DESAIN AWAL KOMPONEN CENTRAL REGION SIKLOTRON PROTON 13 MEV

72

ISSN 0216 - 3128

DESAIN AWAL KOMPONEN SIKLOTRON PROTON 13 MEV

Emy Mulyani, dkk.

CENTRAL

REGION

Emy Mulyani, Taufik, Rian Suryo Darmawan Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Jl.Babarsari Kotak Pos 6101 Ykbb, Yogyakarta 55281 E-mail: [email protected]; [email protected]; [email protected]

ABSTRAK DESAIN AWAL KOMPONEN CENTRAL REGION SIKLOTRON PROTON 13 MeV. Telah dilakukan desain awal komponen central region siklotron proton 13 MeV dan analisis medan listrik menggunakan TOSCA Opera3D. Desain komponen central region meliputi geometri center blok, center dees, puller, beam guide dan posisi sumber ion. Distribusi medan listrik dan medan magnet pada area central region di simulasikan menggunakan modul TOSCA Opera3D. Distribusi medan listrik diperoleh dengan memberikan tegangan puncak dee 40 kV dengan celah antar dee 3 cm. Hasil simulasi medan listrik terlihat distribusi yang simetri antara kedua sisi dee dan sesuai dengan hasil simulasi KIRAMS-13. Sementara itu dari hasil simulasi medan magnet tampak medan magnet terbesar pada area hill, sedangkan medan magnet terlemah pada area valley. Area hill dan valley dibuat berselang-seling untuk memperbaiki pemfokusan berkas ion. Hasil mapping distribusi medan listrik dan medan magnet dapat dijadikan sebagai acuan untuk simulasi lintasan orbit berkas ion yang keluar dari sumber ion. Kata kunci: desain awal, central region, siklotron, medan listrik, medan magnet, TOSCA Opera3D

ABSTRACT INITIAL DESIGN OF CENTRAL REGION COMPONENTS FOR 13 MeV CYCLOTRON PROTON. An initial design of central region components for 13 MeV cyclotron and electric field analysis with TOSCA Opera3D were carried out. Design of central region components consist of the geometry of center block, center dees, puller, beam guide and also ion source position. The electric and magnetic field distribution in the central region has been calculated by TOSCA OPERA3D. Mapping for electric field distribution was calculated by TOSCA OPERA3 with peak dee voltage 40 kV with 3 cm gap between the dee. The simulation yields result symmetry for the electric filed distribution between the two side dee and suitable to those simulated at KIRAM-13 cyclotron. The magnetic simulation results that the highest magnetic fields in the hill areas, while the lowest magnetic field in the valley area. Hill and valley areas are made to correct ion beam focusing. The result of mapping the electric and magnetic fields distribution can be used as a reference for the simulation of ion orbit trajectories that came out of the ion source. Keywords: initial design, central region, cyclotron, electric field, magnetic field, TOSCA Opera3D

PENDAHULUAN

K

anker merupakan penyebab kematian nomor 2 di dunia setelah penyakit kardiovaskular. Menurut laporan Badan Kesehatan Dunia (WHO) tahun 2003, setiap tahun timbul lebih dari 10 juta kasus penderita baru kanker dengan prediksi peningkatan setiap tahun kurang lebih 20%. Diperkirakan pada tahun 2020 jumlah penderita baru penyakit kanker meningkat hampir 20 juta penderita, 84 juta orang diantaranya akan meninggal pada sepuluh tahun ke depan bila tidak dilakukan intervensi yang memadai [1]. Dengan makin meningkatnya kasus kanker dan penelitian yang berkaitan dengan fungsi organ (faal) seperti otak, memerlukan peralatan yang dapat memberikan citra tentang bagian-bagian tubuh yang aktif karena metabolisme pertumbuhan cepat seperti sel-sel kanker. Salah satu peralatan yang dapat menunjukkan

kegiatan peningkatan metabolisme ini adalah senyawa mirip glukosa yang ditandai (labeled) dengan radioisotop yang berumur pendek. Radioisotop yang banyak digunakan adalah 18F (umur paro t ½ = 110 menit) yang dapat diproduksi dengan menembakkan proton pada isotop 18 O(p,n)18F, biasanya dalam bentuk target air (H 2 O) yang atom oksigennya diperkaya dengan 18O. Reaksi lain adalah dengan berkas deuteron yang ditembakkan pada 20Ne(d,α)18F (target 20Ne alami + 19 F alami untuk pengemban/carrier). Isotop 18F kemudian disintesis menjadi 18FDG (fluoro-deoxyglucose) yang mirip glukose. Proton sebagai partikel yang akan menembak isotop dapat dihasilkan oleh salah satu jenis akselerator siklik yang dikenal dengan siklotron. Beberapa negara maju telah mengembangkan siklotron untuk produksi radionuklida Positron Emission Tomography (PET) ukuran kecil, misalnya

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2011 Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 19 Juli 2011

Emy Mulyani, dkk.

