VSM and EDX for magnet design of 13 MeV Cyclotron. Cyclotron is one type of particle accelerator that accelerate particle in circular trajectory, in order to obtain high kinetic energy. One of the main components is the cyclotron magnet system that serves to form a cyclic particle trajectories and made of forged low carbon steel. In the magnet design, the selection of magnetic materials is very important in determining whether cyclotron magnet can operate properly or not and even can be optimal. That is why we need to test samples of magnetic materials from local production in this case two samples of material produced by PT Krakatau Steel (KS). Tests performed include testing of BH curve using VSM (Vibrating Sample Magnetometer) and material composition using EDX (Energy-dispersive X-ray spectroscopy). Obtained BH curve is used as material data in three-dimensional simulation using the Opera 3D with referee to magnetic model of Kirams 13. From this study it can be concluded that the position of the test object to the direction of the magnetic field induction gives different BH curve and the samples obtained from KS has a carbon content which is still high. The lower the carbon content in the iron will produce a better magnetic properties. Material samples analyzed will produce a field that is not optimal when it is used in a 13 MeV cyclotron magnet. Keywords: testing, magnetic materials, cyclotron. ANALISIS KOMPOSISI DAN KURVA B-H BAHAN LOW CARBON STEEL PT. KRAKATAU STEEL MENGGUNAKAN VSM DAN EDX UNTUK KEPERLUAN DESAIN MAGNET SIKLOTRON 13-MeV 45
ISSN 1411-1349 Volume 13, Januari 2012 PENDAHULUAN S iklotron merupakan salah satu jenis akselerator yang mempercepat partikel secara melingkar (siklik), sehingga diperoleh energi kinetik yang tinggi. Siklotron bekerja dengan mempercepat ion, positif maupun negatif, secara periodik (siklus) menggunakan tegangan pemercepat bolak-balik (alternating voltage) yang dipasang pada dua buah elektrode berongga yang dihampakan sehingga dapat dilintasi oleh berkas ion. Salah satu pemanfaatan siklotron dalam dunia medis adalah sebagai penghasil radioisotop pada Positron Emmision Tomography (PET). PET merupakan instrumentasi medik berbasis radioisotop dengan teknik pencitraan diagnostik yang aman, efektif, memiliki kemampuan luas untuk penelitian klinis dan potensial diagnostik yang besar. Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan (PTAPB) BATAN mempunyai tugas dan fungsi mengembangkan teknologi akselerator, salah satunya adalah pengembangan siklotron 13 MeV untuk PET yang direncanakan prototipenya dapat diselesaikan pada tahun 2019 [1]. Komponen utama siklotron diantaranya: sistem magnet utama, sistem RF, sistem sumber ion, sistem monitor berkas dan sistem ekstraktor berkas. Sistem magnet utama yang merupakan penghasil medan magnet, terbuat dari bahan baja karbon rendah yang ditempa (low carbon steel forging) [2]. Baja karbon rendah merupakan jenis baja yang mempunyai komposisi karbon 0,05%-0,26% serta mangan 0,40%-1,5% [3]. Sistem magnet merupakan magnet H yang terdiri dari 6 bagian yaitu 4 return yoke (atas, bawah, kanan dan kiri) serta 2 buah pole (atas dan bawah). Dalam desain sistem magnet, kurva B-H merupakan parameter yang penting karena akan menentukan saturasi magnet serta arus yang dibutuhkan untuk membangkitkan medan magnet. Pada makalah ini disajikan hasil pengujian bahan low carbon steel Krakarau Steel, yang meliputi pengujian kurva B-H menggunakan VSM (Vibrating Sample Magnetometer) dan