Aminus Salam. Budi Santoso, Saefurrachman, Agus Purwadi Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan BATAN Jl. Babarsari Kotak Pos 6101 Ykbb 55010 Yogyakarta E-mail : aminussalam@yahoo.com ABSTRAK. Telah dilakukan rancangan sistem sumber daya untuk sumber elektron berbasis katoda plasma (SEBKP). Sistem ini menghasilkan tegangan 840 V, arus 100A dan lebar pulsa 100 µ detik. Dalam melakukan perancangan sistem sumber daya SEKBP terdiri dari dua bagian, bagian pertama adalah modul transformator dan bagian kedua adalah modul rangkaian PFN (Pulse Forming Networks) L-C. Modul transformator mempunyai tegangan masukan 220 V dan tegangan keluaran 500 V sedangkan modul PFN mempunyai 10 untai L-C, dan masing-masing kapasitor adalah 1 µf/1,2 kv, induktor 25 µh. Dalam perancangan sumber daya untuk mendukung sumber electron berbasis katoda plasma selain dilakukan dengan perhitungan juga dilakukan dengan simulasi rangkaian PFN dengan menggunakan Matlab. Kata kunci : sumber daya, katoda plasdma ABSTRACK DESIGN OF POWER SUPPLY FOR ELECTRON SOURCE BASED ON PLASMA CATHODE. The design of power supply for plasma cathode electron source has been done. This system is one of the main component for plasma cathode electron source. This system is expected to give an output voltage of 840 V and its current of 100 A having pulse width of 100 µ second. To achieve these expected values, the system divided into two modules which has input voltage of 220 V and the output voltage of 500 V. As well as the PFN modules which has 10 loops of L-C circuit, and each capacitance of 1 µf/1.2 kv, inductance is 25 µh. In this paper the simulation of PFN circuits is shown using Matlab tools and some calculation for components is also carried out to achieve result in designing this system Key words : power supply, plasma chatode PENDAHULUAN Pada tahun 2000 di Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan, BATAN Yogyakarta telah dirintis pembuatan Mesin Berkas Elektron (MBE) 350 kv /10 ma yang digunakan untuk iradiasi bahan dan dikembangkan MBE lateks. MBE digunakan untuk mendukung pengolahan hasil pertanian, obat-obatan, pelapisan, sterilisasi dll,. Sedangkan MBE lateks untuk pengolahan karet alam. Perangkat MBE merupakan perangkat yang besar (dengan arus kecil) untuk industri skala besar dan memerlukan sistem pendukung komponen serta ruangan yang cukup besar. Saat ini dilakukan rintisan rancangan MBE pulsa (Sumber Elektron berbasis katoda Plasma / SEBKP), keuntungan MBE pulsa komponennya lebih kompatibel, ruangan yang diperlukan tidak luas dan banyak manfaatnya dan harga awal dan perawatan lebih murah dibanding MBE. Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 14, November 2012 : 184-189 Untuk mewujudkan MBE Pulsa diperlukan beberapa pendukung : sistem catu daya, sistem pemicu, sistem grid, sistem vakum, penentuan material elektroda dan sistem kerangka. Untuk ini dilakukan rancangan sistem catu daya, sebagai pendukung sistem catu daya diperlukan trafo dengan tegangan masukan 220 V tegangan keluaran 600 V serta komponen elektronik kapasitor, induktor, tahanan dan diode. Trafo untuk tegangan 220 V dengan keluaran 400 600 volt diperoleh dengan menentukan lilitan primer dan sekunder (untuk menyediakan secara langsung sulit diperoleh dipasaran, sedangkan rangkaian LC untuk meningkatkan tegangan pulsa menjadi 1000 Volt, Untuk menentukan besaran L dan C yang bergungsi untuk meningkatkan tegangan dalam bentuk pulsa dengan dilakukan simulasi dengan program matlab. Jenis trafo 220 v dengan keluaran s/d 500 V digunakan trafo 10 A lilitan primer dan sekunder. Komponen kapasitor digunakan C 1 µf/1,2 KV, 184
