.'" Volume 1 Nomor 1 Juri 1999 ISSN 1411-1349 PERANCANGAN SUMBER TEGANGAN TINGGI 500 kv120ma SEBAGAI TEGANGAN PEMERCEP AT PADA MESIN BERKAS ELEKTRON Suprapto, Sutadji S., Djoko SP., Djasiman dad Sudjatmoko PPNY -BATAN. JL Babarsarl P.O. Bar 1008, Yogyakmta 55010 Abstrak PERANCANGANSUMBERTEGANGANTINGGI500 kv/20 ma SEBAGAJTEGANGAN PEMERCEPAT PADA MESJN BERKAS ELEKTRON. Telah dilakukan perancangan sumber tegangan tinggi 500 kv120 ma sebagai tegangan pemercepat palla mesin berkas elektron. Sumber tegangan tinggi dirancang dengan jenis "Generator Cockroji-Walton" Bagian utama generator cockroft-walton adalah : Pelipattegangan, Os/lator dll)'o don sumber dll)'o os/lator daya. Pelipat tegangan dirancang dengan kopas/tor 0,22,.F/50 kv don dioda IN 4007 sebanyak 20 tingkot. Sedongkan os/lator daya dirancang dengan komponen utama tabung triodo ITK 15-2 don sumber daya os/lator daya dirancang dengan lrafo 3 fase. Darl hasil rancangan menunjukkon bahwa tegangan masukan don rugi-rugi daya palla pelipat tegangan adolah 12,8/4 kv don 503 Wan. Daya masukon pelipat tegangan soma dengan daya keluaran os/lator daya yaitu 12,6 kw. Sedangkon daya yang harus disediakon oleh sumber daya os/lator daya admah/~2kw.,. Abstract DESIGN OF 500 kv/20 ma POWER SUPPLY FOR THE ELECTRON BEAM MACHINE ACCELERATING VOLTAGE. The 500 kvi2omahigh voltage power supply for the electron beam machine accelerating voltage has been designed. The BY power supply is a Cockrofi-Wmton type and it's main components are voltage multiplier is designed using 20 stage of 0.22,.F/50 kv capasitor and IN 4007 diodes. Thepower oscillator is designed using ITK 15-2 triode and thepower supplyfor the oscillator is designed using 3-phase transformer. The design shows that the voltage multiplier has input voltage of 12.814 kv, power lost of 503 watt and input power of 12.6 kw. The power which must be supplied by power oscillator is 17.2 kw., PENDAHULUAN Seiring dengan perkembangan teknologi di bidang industri terutama di negara-negara maju telah banyak memanfaatkan Mesin Berkas Elektron (MBE) untuk proses industri. Adapun industri yang telah memanfaatkan MBE antara lain: lndustri kabel, industri alat-alat kedokteran/ kesehatan, pelapisan kayu, keramik, karet (komponen-komponen Mobil), busa dan lain-lain. Sejak tahun 1984 PAIR -BATAN te1ah mulai menggunakan MBE untuk proses industri. MBE yang digunakan adalah ripe EPS-300 buatan Nissin -Japan dengan daya 300 kev/50 ma MBE tersebut merupakan bantuan melalui proyek UNDP. Kemudian pada tahun 1993 membeli MBE yang bertenaga lebih besar, yaitu ripe GJ-2 buatan China. MBEjenis ini GJ-2 mempunyai daya 2 MeV/10 ma(2). Selanjutnya untuk meningkatkan kemampuan penguasaan teknologi mengenai MBE, dalam Pelita VI PPl'o'Y-BATAN memprogramkan pembuatan MBE dengan daya 500 keviio IDA. Salah satu bagian utama dari MBE ini adalah sumber tegangan tinggi yang berfungsi sebagai tegangan pemercepat berkas elektron. Untuk keperluan pembuatan MBE, mw dilakukan pembuatan sumber tegangan tinggi. Agar dalam pembuatan tersebut menghasilkan hasil yang optimum sesuai dengan spesifikasi yang diperlukan, maka dilakukan suatu perancangan terlebih dahulu. Perancangan sumber tegangan tinggi ini didasarkan daya yang diperlukan yaitu 500 kv/20 IDA Untuk melakukan perancangan sumber tegangan tinggi perlu diketahui-jenis-jenis