ISSN 0216 - 3128

Korea Selatan mengembangkan siklotron KIRAMS13 untuk aplikasi PET yang telah dimanfaatkan di lebih dari 5 pusat siklotron di Korea[2] dan Republik Rakyat China mengembangkan Cychu-10[3]. 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 prototipnya dapat diselesaikan pada tahun 2019 [4]. Komponen utama siklotron diantaranya: sistem elektromagnetik, sistem RF, sistem sumber ion, sistem monitor berkas dan sistem ekstraktor berkas. Central region merupakan bagian tengah siklotron yang terdiri dari sumber ion, serta area center dee sebagai puller dan beam guide [5]. Desain central region merupakan hal yang paling penting dalam desain siklotron karena area ini merupakan area yang menentukan untuk mengetahui bagaimana ion yang keluar dari sumber ion dapat menjadi berkas dan memiliki pemfokusan yang optimal sehingga mencapai target dengan effisiensi yang tinggi [6]. Pada penelitian ini akan dilakukan desain awal komponen central region untuk siklotron proton 13 MeV yang meliputi penentuan geometri, ukuran serta posisi komponen dalam central region, mapping distribusi medan magnet dan analisis data distribusi medan listrik menggunakan modul TOSCA Opera3D. Untuk kedepannya akan dilanjutkan dengan simulasi bentuk lintasan berkas yang akan mengenai target. Hasil simulasi lintasan dapat digunakan untuk memperkirakan apakah disain central region yang dibuat dapat berfungsi seperti yang diinginkan, atau perlu dilakukan memperbaiki disain awal.

KRITERIA DESAIN 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. Medan magnet yang kuat menyebabkan timbulnya gaya Lorentz yang merupakan gaya sentripetal pada berkas ion sehingga lintasannya melingkar dan dapat dipercepat berulangulang (cyclic) setiap kali melalui celah (gap) pemercepat. Berkas ion masuk dengan tenaga tertentu, kemudian tiap kali mengalami percepatan tenaga akan bertambah besar, sehingga radius lingkaran makin besar (dalam hal kuat medan magnet dibuat tetap). Pada tenaga dan radius tertentu berkas dikeluarkan untuk ditembakkan pada target padat, gas, atau cair, sehingga terjadi reaksi nuklir yang menghasilkan radioisotop yang diinginkan, atau memberikan dosis radiasi untuk sterilisasi, terapi, maupun modifikasi sifat bahan.

73

Jika berkas ion bermuatan positif dan energinya tidak terlalu tinggi, pengeluaran (ekstraksi) dapat dilakukan dengan medan elektrostatis yang membelokkan lintasan berkas. Tetapi jika energinya cukup tinggi seperti yang diperlukan pada produksi radioisotop, cara ini kurang efektif. Cara yang lebih mudah adalah dengan menggunakan berkas ion negatif, misalnya dengan menggunakan atom hidrogen yang ditempeli satu elektron (diperoleh dari sumber ion negatif). Setelah dipercepat hingga mencapai energi yang diinginkan, berkas ion negatif dilewatkan pada stripper, misalnya lempeng karbon tipis, sehingga elektronnya lepas dan berkas menjadi ion positif. Akibatnya gaya Lorentz dari medan magnet yang semula merupakan gaya sentripetal berubah menjadi gaya sentrifugal yang mengeluarkan berkas ion. Dalam menjalani lintasan melingkar di dalam akselerator siklik, berkas ion selalu akan mengalami pelebaran. Pada siklotron pelebaran berkas (defocusing) diatasi dengan membagi medan magnet menjadi sektor-sektor dengan medan kuat (bukit/hill) dan kurang kuat (lembah/valley) yang berselangseling, sehingga terjadi focussing dan defocussing yang mempertahankan ukuran berkas. Siklotron jenis ini disebut siklotron dengan pemfokusan sektor (sector focusing cyclotron) atau siklotron AVF (Azimuthally Varying Field cyclotron)[7]. Frekuensi medan pemercepat pada siklotron harus selalu memenuhi persamaan[7]: (1) dengan q muatan partikel berkas, B kuat medan magnet, m massa partikel berkas, dan γ faktor relativistik yang semakin besar jika energi partikel berkas semakin besar. Untuk proton γ = 1,01 pada 13 MeV dan 1,03 pada 26 MeV.

