Prosiding Seminar Nasional ke-9 Teknologi dan Keselamatan PLTN Serlo Fasi/itas Nllklir Jakarta, 2(} AgliSIlls 20D]
ISSN:
SUMBER ION MULTICUSP
0854
-29I 0
UNTUK ADS ~
17
Kasmudin, Silakhuddin Pusat Pengembangan
Sistem Reaktor Maju
-
BAT AN
ABSTRAK SUMBER ION MULI1CUSP UNTUK ADS. Suatu fasilitas Accelerator Driven System (ADS) memerlukan pasokan berkas proton intensitas yang tinggi dari somber ion. Sumber ion jenis multicusp dapat menghasilkan berkas proton dalam beberapa mA clan emittansi yang kecil sebagaimana diperlukan dalam suatu akselerator untuk ADS. Dcsain awal dari sumber ion jenis tersebut sudah dilakukan. Desain ini mengikuti prinsip desain pada fasilitas akselerator JAERI Takasaki. Somber ion ini ditargetkan . mampu menghasilkan berkas ion ringan, misalnya alpha hingga 1 IDA.
ABSTRA CT MULT/CUSP ION SOURCE FOR ADS. An Accelerator Driven System (ADS)facility needs high intensity proton beam from an ion source. Multicusp ion source can supply proton beam of some mA and small emittance as it is required on an accelerator for ADs. Preliminary design of the multicusp ion source has been carried out. The design follows the design of accelerator facility in JAERI Takasakl. The ion source is hoped can provide light ion beam e;g. alpha untill pA.
141
Prosiding Seminar Nasional ke-9 Teknologi don Keselamatan PLTN Serlo Fasilitas Nllklir Jakarta, 20 AglIstlis 2003
0854
- 29J0
reaktor
yang
ISSN:
PENDAHULUAN ADS dikendalikan
(Accelerator
Driven
oleh akselerator.
target spallasi,
clan reaktor
Reactor
System)
adalah
sistem
Komponen utama ADS meliputi akselerator subkritik.
Dalam hal ini akselerator
berfungsi
proton, untuk
menghasilkan arus proton berenergi tinggi yang ditembakkan ke target spallasi dari inti berat sehingga terjadi reaksi inti (spallasi) dipanearkan
dari
proses
spallasi
inilah
clan dihasilkan yang
dijadikan
neutron. Neutron yang sumber
neutron
bagi
berlangsungnya reaksi fisi dalam reaktor daya atau sumber neutron untuk pembakaran limbah. ADS memerlukan arus proton yang tinggi untuk menghasilkan fluks neutron yang tinggi pula sebagai syarat untuk berlangsungnya reaksi subkritis yang eukup efektif bagi pembangkitan daya atau pembakaran limbah. Untuk menghasilkan arus proton tinggi diperlukan sumber ion yang dapat menghasilkan arus proton tinggi pula yang salah satunya adalah sumber ion multicusp. Oleh karena itu ADS pada umumnya menggunakan akselerator dengan sumber ion jenis multicusp tersebut. Sumber ion multicusp coeok untuk mengionisasi atom:atom gas dengan nomor atom kecil, seperti atom gas hidrogen (H2) atau helium (He). Akselerator ADS mempunyai ukuran panjang sehingga emittansi berkas ion dari sumber harus dibuat sekecil mungkin sehingga ketika ditembakkan ke target spallasi lebih tepat sasaran (berkasnya tidak terlalu melebar) clan sesuai dengan yang diharapkan. Emittansi yang kecil ini dapat dilakukan dengan pengungkungan plasma di dalam chamber sumber ion denganjaring-jaring medan magnet (disebut multicusp).
