MESIN SIKLOTRON DECY-13 Saminto, Slamet Santoso Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Jl. Babarsari Kotak Pos 6101 Ykbb Yogyakarta 55281, Tel. (0274) 484436, Fax. (0274) 487824 E-mail : saminto@batan.go.id ABSTRAK. Telah dilakukan perancangan sistem proteksi dan interlock untuk mesin siklotron DECY-13. Sistem ini berfungsi memproteksi mesin siklotron jika terjadi kegagalan operasi. Untuk memenuhi aspek keselamatan operasi mesin siklotron diperlukan prosedur operasi standart, syarat operasi, sistem proteksi dan interlock. Sistem proteksi dibuat mandiri dan setiap parameter masukan diterapkan interkoneksi yang bebas umpan balik dengan sistem tersebut. Berdasarkan identifikasi parameter masukan dapat dibuat rancangan sistem proteksi dan interlock mesin siklotron dengan sepuluh parameter masukan dan menghasilkan enam tindakan aktuasi yaitu, interlock sistem magnet, mematikan sumber daya magnet, mematikan sumber daya RF, interlock sistem RF, aktifkan alarm, interlock sumber ion. Kata kunci: sistem interlock, sistem proteksi, sikotron DECY-13 ABSTRACK THE MACHINE INTERLOCK AND PROTECTION SYSTEM DESIGN FOR DECY-13 CYCLOTRON. The interlock and protection system design for DECY-13 cyclotron machine has been done. This system serves to protect cyclotron machine in case of failure. To satisfy safety aspects of cyclotron machine operation required standard operating procedures, operating conditions, interlock and protection system. The protection system is independent and each input parameter applied to the feedback free interconnection with the system. Based on the input parameter identification can be made the interlock and protection system design for cyclotron machine with ten input parameters and produced six action actuations ie., magnets system and RF system interlock, magnet power supply off, RF power supply off, RF system interlock, alarm active, ion sources and RF system interlock. Key words: protection system, interlock system, DECY-13 cyclotron PENDAHULUAN Salah satu kegiatan di PTAPB BATAN Yogyakarta adalah melakukan perancangan Siklotron Proton 13 MeV untuk Produksi Radioisotop yang diberi nama Development Experiment Cyclotron Yogyakarta-13 MeV (DECY-13). [1] Siklotron DECY-13 yang dirancang merupakan akselerator siklik untuk mempercepat berkas partikel yang dihasilkan dari sumber ion. Melalui medan radio frequency (rf) dan medan magnet yang relatif tinggi sehingga dihasilkan berkas partikel berenergi relatif tinggi yang kemudian digunakan untuk meradiasi target atau cuplikan. Mesin siklotron dapat dikatakan sebagai sumber radiasi yang dioperasikan pada energi tinggi. Bahaya yang ditimbulkan dari pengoperasian mesin siklotron terutama berasal dari listrik arus tinggi, medan magnet besar dan radiasi yang timbul karena tumbukan berkas partikel dengan target. [2] Oleh karena itu instalasi mesin siklotron harus mendapatkan perlakuan sama seperti fasilitas irradiasi lainnya terutama dalam hal aspek keselamatan. Untuk memenuhi aspek keselamatan, maka di dalam instalasi mesin siklotron harus terjaga yaitu [3] : keselamatan orang, meliputi keselamatan operator atau pengguna yang berada di dalam atau di sekitar instalasi mesin siklotron dan keamanan mesin siklotron karena mesin beroperasi pada tegangan dan arus tinggi serta komponennya yang relatif mahal. Untuk memenuhi aspek keselamatan operasi mesin siklotron diperlukan prosedur operasi, syarat operasi, sistem proteksi dan interlock. Sistem interlock adalah kondisi saling kunci dari beberapa parameter keselamatan sehingga untuk mengoperasikan mesin siklotron 129
