ANALISIS KOMPOSISI DAN KURVA B-H BAHAN LOW CARBON STEEL PT. KRAKATAU STEEL MENGGUNAKAN VSM DAN EDX UNTUK KEPERLUAN DESAIN MAGNET SIKLOTRON 13-MeV

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 Taufik1), Emy Mulyani1), Slamet Santosa2), Kusminarto3) 1)

Mahasiswa S2 Ilmu Fisika FMIPA UGM PTAPB BATAN Yogyakarta 3) Dosen Fisika FMIPA UGM 1,3) Jl.Sekip Utara Yogyakarta 2) Jl.Babarsari Kotak Pos 6101 Ykbb, Yogyakarta 55281 2)

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 Taufik, dkk

45

ISSN 1411-1349

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 Xray 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]

H=

0,4πNI l

(1)

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/m2 atau Tesla) dan kuat medan magnet (H) dinyatakan dengan persamaan: [4] ‫ ܤ‬ൌ ߤ଴ ‫ ܪ‬൅ ߤ଴ ‫ ܯ‬ൌ ߤ଴ ሺ‫ ܪ‬൅ ‫ܯ‬ሻ

(2)

dengan µ0 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


ISSN 1411-1349

Gambar 2. Kurva B-H beberapa bahan inti magnet.[5] 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 4. Kurva histerisis untuk hard dan soft material magnet.[5]

METODOLOGI

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.

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.


47

ISSN 1411-11349

V Volume 13, Janu uari 2012

G Gambar 5. Posisi sampel an nalisis VSM. Unttuk analisis unsur dengann EDX samppel dibuat beruukuran 5 mm m x 5 mm x 2 mm. Setelah diperoleh sifat magnett dari suatuu bahan dalaam bentuk kurrva B-H, kurrva tersebut disimpan d dalaam library bahhan magnet paada program simulasi s Operra3d dan diggunakan dalam m simulasi medan m magnett 3 dimensi menggunakan modul m TOSCA A yang terdappat pada proggram Opera-33d. Hasil sim mulasi tersebbut kemudian dianalisis kellayakannya unntuk digunakan sebagai bahhan magnet siiklotron.

un kurva BH di bawah daaerah jenuh memiliki m namu gradiien/kemiringaan yang berbeeda-beda atau u bahan bersifat anisotropikk.

HASIL DAN D PEMB BAHASAN N Hasil Analisis Dengan VSM Sam mpel bahan A yang diggunakan dalaam pengukurann dengan VS SM memiliki massa mA=422,8 mg. Penguukuran dilakuukan dalam tiiga posisi yanng berbeda seeperti pada Gaambar 5 dan diperoleh d kurvva BH untuk masing-masiing posisi yaang ditunjukkan pada Gambbar 6. Dari Gambar G 6 dapaat dilihat bahw wa dengan meengubah posisi sampel mengghasilkan kurvva BH yang berbeda b dan pada p posisi keetiga dihasilkan gradien/kem miringan yaang lebih besar. b Hal ini i menunjukkkan bahwa sifat magneet dari bahan tersebut beersifat anisotroopik. Apaabila skala koordinat horizoontal dari kurvva BH pada Gambar 6 poosisi ketiga diperkecil d makka D Gambar 7 diperoleh kurva pada Gambar 7. Dari terlihat kurrva histerisis tidak simetri dan remanennsi maksimalnnya 470 gauuss. Selain itu koersivittas maksimalnnya 12.652 A/m m. Unttuk sampel baahan B dengaan massa 32,443 mg diperolleh hasil yang ditunjukkan pada p Gambar 8. Sama sepeerti bahan A posisi p sampell pada bahan B mempengaaruhi kurva BH B dan padaa posisi ketigga diperoleh kemiringan k kuurva BH yangg besar. Adapuun remanensi dan koersivittas dari bahann B ditunjukkan pada Gambbar 9. Hassil pengukurann dengan VSM M menunjukkan kedua samppel memiliki kejenuhan k lebbih dari 2 T. Hal H ini diperllukan dalam desain maagnet siklotroon DECY13 karena meddan magnet maksimalnyya mencapai 1,95 T. Sehhingga dengann kedua bahan tersebut, magnet m siklotroon tidak bekeerja pada daerah jenuh. Waalaupun mem miliki kejenuhhan yang baiik,

(aa) Posisi samppel 1.

(bb) Posisi samppel 2.

