KARAKTERISTIKA ANODA SUMBER ION PENNING YANG TERBUA T DARI ALUMINIUM, STAINLESS-STEEL DAN TEMBAGA- WOLFRAM Silakhuddin, Subardi PusatPengembanganRadioisotopdan Radiofarmaka, Serpong
ABSTRAK KARAKTERlSTIKAANODASUMBERIONPENNINGYANG TERBUATDARl ALUMINIUM; STAINLES'SSTEEL DAN TEMBAGA-WOLFRAM Telah diuji penggunaan aluminium, stainless-steel, dan alloy tembaga-wolframsebagai bahan untuk anoda sumber ion ripe Penningyang digunakanpada siklotron. Kriteria yang dipakai untllk menentukankualitasketigabahanadalahkemampuandalam menghasilkanarus proton internal don eksternal.Pengujiandilakukandengantekanangas hidrogenyang diionisasi sebesar65 mmHg dan tekanangas pada tangki sebesar2.1 x 10-" Torr. Pengukuranarus berkasproton diukur pada radius 10,8 cm dan pengaruh terhadapkevakumandiamati pada meter vakumjenis "ionization gauge". Hasil pengujian menunjukkanbahwabahan-bahanaluminiumdon stainless-steelmempunyai kemampuan 70 % dalammenghasilka.'tarus internal dibandingkantembaga-wolframdon untuk arus berkas eksternal terprediksiprosentasetersebutsebesar80%.
ABSTRACT CHARACTERl5TICOF PENNING ION SOURCEANODE MADE FROM ALUMINUM; STAINLESSSTEELAND COPPER-WOLFRAMAluminum,stainless-steeland alloy ofcopper-wolframmaterials have beenexaminedas anodeoJ'"Penningion sorceusedfor cyclotron. Theperformancesofthe resulting internal and externalbeam current wereusedas criteria ofmaterialsquality. The experimenthas beencarried out with an ionizedhydrogen'!~as pressureof65 mmHgand the vacuumon the tank was 2.1 x 1~ Torr. The measurementofproton beamwas carried out at radius of10.8cm and effecton the vacuumwas observedon an ionization vacuumgauge. The result ofexaminationshowedthat materials of aluminum and stainlesssteel haveperformance of 70 % in resulting internal beamcurrent comparedto copper-wolframand the performanceprocentage ofpredictedexternalbeamcurrentis 80 %.
PENDAHULUAN S umber ion internal pada :siklotron umumnya adalah tipe Penning yang ditempatkan pada
pusat medan magnet daD ru;mg vakum tangki pemercepatan. Hal ini karena sumber ion tipe Penning memenuhi kriteria kesederhanaan konstruksi daD lebih disederhanakanlagi dengan tidak diperlukannyamedan ma!~et khususkarena dapatmemanfaatkanmedan mal~netsiklotron yang
tersedia. Pada sumber ion. tipe ini, ion-ion terbentuk karenatumbukan elel::tron-elektron pada molekul-molekul gas pada ruarlg kolom anoda. Elektron tersebut berasal dari e:lektronyang lepas dari permukaankatodakarenaadlanyamedanlistrik anoda-katodayang kemudian bergerak osilasi di antara 2 katoda atas daD bawah. Adanya medan magnetsiklotronmenyebabkangt:rakanosilasihelik yang menambah intensitas tllmbukan dengan molekul-molekulgas. Elektron yang dipercepat bolak-balik daD mempunyai energi yang relsltif tinggi akan menimbulkan terbentuknya plasma pada bagian tengah kolom anoda. Sedan~:an beberapa ion Silakhuddin,ill.