harus dipenuhi keadaan yang sesuai dengan persyaratan yang diijinkan. Parameter-parameter keselamatan dalam sistem interlock dapat berupa parameter yang dapat dilihat (visible) yaitu: lampu, parameter yang dapat didengar (audible) yaitu: bell/sound alarm, parameter fisika dan parameter listrik. [4] Sistem interlock siklotron mengatur urutan persyaratan operasi yang harus dipenuhi oleh parameter masukan sebelum komponen-komponen utama siklotron dioperasikan. Sistem interlock akan mengunci kondisi operasi komponen-komponen utama mesin siklotron jika persyaratan belum terpenuhi. Apabila semua parameter masukan yang dipantau telah memenuhi persyaratan (ready), maka sistem interlock mengaktifkan solid state relay (SSR) atau kontak relay dan mengaktifkan komponen utama mesin siklotron. Jika terjadi gagal operasi (trip), dimana nilai parameter masukan tidak sesuai persyaratan, maka terjadi kesalahan interlock (interlock fault) dan komponen utama mesin siklotron mati (off). Tujuan perancangan sistem proteksi dan interlock adalah agar dapat diperoleh rancangan gambar teknik yang berfungsi menjamin keamanan operasi mesin siklotron DECY-13. Sedang sasarannya adalah agar dihasilkan rancangan gambar teknik yang dapat digunakan sebagai acuan dalam melakukan rancangbangun. Sejalan dengan keperluan keamanan operasi mesin siklotron, maka perlu dirancang suatu sistem yang dapat mengambil keputusan secara cepat dan tepat jika terjadi kegagalan operasi, sehingga diharapkan kerja mesin siklotron aman dan terhindar dari kerusakan fatal. TATA KERJA Kriteria rancangan Kriteria rancangan sistem proteksi dan interlock mesin siklotron 13 MeV meliputi, 1. Rancangan prosedur atau urutan operasi mesin, 2. Penentuan parameter keselamatan yang dipantau, 3. Perancangan sistem proteksi dan interlock mesin siklotron 13 MeV. Prosedur Operasi Mesin Siklotron DECY-13 Pada umumnya mesin siklotron mempunyai komponen utama yaitu, magnet utama meliputi kumparan elektromagnet dan sumber daya magnet, sistem Frequency Rradio (RF) terdiri sumber daya RF, sinyal RF dan penguat RF, sumber ion dan sistem vakum. Keempat komponen tersebut saling terkait dan di dalam operasinya berurutan sesuai Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 14, November 2012 : 129-137 prosedur yang telah ditentukan. [5] Rancangan prosedur operasi mesin siklotron DECY-13 untuk Produksi Radio Isotop (PRI) ditampilkan pada Gambar 1. Gambar 1. Rancangan prosedur operasi mesin siklotron proton DECY-13. Berdasarkan Gambar 1, maka prosedur operasi mesin siklotron DECY-13 dapat dijelaskan sebagai berikut: a. Sistem pendingin air (water cooling) berasal dari pendingin (chiller) berfungsi untuk mendinginkan pompa difusi (diffusion pump), sumber daya magnet (magnet power supply), sumber ion (ARC power supply) dan Target. b. Pompa mekanik (Mechanical Pump) dihidupkan (on) dengan syarat yang harus dipenuhi: 1. Pintu pada DEE (yoke) tertutup, 2. Venting valve yaitu, katup (valve) yang menghubungkan ruang DEE dengan pompa mekanik, pada kondisi dibuka (open ). 3. Pompa difusi dihidupkan, punya unsur interlock dengan saklar termal (thermal switch) dari pompa difusi, sehingga pemanas akan mati jika pompa terlalu panas. c. Bucking valve, yaitu katup pendukung yang terletak diantara pompa difusi dan pompa mekanik pada kondisi terbuka. d. Roughing valve yaitu katup penghubung antara ruang vakum dengan pompa mekanik pada kondisi dibuka. 130
e. Katup vakum tinggi (high vacuum valve) yaitu katup (valve) penghubung antara ruang vakum dengan pompa difusi pada kondisi terbuka (open). f. Sumber daya magnet, mempunyai unsur interlock dengan sistem aliran air pendingin, pintu ruang sumber daya magnet dan sistem vakum. g. Pengoperasian penguat RF (RF amplifier), mempunyai unsur interlock dengan sumber daya magnet, sumber daya RF dan sistem pendingin (blower) udara. h. Pengoperasian sinyal RF (RF signal) mempunyai unsur interlock dengan penguat RF. i. Pengoperasian sumber ion (ARC power supply) mempunyai unsur interlock dengan pendingin air dan sinyal RF (RF signal). j. Pengoperasian sistem target mempunyai unsur interlock dengan pendingin air dan sumber ion. Operasi mesin siklotron berurutan sesuai dengan prosedur yang telah ditentukan dan jika terjadi kegagalan salah