PENENTUAN PARAMETER KOMPONEN PERANGKAT UJI SUMBER ION SIKLOTRON

PENENTUAN PARAMETER KOMPONEN PERANGKAT UJI SUMBER ION SIKLOTRON Silakhuddin, Slamet Santosa dan Sunarto Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan BATAN email: silakh@batan.go.id ABSTRAK PENENTUAN PARAMETER KOMPONEN PERANGKAT UJI SUMBER ION SIKLOTRON. Suatu fasilitas untuk menguji fungsi sumber ion siklotron kini dalam tahap pembuatan yang akan dimanfaatkan untuk menguji kemampuan dari sumber ion yang telah dirancangbangun. Dengan perangkat ini unjuk kerja sumber ion yang optimum dalam menghasilkan arus iondapat diketahui. Untuk mewujudkan pembuatan perangkat tersebut perlu ditentukan parameter komponen-komponennya. Dalam makalah ini dibahas penentuan parameter komponen-komponen utama yaitu tabung wadah sumber ion, magnet elektro, sistem catu gas hidrogen dan sistem pengendali. Metode penentuannya berdasarkan persyaratan desain dan menggunakan perhitungan dengan program komputer. Besaran-besaran dari hasil penentuan tersebut adalah tabung berukuran panjang 90 cm berbentuk silindrik berdiameter 10 cm, arus magnet elektro minimal 10 ampere, debit catu gas hidrogen 10 sccm hingga 40 sccm dan tegangan puller 10 kv. Sistem kendali mengendalikan seluruh komponen dan sistem monitoring memonitor parameter-parameter yang berkaitan langsung dengan proses produksi ion. Kata kunci: siklotron, sumber ion, perangkat uji ABSTRACT DETERMINATION OF COMPONENT PARAMETERS FOR TEST DEVICE OF CYCLOTRON ION SOURCE. A facility to test the function of the ion source cyclotron has being made and will be used for testing the ability of the ion source that has been constructed in generating ion currents. Using this device the optimum parameters operation of the ion source in getting ion beam current can be obtained. To bring into reality of the construction, parameter of the components device have been ditermined. This paper discusses the determination of the main components spesification namely the tube for ion source placement, the electro-magnet, the gas supply sistem of hydrogen and the control and monitoring system. The method for determining the spesifications based on the design requirements and computer program.the parameter of those components are a cylindric tube measures length of 90 cm and diameter of 10 cm, the minimum generating current of magnet is 10 amperes, the hydrogen gas flowrate are 10 sccm to 40 sccm and the puller voltage is 10 kv. The control system for controlling all of components and the monitoring system to monitor parameters directly related tothe ion production process are provided. Keywords: cyclotron, ion source, test device PENDAHULUAN Melalui program penelitian tahun 2011 telah dilakukan rancangbangun prototipe sumber ion untuk siklotron. Sumber ion tersebut juga sudah diuji fungsinya dalam menghasilkan arus ion hidrogen negatif dan diperoleh arus 30-40 µa. Pengujian yang telah dilakukan tersebut menggunakan perangkat uji yang masih sederhana dan terbatas parameter-parameter kendalinya baik secara kuantitas maupun kualitas, sehingga belum dapat dilakukan optimasi parameter operasinya. Dalam tahun 2012 dilaksanakan program pembuatan perangkat uji sumber ion siklotron yang didahului dengan proses penentuan Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 14, November 2012 : 22-27 parameter komponennya, dilanjutkan dengan rancangbangun dan pengujiannya. Dengan program ini akan dimungkinkan diperolehnya data unjuk kerja yang lebih lengkap dari prototipe sumber ion yang sudah dibuat termasuk optimasinya dan juga dimungkinkan dilakukan pengembangan lebih lanjut dari desain sumber ion tersebut. Suatu perangkat uji suatu sumber ion jenis Penning untuk siklotron idealnya mempunyai komponen-komponen yang dapat menghasilkan parameter operasi yang paling tidak mendekati parameter operasi siklotron. Dalam operasi siklotron parameter operasi yang penting adalah tekanan gas di ruang ionisasi antara 10-4 hingga 10-1 Torr[1], medan magnet dalam besaran beberapa 22