berenergirendah akan mungkin mendekati anoda daDdengan bantuan katalilisatorbahananodaakan terjadi proses rekombinasi ion-ion positif daD negatif. Proses ini mengurangiintensitas plasma yang berartimengurangiproduksiion-ion. Untuk menjamjnadanyaaliran elektronyang sebesar mungkin dari katoda ke anoda, maka komponen-komponen sumberion (termasukanoda) harus terbuat dari metal I). Suatu kombinasi dua metal terkadangdigunakan yaitu sebagai dinding utama ruang anoda terbuat dari stainless-steel kemudiandilekatkan plat aluminium pactadinding tersebut. Tambahanplat aluminium dimaksudkan untuk menambah produksi elektron-elektron sekundairyang berartiakan mempertinggiintensitas plasmadi ruang ionisasi2). Bahan anoda sumber ion yang dipakai pacta Siklotron BATAN baik yang dibuat oleh CTI maupunIBA menggunakanalloy tembaga-wolfram. Bahan ini sangatmurni daDtidak mudah didapat di pasaran lokal. Pengujian ini bertujuan untuk mengetahuisejauhmanabahan-bahanlain yang acta di pasaran lokal cukup layak digunakan sebagai bahanaltematif untuk anodasumberion. Dalam hal ini telah diuji bahan-bahanaluminium daDstainlessISSN 0216-3128
--
Prosiding Pertemuan don PresentGlSiI/miah P3 TM-BA TAN, Yogyakarta /4 --/5 Juti /999
Buku I
steel yang dibandingkan denl~anbahan tembagawolfram dalam kemampuannyamenghasilkanarus berkas internal dan eksterna] serta pengaruhnya h d k ku ki ikl tr ter a ap eva man tan g soon.
43
c.
TAT A KERJA Pemilihan Bahan-bahan Kriteria yang dipakai bahan-bahandidasarkan pacta:
dalam
d. Bahan anoda harus mempunyai sifat katalitik yang relatif rendah terhadap rekombinasiion-ion.
pemilihan
a.
Untuk memberikan memlll listrik yang kuat di antara anoda dan ~~atodamaka bahan anoda harus merupa}~an metal yang mempunyai konduktivita:; listrik yang tinggi atau resistivitas yang rendaJi1.
b.
Agar tidak memberikan efek penurunan vakum, maka bahan tersebut hams mempunya sifat desorpsi (pelepasan gas) dan evaporasi yang kecil. K4~dua efek ini juga
akan mempengaruhi kemurnian gas yang akandionisasipactaruanganodasumberion. . Karena sumber Ion berada pacta medan .. magnet slklotron, maka bahan darl anoda harus bukan bahan magnetik, agar tidak mengubahpemetaaanmedanmagnettersebut
e. Tiga bahan telah dipilih sebagaibahanuntuk anoda yaitu: aluminium, stainless-steeldan campuran tembaga-wolfram. Pertimbangan pemilihan bahan tersebutterutamapactasifatsifatyang memenuhikriteria untuk bahananoda dan juga ketersediaanbahan dan kemudahan dalampengerjaankonstruksinya.Sifat-sifatdari ketiga bahan tersebuttercantumpactaTabel I berikut.
Tabell. Sifat-sifat Bahan Anocla !
No
Nama
Bahan
Res~:,3)1
T:.:t,. I
u ohm-cm
Aluminium ,I Stainless-steel
~
~
70-72
1.69
Titik
,
4141.
3,4)
Leleh,
,
0C
,
n:.. Laju
T\4~~~~:~) Desorpsi,
mb l/det.cm 2!
660,4
6. 10-0
1400-1455 3410 1083
3.5.10.'
2W
,
n:.. Laju
C..n_~_~:
&j
Evaporasi,
J
gr ./cm2det
10.7.10-0 4,1. 10-0 .." 7,0.10
1 ,,-3
Keterangan: i. Laju desorpsiadalahlaju pele:pasan daTigasyangterarpsopsisebelumnya ii. Datalaju desorpsitersebutadalahsetelah1 jam pemvakuman iii.Laju evaporasidihitungpadasuhu5000C dantekanan10.2micronHg iv.Data laju desorpsiuntuk wolfram dan laju evaporasiuntuk stainless-steel tidak diperoleh. Atasdasardata-datatersebutmakapemilihanbahanbahantersebutdidasarkanatas: a. Bahan aluminium dipilih karena mempunyai resistivitas yang rendahdan suhu titik leleh daTi aluminium diperkirakan tidak akan terlampaui pada pemak:!ian sebagaianoda sumberion. b. Stainless-steel memlpunyai keunggulandalam laju desorpsinya yanl~sangatrendah c. Tembaga mempunyailaju desorpsi yang jauh lebih tinggi dibanding aluminium clanstainlesssteel. Sedangkan wolfram mempunyai laju evaporasiyang rendlahsehullggadenganadanya wolfram dalam aa~y deng;an tembaga akan mengkompensasi
tingginya
desorpsi
daTi
tembaga. Peralatan Untuk menguji anodasumberion digunakan sumber ion jenis Penning yang digunakanpada siklotron BATAN. Anoda tlerada di tegangan
tanah (ground potentia/) daDkatoda pada tegangan negatif. Untuk mengganti anoda daTi bahan yang lain, sumber ion harus dikeluarkan daTi tangki siklotron daD tangki tersebut menjadi berada tekanan atmosfer. Untuk mengembalikan ke kondisi vakum pada tingkatan 10 -7 Torr (tingkat vakum yang diperlukan sebelum masuk gas) diperlukan waktu minimal 8 jam. Untuk mengukur arus berkas digunakan internal beam probe yang dihubungkan dengan mikroamper meter. Pengukur arus ini dapat digerakkan secara radial mulai radius terluar hingga radius 10 cm daD mengukur arus secara kontinu. Konstruksi Anoda Somber Ion Konstruksi anoda menggunakan konstruksi daTi sumber ion yang sudah ada yang merupakan sumber ion yang dimaksudkan untuk menghasilkan ion-ion H negatif. Gambar konstruksinya pada Gambar 1.