satu bagian komponen mesin, maka akan mengakibatkan gagal operasi bagian komponen yang lain dan terjadi interlock sehingga mesin tidak dapat dioperasikan. Sistem Keselamatan Pada Fasilitas Mesin Siklotron DECY-13. Pada fasilitas siklotron mempunyai tiga unsur utama sistem keselamatan meliputi, konstruksi/bangunan gedung, keselamatan internal operasional mesin siklotron (keselamatan internal), keselamatan personal dan syarat operasional siklotron (keselamatan ekternal). Terkait dengan sistem proteksi dan interlock mesin siklotron DECY-13, maka permasalahan yang dibahas adalah sistem keselamatan internal operasional mesin siklotron (keselamatan internal). Sistem Keselamatan Internal Operasi Mesin Siklotron DECY-13 Sistem keselamatan internal operasi mesin siklotron DECY-13 merupakan sistem kontrol yang menyatu (terintegrasi) dengan siklotron dan merupakan salah satu unit kelengkapan siklotron. Untuk mendukung operasional komponen utama mesin siklotron DECY-13, maka diperlukan persyaratan operasi (parameter keselamatan). Adapun persyaratan operasi komponen utama mesin siklotron DECY-13 ditampilkan pada Tabel 1. Tabel 1. Persyaratan operasi komponen utama mesin siklotron DECY-13. No Komponen Utama Persyaratan pengoperasian (parameter keselamatan yang dipantau). 1 Sistem Magnet utama a. Air pendingin sumber daya mencukupi b. Air pendingin kumparan magnet mencukupi c. Penutup (pintu) sumber daya tertutup d. Arus kumparan magnet tidak melebihi 200A e. Suhu sumber daya dan kumparan magnet tidak melebihi f. High vaccum valve open 2 Sistem RF a. Pendingin untuk sumber daya RF mencukupi b. Sumber daya RF siap c. Pendingin DEE mencukupi. d. Pendingin liner mencukupi 3 Sumber ion a. Penutup sumber daya tertutup sempurna b. Aliran air pendingin pada sumber daya sumber ion telah mencukupi. c. Kuat medan magnet utama telah mencukupi (magnet on, ada arus pada coil magnet ) d. Gas untuk partikel penembak telah mengalir pada sumber ion e. Arus pada sumber daya tidak melebihi 4 Sistem vakum a. Suhu pompa difusi tidak melebihi yang diijinkan b. Venting valve open c. Roughing valve open d. Bucking valve open 131
ANALISIS DAN PEMBAHASAN Perancangan sistem proteksi dan keselamatan operasi mesin siklotron DECY-13 sepenuhnya berupa rangkaian perangkat keras. Keberhasilan perancangan pada masing-masing bagian akan berpengaruh dalam menentukan unjuk kerja sistem yang dihasilkan. Perancangan sistem proteksi dan interlock dibuat berdasarkan kejadian yang muncul yang diakibatkan oleh parameter keselamatan yang dipantau seperti ditampilkan pada Tabel 2. Sistem proteksi dibuat independent dan setiap masukan parameter keselamatan diterapkan interkoneksi yang bebas umpan balik dengan sistem tersebut. Dari identifikasi pada Tabel 2 terdapat sepuluh masukan parameter keselamatan yang dipantau dan memberikan enam tindak aktuasi yaitu sistem magnet (SSR- 1), (SSR-2), RF Ampli off (SSR-3), sistem RF (SSR-4), Alarm Aktif (SSR-5) dan SI dan Sistem RF (SSR-6). Dari Tabel 2 selanjutnya direalisasikan ke dalam bentuk single line diagram seperti ditampilkan pada Gambar 2. Parameter yang dipantau 1 Aliran air pendingin sumber daya magnet < 2 Aliran air pendingin kumparan magnet < 3 Vakum dalam DEE > 4 Arus kumparan magnet > 5 Suhu sumber daya magnet > 6 Suhu kumparan magnet > 7 Pintu MPS tidak tertutup sempurna 8 Pendingin penguat RF tidak cukup 9 Sumber daya RF Ampli. tidak cukup 10 Pendingin sumber ion sumber < Tabel 2. Kejadian-kejadian yang muncul dan tindak aktuasi yang diperlukan. Laju air pendingin tidak memadai Kejadian-kejadian yang memerlukan tindak proteksi Kevakuman dalam DEE tidak memadai dan RFAmpl off Suhu sumber daya magnit AA kumparan magnet Suhu sumber ion SI off sumber daya RF Ampl RF Ampli off RF Ampli off Tindak aktuasi Sistem RF Sistem RF SI & Sistem RF Keterangan : SM: Sistem Magnet, MPS: Magnet Power Supply, RF: Radio Frequency, AA: Alarm Aktif, SI: Sumber Ion Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 14, November 2012 : 129-137 132
