1~8 Prosiding Pertemuan don Presentasi llmiah PPNY-BATAN, Yo!l.vakarta 25-27 April 1995
Buku I
53
MASSAMETER DIGITALUNTUK ANALISATOR MASSA SEKTOR MAGNET Sutadji Sugiarto PPNY-BATAN po. Box 1008 Yogyakarta 55010
ASBTRAK MASSAMETER DIGITAL UNIVK ANALISATOR MAssA SEKTOR MAGNET. Untuk pemisahan ion utama pada spektrometer massa dan implantor ion dipergunakan analisator massa. Salah satu tipe analisator massa adalah tipe sektor magnet. Ion yang terseleksi adalah yang memenuhi nilai massa m = (qR212) B2/U, dimana q .. muatan elektron, R ..jari-jari sektor magnet, B .. induksi magnet dan U ..potensial pemercepat. Telah dibuat sebuah massameter digital untuk mengukur massa ini. Prinsip operasi alat adalah pencacahan secara bergantian cuplikan induksi magnet dan potensial pemercepatdengan pencacah naik turun. Alatdibuat dengan komponen utama pancacah naik-turun SN74193 dan konverter tegangan Jrekuensi XR4151. Alat dibuat 4 digit sehingga dapat untuk pengukuran massa hingga 9999 sma (amu) dengan ketidaktelitian 0, I %.
ABSTRACT DIGITAL MASSMETER FOR SECTOR MAGNET MASS ANALYZER. For separation oJmain ions in a mass spectrometer and ion implanter a mass anal)!Zeris used. A type oj mass analyzer is sector magnet type. The selected ions are those oJmass m = (qR!12)B2IV, where q.. electronic charge, R ..sector magnet radius, B ..magnetic induction and U.. accelerating potential. A digital massmeter was constructedJor mass measurement. Theprinciple oj operation oJthis instrumentwas by counting oJmagnetic induction and accelerating potential samples alternatively by using an up-down counter. This istrument was constructed by using main compollelltsSN74193 Up-Down Counters andXR-4151 VoltagetoFrequecyCollverters. The instrument was 4 digits so that it could be used to measure up to a mass oJ9999 amu with all inaccuracy oJO,1 %.
PENDAHULUAN
S
alah satu komponen penting pacta akselerator adalah analisator massa. Alat ini dipergunakan untuk memisahkan ion utama dati ion-ion lain yang bersama-sama diproduksi didalam sumber ion. Pacta spektrometer massa alai ini menjadikan ketelitian yang tinggi alas pengukuran konsentrasi unsur sedang pada implantor ion alai ini menjadikan bahan yang diimplantasi tidak terkontaminasi oleh atom lain. Ada 4 tipe analisator massa yaitu [1] : sektor magnet (sector magnet), filter Wien (Wien velocity filter), kuadrupol (quadrupole) dID waktu terbang (time offlight). Dari 4 ripetersebut,tire sektor magnet mempunyai jangkauan massa dan resolusi massa tertinggi, yaitu 3500 sma dID500000. Hingga saat ini pengukuran nilai massa didasarkan alas nilai aIDS elektromagnet yang diasumsi proporsional dengan kuat medan magnet. Asumsi ini jelas kurang benar karena adanya histerisis dan nilai potensial pemercepat dapat berubah sebagai fungsi waktu. Dalam penelitian ini dilakukan pembuatan (disain, konstruksi dID pengujian) sebuah massa meter digital
untuk menampilkan nilai massa yang terseleksi oleh analisator massa sektor magnet.
DASAR TEORI Dalam analisator massa sektor magnet ion-ion yang dianalisa mula- mula dipercepat dengan suatu potensial pemercepat kemudian dilewatkan suatu sektor magnet, seperti terlihat pacta gambar 1.
$ekto" ..o,..,et
.;umbe" lo~
...~~2
U
Kolektor 1°"
Gamb'ar 1. Analisator massa seldoT magnet
IssN 0116::)128
Sutadji Sugiarto
54
Prosiding Pertemllan don Presentasi Ilmiah PPNY-BATAN, Y°1:.yakarta 25-27 April 1995
BllkllI
Pacta saat pemercepatan, tenaga potensial diubah menjadi tenaga kinetik : qU = mv2/ 2 (1)
d. e.