induktor 25 µh masing-masing 10 buah dan beberapa resistor dan diode. Sistem catu daya terdapat pada sisi kiri dan kanan pada sumber eleltron berbasis katoda plasma merupakan sistem dua sumber DUET (juga untuk sistem pemicu), karena sistem catu daya berdampingan dengan sistem pemicu. Pada pelaksanaannya perlu diperhatikan sistem pengkabelan, karena sangat mempengaruhi terjadinya penambahan induktor demikian juga kabel katoda dan anoda harus saling diisolasi supaya tidak terjadi lucutan diluar tabung. SISTEM CATU DAYA GENERATOR PLASMA Sistem Catu Daya Generator Plasma merupakan bagian dari sistem sumber elektron berbasis katoda plasma. Prinsip sumber elektron berbasis katoda plasma yang dirancang mendasarkan pada sistem DUET seperti tampak pada Gambar 1. Sistem Catu Daya Generator plasma merupakan salah satu bagian pada sistem sumber elektron berbasis katoda plasma dengan menggunakan sistem DUET. Sistem DUET terdiri dari beberapa bagian yaitu bejana plasma sistem anode berongga yang mempunyai dua sistem elektrode ignitor pembentuk spot atau lucutan permukaan di sisi kiri dan kanan, dengan grid yang dipasang di bawah dinding bejana yang juga berperan sebagai anode untuk menghasilkan plasma. Sistem elektroda ignitor memerlukan sistem catu daya lucutan ignitor IDPS (Ignitor Discharge Power Supply) tegangan 10 kv dan frekuensi 50 Hz untuk membentuk spot. Sistem elektroda generator plasma dilengkapi dengan catu daya lucutan busur ADPS (Arc Discharge Power Supply) sebagai pembentuk plasma dengan tegangan 840 V, arus 100 A dan lebar pulsa 100 µs. PERANCANGAN SISTEM CATU DAYA Perancangan Sistem catu daya meliputi sistem trafo dan sistem rangkaian LC, sebanyak dua buah untuk sisi kanan dan kiri 1. Sistem Trafo Sistem Trafo digunakan sebagai pembangkit rangkaian LC pada sistem catu daya, pada rangkaian catu daya generator plasma sumber elektron berbasis katoda plasma diperlukan trafo dengan keluaran 400 watt / 600 Volt. Untuk ini dilakukan pembuatan trafo/merangkai kembali trafo dari trafo tegangan masukan 220 volt tegangan keluaran 90 volt, 10 Ampere menjadi trafo tegangan masukan 220 volt dengan tegangan keluaran 600 volt/ 400 watt, yaitu dengan menghitung panjang inti besi, tebal kern dan luasan kern maka dapat menentukan diameter kawat primer dan diameter kawat sekunder. Gambar 1. Sumber elektron sistem dua sumber DUET. Aminus Salam, dkk. 185
Pada trafo daya sekunder 400 watt/600 volt, dapat ditentukan arus sekunder dan daya primer sbb : 400 Arus sekunder : Is = = 0,66 A dan 600 Daya Primer = 1,25 400VA= 500VA P t Sehingga dapat dicari panjang penampang inti besi dan tebal kern sbb : Inti besi ditentukan panjang penampang inti b : b = = 3 3 1,5 Daya Primer 9,9 1,5 500 9,9 Diameter kawat sekunder φ ks φ ks = 0,7 = 0,6 mm 0,66 2. Sistem Rangkaian LC Untuk sumber daya lucutan busur DUET digunakan rangkaian LC, sebelum rangkaian LC dipasang diode D dan resistor R, sedangkan pada keluaran anoda dan kathoda dipasang komponen diode dimana pada tegangan masukan diperlukan trafo 220 volt dengan keluaran 400 s/d 500 volt. Gambar sistem rangkaian LC ditunjukkan pada Gambar 2. = 3 75, 25 = 4,2 cm Tebal inti kern h : h = b 0,6561 4,2 = = 6,4 cm 0,6561 Dengan telah diperoleh panjang penampang inti kern dan tebal kern dapat diperoleh luas penampang kern sbb : Luas penampang A : A = b h = 4,2 6,4 = 22,88 cm 2 Kern inti yang tersedia b (yang ada) b = 4,4 cm h = 22,88 4,4 = 6,1cm Lilitan pervolt adalah frekuensi dibagi luasan 50 = 4,4 6 = 1,89 Jumlah lilitan sekunder = 600 1,89 = 1136 Jumlah lilitan Primer = 220 1,89 = 416 Diameter kawat primer φ kp φ kp = 0,7 500 220 = 1,05 mm = 1 mm Gambar 2. Sistim rangkaian LC. Andaikan tegangan masukan V L = 500 V, I lucutan = 100 A dengan t = 10-4 detik maka Jika n = 10, maka atau VL ρ L = = 5 Ω I lucu tan t = 2,2 ρ L n C 1 4 t 10 C = = 2,2 ρ n 2,2 5 10 = 1 L C 1 = C 2 =.. = C 10 0,3 µf L 1 = L2 =.. = L 10 Untuk C 1 = 0,1 µf maka L 1 = ρ 2 L C 1 = 25 µh Dari hasil menentukan jenis trafo dan hasil jumlah lilitan primer, sekunder serta penentuan komponen elektronik yang diperlukan maka dapat dilakukan rancangan rangkaian sistem catu daya generator plasma berbasis katoda plasma yang terdiri dari sistem trafo dengan ditentukan lilitan primer 416 dan lilitan sekunder 1136, rangkaian LC (dilengkapi dengan tahanan R dan dioda d) dimana L = 0,1 µ F/ 1,2 kv dan L 25 µ H dimana kapasitor dan induktor masing masing berjumlah sepuluh buah seperti Gambar 3. Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 14, November 2012 : 184-189 186