Gambar 2. Diagram rancangan sistem proteksi mesin siklotron DECY-13. Dari Gambar 2 dapat dijelaskan bahwa rancangan tersebut menerapkan sistem interlock seri atau menggunakan gerbang AND, yaitu jika salah satu parameter masukan tidak memenuhi syarat, maka keluaran tidak aktif (off). Kondisi SSR- 1 akan aktif (on) jika parameter masukan 1, 2, 3, 4, 5, 6 dan 7 telah memenuhi syarat yang ditentukan dan memberikan logika tinggi (high) atau dapat berupa tegangan level TTL sebesar 5V pada masukan gerbang AND-1. Kondisi tersebut juga berlaku pada SSR-2, SSR-3, SSR-4, SSR-5 dan SSR-6 sesuai parameter masukannya masingmasing. Adapun rancangan diagram pengkawatan kelistrikan sistem interlock untuk masing-masing komponen utama ditampilkan berturut-turut pada Gambar 3, 4, 5 dan 6. Sistem Magnet sistem magnet utama terdiri tujuh parameter keselamatan dan dilengkapi dengan sistem reset. Diagram rancangan pengkawatan interlock sistem magnet utama ditampilkan pada Gambar 3. 133
Gambar 3. Diagram rancangan interlock sistem magnet utama. Untuk memberikan daya pada sistem magnet, maka kondisi kontaktor KA, KB dan KC harus dalam kondisi menutup. Ketiga kontaktor digerakkan oleh kumparan relay K. Kumparan relay K disambung ke sumber daya lewat tombol push button set dan reset dan diseri dengan tujuh parameter keselamatan yaitu, over current, sistem SCR, suhu, MPS cooling water, door, magnet thermal, dan magnet cooling water. Jika terjadi penyimpangan pada salah satu masukan parameter keselamatan, maka terjadi reset, kumparan relay K mati dan kontaktor KA, KB dan KC terbuka sehingga sistem magnet terputus dengan sumber daya. Untuk mengembalikan sistem magnet pada kondisi semula, maka ditunggu syarat masukan parameter keselamatan terpenuhi dan tombol SET ditekan sesaat. Sumber Ion sumber ion terdiri enam parameter keselamatan dan dilengkapi dengan sistem reset. Diagram rancangan interlock sumber ion ditampilkan pada Gambar 4. Gambar 4. Diagram rancangan interlock sumber ion. Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 14, November 2012 : 129-137 134
Untuk memberikan daya pada sunber ion, maka kondisi kontaktor KA dan KB harus menutup. Kedua kontaktor digerakkan oleh kumparan relay K. Kumparan relay K disambung ke sumber daya lewat tombol push button, set dan reset dan diseri dengan enam parameter keselamatan yaitu, over current, PS cooling water, door, magnet on, gas on dan ps cooling water. Untuk memberikan daya pada pada RF DEE, maka kondisi kontaktor KA dan KB harus menutup. Kedua kontaktor digerakkan oleh kumparan relay K. Kumparan relay K disambung ke sumber daya lewat tombol push button set dan reset dan diseri dengan delapan parameter keselamatan yaitu, over current, PS cooling, door, temperature, sistem magnet, sistem vakum, sumber ion dan cooling water DEE. Sistem RF sistem RF terdiri delapan parameter keselamatan dan dilengkapi dengan sistem reset. Diagram rancangan interlock sistem RF ditampilkan pada Gambar 5. Sistem Vakum sistem vakum terdiri dua parameter keselamatan dan dilengkapi dengan sistem reset dan system actuator (valve). Diagram rancangan kendali interlock sistem vakum ditampilkan pada Gambar 6. Gambar 5. Diagram rancangan interlock sistem RF DEE. Gambar 6. Diagram rancangan interlock sistem vakum. 135