Gaya listrik dan magnet Gaya listrik dan magnet yang ditimbulkan oleh medan listrik dan magnet sangat berperan dalam siklotron, karena merupakan gaya yang mempercepat, membelokkan, dan memfokuskan berkas ion yang dipercepat. Gaya yang bekerja dalam medan listrik dan medan magnet ditunjukkan pada Gambar 1. Jika ada beda potensial listrik sebesar V (volt) pada jarak d (m), maka timbul kuat medan listrik E (volt/m) yang memenuhi persamaan[7]: (2) Dalam kuat medan listrik E suatu muatan listrik q (coloumb) akan mengalami gaya listrik sebesar qE. Jika akibat medan E muatan listrik q menempuh lintasan d tersebut maka muatan listrik memperoleh tenaga gerak sebesar gaya listrik kali panjang lintasannya, yaitu memenuhi persamaan[7]: (3)


74

ISSN 0216 - 3128

Gambar 1. Gaya dalam (a) medan listrik dan (b) medan magnet [7]. Arus listrik adalah muatan listrik yang bergerak, yang akan menimbulkan medan magnet yang arahnya tegak lurus mengikuti kaidah/aturan sekrup kanan, yaitu putaran arus (muatan positif) ke kanan/searah jarum jam menimbulkan medan magnet ke arah depan. Sifat ini digunakan untuk menimbulkan medan magnet (elektromagnet) dalam akselerator. Kuat medan magnet dinyatakan dalam B. Dalam medan magnet B suatu muatan listrik q yang bergerak dengan kecepatan v akan mengalami gaya Lorentz sebesar qv × B yang merupakan perkalian vektor yang mengikuti kaidah/aturan sekrup kanan, yaitu jika arah v diputar ke arah B berputar ke kanan, maka gaya Lorentz ke arah depan. Sifat ini digunakan untuk membelokkan berkas ion (atom/molekul yang bermuatan listrik) dalam akselerator.

Dee dan Central region Siklotron Komponen utama siklotron diantaranya adalah sumber ion, sistem elektromagnetik, RF dee dan deflektor/stripper foil, blok diagram siklotron ditunjukkan pada Gambar 2. Sumber ion merupakan komponen yang berfungsi untuk menghasilkan ion yang akan dipercepat. Sistem elektromagnet adalah sistem penghasil medan magnet yang menimbulkan gaya Lorentz, sehingga berkas ion dapat melingkar pada lintasannya.

Gambar 2. Blok diagram siklotron[8]. Dee merupakan elektrode yang memberikan medan listrik pemercepat dalam siklotron, yang pada permulaan perkembangan siklotron memang berbentuk setengah lingkaran (180º) seperti huruf D (dee). Dee sebagai elektrode merupakan bagian yang terintegrasi dengan sistem radio frekuensi (RF) yang memberikan tegangan pemercepat AC (frekuensi 60 – 80 Mhz). Sistem RF ini harus mempunyai faktor kualitas (Q) yang baik, terbuat dari bahan penghantar yang baik dan tahan hampa (sifat degassing yang

Emy Mulyani, dkk.

baik, biasanya dipilih tembaga), dan ditala (tuned) untuk memberikan tegangan pemercepat yang maksimal. Dee bentuk sektor dengan lebar sekitar 45º terkait dengan harmonik frekuensi pemercepatan yang digunakan: harmonik pertama dee sekitar 180º (siklotron awal), kedua sekitar 90°, ketiga 60°, keempat 45°. Mekanisme pemercepatan pada harmonik ke-4 ditunjukkan pada Gambar 3.

Gambar 3. Mekanisme pemercepatan pada harmonik ke-4 [9]. Central region merupakan area yang menentukan untuk mengetahui bagaimana ion yang keluar dari sumber ion dapat menjadi berkas dan memiliki pemfokusan yang optimal sehingga mencapai target dengan effisiensi yang tinggi. Dalam central region terdapat komponen-komponen penting diantaranya sumber ion beserta puller, center dee dan beam guide. Sumber ion yang banyak digunakan adalah tipe Penning Ion Gauge (PIG) karena lebih sederhana dan pembuatan serta perawatannya lebih murah.