BukuI
44
Dari gambar tersebut terlihat bahwa pada arus ionisasi (catu daya sumber ion) yang rendah sampai0,2 Amper anodatembaga-wolframkurang ungguldaTidua anodalainnya dan anodaaluminium nyata unggul dibanding yang lain. Dan keunggulanaluminium ini berlangsunghingga arus catu 0,35 Amper untuk selanjutnya cenderung menurun. Anoda tembaga-wolframwalaupunpada arus catu rendah ia kalah namun terns memperlihatkankenaikandan paling unggulsetelah arus catu 0,35 Amper. Untuk anoda stainless-steel tampak lebih unggul daTi tembaga-wolfram dan menyamai aluminium tetapi kalah daTi yang lain padaarustinggi mulai 0,25 Amper.
Gambar 1. Anoda SlJInberIon Keterangan: Ukuran dalam rom.
Dari fenomena tersebut dapat diambil butir-butir hasil pengamatansebagaiberikut:
Pengukuran Unjuk Kerja Anl()da Setiap anoda daTi bah2LD-bahanaluminium, stainless-steel daD tembaga-wcJfram dipasang pada sumber ion daD kemudian diuji kemampuan menghasilkan arBS berk~ (pJ:oton) internal pacta siklotron secarabergantian. Pel!1gukuranarBSberkas dilakukan pacta radius di filana efek stripping beam lost sekecil mungkin yaitu pactaradius 10,8 cm. Pacta radius yang lebih dalam lagi sudah sulit mengukur arBS karena adanya. pengaruh tegangan tinggi dati dee. Dalam percobaan ini siklotron dioperasikan dengan pemberian catu gas hidJrogenbertekanan 65 mmHg, daD ini menghasilkan tingkat kevakuman di tangki siklotron sebesar2,1 x 10-6Torr. Untuk menghasilkan arBS berkas, pacta catu daya sumber ion diberikan arBSionisasi mul:li daTi Dol hingga 0,5 Amper daD setiap langkah. 0,05 Amper diukur besamya arBSberkas pacta bearDprobe. Pactaakhir pengamatan, yaitu pacta arBS c;atudaya sumber ion 0,5 Amper, diukur juga tingkat kevakuman akhir.