SUMBER ION MULTICUSP Tergantung pactajenis material yang akan diionisasi, maka terdapat beberapa jenis sumber ion untuk akselerator. Misal untuk jenis material gas sering dipergunakan sumber ion jenis tumbukan elektron, yaitu jenis sumber ion di mana ionisasi terjadi antara elektron bebas dengan atom-atom gas. Sedang untuk material lain terdapat jenis sumber ion seperti ionisasi termaI, ionisasi dengan laser, ionisasi dengan medan listrik (lueutan), ionisasi tumbukan atom, clan ionisasi radiasi foton (fotoionisasi). Berikut ini
342
Prosiding Seminar Nasional ke-9 Teknologi dan Keselamatan PLTN Serlo Fasilitas NI/klir Jakarta. 20 Agl/sttls 2003
/SSN.. 0854 - 29/0
akan ditinjau clan dibahas lebih lanjut tentang sumber ion tire tumbukan electron yang disebut multicusp. Dalam sumber ion multicusp, ion-ion positif dihasilkan dari tumbukan elektron dengan partikel-partikel gas dalam chamber ionisasi. Ionisasi tumbukan elektron dapat menghasilkan kerapatan ionisasi yang besar walaupun energi elektron dalam tumbukan hanya mampu melepaskan elektron-elektron yang ikatannya lemah seperti terdapat pacta atom-atom
gas dengan Bomar atom keci!. Komponen utama sumber ion mullicusp
terdiri dari katoda sebagai pemancar elektron, anoda sebagai penutup chamber (ruang) plasma, beberapa kutub magnet yang disusun untuk membentuk jaring-jaring (cusp) medan magnet
di dalam chamber plasma, clan sebuah elektroda ekstraksi untuk
mengekstraksi ion-ion dari chamber plasma. Karena adanya tegangan positif antara anoda clan katoda, elektron bergerak dari katoda ke anoda clan akan mengionisasi gas yang acta di dalam chamber. Karena medan magnetnya transversal, elektron bergerak dengan lintasan spiral sehingga akan menyebabkan lebih banyak ionisasi molekulmolekul gas dalam chamber. Konfigurasi jaring-jaring
medan magnet akan memantulkan
elektron ketika
bergerak mendekati anoda clan banyakpya jarring-jaring medan magnet akan menentukan banyaknya pantulan. Pemantulan ini akan meningkatkan probabilitas terjadinya ionisasi molekul-molekul gas. Karena jarring-jaring medan magnet ini pulalah yang mcnyebabkan elektron-elektron terkungkung di dalam plasma clan ini dapat dimanfaatkan sebagai kompensasi berkurangnya efisiensi ionisasi pada tekanan rendah. Tegangan negatif pacta elektroda ekstraksi sedikit lebih lemah dibandingkan dengan tegangan anoda, sehingga ion-ion positif mengalir dari chamber plasma clan kemudian tegangan tinggi positif ekstraktor (yang dihubungkan ke tanah) menyebabkan ion-ion tertarik keluar atau terekstrak ke potensial ground clan memenuhi
sebagian
elektroda ground, Antal'a elektroda ekstraksi clan elektroda ground acta elektroda penarik (puller)
dengan tegangan
negatif yang ditujukan
untuk membentuk
sistem lensa
bersama-sama dengan elektoda ekstraksi clan elektroda ground. Tegangan negatif puller juga
membatasi
elektron-elektron
tertarik oleh potensial
positif
chamber
plasma
sehingga tidak menumbuk chamber. Posisi relatif elektroda puller terhadap elektroda ekstraksi mempunyai pengaruh besar terhadap pancaran beam, Jarak an tara elektroda puller clan elektroda ekstraksi, geometri puller, beda tegangan elektroda puller clan ekstraksi, clan intensitas sinal' ion merupakan level pertama dari optika beam clan 343
II
. Prosiding Seminar Nasional ke-9 Teknologi dan Keselamatan PLTN Serra Fasilita:; Nuklir Jakarta, 20 Agllstlls 2003
hubungan
dari parameter-parameter
tersebut dirumuskan
ISSN:
0854
dengan persamaan
- 2910 Child-
Langmuir:
J = xy3/2/d2 di mana:
J adalah kerapatan arus ion yang dipisahkan x adalah konstanta yang tergantung pada massa ion V adalah heclategangan alltara elektroda ekstraktor clanpuller d adalah diameter puller
BEBERAP A CONTOH DESAIN SUMBER ION Desain JAERI Tokai (1) Gambar 1 menunjukkan tampang muka dari desain JAERI TOKAI yang terdiri dari generator plasma berbentuk setengah silinder berdiameter 340 mm dan panjangnya 340 mm dengan jaring-jaring medan magnet (multicusp) yang kuat. Plasma dibentuk oleh lucutan busur menggunakan delapan filamen tungsten. Suatu filter magnet, yang dibentuk oleh magner-magnet permanen samarium-cobalt(Sm-Co), membagi generator plasma ke dalam dua daerah clan menguball distribusi energi elektron sedemikian untuk menghasilkan
ion-ion
negatif.
Laju
produksi
ion negatif
ditingkatkan
dengan
menempatkan sedikit cesium ke dalam generator plasma. Sumber ion dapat l11enghasilkanarus ion negatifhidrogen sebesar 36 mA pada tegangan ekstraksi 50 kV.