Penampilan nilai cacah N pactapenampil Siklus diulang dari a.
dan pacta saat melintasi sektor magnet, gaya sentrifugal diimbangi gaya Lorentz: mv2 = qvB (2) Dari persamaan (1) dan (2) berarti ion-ion yang terseleksi adalah yang mempunyai nilai massa :
m=gJ{B2 2 U
(3)
dimana: q R B U
= = = =
muatan elektron jari-jari lintasan ion kuat induksi magnet potensial pemercepat.
Dalam samail sebagai : m
=
Gambar 2. Diagram kotak Meter Massa DigiJaL KUF (kollverter tegallgall frekuellSi), G (gerballg), PC (pencacah), T (pewaktu) dun PPP (pengendali pencacall dun pellampiJ).
SS! persamaan (3) dapat ditulis
479.105 R2 F U
(4)
m dalam sma (amu), R dalam meter, B dalam weber/m2dan U dalam volt.
WOk 1-10 krlz
PERCOBAAN Disain.
4'/7
Prinsip kerja dari alat ini adalah pencacahan secara bergantian cuplikan kuat induksi magnet dan potensial pemercepat dengan pencacah naik-turun sehingga terealisasi persamaan (4). Diagram kotak alat terlihat pactagambar 2. Cuplikan induksi magnet dan potensial pemercepat mula-mula dikonversi menjadi frekuensi dengan menggunakan konverter tegangan frekuensi XR-4151. Rangkaian konverter ini terlihat pactagambar 3. Faktor konversinya adalah 1.000 Hz/volt :t 10,1 %. Diagram waktu proses pengukuran terlihat pacta gambar 4, dengan umtan sebagai berikut : a. Pencacahan-l, yaitu pencacahan naik cuplikan induksi magnet f1selarnawaktu T diperoleh nilai cacah Tft. b. Pencacahan-2, yaitu pencacahan turun cuplikan potensial pemercepat f2 dari nilai cacah Tft sampai 0, diperlukan waktu t = ITf2If c. Pencacahan-3, yaitu pencacahan cuplikan induksi magnet selarna t diperoleh nilai cacah f~ N=tfi=T-
h
Sutadji Sugiarto
(5)
R2
4k7
1-10
V
.j.R-4151
0,0051)1.
.; ..1 ':'-0,01 147k
Gambar 3. Rallgkaiall kollverter tegallgan frekuellSL Faktor kollversi (flU) = (O,486RI/R2R3q.
0
"eset
awdl
': -r/1 2
2 3 0
" 1"1 t-ro12 .. r1 .. - ~.12 '~am"pll
Iteset
Gambar 4. Diagram waktu proses pengukuran.
ISSN 0216-3128
Prosiding Pertemuan dan Presentasi llmiah PPNY-BATAN, Yogyakarta 25-27 Apri11995
Buku I
Rangkaian Pengendali Pencacahan dan Penampilan terlihat pada gambar 5. Pencacahan-l dilakukan pacta waktu gerbang-l dibuka pewaktu (timer). Pencacahan-2 dilakukan pada waktu nilai cacah pencacah-l tidak nol, sekaligus untuk pencacahan-3. Pulsa penampilan dan reset dikeluarkan sesudah pencacahan-2 selesai.
,"'.',.
55
Penampilan disajikan sebagai : (mantisa) E (eksponen). <,
<,
...
U-I
1 t,
... N-I
"-2
2 t2
U-}
L
JL
.. "'-2
74121
If
JL
- R..,t ...t
74121
,,0< ,.,..
tr
Gambar 7. Rangkaian pellcacah lIaik turu1/. Gambar 5. Rangkaian pengendali pellcacah lian pellal1lpil
Rangkaian pewaktu, pencacah-l naik-turun, dan pencacah-penampil terlihat pactagambar 6, 7 dan 8. Rangkaian pewaktu adalah 5 buah pencacah BCD SN7490 seri yang dapat diatur waktu pengaktifannya T dari 0 hingga 99999E-6 detik dan dapat direset. Pencacah-l naik- turun adalah 5 buah pencacah naik-turunBCD SN74193 seri. Pencacah-2 penampil adalah 4 buah pencacah BCD SN7490 seri yang dilengkapi penyimpan data SN7475, penyulut SN7447 dan segmen-7. ro"'"
m.