Gambar 3. Rangkaian catu daya untuk lucutan busur DUET. Gambar 4. Hasil Simulasi rangkaian parallel 5 LC. Hasil Uji Rangkaian Catu Daya Generator Plasma Rangkaian catu daya generator plasma dari Gambar 3 dilakukan secara langsung dan secara simulasi. Uji secara langsung menunjukkan tegangan 840 V, arus 100 A dan lebar pulsa 100 µ detik. Uji secara simulasi dilakukan dengan program Watfor 77 untuk rangkaian parallel LC 5 untai dengan hasil simulasi disajikan pada Gambar 4. Dari Gambar 4 menunjukkan kurva arus fungsi waktu dengan satuan sembarang (arbitrary unit), pada posisi 5 menunjukkan rangkaian parallel LC 5 untai bentuk pulsa ke arah gelombang kotak (5 untai artinya terdapat rangkaian LC sebanyak 5 buah), sedangkan jika dilakukan dengan program SIMULINK dari paket program MATLAB hasilnya disajikan pada Gambar 5. Simulasi PFN dengan program SIMULINK dari paket program MATLAB. Aminus Salam, dkk. 187
Gambar 5. Gambar rangkaian LC 10 untai yang akan disimulasi dengan program MATLAB. Gambar 6. Hasil Simulasi dengan program MATLAB untuk tegangan 4000 V, C = 1µ F, L = 1µ Henry, fungsi Step 4000 V. Gambar 7. Hasil Simulasi dengan program MATLAB untuk tegangan 4500 V, L = 25e-6 Henry, C = 1e-6 Farad, Sinyal step = 4500 Volt. Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 14, November 2012 : 184-189 188
KESIMPULAN Telah diselesaikan rancangan sistem catu daya generator plasma pada SEBK, digunakan trafo tegangan masukan 220 V, tegangan keluaran 600 volt dan rangkaian elektronik L-C 10 untai dengan kapasitor 0,1 µf/1200 V, induktor 25 µh, serta beberapa komponen pendukung kapasitor 12,5 µh, dioda 500 700 V,/ 1,5 Watt dan diode 1,5 2 kv, 12 W, resistor 2Ω/1,5 W, 2Ω/ 75 W. Rangkaian catu daya denga LC 10 untai satu sisi telah dilakukan uji discharge dengan hasil uji diperoleh : tegangan 840 V, arus 100 A dan lebar pulsa 100 µ detik, dengan memperhatikan ketelitian dalam penyambungan kabel (yang seefisien mungkin) dan sistem isolasi tegangan sebaik mungkin untuk menghindari discharge statik diluar tabung. Untuk uji simulasi dilakukan menggunalan program watfor 77 (untuk waktu dan nilai LC adalah sembarang / arbitrary unit) dan Simulink Matlab, hasil uji diperoleh bentuk pulsa. Untuk uji berikutnya akan dilakukan uji untuk dua sisi (kiri dan kanan) untuk sistem catu daya dan sistem pemicu pada SEBKP DAFTAR PUSTAKA [1] EFIM OKS, Low Pressure Discharge for Plasma Electron Source, Lecture note part 2, Presented in BAS 2011, Yogyakarta, Indonesia, December 5th-9th, 2011. [2] EFIM OKS, Generation of Large-Cross- Section Beams in Plasma-Cathode Systems, Lecture note part 8, presented in BAS 2011, Yogyakarta, Indonesia, December 5th-9th, 2011. [3] EFIM OKS, Plasma Cathode Electron Sources, Physics, Technology, Applications, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Wienheim, 2006, ISBN; 3-527-40634-4. [4] S.LEE, Control Electronics, in Laser and Plasma Technology, Procces. Of the First Tropical College on Applied Physics, World Scientific Publishing Co Pte Ltd. Singapore, 1985. UCAPAN TERIMAKASIH Kami mengucapkan banyak terima kasih kepada Bapak Prof. Drs. H. Sudjatmoko, S.U. dan Bapak Drs Widdi Usada yang telah memberikan arahan dan bimbingan dalam penulisan makalah ini, serta kami ucapkan banyak terima kasih kepada Bapak Hery Sudarmanto, Bapak Untung Margono dan team SEBKP yang telah bersama-sama dalam melakukan uji sistem catu daya pada SEBKP. TANYA JAWAB Lely Susita RM Apakah pengaruh sumber daya generator plasma terhadap sumber daya ignitor? Aminus Salam Sumber daya generator plasma tidak dipengaruhi oleh sumber daya ignitor, tetapi untuk meghsilkan lucutan plasma/discharge pada keluaran sumber daya generator plasma diperlukan sistem pemicu/ignitor yang dihasilkan oleh sumber daya ignitor. 189 Aminus Salam, dkk.