komposisi bahan menggunakan EDX (Energy-Dispersive X- ray Spectroscopy). Hasil pengujian akan dijadikan sebagai dasar pengambilan keputusan dalam desain magnet siklotron. TEORI Bahan magnet secara umum dibagi menjadi 2 macam yaitu: magnet lunak (soft magnetic material) dan magnet keras (hard magnetic material). Magnet lunak banyak digunakan untuk aplikasi pada bahan yang mudah dimagnetisasi dan didemagntisasi. Sedangkan magnet keras banyak digunakan untuk aplikasi bahan yang membutuhkan sifat magnet yang permanen (tidak mudah dimagnetisasi). Medan magnet dapat dihasilkan secara elektromagnetik, yaitu dengan melewatkan arus listrik pada konduktor seperti ditunjukkan pada Gambar 1. Kuat medan magnet dapat dinyatakan dengan persamaan : [4] 0,4πNI H = (1) l dengan I arus (ampere), N cacah lilitan, l panjang kumparan (meter) dan H adalah kuat medan magnet (ampere/meter). Kuat medan magnet juga dinyatakan dalam satuan oersteds (Oe), dengan 1 A/m = 4π x 10-3 Oe. Gambar 1. (a) ilustrasi medan magnet yang timbul di sekitar koil tembaga (solenoid), (b) ilustrasi kuat medan magnet yang meningkat di sekitar solenoid jika diletakkan inti besi pada bagian dalam solenoid. [4] Pada Gambar 1b ditunjukkan kuat medan magnet yang meningkat dengan adanya inti besi pada solenoid. Peningkatan kuat medan magnet berasal dari medan solenoid ditambah medan magnet luar yang berasal dari magnetisasi besi. Hubungan antara induksi magnetik (B) (Wb/m 2 atau Tesla) dan kuat medan magnet (H) dinyatakan dengan persamaan: [4] (2) dengan µ 0 adalah permeabilitas ruang hampa (4π x 10-7 T.m/A). Hubungan antara B dan H untuk berbagai jenis logam sebagai inti magnet ditunjukkan pada Gambar 2. Histerisis Magnet Jika arus dialirkan pada suatu kumparan elektromagnetik, maka akan timbul medan magnet di sekitarnya, ketika arus dinaikkan maka medan magnet yang timbul akan meningkat sampai titik konstan, hal ini menandakan bahwa inti feromagnetik telah mencapai titik jenuhnya dan kerapatan fluks mencapai maksimal. Jika arus dihentikan fluks magnet tidak sepenuhnya hilang karena bahan inti elektromagnetik masih mempertahankan sifat kemagnetan. 46 Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 13, Januari 2012 : 45-51
Volume 13, Januari 2012 ISSN 1411-1349 Kemampuan untuk mempertahankan sifat magnet setelah arus dihentikan disebut retentivity, sedangkan jumlah fluks magnetik yang masih ada disebut Magnetisme Residual. Ketika fluks telah mencapai maksimal (jenuh) dan arus di turunkan maka akan terjadi pelebaran nilai H (Coersive Force). Sifat retentivity, Magnetisme Residual dan Coersive Force dijelaskan pada kurva histerisis yang ditunjukkan pada Gambar 3. Gambar 2. Kurva B-H beberapa bahan inti magnet. [5] Gambar 4. Kurva histerisis untuk hard dan soft material magnet. [5] Gambar 3. Kurva histerisis. [5] Bahan feromagnetik yang memiliki retentivity tinggi (hard magnetic material) sangat baik untuk memproduksi magnet permanen. Sedangkan bahan feromagnetik yang memiliki retentivity rendah (soft magnetic material) ideal untuk digunakan dalam elektromagnet, solenoida atau relay. Kurva histerisis yang merupakan karakterisasi hard material magnet dan soft material magnet ditunjukkan pada Gambar 4. METODOLOGI Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan sampel bahan inti magnet dari PT. Krakatau Steel berupa baja dengan kandungan karbon rendah (low carbon steel). Sampel yang digunakan ada 2 jenis yaitu bahan karbon rendah A dan bahan karbon rendah B. Karakterisasi