PERANCANGAN Siklotron 13 MeV yang di rancang oleh PTAPB (DECY-13) akan menggunakan frekuensi tetap (78 MHz), isochronus dengan harmonik ke 4 dan menggunakan sumber ion internal tipe PIG dengan katode dingin untuk menghasilkan berkas ion negatif. Siklotron ini dikembangkan untuk memproduksi radioisotop 18F untuk aplikasi PET (Positron Emission Tomography). Central region DECY-13 terdiri dari komponen: sumber ion katoda dingin tipe PIG, center dee dengan puller, serta beam guide. Siklotron DECY-13 mempercepat ion H- dan mengeluarkan ion proton positif melalui striper karbon foil. Gambar 4 dan 5 menunjukkan layout desain awal komponen central region DECY-13 yang terdiri dari center block dengan diameter 180 mm, center dee dengan 2 buah puller dan satu beam guide, dan tiga buah beam guide diatas center blok. Internal PIG sumber ion diletakkan pada jarak 6 mm didepan puller. Desain awal komponen central region ini diharapkan dapat mengoptimalkan RF phase acceptance dan sudut awal pembelokan ion dari pusat siklotron. RF phase acceptance adalah rentang


Emy Mulyani, dkk.

ISSN 0216 - 3128

75

fase antara berkas yang dipercepat dan medan pemercepat.

Gambar 6. Distribusi medan listrik

Gambar 4. Layout central region DECY-13

Gambar 5. Komponen central region (a) center dee, (b) center block dan (c) sumber ion Jika rentang fase besar maka arus yang dipercepat makin besar, tetapi beda energi dalam tiap pulsa juga makin besar. Pada Gambar 6. ditunjukkan mapping distribusi medan listrik pada z = 0 yang disimulasikan dengan modul TOSCA Opera3D dan menggunakan ukuran mesh 1.5 mm x 1.5 mm x 1.5 mm. Untuk menarik ion dari sumber ion maka pada area center dee diberi tegangan sebesar 40 kV dan celah antar dee 3 cm. Pada Gambar 6 terlihat distribusi medan listrik paling besar dalam orde 106 Vm-2 yang ditunjukan dengan warna merah, terletak pada perbatasan antara puller dengan beam guide bagian atas, hal ini disebabkan karena jarak kedua komponen tersebut sangat berdekatan.

Distribusi medan potensial juga dapat diketahui dengan menggunakan TOSCA Opera3D dan terlihat simetri jika dibandingkan dengan desain KIRAMS13 seperti ditunjukkan pada Gambar 7. Pada Gambar 7(a) terlihat distribusi medan potensial yang simetri antara kedua bagian dee (atas dan bawah). Bagian yang berwarna biru pada bagian tengah menunjukkan posisi komponen sumber ion serta beam guide, sementara pada bagian yang berwarna merah muda menunjukkan medan potensial paling tinggi. Dari sisi kesimetrian maka hasil distribusi medan potensial ini sudah terlihat sesuai jika dibandingkan dengan hasil simulasi pada Gambar 7(b) yang dilakukan oleh KIRAMS menggunakan perangkat lunak RELAX3D[5]. Pada desain awal central region DECY-13 frekuensi pemercepatan yang digunakan adalah harmonik ke-4, dengan lebar dee 36o. Pada harmonik ke-4 mekanisme pemercepatan yang terjadi adalah push-push acceleration, yaitu selama fase 180o berkas ion akan mengalami perubahan fase positif dan negatif sebanyak 2 kali. Gambar 8. menujukkan countour garis gaya medan listrik pada area salah satu ujung center dee, pada area berwarna merah merupakan area dengan medan potensial paling tinggi yaitu merupakan area dengan pemercepatan berkas ion paling tinggi. Pada area dengan medan potensial tinggi (warna merah), ion negatif akan ditarik (push) melewati celah center dee dan mengalami percepatan. Selanjutnya ion akan didorong menuju area dengan medan potensial rendah (area center block), kemudian akan ditarik melewati celah center dee lagi dan begitu seterusnya hingga mencapai energi 13 meV.

Gambar 7. Distribusi medan potensial (a) DECY-13, (b) KIRAMS-13[5] Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2011 Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 19 Juli 2011

76

ISSN 0216 - 3128

Emy Mulyani, dkk.

Gambar 8. Countour garis gaya medan listrik

Gambar 9. Distribusi medan magnet pada area central region Selain medan listrik, bentuk lintasan ion yang keluar dari central region menuju target juga dipengaruhi oleh distribusi medan magnet. Sistem magnet DECY-13 menggunakan bahan low carbon steel dengan 4 sektor, diameter pole 960 mm, sudut hill 35o, sudut valley 55o, gap hill 4 cm, gap valley 12 cm arus magnet 200 Ampere serta daya magnet 16 kW. Distribusi medan magnet pada area central region di tunjukkan pada Gambar 9. Dari gambar nampak medan magnet terbesar (warna merah) terletak pada bagian tepi yang merupakan area hill, sedangkan bagian dengan medan paling lemah (warna biru) merupakan area valley. Area hill dan valley dibuat berselang-seling untuk memperbaiki pemfokusan berkas ion, sehingga dalam hal ini dee cukup berbentuk sektor dengan lebar sekitar 36o di bagian valley. Pembelokan berkas terjadi terutama dalam sektor hill dimana medan magnet lebih kuat daripada di sektor valley.