sumber tegangan tinggi yang banyak digunakan. Jenis-jenis sumber tegangan tinggi ini antara lain: Generator Van de Graa : Generator Cockroft-Walton clan transformator bertingkat (Cascade transformer). Secara skematis ketiga sumber tegangan tinggi di atas ditunjukkan pada gambar 1, 2 clan 3. Pada generator Van de Graaf, untuk menghasilkan tegangan tinggi didasarkan proses lucutan gas/ionisasi (gambar I). Proses ionisasi ini dihasilkan oieh tegangan DC sekitar 30 kv yang diberikan pada sisir korana bagian bawah. Ion-ion basil ionisasi ditolak oleh sisir korona sehingga menuju ke sabuk isolator clan menempel pada permukaan sabuk isolator tersebut. Sabuk isolator ini diputar oleh motor sehingga ion-ion ini terbawa keatas sesuai arab gerakan sabuk isolator. Pada bagian atas yaitu di dalam sungkup (elektrode) PERANCANGAN SUMBER TEGANGAN TINGGI 500 kv120 ma SEBAGAI TEGANGANPEMERCEPATPADAMESIN BERKAS ELEKTRON (Suprapto, dkk.) 14
Volume 1 Nomor 1 Juli 1999 ISSN 1411-1349 dipasang sisir penghisap muatan sehingga ion-ion yang menempel pads sabuk isolator mengalir ke elektrode melalui sisir penghisap muatan. Dengan demikian, elektrode yang berbentuk bola terisi. muatanlistriksesuaimuatanion-iontersebut. 4 Sedangkan pads transformator bertingkat (Cascade transformer), tegangan tinggi dihasilkan dengan menyusun transformator tegangan tinggi secara seri (gambar 3). Selanjutnya untuk mendapatkan tegangan tinggi searah dengan menyearahkan tegangan bolak-balik yang dihasilkan oleh transformator bertingkat tersebut. Transformator tegangan tinggi yang diguna~ masing-masing mempunyai 3 kumparan yaitu : kumparan primer, kumparan sekunder clan kumparan terrier yang dihubungkan ke kumparan primer transformator tegangan tinggi berikutnya. Ketiga kumparan tersebut masing-masing harus terisolasi dengan baik sesuai dengan tegangan keluaran transformator tegangan tinggi tersebut. Gambar 1. SkeInSgenerator Van de Graaf Keterangan : I. Sisir korona bawah 2. sabuk isolator 3. Sisir penghisap muatan 4. Sungkup(elektrode). Pads generator Cockroft-Walton, tegangan tinggi dihasilkan dengan menggandakan tegangan sinusoidal yang dihasilkan osilator daya. Penggandaan tegangan ini dilakukan oleh pelipat tegangan (sambar 2). Besamya tegangan keluaran generator Cockroft-Walton ditentukan olehjumjah tingkat pelipat tegangan clan amplitude tegangan keluaran osilator days. Besarnya tegangan keluaran ini dapat diatur dengan mengatur amplituda tegangan keluaran osilator. c kl...... ~1 1 1:. ===- ~ i.rnr')... Gambar 2. Skema generator Cockroft-Walton Keterangan : 1. Osilator days 2. Dioda tegangan tinggi 3. Kapasitor tegangan tinggi 4. Sungkup (elektrode) Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah TeknologiAkselerator dan Aplikasinya Vol.1 No.1 Juli 1999: 14-18 ~ I 1 J rr-j Mullican Keterangan 1. Kumparan primer 2. Kumparan sekunder 3. Kumparan terrier METODE PERHITUNGAN DAN ANALISIS RANCANGAN Dalam perancangan sumber tegangan tinggi meliputi : pemilihan jenis sumber tegangan tinggi, penentuan komponen-komponen sumber tegangan tinggi clankapasitasnya. Pemilihan Jenis Somber Tegangan Tinggi Dalam pemilihan jenis somber tegangan tinggi yang akan dibuat ads beberapa pertimbangan. Pertimbangan-pertimbangan ini adalah dari aspek penggunaan, ekonomi, teknologi clan untuk mendapatkan komponen-komponen yang diperlukan baik dari dalam maupun luar negri. Dalam pemilihan jenis sumber tegangan tinggi ini terutama didasarkan pad a aspek penggunaan, teknologi yaitu pengalaman clan penguasaan teknologi pembuatannya serta untuk mendapatkan komponen-komponen yang diperlukan dalam pembuatan somber tegangan tinggi tersebut. Generator Van de {jraaf sangat 15