HASIL DAN PEMBAHASAN Kemampuan Dalam MenghasilkanArus Berkas Internal Hasil pengamatan terhadap kemampuan dalam menghasilkanarus berkasdari anodaketiga bahan ditunjukkanpadaGambar2. __0_. ~ 80'
.",,)0:
rJ
~
Al~
~ 60
i
c u w -:0:>0-'""~
OJ
s.s
e 40 ~ 20
,-,-,-'-' 0,2
Pada arus catu daya rendah a. Kombinasi sifat resistivitas dan laju desorpsi yang rendah dari aluminium (Tabel I) menjadikananoda aluminium masih unggul daTi yanglain. . b. Keunggulan stainless-steel dibandingkan tembaga-wolframberasal daTikeunggulanpada rendahnya laju desorpsi,sedangkankelemahan tingginya resistivitas daTi stainless-steel .tampaknya kalah pengaruhnya dibanding pengaruhdaTilaju desorpsi. c. Sekalipun laju desorpsi aluminium hampir sarna dengan stainless-steel tetapi karena resistivitasnya jauh lebih rendah maka aluminium unggul dibandingstainless-steel. Pada arus catu daya tinggi a.Karena efek suhu tinggi sehingga laju desorpsi dan evaporasidaTialuminiumdan stainless-steel "diduga" lebih tinggi dibandingkan tembagawolfram (dalam Tabel 1 tidak tercantum laju desorpsi daTi wolfram), ini menjadikan tembaga-wolfram unggul dalam menghasilkan arusberkas. b.Anoda daTi aluminium memperlihatkan kecenderunganmenurun dalam menghasilkan arus berkas akmi tetapi tetap unggul dibandingkan stainless-steel akibat daTi resistivitasyangjauh lebih kecil. Pengaruh Terhadap Kevakuman
GJ OQ
O~1
Prosiding Pertemuan dan Presentasi llmiah P3TM-BATAN; Yogyakarta 14 -15 Juli 1999
0,3'
0,4
Arus Ionls~sl,
0,5
A
I
Dengan tekanan awal (setelah dimasukkan gas hidrogen ke dalam ruang sumber ion dengan tekanan 65 mmHg) sebesar2,1 10-6 Torr dan sumberion dioperasikandenganarus catu daya 0,5 Amper untuk menghasilkan arus berkas maka kondisi akhirkevakumantercantumpadaTabel2.
Gambar 2. Arus Berkas sebagai' Fungsi' Arus IonisasiSumberIon Silakhuddin,ill.
ISSN 0216-3128
~~! I
Prosiding Pertemuan don Presentasi Ilmiah P3TM-BATAN, Yogyakarta 14 -1:) Juti 1999 -
BukuI
Tabel2. Kondisi Vakum Akhit' Penurunan Vakum
29% 12% 5%
3.
Dengan melihat basil tersebut maka alloy tembaga-wolfram merupak;an bahan yang memberikan efek terkecil dalam penurunan vakum. Walaupun berdasarkan Tabel 1.tembaga merupakan bahan yang laju desorpsinya besar tetapi dengan adanya wolfram yang mun~l<:.inmempunyai laju desorpsi kecil (karena analogi titik lelehnya tinggi) maka alloy ini tetap lebih unggul dalam segi kecilnya laju desorpsi atau penurunan terhadap
vakum. Prediksi Hasil Arus Eksternal Dalam proses pemerc:epatan siklik pada tangki siklotron, sebagian berkas akan hilang dalam perjalanan akibat tumbukan dengan molekulmolekul gas sisa, proses ini dikenal dengan stripping lost. Besarnya stripping lost untuk beda radius tertentu ditentukan oleh kerap~ltanmolekul-molekul gas sisa yang berarti ditentukan oleh tingkat kevakuman pada tangki siklotron (P). Parameterparameter lain yang menentukan adalah besar gain energy (V 0) yaitu besarnya wmbahan energi pada partikel untuk satu kali periode putaran pada siklotron. Rumusan teoritis hubungan antara arus berkas II pada radius RI dengan arus 10pada radius Roadalah: II = IoexpII[{-8,4x
10.3P(RI-Ro)}No]
1)
ber1aku untuk P da1arn satuan 10-6Torr, R da1arn meter daD Vo dalarn MeV. Untuk prediksi arus ekstema1 I) yang dihitting pOOl radius ekstraksi R) sebesar 0,408 m, harga 10 diukur pacta Ro = 0,108 m daD sik1otron beJ:operasi dengan Vo sebesar 0, I MeV, maka pers/lmaan di atas dapat dimodiflkasi menjadi: In(I)/lo)=-I).25,2xI0.3.P
2)
Dengan memasukkanharga 10 adalah arus berkas internal pacta catu daya 0,5 A yang dicantumkanpactaGambar 2 dan harga P adalah kevakumanakhir pactaTabel~ makaharga prediksi arus eksternal 1\ yang dihinmg daTi persamaan terakhirdicantumkanpactaTabc:l3 berikut. Tabel2. Hasil PrediksiArus BerkasEksternal BahanAnoda Aluminium
Stainless-steel Temba~~-~olfram
10,uA
55 50 75
p'
~
~Torr 2,7, ~
C~-
2,4
IJ,uA
17~~
45
Besar arus eksternal bergantung atas gabungan antara besar arus internal dan pengaruh beam lost. Dari Tabel 2 terlihat bahwa walaupun kemarnpuan arus internal dari anoda aluminium daD stainless-steel hanya sebesar kira-kira 70 % dibandingkan anoda. tembaga-wolftam narnun prosentase ini menjadi 82 % pada kemarnpuan arus eksternalnya. Hal ini disebabkan efek beam lost yang tercermin pada sifat persarnaan 2 yaitu bahwa prosentase pengurangan berkas (karena efek stripping lost) akan lebih besar untuk arus internal (~) yang lebih besar,berlaku untuk P yang sarna. Sebagai ilustrasi, hasil perhitungan menggunakan persarnaan 2 menunjukkan bahwa pada P = 2,7 x 10-6 Torr untuk 10= 55 uA maka I) = 17 uA (berarti 1= 69 %) dan untuk 10= 75 uA maka I) = 19,5 uA (berarti 1= 74 %). Dari data-data tersebut menunjukkan bahwa jika ditinjau dari kemarnpuan arus eksternal maka anoda tembaga-wolfram masih yang terbaik tetapi anoda dari aluminium dan stainless-steel masih merupakan pilihan yang layak untuk anoda sumber ion tipe Penning.