yang dilakukan ada 2 macam yaitu menggunakan VSM (Vibrating Sample Magnetometer) untuk mengetahui sifat kemagnetan dan EDX (Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy) untuk mengetahui komposisi kandungan unsur bahan magnet. Sampel yang digunakan dalam analisis VSM dibuat dalam bentuk kubus berukuran 1 mm x 1 mm x 10 mm. Analisis sampel dilakukan dalam tiga posisi yang berbeda terhadap arah medan magnet induksi H seperti ditunjukkan pada Gambar 5. Dari Gambar 5 terlihat luasan yang ditandai memiliki posisi yang berbeda terhadap H. ANALISIS KOMPOSISI DAN KURVA B-H BAHAN LOW CARBON STEEL PT. KRAKATAU STEEL MENGGUNAKAN VSM DAN EDX UNTUK KEPERLUAN DESAIN MAGNET SIKLOTRON 13-MeV 47
ISSN 1411-1349 Volume 13, Januari 2012 Gambar 5. Posisi sampel analisis VSM. Untuk analisis unsur dengann EDX sampel dibuat berukuran 5 mmm x 5 mm x 2 mm. Setelah diperoleh sifat magnet dari suatuu bahan dalam bentuk kurva B-H, kurva tersebut disimpan dalam library bahan magnet pada program simulasi Opera- 3d dan digunakan dalam simulasi medan magnet 3 dimensi menggunakan modul TOSCA yang terdapat pada program Opera-3d. Hasil simulasi tersebut kemudian dianalisis kelayakannya untuk digunakan sebagai bahan magnet siklotron. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Analisis Dengan VSM Sampel bahan A yang digunakan dalam pengukurann dengan VSM memiliki massa m A =42,8 mg. Pengukuran dilakukan dalam tiga posisi yang berbeda seperti pada Gambar 5 dan diperoleh kurva BH untuk masing-masing posisi yang ditunjukkan pada Gambar 6. Dari Gambar 6 dapat dilihat bahwa dengan mengubah posisi sampel menghasilkan kurva BH yang berbeda dan pada posisi ketiga dihasilkan gradien/kemiringan yang lebih besar. Hal ini menunjukkan bahwa sifat magnet dari bahan tersebut bersifat anisotropik. Apabila skala koordinat horizontal dari kurva BH pada Gambar 6 posisi ketiga diperkecil maka diperoleh kurva pada Gambar 7. Dari Gambar 7 terlihat kurva histerisis tidak simetri dan remanensi maksimalnya 470 gauss. Selain itu koersivitas maksimalnya 12.652 A/m. Untuk sampel bahan B dengan massa 32,43 mg diperoleh hasil yang ditunjukkan pada Gambar 8. Sama seperti bahan A posisi sampel pada bahan B mempengaruhi kurva BH dan padaa posisi ketiga diperoleh kemiringan kurva BH yang besar. Adapun remanensi dan koersivitas dari bahan B ditunjukkan pada Gambar 9. Hasil pengukurann dengan VSM menunjukkan kedua sampel memiliki kejenuhan lebih dari 2 T. Hal ini diperlukan dalam desain magnet siklotron DECY13 karena medan magnet maksimalnya mencapai 1,95 T. Sehingga dengann kedua bahan tersebut, magnet siklotron tidak bekerja pada daerah jenuh. Walaupun memiliki kejenuhan yang baik, namun kurva BH di bawah daerah jenuh memiliki gradien/kemiringan yang berbeda-beda atau bahan bersifat anisotropik. (a) Posisi sampel 1. (b) Posisi sampel 2. (c) Posisi sampel 3. Gambar 6. Kurva BH sampel A hasil pengukuran VSM. Dengan demikian tampang lintang permukaan bahan perlu diperhatikan dalam memmbuat magnet 48 Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 13, Januari 2012 : 45-51