tesla, tegangan puller dalam beberapa puluh kv dan kondisi vakum dalam kisaran 10-6 Torr. Apabila nilai parameter operasi siklotron tidak mungkin didekati, karena keterbatasan fasilitas misalnya, maka harus ada landasan pembenaran (justifications) bahwa parameter operasi pada perangkat uji tersebut dapat diterima. Parameter medan magnet siklotron di atas 1 tesla misalnya adalah sangat tidak mungkin untuk dihadirkan pada fasilitas uji sumber ion. Tetapi dari suatu acuan menyebutkan bahwa operasi sumber ion jenis Penning bisa dilakukan percobaannya di atas 0,1 tesla. Parameter tegangan puller pada dee siklotron nilai di sekitar 40 kv, tetapi karena ada rumusan antara arus ion sebagai fungsi tegangan puller maka eksperimen dengan tegangan puller yang lebih dari nilai tersebut dapat dibenarkan. Pada makalah ini disajikan hasil penentuan parameter komponen-komponen perangkat uji sumber ion siklotron. Parameter operasi yang dipakai landasan adalah berdasarkan pada nilai operasi siklotron dan nilai yang layak dengan landasan pembenaran. Hasil ini diharapkan dapat dipakai untuk mewujudkan konstruksi perangkat uji tersebut. TATA KERJA Persyaratan Desain Perangkat pengujian sumber ion terdiri atas komponen-komponen utama yaitu tabung untuk wadah atau penempatan sumber ion yang dilengkapi dengan suatu viewer untuk mengamati kondisi di head sumber ion, magnet, sistem catu gas dan puller dengan sumber tegangannya 10 kv/1 ma. Perangkat ini disangga dengan komponenkomponen bantu yaitusistem vakum dan sistem pendinginan air.komponen-komponen tersebut memenuhi kriteria: 1. Komponen utama berupa suatu tabung pengujian dapat mewadahi dengan longgar sumber ion yang sudah dibuat yaitu berukuran silindrik: [2] - panjang 70 cm - diameter maksimum 8 cm Pada tabung dilengkapi viewer yang difungsikan untuk mengamati kejadian-kejadian di sekitar head yaitu lucutan nyala di anoda, lucutan nyala di luar anoda dan loncatan elektron di antara puller dan komponen lain. Kejadian pertama yang memang diharapkan dan dua kejadian terakhir yang tidak diharapkan. 2. Puller dengan tegangan 10 kv/10 ma. Besaran ini mengacu pada eksperimen sumber ion untuk KIRAMS 13 Korea. [3] 3. Magnet dengan kuat medan 0,1 1,5 T. [4] 4. Sistem catu gas hidrogen yang dapat mencatu operasional sumber ion dengan tekanan gas hidrogen di dalam ruang ionisasi minimum 10-4 Torr. [1] 5. Perangkat bantu sistem vakum untuk menjaga kevakuman 10-6 mmhg. 6. Perangkat bantu sistem pendingin air. Prosedur Penentuan Penentuan komponen komponen menuju pada parameter operasi sumber ion seperti disebutkan dalam persyaratan desain di atas. Magnet didesain dengan menggunakan program Poisson-Superfish. Untuk mencapai tekanan gas hidrogen minimum di dalam ruang ionisasi,debit gas hidrogen untuk mencatu sumber ion dihitung menggunakan program komputer berbasis computational fluid dynamics (CFD). Tegangan puller ditentukan berdasarkan prediksi dan acuan dari eksperimen di KIRAMS. HASIL DAN PEMBAHASAN Deskripsi Komponen-komponen Untuk memenuhi fungsi sebagai penguji sumber ion siklotron maka secara umum susunan komponen-komponen dari perangkat penguji tersebut ditunjukkan pada Gambar 1. Gambar 1. Skema sistem perangkat pengujian sumber ion. Perangkat uji sumber ion ini terdiri atas tabung wadah sumber ion beserta viewer, magnet, sistem catu gas hidrogen, puller, sistem pengendalimonitoring dan sistem bantu vakum dan pendingin air. Sumber ion dimasukkan ke dalam tabung wadah sumber ion yang berada dalam kondisi vakum 10-6 Torr yang dikendalikan dan dimonitor oleh sistem vakum. Gas hidrogen dicatukan ke head sumber ion oleh sistem catu gas. Magnet berfungsi untuk membantu proses ionisasi di head sumber ion. Puller berfungsi untuk menarik ion-ion keluar dari head sumber ion dan pengukur arusnya memonitor arus ion tersebut. PENENTUAN PARAMETER KOMPONEN PERANGKAT UJI SUMBER ION SIKLOTRON Silakhuddin, dkk 23