KESIMPULAN Sebagai kerja
dari
bahanuntuk
bahan-bahan
steel dibandingkan
anoda aluminium
dengan
sumber
ion unjuk
clan
stainless-
bah,an tembaga-wolfrarn
adalah:
Dalam menghasilkan arus berkas internal bahan-bahan aluminium daD stainless-steel kemampuannnya sebesar70 % dibandingkan bahan tembaga-wolfram daD jika efek stripping lost diperhitungkan maka prosentase tersebut untuk arus berkas eksternal terprediksi sebesar 80 %. Bahan tembaga-wolfram merupakan bahan yang paling kecil memberikan efek penurunan kevakuman pactasistem.
DAFTAR PUSTAKA 1. NARGOLWALLA and PRZYBYLOWICZ, E.P., "Activation Analysis with Neutron Generators",Jon Wiley & Sons, New York (1973) 2.
YOKOTA, W. et aI, "DevelopmentofECR Ion Source in TIARA", TIARA Annual Report 1996,JAERI, Japan(1997)p 225
3. ANONIM, CatalogueGoodfellow, 1995/1996 4. ANONIM, CatalogESPI 690 5. ANONIM, CatalogBalzers,Edisi 1989/1990 6.
ROTH, "Vacuum Technology",North Holland PublishingCompany,Amsterdam(l983).
'"
Silakhudin
TANYAJAWAB
*
Tentang software yang dipertanyakan saya belumpernah mengetahuinya.
*
Parameteryang dominanadalah konduktivitas yang rendah dan titik leleh yang tinggi, sehinggapaduan Cu (konduktivitastinggi) dan wolfram sering dipilih sebagaibahananoda.
Darsono *
Apakah bahan SS dan Al yang diteliti bisa dipakaiuntuk sistemsiklotron ?
Silakhudin *
Pada arus tinggi kemampuananodadari bahan SS don Al adalah z 710%dari kemampuan bahanCu-W sehingga dapat dikatakan masih cukuplayak.
Tjipto Sujitno * Berapasuhuoperasianoda *
Anwar Budianto *
Apakahada softwareyan,gpemahandaketahui dalamrangkaperancangan bahananodasumber ion penning,misalnyapelmilihanbahandengan nomormassatertentu.
*
Apakah ada parameter fisis dominan secara teoritis sehinggabahananoda dapatditentukan sebelumnya.
'
Kelemahan Al sebagai anoda adalah titik lelehnya yang tidak begitu tinggi C:t 650 °C) sedangkan materialSSadalah bahwapada suhu 600 °c akan terjadi peristiwa sensitisasi sehinggasifat ketahanankorosinya berkurang, apakahhal ini sudahdiperhitungkan.
Silakhudin *
Menurut referensi, suhu operasi dari anoda sumberion adalah.t 600DCsehinggamasih di bawahtitik lelehAl.t 660 °c
*
KelemahanAl yang relatif lebih korosif tidak terlalu menjadi kendala karena penggantian anoda yang hanya setiap 2 bulan karena umumnyaterjadi perbesaranslit anoda.
