RANCANG BANGUN SISTEM RF UNTUK SUMBER ION GENERATOR NEUTRON SAMES J-25

Taufik, dkk.

ISSN 0216 - 3128

227

RANCANG BANGUN SISTEM RF UNTUK SUMBER ION GENERATOR NEUTRON SAMES J-25 Taufik, Slamet Santosa Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan – BATAN

ABSTRAK RANCANG BANGUN SISTEM RF UNTUK SUMBER ION GENERATOR NEUTRON SAMES J-25. Telah dilakukan rancang bangun sistem RF untuk sumber ion Generator Neutron (GN) SAMES J-25 yang dinominasikan sebagai sumber neutron pada sistem SAMOP. Sebagai sumber neutron pada sistem SAMOP, yield neutron GN tersebut perlu ditingkatkan. Salah satu caranya adalah dengan memperbesar arus berkas deuterium. Untuk sumber ion tipe RF, arus berkas ion dipengaruhi oleh daya dan frekuensi osilator dari sistem RF, sistem pemfokus dan tegangan ekstraktor. Perancangan sistem RF meliputi penentuan daya dan frekuensi yang diinginkan yaitu dengan memilih komponen aktif yang digunakan dan penentuan tangki osilator LC. Pemilihan komponen aktif sistem RF disesuaikan dengan daya yang diinginkan, sedangkan frekuensi osilator dihitung berdasarkan konfigurasi dari komponen induktor dan kapasitor yang digunakan. Dari hasil rancang bangun sistem RF, didapatkan daya osilator sebesar 100 watt pada frekuensi 80 MHz. Hasil ini sudah dapat mengionisasi gas neon, namun hasil ini masih perlu disempurnakan.

ABSTRACT THE DESIGN AND CONSTRUCTION OF RF SYSTEM FOR NEUTRON GENERATOR SAMES J-25 ION SOURCE. The design and construction of RF system for Neutron Generator SAMES J-25 ion source, which is nominated as neutron source on SAMOP system, have been done. As a neutron source of SAMOP system, neutron yield of the Neutron Generator has to be increased. One of the methods is by increasing its deuteron beam current. For RF type ion source, the beam current is influenced by oscillator power and its frequency, focusing system and extractor voltage. The design of RF system consists of determination of the desired output power and frequency by means of choosing active component that to be used and resolving oscillator LC tank. The choice of active component was adapted by the desire of output power while oscillator frequency was calculated based on configuration of inductor and capacitor being used. From the design and construction results of RF system, output power is obtained as 100 watt at oscillator frequency of 80 MHz. This result has earned to ionize neon gas, however it requires to be completed.

PENDAHULUAN emanfaatan Generator Neutron (GN) telah berkembang di berbagai bidang, diantaranya adalah untuk analisa unsur (AANC), pengolahan citra, dan sebagai detektor muatan di bandara. Saat ini di PTAPB-BATAN sedang dilaksanakan penelitian tentang reaktor subkritik dengan bahan bakar Uranil Nitrat yang ditembaki neutron menggunakan sumber neutron GN untuk menghasilkan isotop Mo-99 (SAMOP). Untuk keperluan sistem SAMOP ini diperlukan sumber neutron konstan sebesar 109 ns yang dioperasikan terus menerus selama 5 hari. Kuat sumber neutron yang dihasilkan oleh GN SAMES J-25 saat ini ratarata adalah 108 ns, sehingga perlu dinaikkan agar memenuhi permintaan pada sistem SAMOP.

P

Kuat sumber neutron dari GN dipengaruhi oleh banyak faktor, diantaranya adalah arus berkas

ion deutorium, sistem tegangan pemercepat dan kandungan tritium/deuterium pada sistem target. Untuk meningkatkan kuat sumber neutron yang dihasilkan GN, akan dilakukan dengan menambah arus berkas deutorium dengan cara menaikkan daya dan frekuensi dari sistem RF pada sumber ion. Saat ini PTAPB - BATAN memiliki GN tipe SAMES J25 yang menggunakan sumber ion tipe RF, dengan ionisasi yang bertambah dengan bertambahnya daya dan frekuensi RF yang dihasilkan oleh osilator. Dengan meningkatkan daya dan frekuensi osilator RF dari GN dan mengkonfigurasi tegangan ekstraktor dan tegangan pemfokus, maka arus berkas deutorium akan dapat ditingkatkan. Tujuan penelitian ini adalah untuk merancang bangun sistem RF untuk GN SAMES J-25 yang dinominasikan sebagai sumber neutron pada sistem SAMOP, dengan daya yang lebih besar dari sistem RF yang terpasang, dengan cara mengganti

Prosiding PPI - PDIPTN 2007 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2007

ISSN 0216 - 3128

228

Taufik, dkk.

komponen aktif yang memiliki daya keluaran lebih besar dari komponen aktif yang digunakan sebelumnya dan mencari konfigurasi tangki LC yang efisien. Pada penelitian ini akan digunakan komponen aktif berupa tabung trioda tipe GS-35B, yang diharapkan dapat menghasilkan daya RF di atas 100 watt dengan frekuensi sekitar 100 MHz.