Hasil Penentuan Parameter Komponenkomponen Ada enam komponen utama penyusun perangkat uji sumber ion seperti disebutkan pada Subbab Persyaratan Desain yaitu tabung pengujian, magnet elektro, sistem catu gas, sumber tegangan puller, sistem kendali-monitoring, sistem vakum dan sistem pendingin. Tiga komponen pertama merupakan komponen yang spesifik dalam sumber ion dan akan dibahas secara lebih rinci penentuan spesifikasinya. Komponen berikutnya yaitu sumber tegangan puller dan sistem kendali-monioring akan dibahas deskripsinya. Sedangkan dua komponen terakhir memerlukan perhitungan yang tersendiri yang tidak dibahas disini. Tabung Pengujian Tabung pengujian berbentuk silinder terbuat dari stainless-steel. Untuk mewadahi sumber ion yang berukuran panjang 70 cm dan diameter 8 cm maka tabung ini berukuran dibuat lebih besar dari ukuran tersebut yaitu panjang 90 cm dan berbentuk silinder berdiameter 10 cm dari bahan stainless steel. Pada bagian pangkal tempat sumber ion dimasukkan dan pada bagian ujung dipasang 2 feedthrough untuk tegangan puller dan pengukur arus ion dari sumber ion. Di bagian arah sisi dari head sumber ion dipasang suatu viewer dari gelas pleksi untuk melihat pendaran pada slit anoda sebagai indikator bahwa plasma terbentuk di dalam rongga anoda sumber ion. Gambar dari susunan tabung tersebut ditunjukkan pada Gambar 2. Gambar 2. Tabung wadah sumber ion beserta viewer. Magnet Elektro Medan magnet dibangkitkan pada kolom anoda dari head sumber ion guna menguatkan terbentuknya plasma. Magnet elektro dibuat dari dua koil arus listrik searah dengan diberi inti di tengahnya menggunakan susunan besi trafo. Perhitungan medan magnet menggunakan program Poisson-Superfish dengan ukuran magnet-elektro seperti ditunjukkan pada Gambar 3. Perhitungan medan magnet pada celah kutub magnet menggunakan angka jumlah lilitan koil 750 lilitan dan untuk berbagai besaran arus listrik. Karena dalam program Poisson-Superfish nilai lilitan amper tersebut dianggap dibangkitkan oleh suatu kawat besar yang sama besar dengan luasan koil maka perhitungannya harus dikoreksi. Besarnya koreksi yang diambil disini sebesar 0,8 yang berasal dari luasan 750 lilitan kawat yang berdiameter 1 mm yaitu sebesar 588,7 mm 2 dibagi dengan luasan area koil seperti pada Gambar 3 yaitu 742,5 mm 2. Koreksi juga ditambahkan untuk kebocoran fluks yang nilainya diambil 0,8 juga, sehingga koefisien koreksi total menjadi 0,64. Untuk mengetahui nilai validasi hasil perhitungan dengan Poisson-Superfish, hasil tersebut terlebih dahulu dibandingkan dengan pengukuran real menggunakan gaussmeter. Data perbandingannya keduanya ditunjukkan pada Tabel 1. Melihat data-data tersebut bahwa beda kedua hasil yang umumnya di bawah 10% maka dapat dikatakan bahwa perhitungan dengan program Poisson Superfish layak untuk menjadi dasar desain untuk menentukan besarnya arus listrik untuk membangkitkan medan magnet pada magnetelektro. Selanjutnya data-data perhitungan medan magnet terkoreksi di pusat rongga anoda untuk arus listrik 5 hingga 25 ampere ditunjukkan pada Tabel 2 dan contoh simulasi medan magnet ditunjukkan pada Gambar 4. Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 14, November 2012 : 22-27 24