Gnhlel
C,lnlet
Gambar 1. Somber ion desain JAERI Tokai 344
Prosiding Seminar Nasional ke-9 Teknologi don Keselamatall PLTN Serlo Fasi/ilas Nuklir Jakarta, 20 AglIstus 2003
/SSN:
-
0854 29/0
Desain SNL (2)
Sumber ion multicusp di SNL (Sandia National Laboratories), New Mexico USA, termasuk tipe cusp magnet cincin tunggal (single ring magnetic cusp). Filamen bertindak sebagai katoda clanelektroda ring sebagai anoda, keduanya terbuat dari bahan tungsten (Gambar 2). Reflektor dibuat dari molybdenum clan lempengan celah terbuat dari molybdenum clan juga nitrida borron. Perisai panas yang juga terbuat dari molybdenum, membantu mendistribusikan panas ke mantel air pendingin (tidak ditunjukkan dalam gambar). Cincin tunggal megnet intensitas tinggi memberikan medan 2 kG pada bagian dalam dinding perisai panas clan 100 G di dekat filamen clan celah. Medasn magnet nol dibuat pada sumbu sumber. Kecuali untuk anoda clankatoda, komponen-komponen sumber berada pada potensiallistrik mengambang. Sumber ion ini beroperasi pada tekasnan 0,25 Pa, clan pada tekanan ini menghasilkan arus deuteron 200 mA ketika dipasang tegangan busur 150 V clanarus 10 A.
.
APERTUE
.j'\ PLATE -'
./
-"
/
\
~
"-
" / ./
:1f"7\/
:fA'~
RING SUPPORT AND FEEDTHROUGH
-
" ,
~ .........-. 2 em
Gambar 2. Sumber ion desain SNL Desain
LBL (3) Desain
LBL
(Lawrence
Berkeley
Laboratory),
University
of
California,
Berkeley, California, menggunakan chamber stainless steel berbentuk silinder yang didinginkan dengan air, panjang 28 cm~ diameter 20 em (Gambar 3). Bagian ujung chamber ditutup dengan sistem ekstraksi tiga grid. Chamber dikelilingi oleh 10 kolom "211<
-~-~
Prosiding Seminar Nasional ke-9 Teknologi dun Keselamatan PLTN Serlo Fasi/itas NlIklir Jakarta. 20 Agllstlls 2003
ISSN:
0854
- 29J0
magnet keramik atau samarium cobalt. Plasma "steady state" dihasilkan oleh ionisasi elektron-elektron
primer yang diemisikan oleh filamen tungsten berdiameter 0,05 cm
clan dibias dengan tegangan 60 V terhadap chamber (anoda). Oalam operasi normal, grid ekstraksi
dibiarkan
pada tegangan
listrik mengambang.
Temperatur
elektron,
kerapatan, clanpotensial plasma diatur menggunakan probe langmuir aksial.
EXTRACTOR
ION
probe
filamlnt
J to pump
0 L
plrmanenf maQnet
IOem J
Gambar 3. Somber ion desain LBL Illstalasi di JAERI Takasaki (4) Sumber ion multicusp di JAERI Takasaki adalah desain IBA Belgium. Chamber sumber silindris (panjang 15 cm diameter dalam 10 cm) terbuat dari tembaga. Suatu filamen tungsten panjang 15 cm terpasang pada sumber pusat chamber. Plasma busur dikungkung oleh empat baris 10 magnet samarium-cobalt pada sisi luar chamber clan6 pada ujung chamber. Sistem ekstraksi terdiri atas elektroda ekstraksi clan elektroda puller yang dapat bergerak sehingga gap keduanya dapat divariasi. Sumber dengan sederhana dapat dikendalikan utamanya adalah tegangan filamen, arus busur, laju alir gas clanposisi puller. Umur dari filamen adalah beberapa ratus jam.
346
Prosiding Seminar Nasional ke-9 Teknologi clanKeselamatan PLTN Serta Fasilitas Nuklil' Jakarta, 20 Agllstlls 2003
-----
ISSN.. 0854 - 2910
-----.
cha.ber
t OJ]]
~bul
,
puller (inside)
S.Cougntt
T
I
insulator
Glaserlens 0
l
50 CI J
Gambar 4. Diagram instalasi sumber ion multicusp JAERI Takasaki DESAIN SUMBER ION MULT/CUSP YANG DIRENCANAKAN Desain yang hendak direalisasikan pacta prinsipnya mengikuti desain JAERI Takasaki. Pertimbangannya didasarkan pacta kesederhanaan konstruksi dan informasi desain yang lebih lengkap. Gambar 5 berikut adalah gambar desain sumber ion multicusp untuk ADS tersebut.
