PENENTUAN BESARAN EFEK BERKAS PROTON PADA FASILITAS TARGET SIKLOTRON DECY-13

Volume 17, November 2015

ISSN 1411-1349

PENENTUAN BESARAN EFEK BERKAS FASILITAS TARGET SIKLOTRON DECY-13

PROTON

PADA

Suharni dan Silakhuddin Pusat Sains dan Teknologi Alselerator – BATAN, Jalan Babarsari Kotak Pos 6101 Ykbb Yogyakarta 55281 [email protected]

ABSTRAK PENENTUAN BESARAN EFEK BERKAS PROTON PADA FASILITAS TARGET SIKLOTRON DECY-13. Tingkah laku dari berkas proton 13 MeV dari siklotron DECY-13 dan efek-efeknya pada target cair untuk produksi 18 F telah dibahas. Kelakuan berkas berupa jangkau proton dan profil berkas di dalam target cair diamati dengan simulasi program SRIM, dan efek-efeknya tentang perubahan suhu dan tekanan yang timbul pada air tersebut dihitung dengan kaidah-kaidah termodinamika. Hasil simulasi menunjukkan bahwa jangkau proton didalam air sebesar 1,8 mm dan lateral stragling sebesar 50 µm. Efek termodinamika yang timbul adalah bahwa, dengan dimensi panjang air target 0,5 cm seperti dalam desain dasar maka suhu air akan melebihi 1000C apabila arus berkas melebihi 10 µA. Agar dapat memanfaatkan arus berkas sebesar 30 µA maka direkomendasikan untuk memperpanjang dimensi panjang menjadi minimum 3,4 cm. Kata kunci: siklotron, fasilitas target, produksi 18F, berkas proton, efek berkas

ABSTRACT DETERMINATION OF QUANTITIES OF 13 MeV PROTON BEAM ON THE DECY-13 TARGET FACILITY. Behavior of 13 MeV proton beam of DECY-13 cyclotron and its effects on the liqiud target of 18F production have been discussed. The beam behaviour namely proton range and beam profile on the the water were observed by simulation using SRIM program, and the effects of changes of temperature and pressure on the water were calculated using thermodynamics rule. The results simulation show that range of proton on the water is 1,8 mm and lateral straggling is 50 µm. The thermodynamics effects are, if the length of water target of 0.5 cm according to a basic design that it have been made, the water temperature will be more than 1000 C by beam current more than 10 µA. In order to use beam current until 30 µA, it is recommended to change the dimension of water target to be 3.4 cm of length. Keywords: cyclotron, target facility, 18F production, proton beam, beam effects.

PENDAHULUAN

K

egiatan litbang desain dan konstruksi siklotron DECY-13 direncanakan dapat menghasilkan berkas proton berenergi 13 MeV dan arus berkas minimum di target sebesar 40 µA, yang ditargetkan dicapai pada tahun 2019 [1]. Karakteristik berkas proton harus dapat dibuktikan menghasilkan radioisotop pemancar positron 18F oleh penembakan proton pada target H2O melalui reaksi 18 O(p,n)18F. Reaksi nuklir terjadi pada daerah energi beberapa MeV hingga beberapa belas MeV, dengan puncak tampang lintang reaksi pada 7-8 MeV [2,3]. Kuantitas radioisotop yang dihasilkan sebesar yang layaknya untuk keperluan diagnostik dengan teknik PET di suatu rumah sakit. Untuk mencapai itu, terlebih dahulu perlu dilakukan pengkajian tentang besaran-besaran yang ada selama proses produksi radioisotop 18F tersebut. Fungsi dari target adalah sebagai sarana untuk mentransmutasikan unsur stabil menjadi produk radionuklida melalui iradiasi dengan partikel berenergi