tegangan yang diberikan, mass flow meter (mfm) yang memonitor debit aliran hidrogen, selenoid valve (sv) yang mengendalikan buka-tutup aliran gas ke sumber ion. Kedua valve dapat dikendalikan dan mfm dapat dimonitor dari control system yang outputnya dapat dikoneksikan ke komputer di pengendali siklotron dalam tahap pengembangan berikutnya. Gambar 3. Skema magnet-elektro; penunjukan angka ukuran dalam cm. Tabel 1. Arus listrik, ampere 5 7 9 11 13 Tabel 2. Medan magnet di pusat rongga anoda hasil perhitungan dan pengukuran Medan magnet terhitung, gauss 390 550 680 800 920 Medan magnet terukur, gauss 350 550 705 864 1020 Beda, % +11 0-3,5 7,4-9,8 Medan magnet terhitung di pusat rongga anoda sumber ion. Arus Medan magnet B, listrik,ampere 5 10 15 20 25 gauss 390 785 1180 1568 1960 Dengan melihat data pada Tabel 2 tersebut terlihat bahwa untuk memenuhi persyaratan besar medan magnet yang dapat dibangkitkan oleh magnet elektro yang ada sebesar 1000 gauss (0,1 tesla), arus listrik pembangkitan harus di atas 10 ampere. Sistem Catu Gas Skema sistem catu gas ditunjukkan pada Gambar 5, terdiri atas komponen-komponen tabung gas hidrogen ukuran 1 m 3 beserta regulator, variable proportional valve (vpv) yaitu valve yang ukuran lobang bukanya dapat diatur sebanding dengan Gambar 4. Contoh simulasi perhitungan medan magnet menggunakan Poisson Superfish. Gambar 5. Skema sistem catu gas hidrogen. Spesifikasi komponennya didasarkan pada debit (flow-rate) dari gas hidrogen yang dicatukan kedalam sumber ion. Debit tersebut dihitung berdasarkan kebutuhan tekanan gas untuk terbentuknya plasma di dalam ruang ionisasi. Jangkau tekanan gas hidrogen untuk terbentuknya plasma di ruang ionisasi adalah 10-4 hingga 10-1 Torr. Untuk siklotron pemercepat ion H negatif dibutuhkan kevakuman yang lebih tinggi dibandingkan pemercepat ion positif, sehingga tekanan gas di sumber ion dipilih yang minimum yaitu 10-4 Torr. Perhitungan debit untuk mendapatkan tekanan gas tertentu tergantung pada ukuran geometri volum dari rongga head sumber ion. Skema dari satu head yang akan dihitung debit gasnya ditunjukkan pada Gambar 6. PENENTUAN PARAMETER KOMPONEN PERANGKAT UJI SUMBER ION SIKLOTRON Silakhuddin, dkk 25

Head sumber ion sebenarnya terdiri atas dua rumah head yaitu atas dan bawah yang keduanya dihubungkan oleh anoda silindrik. Karena kesimetrian maka pada Gambar 6 tersebut hanya ditunjukkan head bagian atas dan setengah dari anoda. Rongga head terdiri atas rongga rumah katoda berukuran (42 16 10) mm dan rongga ionisasi (rongga anoda) berukuran tinggi 20 mm dan diameter 6 mm. Telah dilakukan perhitungan tekanan gas hidrogen di dalam rongga ionisasi untuk beberapa nilai debit gas dengan menggunakan program komputer berbasis computational fluid dynamics (CFD) dengan hasil sebagai berikut [5]. Tabel 4. Tekanan gas hidrogen di dalam rongga ionisasi 5 10 20 30 40 Debit, sccm Tekanan, Torr 8,6 10-5 2,6 10-4 5,2 10-4 8,2 10-4 8,6 10-4 Keterangan: Perhitungan di atas untuk parameter tekanan vakum di keluaran aliran gas yaitu tekanan vakum di tangki siklotron 6 10-6 Torr yaitu tekanan operasional siklotron. Melihat data-data pada tabel di atas maka untuk mendapatkan tekanan gas hidrogen di ruang ionisasi dalam daerah 10-4 Torr diperlukan debit gas Gambar 6. Head sumber ion bagian atas. catu mulai nilai 10 sccm hingga 40 sccm. Untuk memenuhi catu gas tersebut telah dipasang komponen mass flow meter untuk gas hidrogen dengan spesfikasi pemantauan 0 hingga 50 sccm buatan Aalborg. Sumber Tegangan Puller Arus ion yang sudah pernah dicapai adalah sebesar 35 µa pada tegangan puller maksimum 3 kv. Dengan menggunakan kesebandingan antara arus ion I dan tegangan puller V dalam rumusan : I ~ V 3/2 dan dengan faktor efisiensi 60% diperoleh arus ion pada V=30 kv diprediksi sebesar I=450 µa. Prediksi teoritis ini sebenarnya masih lemah untuk dapat dianggap valid. Untuk memperoleh prediksi yang lebih akurat maka perlu dilakukan eksperimen pengujian pada tegangan puller yang lebih tinggi lagi. Pada pengembangan yang diusulkan ini akan dibuat/dipasang sumber tegangan puller minimum 10 kv DC. Dengan tegangan puller sebesar ini akan dapat diperoleh data-data arus ion pada tegangan puller 10 kv, kemudian dengan ekstrapolasi diperoleh arus ion pada tegangan puller 30 kv. Hasil ekstrapolasi dari data eksperimen akan lebih dapat dipercaya dibandingkan prediksi teoritis. Eksperimen yang dilakukan oleh KIRAMS dalam menguji sumber ion siklotron juga menggunakan tegangan 10 kv DC. [3] Sistem Kendali-Monitoring Pengendalian operasi terhadap komponenkomponen diatas dilakukan dari suatu panel pengendali, cara kerja interlock juga diberlakukan pada proses pengendalian. Dalam pengendalian Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 14, November 2012 : 22-27 26