RF. Pada metode ionisasi tipe RF gas deuterium diganggu dengan gelombang RF sehingga terbentuk plasma, kemudian ion deuterium ditarik oleh tegangan ekstraktor ke dalam tabung pemercepat dan dipercepat sehingga bertumbukkan dengan target. Tegangan pemercepat efektip ditentukan berdasar tampang lintang reaksi inti seperti pada Gambar 1.

LANDASAN TEORI

Osilator RF

Generator Neutron Generator neutron adalah merupakan akselerator ion yang digunakan untuk menghasilkan neutron melalui reaksi fusi D-T dan atau D-D. Neutron dihasilkan sebagai hasil reaksi inti ion deuterium yang dipercepat dengan target deuterium/ tritium. Neutron yang dihasilkan dari reaksi ini tergolong dalam neutron cepat dengan energi tunggal 14,1 MeV. Adapun reaksi yang terbentuk adalah sebagai berikut : D + T

→

n + 2 He 4 + ∆E

D + D

→

n + 2 He 3 + ∆E

Ion deuterium yang dipercepat dihasilkan dari ionisasi gas deuterium pada sumber ion. Ada beberapa metode ionisasi gas deuterium, salah satunya adalah dengan menggunakan gelombang

Osilator merupakan suatu rangkaian elektronik yang dapat membangkitkan sinyal keluaran tanpa sinyal masukan. Suatu rangkaian osilator terdiri dari suatu penguat dengan umpan balik positif dan rangkaian filter. Transistor, op-amp dan tabung trioda merupakan komponen aktif yang sering digunakan sebagai penguat. Pada awal osilator diberi daya, akan terbentuk sinyal noise dengan frekuensi yang berbeda-beda. Sinyal noise ini akan diperkuat dan akan difilter, sehingga hanya sinyal dengan frekuensi yang diinginkan diumpan balikkan ke input penguat. Jika penguatan total dari rangkaian osilator dijaga tetap satu maka sinyal yang terbentuk akan di umpanbalikkan terusmenerus sehingga sinyal keluaran tetap terbentuk.[1] Ada beberapa tipe osilator yang bisa digunakan salah satunya osilator LC yang digunakan untuk menghasilkan sinyal sinusoida dengan frekuensi sampai 500 MHz. Osilator LC dapat dibedakan berdasarkan konfigurasi tangki osilator LC seperti pada Gambar 2.

Gambar 1. Tampang lintang reaksi D-T dan fraksi neutron hasil fusi pada mesin generator neutron. Prosiding PPI - PDIPTN 2007 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2007

Taufik, dkk.

ISSN 0216 - 3128

229

Gambar 2. Beberapa jenis rangkaian osilator LC. (a) Osilator Hartley, (b) Osilator Colpitt, (c) Osilator Clapp, (d) Osilator kristal kuarts.

Tabung trioda Salah satu komponen aktif yang digunakan sebagai penguat adalah tabung triode. Tabung trioda merupakan tabung hampa yang terdiri dari filament dan tiga buah elektroda yang disebut katoda, grid dan plate (anoda). Dalam tabung triode, filamen digunakan sebagai sumber electron. Grid berfungsi sebagai pengatur arus elektron yang mengalir dari katoda menuju anoda dengan cara memberikan pengaturan tegangan pada trioda. Oleh karena itu grid selalu terletak diantara katoda dan anoda seperti pada Gambar 3.

Karena tabung triode merupakan komponen aktif, maka tabung triode harus diberi tegangan bias untuk menentukan titik kerja dari penguat tersebut. Untuk memperoleh efisiensi yang tinggi titik kerja suatu triode harus berada pada kelas C.[1] Efisiensi kelas C akan efektif apabila penguat bekerja pada pita sempit yang dapat diperoleh jika menggunakan tangki LC.

TATAKERJA DAN PERCOBAAN Disain Osilator Osilator ini didesain untuk meningkatkan arus berkas deuterium pada GN sehingga diharapkan mampu menghasilkan kuat sumber neutron yang lebih besar. Osilator yang digunakan dalam Generator Neutron yang ada di PTAPB menggunakan tabung QQE 06/40 yang mampu menghasilkan frekuensi 200 MHz dengan daya 100 watt dan di-couple kapasitif. Untuk meningkatkan berkas ion dirancang sebuah osilator RF dengan frekuensi 100 MHz dan dengan daya 200 watt yang di-couple induktif.