tinggi yang menghasilkan reaksi nuklir. Dalam pembentukan radionuklida 18F pada target siklotron, sebagai target iradiasi adalah H2O dengan pengkayaan 18 O lebih dari 90%[4,5,6]. Fasilitas target berfungsi untuk mewadahi dan menjaga kondisi agar proses iradiasi berlangsung dengan normal. Implementasi geometri target adalah hasil dari pertimbangan dari disiplin ilmu termasuk kimia, fisika nuklir dan termodinamika [7]. Untuk mendesain suatu fasilitas target diperlukan pemahaman tentang kelakuan berkas proton 13 MeV dan efek-efeknya pada fasilitas target tersebut. Besaran yang berkaitan dengan fisika nuklir/atom terdiri atas parameter energi dan berkas proton penembak yang mengenai target yang akan menentukan kelakuan berkas partikel yaitu jangkau dan pola hamburan berkas proton di dalam target. Selanjutnya, parameter berkas proton juga akan menentukan besaran termodinamika yang berkaitan dengan perpindahan panas dari daya berkas proton ke massa target. Pada akhirnya data-data tentang kelakuan berkas proton dan efek-efeknya akan berguna untuk pembuatan desain rinci dari fasilitas target.

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 17, November 2015 : 38 - 42

38

Volume 17, November 2015

TATA KERJA Obyek Pengamatan Dari kajian sebelumnya yang sudah dilakukan telah diperoleh susunan fasilitas target cair seperti ditunjukkan pada Gambar 1 [8].

ISSN 1411-1349

a. Suhu target cair Berkas proton yang menembus target cair akan mendisipasikan panas ke air tersebut, yang memberikan kenaikan suhu air. Untuk penyederhanaan model, suhu air dianggap stabil dan sama dengan suhu dari permukaan dinding dalam dari bejana target. Bejana target didinginkan dengan air pendingin dan dalam keadaan setimbang berlaku persamaan : [12] I b . E b = h A (Tw − T0 )

(1)

dengan Ib arus berkas proton, Eb energi berkas proton, h koefisien transfer panas konvektif (dari permukaan air ke dinding wadah target), Tw suhu bagian dalam wadah target yang diasumsikan sama dengan suhu air target, dan T0 suhu air pendingin. Karena besaranbesaran tersebut dapat diketahui atau diukur maka suhu air dapat dihitung. b. Tekanan target cair Gambar 1. Skema konstruksi sistem target.

Besaran-besaran awal (sebelum diiradiasi dengan berkas proton) yang ada di dalam target cair sebagai berikut: 1. Suhu (asumsi): 25°C 2. Tekanan berdasar acuan-acuan : 25 bar [9,10,11] 3. Densitas: 1 gr/cm3 4. Volume: 1,57 ml (berdasar desain dasar terdahulu) Dari kajian dalam pembuatan desain dasar terdahulu dihasilkan bahwa energi proton 13 MeV dari siklotron setelah melewati foil-foil vakum, pendingin helium dan foil target maka energi proton yang masuk ke target cair menjadi 12,34 MeV. Besaran energi 12,34 MeV dan arus berkas diambil 30 µA dipakai sebagai parameter berkas yang masuk ke dalam target cair. Disini besaran arus berkas diambil lebih kecil dari 40 µA karena diasumsikan adanya arus berkas proton yang hilang sewaktu melewati foil-foil penyekat dan gas helium pendingin foil. Metodologi 1. Berkas proton yang masuk ke target cair dirumuskan kelakuannya menggunakan program SRIM, yaitu dihitung besaran-besaran : a. Penurunan energi berkas, dengan cara mengamati projected range. b. Profil berkas, dengan cara melihat nilai lateral range. 2. Dari kelakuan parameter dan kelakuan berkas proton yang masuk ke dalam target kemudian dirumuskan tentang efek-efeknya terhadap :

Jika terjadi kenaikan suhu akibat iradiasi berkas proton maka terjadi perubahan tekanan air target untuk volume tetap. Perubahan tersebut dapat dilihat seperti kurva pada Gambar 2 [13].

Gambar 2. Hubungan antara suhu tekanan air untuk beberapa densitas. Dalam kurva tersebut kelihatan bahwa hubungan suhu dan tekanan air hampir linear, sehingga perhitungan tekanan setelah perubahan suhu dapat dihitung dengan P T pendekatan P12 = T12 .