Volume 13, Januari 2012 ISSN 1411-1349 siklotron. Selain itu dari kedua bahan tersebut kemiringan kurva BH sampel B lebih besar dibandingkan dengan sampel A. Kemiringan yang semakin besar menunjukkan bahan magnet semakin mudah diinduksi oleh arus listrik. Hasil Analisis Dengan EDX Hasil analisis sampel dengan EDX untuk bahan A dan bahan B ditunjukkan pada Gambar 10. Bahan A mengandung Fe 95,01%, C 4,74% dan Si 0,26% sedangkan bahan B mengandung Fe 96,14% %, C 3,78% dan Si 0,08% %. Hasil ini sebanding dengan hasil analisis VSM dimana bahan B yang memiliki kandungan Fe yang lebih besar dari bahan A menghasilkan kurva BH dengann kemiringan yang lebih besar. B(T) Kurva BH Bahan A 0.10 0.00 30000 20000 10000 0 10000 20000 0.10 H(A/m) Gambar 7. Koersivitas dan remanensi bahan A. (a) Posisi sampel 1. (b) Posisi sampel 2. B (T) 40000 (c) Posisi sampel 3. Gambar 8. Kurva BH bahan B. Kurva BH Bahan B 0.30 0.20 0. 10 0.00 20000 0. 10 0 20000 0.20 0.30 H (A/ m) Gambar 9. Koersivitas dan remanensi bahan B. Simulasi Medan Magnet Siklotron Dengan Bahan Sampel Simulasi medan magnet dengan TOSCA ini dilakukan untuk mengetahui besarnya arus yang diperlukan magnet siklotron apabila menggunakan bahan sampel dari Krakatau Steel. Dalam simulasi ini model magnet dibuat seperti model magnet Kirams 13. [2] Dengan menggunakan data bahan magnet B pada posisi ketiga yang diperoleh dari analisis VSM, besarnya medan magnet yang dihasilkan sangat kecil yaitu tidak lebih dari 0,2 T pada NI = 41040 lilit amper per kumparan seperti ditunjukkan pada Gambar 11. Hasil ini berbeda dengan Kirams 13 yang menghasilkan medan rata- menjadi rata 1,3 T. Untuk meningkatkann medan magnet 1,3 T dengann menggunakan sampel bahan dari Krakatau Steel, maka diperlukan NI = 180.000 lilit amper per kumparan seperti ditunjukkan pada Gambar 12. Dengan NI yang lebih besar dapat mengakibatkan n dimensi magnet menjadi lebih besar dan kebutuhan pendingin menjadi besar. KESIMPUL LAN Dari penelitian ini dapat disimpulkan bahwa posisi benda uji terhadap arah medan magnet induksi menghasilkan kurva B-H yang berbeda, sehingga ANALISIS KOMPOSIS DAN KURVA B-H BAHAN LOW CARBON STEEL PT. KRAKATAU STEEL MENGGUNAKAN VSM DAN EDX UNTUK KEPERLUAN DESAIN MAGNET SIKLOTRON 13-MeV 49
ISSN 1411-1349 Volume 13, Januari 2012 dalam membuat magnet siklotron arah tampang lintang permukaan bahan perlu diperhatikan. Sampel bahan A dan bahan B yang diperoleh dari Krakatau Steel memiliki kandungan karbon yang masih besar. Apabila bahan sampel digunakan dalam magnet siklotron 13 MeV, maka akan membutuhkan arus pembangkit magnet 4,5 kali lebih besar dari Kirams 13 sehingga magnet menjadi tidak optimal. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terimakasih kepada bapak Drs. B.A. Tjipto Sujitno, MT atas segala saran dan diskusi sehingga dapat terselesaikannya makalah ini. Gambar 10. Hasil analisis EDX bahan A dan bahan B. B (T) Jari jari (cm) Gambar 11. Hasil simulasi bahan magnet dengan NI = 41040 lilit amper. Gambar 12. Hasil simulasi dengan NI yang lebih besar. 50 Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 13, Januari 2012 : 45-51
Volume 13, Januari 2012 ISSN 1411-1349 DAFTAR PUSTAKA 1. Renstra BATAN 2010 2014, Badan Tenaga Nuklir Nasional 2010 2. YS KIM.,DKK, 2004, New Design of The Kirams-13 Cyclotron For Regional Cyclotron Center, Proceedings of APAC Gyeongju, Korea. 3. http://www.wisegeek.com/what-is-low-carbonsteel.html, 2011 4. SMITH,F.WILLIAM, Principle of Material Science and Engineering, Third Edition, McGraw-Hill,Inc 5. http://www.electronicstutorials.ws/electromagnetism/electromagneticinduction.html, 2011. TANYA JAWAB Suprapto Mohon pada akhir pembahasan dan kesimpulan menunjukkan konsekuensi logis sehingga dapat dengan mudah diterima. Taufik Saran diterima ANALISIS KOMPOSISI DAN KURVA B-H BAHAN LOW CARBON STEEL PT. KRAKATAU STEEL MENGGUNAKAN VSM DAN EDX UNTUK KEPERLUAN DESAIN MAGNET SIKLOTRON 13-MeV 51