""
""
Gambar 8. Rangkaian pellcacah digital 4 digit. I, ,... '.. VI
.0
. , L.;....i-
.
L
-1,...
.r.....
. '-
.-J ..--
.,
Gambar 6. Rangkaiall pewaktu Dipasallg lIilai 47900.
ISSN 0216-3\28
(Timer).
-
"" "'"
-.
.0 7.....
f" .m-, I
E- B
:...
Gambar 9. Rallgkaiall pella11lpil ekspollell. Hallya 7 posisi digambar. Daftar posisi alia di tabel2.
SutadjiSugiarto
56
Prosiding Pertemuan don Presentasi Ilmiak PPNY-BATAN, Yo/:.yakarta 25-27 Apru1995
Buku I
Dari kesamaan persamaan (4) dan (5) dan mengambil nilai frekuensi 10.000 Hz untuk nilai 1 W/m2dan 1 volt dan kelipatannya, diperoleh : nilai mantisa : 479 R2= 10.000 T nilai eksponen : 5 (: 10\ Nilai T untuk R daTi0,1 hingga 1 metertertera dalam Tabell dan nilai eksponen untuk B daTi1.10.4hingga 1.101 W/m2 U daTi 1.10° hingga 1.108 volt tertera dalam Tabel 2.
keluarannya (logik "0") digunakan untuk melatarkan masukan ABCD penyulut SN7447. Dalam penelitian ini dipergunakan komponen TIL karena sudah dapat dipakai untuk pengujian fungsional, tidak diperlukan penghematan daya menggunakan komponen TTL-LS atau CMOS maupun pemacuan kecepatan dengan komponen TIL-S atau LOCMOS. Selain itu komponen inijuga sudah dijarninkualitasnya dengan standard pengujian
Tabel1.
Pengujian.
Nilai T untuk R dari 0,1 hingga 1 meter
R (meter)
T (J.Ldetik)
R (meter)
1,0
47900
0,5
11975
0,9
38799
0,4
7664
0,8
30656
0,3
4311
0,7
23471
0,2
1916
0,6
17244
0,1
479
Tabel 2.
Nilai eksponen untuk B dari 1.10-4hingga 1.101W/m daD U dari 1.100hingga 1.108 volt.
"
II
T(J.Ldetik)
Bl
Bo
1.lDl
1.10°
1.10
U7
1.107
II
U6
1.106 I
B-2
8-4
B-3
1.lD-1 1.10-2 1.10-3 1.10.4
-311
-5
-7
-9
-11
0
-2
-411
-6
-8
-lD
1
.1
.31
-5
.7
.9
-1
U8
B-t
U5
1.105 1
2
0
.2
.411 -6
.8
U4
1.104 II
311
1
-1
-311 -5
-7
U3
1.103 II
411
2
0
-2
-4
1
-6
U2
1.102 1
5
31
1
.1
-3
1
.5
Ul
1.101 II
6
411
2
0
.2
-4
Uo
1.10° II
7
5
311
1
-1
-3
Rangkaian penampil nilai eksponen terlihat pactagambar 9. Karena nilai rnassa atom yang hingga sekarang diketahui adalah daTI1 hingga 3 digit saja, maka untuk nilai mantisa 1 hingga 4 digit, nilai eksponen yang realitis adalah daTI+2 sampai -4 saja. Jumlah kombinasi B-U yang mempunyai nilai tersebut acta 29. Pacta gambar 9 hanya digambar 7 kombinasi, kombinasi yang lain tertera dalam Tabel 2. Terminal B dan U yang aktif dilatarkan daD
SutadjrSugiarto
Mll.,-STD-. 883 [2,3].