HASIL DAN PEMBAHASAN Kelakuan Berkas Proton Di dalam Target cair

Jangkau (Range) Berkas Proton Dari perhitungan pada desain sistem target sebelumnya diperoleh hasil bahwa energi proton 13

PENENTUAN BESARAN EFEK BERKAS PROTON PADA FASILITAS TARGET SIKLOTRON DECY-13 Suharni dan Silakhuddin

39

Volume 17, November 2015

MeV setelah melewati material-material foil titanium pertama 30 µm, pendingin helium 0,5 cm dan foil titanium kedua 30 µm, energi proton yang sampai ke target cair adalah menjadi 12,34 MeV. Jangkau berkas proton hingga 13 MeV di dalam target cair juga sudah dihitung menggunakan program SRIM, hasilnya seperti pada kurva Gambar 3.

ISSN 1411-1349

Profil Berkas Proton Di Dalam Target Cair Hasil simulasi profil berkas proton 12,34 MeV yang masuk ke dalam target cair menggunakan program SRIM ditunjukkan pada Gambar 5, yang digambarkan dengan nilai lateral straggling berkas proton ke dalam air. Nilai tersebut menggambarkan tentang bagaimana berkas proton mengalami sebaran dari arah lurusnya. Dari kurva tersebut ditunjukkan bahwa sebaran lateral dari berkas proton sangat kecil sekali hanya sekitar 50 µm pada energi proton 12,34 MeV. Jadi dapat dikatakan bahwa tidak ada bagian dari berkas proton yang mengenai dinding dari wadah target.

Gambar 3. Jangkau proton pada target cair.

Dari kurva tersebut terlihat bahwa untuk berkas proton 12,34 MeV akan menembus kira-kira 1,82 mm, ini tidak jauh berbeda dengan perhitungan terdahulu menggunakan program PSTAR yang menghasilkan nilai 1,80 mm [8]. Simulasi yang dilakukan Sysoev dkk menghasilkan data seperti pada Gambar 4 [14].

Gambar 5.

Lateral straggling berkas proton pada target cair.

Efek Berkas Proton Pada Target Perubahan Suhu Target Perubahan suhu target dihitung menggunakan persamaan (1) dengan nilai-nilai besaran: − Arus berkas ion bervariasi , Ib

0 hingga 30 µA.

− Energi berkas proton yang masuk ke target, Eb 12,34 MeV [8]. − Daya berkas proton menjadi, Pb = Ib × Eb = 0 493,6 watt. − Koefisien transfer panas konvektiv, h = 0,41 W. cm-2. oC-1 (dari hasil perhitungan Steyn [11]). Gambar 4.

Jangkau proton pada air target; simulasi dengan SRIM oleh Sysoev.

Jadi, hasil simulasi dalam makalah ini jika dibandingkan dengan hasil lainnya tidak jauh berbeda.

− Luas permukaan dinding dalam wadah target dengan panjang 0,5 cm dan diameter 2 cm, maka luas permukaan target A = 3,14 cm2 (dari ukuran wadah target yang sudah didesain pada desain dasar [8]). − Suhu air pendinginan pada target, T0 = 15 oC (mengacu pada fasilitas target di siklotron KIRAMS 13 [16]).

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 17, November 2015 : 38 - 42

40

Volume 17, November 2015

ISSN 1411-1349

Dengan parameter-parameter tersebut, hasil perhitungan dengan persamaan (1) dihasilkan data-data seperti pada Tabel 1. Tabel 1. Suhu air target akibat berkas proton pada diameter target 2 cm dan panjang 0,5 cm. No

Arus berkas Ib, µA

Daya berkas Pb, watt

Suhu air target Tw, oC

1.

5

62

33

2.

10

123

81

3.

15

185

129

4.

20

247

177

5.

25

308

225

6.