111'7
Prosiding Seminar Nasiollal ke-9 Tekllologi dall Keselamatan PLTN Serta Fasilitas NlIklir Jaknrta. 20 AgllStllS2003
ISSN:
0854
+ r-
S.-..... '\ \ +-
1
, / "
\i i/ / I
\
+ r--I
t
I
/1
"" ..... '\
(j;
{0
, +-
I
1
I
NL/
r0
\,hll
- CD
+
CD CD
I
Gambar 5. Desain sumber ion 11l11ltiCIiSp yang direncanakan
348
-29 J0
Prosiding Seminar Nasional ke-9 Teknologi don Keselamatan PLTN Serlo Fasilitas Nuklir Jakarta. 20 AglIstlls 2003
ISSN:
0854
-2910
Keterangan desain :
1.
Katoda Katoda terbuat dari filamen tungsten dengan panjang 150 mm terdiri dari 3 kawat berbentuk gulungan di mana masing-masing kawat berdiameter 0,75 mm. Filamen dicatu dengan arus 100 A clanheclapotensial kedua ujungnya 10 V.
2.
Chamber plasma (sebagai anoda) Chamber plasma yang juga berfungsi sebag'li anoda berbentuk silinder terbuat dari tembaga dengan panjang 138 mm clandiameter 98 mm, serta terhubung ke tegangan 300 V terhadap katoda. Di permukaan luar anoda dipasang 10 magnet cobalt samarium, yang masingmasing magnetnya terdiri dari 4 kutub yaitu utara-selatan-utara-selatan (U-S-US). Tujuan penyusunan ini adalah untuk membentuk jarring-jaring medan magnet di dalam chamber. Gas yang akan diionisasi dimasukkan melalui pipa berdiameter 1,6 mm yang terhubung ke chamber.
3.
Elektroda ekstraksi Elektroda ekstraksi berbentuk cakraI? terbuat dari tembaga yang di tengahnya terdapat lubang ekstraksi berdiameter 7,5 mm. Bagian ini diisolasi dari anoda dengan cincin pyrex clan dari ground dengan (di bagian depan) dengan bahan polyetilen. Tegangan anoda adalah -310 V clan maksimum 30 kV terhadap bagian ground. Melalui cincin pyrex pantulan sinar plasma dapat dilihat.
4.
Elektroda puller Elektroda puller berbentuk kerucut 45° terbuat dari stainless steel dengan diameter lubang puller 6,5 mm. Elektroda puller bertegangan negatif (sekitar beberapa ratus volt) terhadap ground.
5.
Elektroda ground Elektroda ground
diposisikan downs/earn sehingga tegangannya
0 V
equipotensial sedekat mungkin dengan elektroda puller. Elektroda pulier danb elektroda ground dapat bergerak sebagai satu kesatuan ketika dikendalikan dengan system motor di depan batas antara elektroda ekstraksi clan elektroda puller.
Prosiding Seminar Nasional ke-9 Teknologi d(111Keselamatan PLTN Serta Fasilitas NlIklir Jakarta, 20 Agllstll.r 2003
ISSN:
0854
- 2910
KESIMPULAN
Telah didesain suatu sumber ion jenis multicusp yang direncanakan dapat menghasilkan berkasi ion alpha untuk fasilitas ADS skala keci!. Semua komponen dapat diadakan dan direkayasa di dalam negeri. Untuk tahap awal, sumber ion ini diharapkan mampu menghasilkan arus berkas alpha hingga 1 mA. DAFT AR PUST AKA 1.
H. Oguri et aI, "Development of a High Brightness Neghative Hydrogen Ion Source", Proceeding of 10th Symposium on Ace. Science an Tech., October 25 - 27, 1995, Hitachinaka, Japan.
2.
J. P. Brainard and J. B. O'Hagan, "Single-ring Magnetic Cusp Ion Source", Rev. Sci. Instrum 54 (11), November 1983.
3.
K. Wehlers and K. N. Leung, "Increasing the Efficiency of a muIticusp ion source", Rev. Sci. Instrum. 53(9), September 1982.
4.
W. Yokota et aI, "Operation of ECR and MuIticusp Ion Sources for JAERI AVF Cyclotron", The 8th Symp, On A~celerator Science and Technology, 1991, Saitama, Japan.
DISKUSI:
PERTANYAAN -
- BAPETEN)
Apakah intensitas neutron yang ke/uar bisa diatur sesuai dengan kebutuhan?
JA W ABAN
-
: (Azizul Khakim
: (Kasmudin
- P2SRM BATAN)
Intensitas neutron yang ke/uar dari target spallasi bisa diatur dengan mengatur intensitas
alfa.
Intensitas
alfa
itu
sendiri
bisa
mengaturlmengubah-ubah bedapotensia/ elektroda puller.
350
diatur
dengan