Operasi kendali sistem vakum dapat dijelaskan sebagai berikut, Pompa difusi punya unsur interlock dengan: Thermal switch,tc2 pada forline Valve 1 (V1) punya unsur interlock dengan : Pemanas dan Valve forline (V2) Valve roughing line (V3) punya unsur interlock dengan: valve 1 (V1), sehingga V1 menutup jika V3 dibuka. Antara V2 dan V3 punya unsur interlock dengan : time delay (TD) Pompa mekanik punya unsur interlock dengan: Valve pompa mekanik (V4). Pengecekan Hasil Rancangan Untuk memastikan bahwa rancangan sistem proteksi dan interlock telah dapat bekerja baik, maka perlu dilakukan pengecekan dan pengetesan secara simulasi menggunakan program Electronics Workbench. Pengecekan secara simulasi sistem proteksi dan interlock menggunakan prinsip memutus arus atau sistem seri yaitu dengan gerbang AND. Sesuai tabel kebenaran gerbang AND, dimana bila semua masukan berlogika tinggi ( 1 ), maka keluarannya tinggi, sedang jika salah satu masukan berlogika rendah ( 0 ), maka keluarannya rendah. Hasil pengecekan rancangan sistem proteksi dan interlock dengan program Electronics Workbench ditampilkan pada Gambar 7. a. Sistem proteksi pada konsdisi normal, enam keluaran (SSR1 s/d SSR6) actuator aktif (normal). b. Sistem proteksi dengan INP2 gagal, output SSR1 dan SSR2 gagal.(off), output SSR3, SSR4, SSR5, SSR6 aktif (normal) c. Pengecekan interlock pada komponen utama siklotron. d. Pengecekan interlock sistem vakum. Gambar 7. Diagram hasil pengetesan sistem proteksi dan interlock menggunakan program Electronics Workbench. Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 14, November 2012 : 129-137 136
Pada Gambar7a, ditunjukkan pengecekan rancangan sistem proteksi dalam kondisi operasi normal. Sedang Gambar 7b, ditunjukkan sistem proteksi dengan INP2 gagal, maka output SSR1 dan SSR2 gagal (off), sedang output SSR3, SSR4, SSR5 dan SSR6 aktif (normal). Pada Gambar 7c, ditunjukkan pengecekan rancangan sistem interlock untuk komponen utama mesin siklotron dalam kondisi operasi normal yaitu semua masukan dalam kondisi memenuhi syarat (high level ) sehingga output SSR aktif normal. Keadaan output SSR akan berubah keadaan jika salah satu masukan mengalami kegagalan. Keadaan output SSR tetap pada posisinya (terkunci) dan untuk mengembalikan pada posisi awal tombol reset harus ditekan terlebih dulu. Sedang Gambar 7d, ditunjukkan untuk pengecekan interlock sistem vakum dalam kondisi operasi normal. Dari hasil pengecekan menunjukkan bahwa rancangan sistem proteksi dan interlock dapat bekerja dengan benar sesuai yang direncanakan. DAFTAR ACUAN [1] Dokumen, Rancangan Dasar Siklotron Proton 13 MeV (DECY-13), PTAPB BATAN Yogyakarta, 2011. [2] SUNARHADIYOSO, Teori Sistem Keselamatan di Fasilitas Siklotron, Diklat Teknologi Dasar dan Aplikasi Siklotron, PPR- BATAN, Serpong 1993. [3] SILAKHUDIN, Teori Hubungan interlock dalam Sistem Siklotron, Diklat Teknologi Dasar dan Aplikasi Siklotron, PPR-BATAN, Serpong 1993. [4] DOKUMEN TEKNIK, Manual AVF Cyclotron, Ion Accelerator Division, JAERI, Hitachi, Ltd. [5] HONG SUK CHANG dkk., Control Sistem Design of KIRAM-13 Cyclotron, Proceedings of APAC 2004, Gyeongju, Korea. KESIMPULAN Dari kegiatan perancangan sistem proteksi dan interlock siklotron proton 13 MeV (DECY- 13) dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut: 1. Dari kegiatan perancangan sistem proteksi dan interlock siklotron proton 13 MeV (DECY-13) telah dapat dibuat rancangan prosedur operasi, identifikasi parameter keselamatan operasi dan tabel kejadian-kejadian yang muncul dan tindak aktuasi yang diperlukan. 2. Telah dapat dibuat rancangan sistem proteksi yang independent dan setiap masukan parameter keselamatan diterapkan interkoneksi yang bebas umpan balik dengan 10 masukan parameter keselamatan yang dipantau dan menghasilkan 6 tindak aktuasi. 3. Telah dapat dibuat rancangan sistem interlock untuk tiap komponen mesin siklotron yaitu, sistem magnet, sistem sumber ion, sistem RF DEE dan sistem vakum. TANYA JAWAB M. Cholil Bagaimana mengecek hasil rancangan interlok tersebut sesuai yang direncanakan atau tidak? Saminto Cara mengecek hasil rancangan yaitu dengan mensimulasi hasil rancangan tersebut menggunakan Program Elektronic Workbench dengan menerapkan kombinasi gerbang AND gate. Silakhuddin Untuk syarat/interlok magnet on, tidak diperlukan high vacuum value (open). Untuk syarat RF on diperlukan high vacuum OK (vacuum 1 10-6 ), ini yang belum ada dalam makalah. Saminto Terima kasih atas masukannya akan kami tindak lanjuti. 137