Gambar 3. Penampang trioda.

Tabung trioda yang digunakan dalam osilator ini adalah tipe GS-35B yang memiliki daya keluaran sampai 1 kWatt dengan kurva karakteristik seperti pada Gambar 4.

Prosiding PPI - PDIPTN 2007 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2007

Taufik, dkk.

ISSN 0216 - 3128

230

Gambar 4. Kurva Karakterisitik Trioda GS-35B.

Karena tabung trioda merupakan komponen aktif, maka dibutuhkan sumber tegangan DC untuk mem-bias tabung trioda. Untuk mem-bias tabung trioda, dipasang sebuah resistor Rk antara katoda dan suplay tegangan katoda seperti pada Gambar 5. Rk diperoleh dengan menggunakan persamaan 1. Rk =

dengan:

Vg

(1)

Ip

dibatasi sebesar 1,6 kV. Untuk menentukan nilai Rk, diambil nilai Vg = 30 V. Hal ini diambil berdasarkan karakteristik trioda pada Vg = 30 V dan Vp 1,6 kV arus anoda yang mengalir sudah dibawah cut off dan dianggap besarnya 0,05 A. Dengan menggunakan Persamaan 1, Rk dapat ditentukan sebesar : Rk =

Vg Ip

=

30 V = 600 Ω 0,05 A

Karena adanya arus anoda yang melewati Rk, daya dari Rk yang akan digunakan harus diperhitungkan. Jika Vg berubah menjadi 10 V, maka Ip = 0.0167 A dan berada pada Vp = 1,1 kV. Sedangkan jika Vg berubah menjadi 20 V, maka Ip = 0.033 A dan berada pada Vp = 1,8 kV. Oleh karena itu dengan memasang Rk = 600 Ω dan Vp = 1,6 kV maka berdasarkan kurva karakteristik trioda GS35B Vg berkisar 10 V – 20 V. Sedangkan untuk daya minimum dari Rk yang dibutuhkan diasumsikan Ip = 0,033 A pada saat Vg = 20 V. Dengan menggunakan Persamaan 2 maka diperoleh daya Rk minimal sebesar 0,6534 watt.

Vg = Tegangan grid Ip = Arus plate

P = I2 R

Gambar 5. Self bias Trioda. Supaya tabung bekerja dalam kelas C, trioda harus di-bias agar titik q berada di bawah cut off. Dalam rancangan ini tegangan anoda maksimal

(2)

dengan : P = disipasi daya resistor I = arus yang melewati resistor R = nilai resistor Kapasitor Ck pada Gambar 2 berfungsi sebagai By Pass sinyal AC agar tegangan bias tidak berubah saat diberi sinyal AC. Besarnya Ck dapat ditentukan dengan menggunakan Persamaan 3. Jika

Prosiding PPI - PDIPTN 2007 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2007

Taufik, dkk.

ISSN 0216 - 3128

Xc diambil lebih kecil 20 kali dari Rk, maka Xc = 30 Ω dan C = 53 pF dengan kemampuan tegangan > 2 kV. C =

1 2π f X c

(3)

Selain trioda, dalam membuat osilator desain tangki LC harus sesuai dengan frekuensi yang diinginkan yaitu 100 MHz. Induktor yang akan digunakan adalah dengan menggunakan kawat CuAg dengan diameter kawat 0,4 cm, diameter kumparan 3,5 cm, jumlah lilitan N = 10 lilitan dan panjang kumparan l = 5 cm. Dengan menggunakan Persamaan 4 harga L = 2,418 µH.

L =

µo N 2 π r 2 l

(4)

Dengan diketahui besarnya L, besar C yang harus dipasang dapat ditentukan dengan menggunakan Persamaan 5 yaitu sebesar 1,05 pF. Agar frekuensi osilator dapat dirubah kapasitor menggunakan jenis varco dengan kemapuan > 2 kV. 1 C = (2 π f ) 2 L

231

dengan spesifikasi diameter kumparan 18 mm, 40 lilitan dan menggunakan kawat Cu berdiameter ≥ 1,3 mm. Untuk menjaga agar suply tegangan DC tidak dilewati arus AC, suplay tegangan untuk mem-bias trioda ditambahkan choke L2 seperti pada Gambar 6. L2 terbuat dari kawat Cu dengan diameter ≥ 0,8 mm, diameter kumparan 18 mm dan 36 lilitan.