Pengujian simulasi dilakukan pactaalat untuk beberapa variasi nilai berikut : a. Pengujian untuk variasi nilai jari-jari sektor magnet, yaitu ~enguji kebenaran nilai dalam Tabell b. Pengujian untuk variasi nilai induksi magnet, yaitu menguji nilai massa untuk yariasi ft c. Pengujian untuk variasi nilai eksponen, yaitu menguji kebenaran nilai dalam Tabel 2. Pengujian untuk variasi nilai potensial pemercepat tidak dilakukan karena pactaumumnya nilai besaran ini diambil tetap. .,.
HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil pengujian simulasi variasi jari-jari sektor magnet daDvariasi induksi magnet disajikan dalam Tabe13 dan 4. Tabel3.
Pengujian
simulasi
sektor magnet untuk fl
R (meter)
Tt (J.Ldetik)
variasi
jari-jari
= f2 = 10.000
Hz
T e (J.Ldetik)
1,0
47900
47900 :I:6
0,9
38799
38799:1: 5
0,8
30656
30656:1: 4
0,7
23471
23471:1: 4
0,6
17244
17244:1:3
0,5
11975
11975:1: 3
0,4
7664
7664:!: 2
0,3
4311
4311:!: 2
0,2
1916
1916:!: 1
0,1
479
479:!: 1
t = teon, e = pengama~
ISsRo2T6=3128
.
Prosiding Pertemuan don Presentasi llmiah PPNY-BATAN, Yo!:.vakarta 25-27 Apri11995
Tabel4.
Pengujian simulasi variasi induksi untuk R= 1 m daD f2 = 10.000 Hz.
fl (kHZ)
t = teori,
Buku I
mt (sma)
pengukuran massa ion-ion yang terseleksi oleh analisator massa sektor magnet dapat dibuat, dengan kemampuan pengukuran hingga 9999 sma dengan ketidak telitian 0.1%.
m. (sma)
10
4790
4790 :t 5
8
3066
3066:t 3
6
1724
1724:t 2
5
1198
1198:t 2
4
766
766:t 2
2
191
191:t 1
1
48
48:t 1
e = pengamatan
Dari basil pengujian simulasi variasi jari-jari sektor magnet menunjukkan adanya ketidaktelitian antara 0,01 hingga 0,05 %. Untuk pengujian ill dipergunakan osilator kristal 1 MHz. Jadi ketidaktelitian ill berasal dari f1dan f2yang untuk 1 digit terkecil (LSB) saja nilainya sudah 0,01%. Dari basil pengujian simulasi variasi induksi magnet menunjukkan adanya ketidaktelitian 0,1%. Hal inijelas berasal dari konverterteganganfrekuensi XR4151. Jadi untuk memperbaiki diperlukan konverteryang mempunyai kestabilan konversi lebih baik. Dari basil pengujian simulasi nilai eksponen menunjukkan tidak acta penyimpangan dari nilai disain, yang berarti rangkaian penampil nilai eksponen bekeIja baik.
KESIMPULAN Dalam penelitian ini telah dilakukan pembuatan massameter digital untuk pengukuran nilai massa ion-ion yang terseleksi oleh analisator massa sektor magnet. Dari basil penelitian dapat disimpulkan : suatu massameter digital untuk
IsSN 0216':3128
57
UCAPAN TERIMA KASIH Penulis menyampaikan ucapan terima kasih kepada Saudara Bntung Margono yang telah membantu dalam pembuatan dan pengujian alat.
DAFTAR PUSTAKA 1. ROBOZ J., "Mass Spectrometry", Wiley, New 2. 3.
York, 1968. un, "TTL Data Book", National Semiconductor, Santa Clara, 1975. , "XR4151 Data Sheet", Ratheon GmbH, Munchen, 1980.
TANYA-JAW AB Anwar Budianto
-
Apakah alat ill sudah benar-benar diuji pactaalat spektrometer massa dan bagaimana kalibrasinya? Sutadji Sugiarto Be/um baru diuji simu/asi. - Cora kalibrasi, untuk suatu ni/ai massa, diatur nilai tetapan waktu (MJ.
-
Kris Tri Basuki -
-
Alat yang dirancang ill mall digunakan dimana? Apakah sudah diaplikasi alat tersebut pacta massa
meter?
Sutadji Sugiarto Di imp/antor ion don spektrometer massa. Be/um, baru diuji simu/asi.
-
-
Sutadji Sugiarto