KESIMPULAN Dari hasil desain awal komponen central region sikloton proton 13 MeV, dapat disimpulkan bahwa : 1. Area central region untuk siklotron DECY-13 memiliki diameter 180 mm dengan komponen terdiri dari center block dengan 3 beam guides,

2.

3.

4.

center dee dengan puler dan beam guide, serta sumber ion. Medan listrik pada area central region ditimbulkan dengan memberikan tegangan 40 kV pada center dee, medan listrik ini berfungsi untuk menarik berkas ion keluar dari sumber ion serta untuk memberikan percepatan orbit ion. Dari hasil mapping medan listrik tampak hasil yang simetris di antara kedua sisi dee. Medan magnet dibuat dalam bentuk sektorsektor (hill dan valley) berseling-seling untuk memperbaiki pembelokan berkas ion. Bentuk lintasan berkas ion dapat disimulasikan lebih lanjut menggunakan data hasil mapping medan listrik dan medan magnet yang telah didapat.

UCAPAN TERIMA KASIH Dengan selesainya penelitian ini kami mengucapkan banyak terima kasih kepada Prof. Dr. Pramudita Anggraita, Drs. Budi Santosa MT serta Frida Iswinning Diah ST atas segala diskusi di kelompok simulasi.

DAFTAR PUSTAKA 1.

ANONIM,2011,


Emy Mulyani, dkk.

ISSN 0216 - 3128

2.

http://www.depkes.go.id/ index.php/berita/pressrelease/137-obesitas-dan-kurang-fisikmenyumbang-30-kanker.html (15 Maret)

3.

YS KIM.,DKK, 2004, New Design of The Kirams-13 Cyclotron For Regional Cyclotron Center, Proceedings of APAC Gyeongju, Korea

4.

QIN, B., DKK., 2009, Main Magnet and Central Region Design for a 10 MeV PET Cyclotron Cychu-10, Proceedings of PAC09, Vancouver, BC, Canada

5.

RENSTRA BATAN 2010 – 2014, Badan Tenaga Nuklir Nasional 2010

6.

DONG HYUN AN., DKK., 2004, Design of The Central Region In The Kirams-13 Cyclotron, Proceedings of APAC, Gyeongju, Korea

7.

HE XIAOZHONG.,DKK., 2010, Central Region Design of A Baby Cyclotron, Proceedings of CYCLOTRONS 2010, Lanzhou, China

8.

PRAMUDITA ANGGRAITA, 2009, Akselerator siklik, Batan Accelerator School 2009, Yogyakarta

9.

DONG HYUN AN,. 2008, Introduction to Cyclotron, Lab.of Accelerator Development, KIRAMS. Seoul, Korea

10. PRAMUDITA ANGGRAITA, 2010, Akselerator siklik, Batan Accelerator School 2010, Yogyakarta

77

TANYA JAWAB SIlakhuddin − Karena pernyataan dalam kesimpulan : “bentuk magnet Hill-Valley berselangseling untuk memperbaiki pemfokusan berkas ion”, ini sudah sangat normative dalam desain siklotron, bukan hasil penelitian yang didapatkan, jadi usul saya agar pernyataan ini dihilangkan saja. Emy Mulyani • Terima kasih atas saran dan masukannya Tjipto Sujitno − Dari kesimpulan akhir apakah tidak bisa langsung dihitung medan listrik yang didapat? Emy Mulyani • Untuk data medan listrik bisa langsung didapatkan dengan simulasi TOSCA, data yang didapat berupa data medan listrik dalam 3 dimensi dengan format text atau binary. Data ini kemudian akan dijadikan dasar dalam simulasi lintasan gerak partikel. Tri Hardi P. − Apakah medan potensial atau beda potensial menurut saya tidak ada medan potensial. Terima kasih. Emy Mulyani • Yang dimaksudkan pada gambar adalah mapping beda potensial yang terjadi antara senter dee dengan center block pada area central region. Terima kasih atas masukkanya.


DESAIN AWAL KOMPONEN CENTRAL REGION SIKLOTRON PROTON 13 MEV

Recommend Documents