(cc) Posisi samppel 3. mbar 6. Kurvaa BH sampell A hasil peng gukuran Gam VSM M. Deng gan demikian tampang lintaang permukaaan bahan perlu u diperhatikaan dalam memmbuat magnet

48

Prosiding P Pertemuan dan Pressentasi Ilmiah Teknologi T Akseelerator dan Aplikasinya Vol. 13, Januari 2012 : 45 - 51


ISSN N 1411-1349

siklotroon. Selain ittu dari keduua bahan terrsebut kemirinngan kurva BH sampell B lebih besar dibandiingkan dengaan sampel A. Kemiringan yang semakin besar menuunjukkan bahaan magnet sem makin mudah diinduksi olehh arus listrik. A Denggan EDX Hasil Analisis Hasil analisis a sampeel dengan ED DX untuk bahhan A dan bahhan B ditunjuukkan pada Gaambar 10. Bahhan A menganndung Fe 95,01%, C 4,744% dan Si 0,26% 0 sedangkkan bahan B mengandunng Fe 96,14% %, C 3,78% dan Si 0,08% %. Hasil ini sebanding dengan hasil annalisis VSM dimana bahann B yang mem miliki kandunngan Fe yanng lebih bessar dari bahaan A menghaasilkan kurvaa BH dengann kemiringan yang lebih beesar.

(c) Posisi saampel 3. Gam mbar 8. Kurvaa BH bahan B. B Kurva BH Bahan B 0.3 30 20 0.2

B(T)

0.10 B (T)

Ku urva BH Bah han A 0.10

‐40000

00 0.0 ‐20000 ‐0.10 0

0.00

‐300 000 ‐20000 ‐1 10000

20000

‐0.2 20 0

10000 200 000

‐0.10 H(A/m) Gam mbar 7. Koerssivitas dan rem manensi bahann A.

(a) Posisi P sampel 1.

‐0.3 30 H (A/m) Gambar 9. Koersivitas daan remanensi bahan B. Simulasi S Medan Magnet S Siklotron Den ngan Bahan Sampel S Simulassi medan maggnet dengan TOSCA T ini dilakukan untu tuk mengetahhui besarnya arus yang diperlukan maagnet siklotroon apabila meenggunakan bahan sampel dari Krakataau Steel. Dalaam simulasi in ni model maagnet dibuat seperti mod del magnet Kirams K 13.[2] Dengan meenggunakan data d bahan magnet m B padda posisi ketiiga yang dip peroleh dari an nalisis VSM M, besarnya medan maagnet yang dihasilkan sangat kecil yaittu tidak lebih h dari 0,2 T pada NI = 410040 lilit amper per kumpaaran seperti ditunjukkan pada p Gambar 11. Hasil ini i berbeda dengan Kirams 13 yang meenghasilkan medan m rataraata 1,3 T. Untuk meningkatkan m n medan magn net menjadi 1,3 T dengann menggunakkan sampel bahan dari Krakatau K Steell, maka diperrlukan NI = 180.000 1 lilit am mper per kumparan k sepperti ditunju ukkan pada Gambar G 12. Dengan D NI yyang lebih besar b dapat mengakibatkan m n dimensi maggnet menjadi lebih besar dan kebutuhan pendingin meenjadi besar.

KESIMPUL K LAN (b) Posisi P sampell 2.

Dari peenelitian ini ddapat disimpullkan bahwa posisi benda ujji terhadap araah medan mag gnet induksi menghasilkan m kurva B-H yang berbedaa, sehingga

ANALISSIS KOMPOSISSI DAN KURVA A B-H BAHAN LOW L CARBON N STEEL PT. KR RAKATAU STE EEL MENGG GUNAKAN VSM M DAN EDX UNTUK UN KEPERL LUAN DESAIN N MAGNET SIK KLOTRON 13-M MeV Taufik, dkk

49

ISSN 1411-1349


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.

B (T)

Gambar 10. Hasil analisis EDX bahan A dan bahan B.

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


ISSN 1411-1349

DAFTAR PUSTAKA 1. 2. 3. 4. 5.

Renstra BATAN 2010 – 2014, Badan Tenaga Nuklir Nasional 2010 YS KIM.,DKK, 2004, New Design of The Kirams-13 Cyclotron For Regional Cyclotron Center, Proceedings of APAC Gyeongju, Korea. http://www.wisegeek.com/what-is-low-carbonsteel.html, 2011 SMITH,F.WILLIAM, Principle of Material Science and Engineering, Third Edition, McGraw-Hill,Inc http://www.electronicstutorials.ws/electromagnetism/electromagneticinduction.html, 2011.

TANYA JAWAB Suprapto ¾ Mohon pada akhir pembahasan dan kesimpulan menunjukkan konsekuensi logis sehingga dapat dengan mudah diterima. Taufik 9 Saran diterima


51

ANALISIS KOMPOSISI DAN KURVA B-H BAHAN LOW CARBON STEEL PT. KRAKATAU STEEL MENGGUNAKAN VSM DAN EDX UNTUK KEPERLUAN DESAIN MAGNET SIKLOTRON 13-MeV

Recommend Documents