interlock ini, untuk dapat mengoperasikan sumber tegangan katoda dipersyaratkan terlebih dahulu kondisi hidup dari sistem vakum, catu gas, magnet dan pendingin air. Interlock diberlakukan juga untuk sistem vakum, yaitu persyaratan hidupnya pompa mekanik sebelum menghidupkan pompa turbomolekul dan persyaratan kondisi vakum di tabung pengujian mencapai 10-1 Torr sebelum membuka gatevalve yang menghubungkan pompa turbomolekul dengan ruangan tabung. Monitoring dilakukan untuk parameter-parameter yang langsung berkaitan dengan proses produksi ion yaitu arus besarnya arus ion, tegangan dan arus katoda, tegangan puller, arus magnet, debit gas hidrogen dan kevakuman. KESIMPULAN Suatu perangkat untuk menguji sumber ion siklotron telah ditentukan susunan dan parameter komponen-komponennya. Komponen-kmponennya terdiri atas tabung wadah sumber ion beserta viewer, magnet, sumber tegangan puller, sistem pengendali-monitoring dan sistem bantu vakum dan pendingin air. Tabung wadah sumber ion dilengkapi dengan viewer untuk melihat terjadinya ionisasi di head sumber ion. Untuk magnet-elektro yang sudah ditentukan ukurannya dan dengan jumlah lilitan per koil 750 lilitan diperlukan arus di atas 10 ampere guna mendapatkan medan magnet di pusat magnet minimum 1000 gauss. Untuk operasional sumber ion diperlukan catu gas dengan debit 10 hingga 40 sccm. Tegangan puller yang diperlukan sebesar 10 kv DC. Sistem pengendalimonitoring mengendalikan seluruh operasi komponen dengan interlock yang diperlukan dan memonitor besaran-besaran yang berkaitan langsung dengan proses produksi arus ion. UCAPAN TERIMA KASIH Terima kasih disampaikan kepada Bp. Hari Suryanto yang telah menyumbangkan gambar skema sistem catu gas dan Bp. Sukidi yang telah menyumbangkan gambar skema tabung pengujian sumber ion. Tidak lupa juga diucapkan terima kasih kepada Bp. Ka. BTAFN yang telah menyetujui usulan penelitian dan penulisan makalah ini. DAFTAR PUSTAKA [1] ROVEY, J.L., Design Parameter Investigationof a Cold Catode Penning Ion Source for General Laboratory Applications, Journal of Plasma Science and Technology, (2008) 17(3). DOI. [2] SILAKHUDDINdan R.S. DARMAWAN, Penentuan Geometri Dan Konstruksi Komponen Utama Sumber Ion Untuk Siklotron DECY 13, Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Dan Teknologi Nuklir, ISSN 0216-3128, PTAPB- BATAN, Yogyakarta, 19 Juli 2011. [3] D.H. AN, The Negative Hydrogen Penning Ion Gauge Ion Source for KIRAMS 13 Cyclotron, Review of Scientific Instruments 79, 02A520 (2008) [4] Anonim, High current ion source, [5] http://acc.physik.unifrankfurt.de/vorlesung/ws1112/06_vsws11 12_hochstrom_en.pdf, diunduh 17 Oktober 2012 [6] FAJAR HIDAYAT, Pengaruh Variasi Geometri Housing Pada Head Sumber Ion Terhadap Distribusi Tekanan Hasil Perhitungan Dengan Metode CFD, Skripsi Strata 1, Fakultas MIPA UNY, 2012. TANYA JAWAB Suprapto Apakah dalam simulasi penentuan debit gas H 2 tidak terkait dengan kapasitas pompa vakum yang digunakan karena makin besar kapasitas pompa makin tinggi kevakumannya pada beban gas konstan Silakhuddin Dalam simulasi ini sudah ditentukan sebagai syarat batas yaitu tekanan di dalam saluran keluar sumber ion yaitu tekanan di dalam ruang tangki siklotron. Jadi dalam hal tidak perlu dilihat kapasitas pompa, karena bagi simulator ini yang penting berapa tekanan di tangki siklotron PENENTUAN PARAMETER KOMPONEN PERANGKAT UJI SUMBER ION SIKLOTRON Silakhuddin, dkk 27