Volume 1 Nomor 1 Juli 1999 menguntungkan untuk penggunaan tegangan keluaran yang besar clan arus beban keeil. Untuk pembuatan generator ini, kesulitannya yaitu untuk mendapatkan sabuk isolator kualitas tinggi. Sedangkan sumber tegangan tinggi jenis transformator bertingkat menguntungkan untuk penggunaan arus beban besar dad tidak memerlukan tegangan riak yang kecil. Untuk pembuatan somber tegangan tinggi jenis transformator bertingkat ini, kesulitannya pada pembuatan transformator tegangan tinggi yaitu pada pembuatan kumparan primer, sekunder dad tertier dimana masing-masing kumparan hams terisolasi terhadap tegangan tinggi sesuai dengan tegangan keluaran dari transformator tersebut. Dengan demikian. didasarkan pada beberapa aspek tersebut diatas maka dipilih sumber tegangan tinggi jenis Cockroft-Walton. Penentoan Komponen-komponen Utama Somber Tegangan TiDggi dad KapasitasDya Dalam menentukan komponen-komponen utama yang diperlukan untuk pembuatan sumber tegangan tinggi perlu diperbatikan bagian-bagian utama dari somber tegangan tinggi tersebut. Bagian-bagian utama sumber tegangan tinggi jenis Cockroft-Walton adalah : Pelipat tegangan, Osilator daya clansumberdaya anoda osilator daya. Pelipat tegangan Peli pat tegangan di rancang dengan komponen utama kapasitor dad clioda tegangan tinggi. Untuk menentukan jumlah kapasitor dad dioda ini didasarkan dari jumlah tingkat pelipat tegangan (n). Agar dapat menghasilkan tegangan keluaran generator Cockroft-Walton sebesar 500 kv ditentukan n =20 tingkat. Setiap tingkat pelipat tegangan terdiri atas 2 kapasitor dad 2 diocla tegangan tinggi, sehingga cliperlukankapasitor dad dioda tegangan tinggi masing-masing 40 buah. Pelipat tegangan ini direncanakan menggunakan kapasitor (C) 0,22 7~/50 kv. Untuk mendapatkan tegangan keluaran 500 kv maka tegangan maksimum (E) dan frekuensi (f) masukan pelipat tegangan direncanakan maksimum masing-masing adalah 15kV dad40 khz.kapasitortegangan tinggi ini akan menerima beban tegangan 2 kali tegangan masukan yaitu 30 kv, sedangkan frekuensi 40 khz ditentukan berdasarkan simulasi trafo frekuensi tinggi dengan inti ferit. Dengan demikian parameter-parameter pelipat tegangan yang menyebabkan rugi-rugi days dapat ditentukan. Parameter-parameter ini antara lain: Tegangan riak. penurunan tegangan akibat arus beban, arus bocor melalui dioda dadamplituda masukan yang dibutuhkan. Dalam penggunaan tegangan tinggi ISSN 1411-1349 sebagai tegangan pemercepat, tegangan riak menyebabkan fluktuasi energi partikel yang dipercepat. Besarnya fluktuasi energi dad frekuensinya adalah sebanding dengan besamya tegangan riak dad frekuensinya sarna dengan frekuensi tegangan riak tersebut Tegangan riak (ov) dihitung dengan persamaan(3) ~ V =-L n(n+l) (1) U f.c' 2 dimana arus beban (1) adalah 20 ma, jika harga-harga tersebut diatas dimasukkan dalam persamaan (I) didapatkan tegangan riak (ov) sebesar 471,3 Volt Penurunan tegangan ~!!J. V) akibat arus beban dihitung dengan persamaan( ) ~ V L - ( 2 n3 n2!! (2) ) -f.c' 3+26' Dengan data-data tersebut cliatasdidapatkan!!j. V = 12.568 Volt Untuk menentukan arus bocormelalui dioda yang disebabkan karena clioda clioperasikan pada frekuensi (f) 40 khz terlebih dahulu clitentukan reaktansi (Xc) dari dioda. Dari pengukuran dioda IN 4007 rata-rata mempunyai kapasitansi arab mundur 16 pf. Harga Xc tiap-tiap cliodadihitung dengan persamaan 1 (3) Xc = 21CfC = 248.680 ohm Sedangkan arus bocor melalui clioda1 dihitung berclasarkanhukumohmsebagaiberikut V (4) Ie = Xc Jika tiap-tiap dioda dioperasikan pada tegangan (V) 125 volt, maka arus bocor melalui dioda adalah 0,503 ma. Dioda tegangan tinggi ini dioperasikan pada tegangan arab mundur 15kV, sehingga untuk 1 rangkaian dioda tegangan tinggi tersusun dari 120 buah dioda IN 4007 secara serio Amplitudo tegangan masukan (E) dihitung dengan persamaan Vmaks =2nE-I:J.V (4a) &tau E = Vmakr + I:J.V 2.n (4b) Vmaks adalah tegangan maksimun keluaran generator Cockcroft-Walton, sedangkan jumlah tingkat maksimum (n maks) ditentukan dengan mendeferensialkan persamaan 4a sebagai berikut d Vmaks - 0 (5) dn - PERANCANGAN SUMBER TEGANGAN TINGGI 500 kv120ma SEBAGAI TEGANGAN PEMERCEPA T PADA MESIN BERKAS ELEKTRON (Suprapto. dkk.) 16
Volume 1 Nomor 1 Juri 1999 ISSN 1411-1349 Dengan demikian diperoleh persamaan untuk menentukan jumlah tingkat maksimum sebagai berikut (6) nmaks= $If Untuk tegangan keluaran Vmaks = 500 kv, didapatkane sebesar 12,814kV danjumlah ringkat maksimum diclapatkan 74 ringkat. Jadi dengan perkiraan amplituda tegangan masukan pelipat tegangan 15 kv clanjumlah tingkat 20 (jumlah tingkat yang direneanahn) adalah memenuhi perhitungan. OsiJator daya Untuk menghasilkan tegangan sinusoidal yang mempunyaiampliwdo15kv padafrekuensi 40 khz digunakan osilator clara. Osilator clayaini direneanakan dibangun dengan komponen utama tabung trioda ITK 5-2 buatan Thomson tubes electroniques Perancis. Pemilihan tabung trioda ini didasarkan atas claya keluaran osilator clan sistem pendinginan yang diperlukan. Kebutuhan clara yang harus dipenuhi oleh osilator clara (P) adalah P=PI+P2+P3 dimana PI = Daya keluaran sumber tegangan tinggi sebesar 1OkW P2 = Rugi-rugi claya pada pelipat tegangan P3 = Rugi-rugi clara pada trace frekuensi ringgi Rugi-rugi clara pada pelipat tegangan (P2) terdiri atas rugi-rugi daya akibat penurunan tegangan keluaran yang disebabkan arus beban (P21 ) clanrugi-rugi clara akibat arus bocor melalui dioda (P22). Besarnya rugi-rugi clara ini adalah P21 = I DV clan P22= Ie Vmaks = 251,36 Watt = 251,5 Watt P2 = P21 + P22 = 502,86 Watt didasarkan simulasi efisiensi trafo (1') antara 0,75 sampai 0,85, maka untuk perhitungan ini diambilll = 0,8. Rugi-rugi clara paclatrafo (p3 ) adalah P3 = (I -0,8) x (pl+ P2) = 2100,6 Watt - 2,1 kw Jadi kebutuhan claya yang harus dipenuhi oleh osilator clara (P) yaitu clara keluaran sumber tegangan tinggi ditambah rugi-rugi clara pada pelipat tegangan yang besamya adalah 12,6 kw. Daya tersebut minimal harus sarna dengan clara keluaran osilator clara. Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah TeknologiAkselerator clanaplikasinya Vol.1 No.1 Juli 1999: 14-18 Sumber daya osijator daya Osilator clara agar dapat beroperasi memerlukan sumber clayaanoda berupa tegangan DC. Untuk osilator yang dibangun dengan komponen utama tabung trioda, sumber claya ini harus dapat memenuhi eatu clara anoda tabung trioda tersebut. Besamya tegangan clanarus anoda harus sesuai dengan spesifikasi tabung trioda clan clara keluaran osilator. Daya keluaran osilator (P) adalah(4) P = Vrms ;r Imu (6a) dan Vmu = t.j2. Vm (6b) dimana Vm =Amplitudo tegangan keluaran osilator maksimum Irms = Arus Anoda rerata sarna dengan Ide Harga Vmmaksimum sarnadengan tegangan anoda yaitu tegangan DC yang diberikan oleh sumber clara osilator. Maka arus anoda rerata adalah P lrms = tv'2. Vm = 1,72A. Dengan demikian clara yang harus disediakan untuk eatu claya anoda adalah P = Vdc. I de = 17.2kW KE SIMP ULAN Dari basil perhitungan clan anaiisis raneangan clapatdisimpulkan bahwa : 1. Pelipat tegangan terdiri dari 20 tingkat dengan penurunan tegangan clan rugi-rugi clara masing-masing 12.568 Volt clan 503 Watt 2. Osilator clara direneanakan dengan tabung trioda ITK 15-2 dengan eatu clayaanoda clan clara keluaran masing-masing 10kV clan 12,6 kw. 3. Sumber clara osilator clara direneanakan dengan trace3 rase dengan tegangan clanclara keluaran minimal 10kV clan 17,2kW Dengan basil peraneangan ini diharapkan dapat digunakan untuk pedoman dalam pembuatan sumber tegangan tinggi 500 kv/20 ma UCAPAN TERIMA KASm Pad a kesempatan ini penulis menyampaikan rasa terima kasih yang sebesar-besamyakepaclastar teknisi, khususnya 17
Volume 1 Nomor 1 Juli 1999 ISSN 1411-1349 saudaraheri Sudannanto, Untung Margono, Dwi Mulyanto dan Suhartono yang telah berpartisipasi dalam kegiatan perancangandan simulasi sumber tegangan tinggi ini, sehingga dapat terlaksana sebaik-baiknya. DAFTAR PUSTAKA 1. RAHAYU CHOSDU, dkk., "Pengalaman Mengoperasikan dan Merawat Mesin Berkas Elektron EPS-300", Presiding Seminar Sehari Prospek Rekayasa dad Aplikasi Mesin Berkas EIektron Untuk Industri di Indonesia, PAIR-BATAN, Jakarta 2 Agustus 1990. 2. SUDJATMOKO, dkk., "Akselerator Elektron GJ-2, Komponen Utama dan Prinsip KeJjanya", MakaJah disajikan pada Pertemuan Tim Rekayasa Mesin Berkas EIektron, PAIR-BATAN, Jakarta 25 Mei 1993. 3. CRAGGS, J.D, and MEEK, J.M., "High Voltage. Laboratory Technique", Butterworths, Ltd, London, 1953 4. MILMAN, J. and HALKIAS, CHRISTOS C., "Electronic Devices and Circuits", Mc Graw Hill, Inc, 1967 5. SUMIHAR HUT APE A, "Pengalamam Pembuatan Generator Van de Graaff BATAN Yogyakarta", Pusat Penelitian Tenaga Atom Gama, Yogyakarta, 1975. TANYAJAWAB Sudorti kalau tidak salah. sumber tegangan tinggi jenis Cokroft-Walton itu sudoh penjah dibuat di p PNY wak/u /alu. Yaug dirancang akan dihuat ini. apakah mer"pakan pengembangan Generator CocJa-oft-Walton yang sudah pernah dibuat dill", ataukah dengan rancangan sedikit lain? Apa segi keuntungannya. Suprapto 1. Betul Generator Cockroft- W ajtontelah dibuat di PPNY (untuk implantasi ion dan ge~erator neutron) 2. Yang dirancang ini bukan pemgembangannya, melainkan membuat lagi dengan daya jauh lebih besar yaitu 500 kv/ 20 ma, sedangkanyang telah dibuat hanya 125kW,5 ma dan 125 kwi.,5 ma 3. Perbedaan rancangan dan keuntungannya dengan yang sudahada adalah daya keluaran lebih besar, frekuensi operasi lebih tinggi dan ripple lebih kecil pada arus beban yang lebih besar 4. Sumber tegangan tinggi,.. PERANCANGAN SUMBER TEGANGAN TINGGI 500 kv120ma SEBAGAI TEGANGAN PEMERCEPAT PADA MESIN BERKAS ELEKTRON (Suprapto. dkk.) 18