Pembuatan Osilator RF Percobaan pertama dilakukan dengan membuat rangkaian osilator seperti pada Gambar 6. Tegangan bias yang diberikan pada osilator tersebut adalah sebesar 1,5 kV dengan arus yang terukur sebesar 0,12 A. Sehingga bias yang diberikan memiliki daya (P) sebesar V * I atau sebesar 180 watt. Percobaan kedua dilakukan dengan mengubah tangki osilator LC dengan sistem Hartley seperti pada Gambar 7.

HASIL DAN PEMBAHASAN (5)

Filamen dalam tabung GS-35B membutuhkan tegangan 12,6 Volt, arus maksimal 3,25 A. Kabel yang digunakan untuk mensuplay filamen menggunakan kabel dengan diameter minimal 1,3 mm. Untuk menjaga agar frekuensi tinggi tidak masuk ke filamen maka filamen diberi choke L3

Daya osilator pada percobaan pertama diukur dengan SWR meter dan diperoleh daya 2 watt. Pada daya osilator ini sudah dapat mengionisasi gas pada neon, akan tetapi hasil ionisasinya masih sangat kecil. Hasil percobaan kedua seperti Gambar 7 dihasilkan daya yang jauh lebih besar yaitu 90 watt. Pengukuran daya disajikan pada Tabel 1.

Gambar 6. Disain rangkaian Osilator. Prosiding PPI - PDIPTN 2007 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2007

Taufik, dkk.

ISSN 0216 - 3128

232

Tabel 1. Pengukuran daya bias. Tegangan (kV)

Kuat Arus (A)

Daya masukan (watt)

Daya keluaran (watt)

Efisiensi (%)

Frekuensi (MHz)

1,5

0,12

180

60 ± 5

33,3

80

2

0,16

320

90 ± 5

28,1

80

Gambar 7. Rangkain percobaan 2.

Daya keluaran diukur dengan menggunakan SWR meter dan penambahan daya dari osilator ini dapat dibuktikan dengan dapat menyalakan dua buah lampu neon dengan nyala yang semakin besar. frekuensi RF diukur menggunakan frekuensi meter. Dari hasil di atas efisiensi dari tangki LC sangat mempengaruhi efisisensi daya osilator yang dihasilkan.

KESIMPULAN Dari hasil desain dan pembuatan osilator RF untuk sumber ion pada generator neutron dapat diambil beberapa kesimpulan, antara lain: 1. Sinyal yang dihasilkan dari osilator RF memiliki daya keluaran sebesar 90 watt dengan frekuensi 80 MHz. 2. Dengan daya 90 watt, sinyal keluaran yang dihasilkan sudah mampu mengionisasi gas neon,

sehingga dimungkinkan dapat mengionisasi gas deuterium pada generator neutron. 3. Daya yang dihasilkan masih belum mampu melebihi daya osilator pada generator neutron yang ada di PTAPB, sehingga masih perlu dikembangkan kembali. Pengembangan dapat dilakukan dengan menaikkan efisiensi dengan mengubah nilai variabel kapasitor dari rangkaian penguat dan atau menambah satu buah lagi komponen aktif sehingga akan terpasang paralel dengan dua buah tabung trioda, dengan demikian dayanya akan diperoleh kelipatan dari daya percobaan. DAFTAR PUSTAKA 1.

MALVINO, P. A., Prinsip-Prinsip Elektronika, Erlangga, Jakarta, 1985.

2.

IAEA-TECDOC-913., Manual for Troubleshooting and upgrading of Neutron Generators, Austria, November 1966.

Prosiding PPI - PDIPTN 2007 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2007

Taufik, dkk.

ISSN 0216 - 3128

3.

BROPHY, J.J., Basic Electronic for Scientist, McGrawhill Publishing Company, New York, 1990.

4.

SUTRISNO, Elektronika 1(Teori dan Penerapannya), ITB, Bandung, 1986.

233

dapatkan arus deuterium yang optimum. Hal itu akan kami lakukan dengan cara memodifikasi rangkaian LC tank dan membuat paralel tabung triodanya.

Rokhmadi − Kenapa ya kan sudah mampu mengionisasi, jelaskan.

TANYA JAWAB Gatot Wurdiyanto

Slamet Santosa

− Bagaimana saudara akan mengembangkan sistem RF yang dirancang bangun untuk menaikkan dayanya.

− Derajat ionisasinya sudah dicapai namun dayanya masih perlu dinaikkan hingga antara 100 s/d 150 watt agar arus deuteriumnya dapat diperoleh diatas 1 mA.

Slamet Santosa − Sistem RF yang dirancang bangun dayanya memang masih perlu dinaikkan untuk men-

Prosiding PPI - PDIPTN 2007 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2007