30

370

273

Dari hasil pada Tabel 1, maka bila luas permukaan target seperti desain awal dan diharapkan air target tidak sampai mendidih (kurang dari 100 °C) maka arus berkas proton tidak lebih dari 10 µA. Perhitungan kembali dengan persamaan (1) untuk suhu air target maksimum 100 oC, arus berkas proton hingga 30 µA dan parameter-parameter energi berkas, diameter air target dan suhu air pendingin dibuat tetap akan diperoleh hasil: − Luas permukaan air target minimum A 10,6 cm2 − Yang berarti panjang air target minimum l 3,4 cm. Dengan demikian desain wadah target yang sudah pernah dibuat dengan ukuran diameter 2 cm dan panjang 0,5 cm hanya dapat digunakan untuk arus berkas rendah misalnya untuk tujuan commissioning atau penelitian. Untuk tujuan produksi komersial harus dilakukan modifikasi hingga panjang minimum 3,4 cm. Bila dimensi wadah target dimodifikas dengan luasan permukaan menjadi 11 cm2, perubahan suhu menjadi seperti ditunjukkan pada Tabel 2. Tabel 1. Suhu air target akibat berkas proton pada diameter target 2 cm dan panjang 3,4 cm. No

Arus berkas Ib, µA

Daya berkas Pb, watt

Suhu air target Tw, °C

1.

5

62

29

2.

10

123

43

3.

15

185

58

4.

20

247

72

5.

25

308

85

6.

30

370

100

Perubahan Tekanan Air Suhu air yang semula 25°C dan tekanan 25 bar, setelah terkena tembakan berkas proton akan naik suhu dan tekanannya, dalam hal ini volume air target dianggap konstan karena memenuhi semua volume wadah. Dengan menggunakan relasi PP12 = TT12 (suhu dalam derajat Kelvin) dan data-data suhu pada Tabel 2, diperoleh nilai-nilai tekanan untuk berbagai arus berkas proton seperti ditunjukkan pada Tabel 3. Tabel 3. Tekanan air target akibat berkas proton pada diameter target 2 cm dan panjang 3,4 cm (suhu awal 25 oC dan tekanan awal 25 bar). No

Arus berkas Ib, µA

Suhu air target Tw, °C

Tekanan air target, bar

1.

5

29

25,4

2.

10

43

26,5

3.

15

58

27,8

4.

20

72

29,0

5.

25

85

30,0

6.

30

100

31,3

Pada maksimum arus berkas proton 30 µA tekanan air yang terjadi hanya sampai dengan 31 bar dari mulamula 25 bar sebelum ada berkas proton, dan kondisi ini tidak akan mengakibatkan kerusakan pada foil target.

KESIMPULAN Berkas proton 13 MeV dengan arus maksimum 30 µA yang masuk ke dalam air target telah dikaji kelakuannya dengan simulasi SRIM dan hasilnya adalah bahwa jangkau proton di dalam air target sebesar 1,8 mm dan sebaran lateralnya hanya dalam kisaran beberapa puluh mikrometer. Kelakuan ini masih dalam batas akomodatif pada dimensi target seperti yang ada dalam desain dasar yang sudah dibuat. Efek-efek yang timbul pada target cair dengan dimensi panjang air target yang hanya 0,5 cm (sesuai desain dasar), maka arus berkas ion hanya terbatas 10 µA agar suhu air tidak melebihi 100 oC. Dan agar arus berkas sebesar 30 µA dapat dimanfaatkan secara maksimum maka dimensi dari panjang target cair harus dinaikkan hingga minimum 3,4 cm. Efek dari kenaikan tekanan masih dalam batas aman untuk komponen target.

UCAPAN TERIMA KASIH Terima kasih penulis sampaikan kepada Tim Siklotron DECY-13 PSTA atas kerjasamanya selama ini. Tak lupa penulis sampaikan terima kasih kepada

PENENTUAN BESARAN EFEK BERKAS PROTON PADA FASILITAS TARGET SIKLOTRON DECY-13 Suharni dan Silakhuddin

41

Volume 17, November 2015

Drs. Hari Suryanto yang telah memberikan pengetahuan tentang fasilitas siklotron baik secara teori maupun rill dengan melakukan kunjungan bersama ke fasilitas siklotron PTRR Batan dan RS. Dharmais.

DAFTAR PUSTAKA [1]

ANONIM, Renstra BATAN 2010 – 2014, Badan Tenaga Atom Nasional 2010.

[2]

ANONIM, Experimental Nuclear Reaction Data (EXFOR) Database Version of October 07, 2014, Nuclear Data Center IAEA Software Version of 2014.10.06.

[3]

HESS, E., TAKAVACS, S., SCHOLTEN, B., F. TARKANYI, F., et al., Excitation function of the 18O(p,n)18F nuclear reaction from threshold up to 30MeV, Radiochim. Acta 89, 357–362, 2001.

ISSN 1411-1349

[10] STRANGIS, R., Reliable Fluorine-18 (18F) Production at High Beam Power, Proceedings of Cyclotrons and Their Applications, Eighteenth International Conference, 2007. [11] F. DEVILLET, F., GEETS, J.M., GHYOOT, M., et al., Performance of IBA New Conical Shaped Niobium [18O]Water Target, Proceedings of Cyclotrons, Vancouver, BC, Canada, 2013. [12] STEYIN, G.F., VERMEULEN, C., Saturation Conditions in Elongated Single-Cavity Boiling Water Targets, Proceedings of SAIP : the 57th Annual Conference of the South African Institute of Physics, University of Pretoria, South Africa, 2012. [13] CHAPLIN, M., Water Structure and Science, http://www1.lsbu.ac.uk/water/density_anomalies .html, diakses 30 Oktober 2015.

[4]

RUANGMA, A., FDG-PET and FDG production at Wattanosoth Hospital, The Bangkok Medical Journal Vol. 5; February, 2013, p 85.

[14] SYSOEV, D., ZAYTSEV, V., MOSTOVA, M., High Efficiency [18F] Fluoride Target System for the Efremov Institute CC-18/9 Cyclotron, Proceedings of RUPAC, SaintPetersburg, Russia, 2012.

[5]

ANONIM, Cyclotron Produced Radionuclides: Guidance On Facility Design And Production of [18F] FDG, IAEA Radioisotopes and Radiopharmaceuticals Series No. 3 OSE (FDG), IAEA, 2012.

[15] ANONIM, Desain Detil Siklotron Proton 13 MeV Untuk Produksi Radiosotop, Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan BATAN, 2010.

[6]

IAEA RADIOISOTOPES AND RADIOPHARMACEUTICALS SERIES No. 4, Cyclotron Produced Radionuclides: Operation and Maintenance of Gas and Liquid Targets, INTERNATIONAL ATOMIC ENERGI AGENCY VIENNA, 2012.

[7]

ANONIM, Deployment, Testing and Analysis of Advanced Thermosyphon Target Systems for Production of Aqueous [18F]Fluoride via 18 O(p,n)18F, FINAL TECHNICAL REPORT, Project Title: New Cyclotron Targetry to Enhance F-18 Clinical Position Emission Tomography, North Carolina State University, Date of Report: December 19, 2008.

[8]

[9]

SILAKHUDDIN, Desain Dasar Komponenkomponen dan Perhitungan Produksi 18F, Pada Fasilitas Target Siklotron DECY-13, Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Dan Teknologi Nuklir, ISSN 0216-3128, PSTA-BATAN, Yogyakarta, Juni 2015. ZYUZIN, A., WU, J., JOHNSON, R., et al., O-18 Water Target for High Current TR-PET Cyclotron, http://wttc.triumf.ca/pdf/2004/ Friday%20pdf/Liquid%20pdf/O-18%20Water %20Target%20for%20High%20Current%20TRPET%20Cyclotrons.pdf, diakses 26 Oktober 2015.

[16] HONG, B.H., D.H., CHAI, J.S., et al., KIRAMS13 Target for [18F] Fluoride Production, Proceedings of APAC, Gyeongju, Korea, 2004.

TANYA JAWAB Hari Suryanto − Bagaimana kebijaksanaan BATAN apakah menjual siklotron atau menjual radiofarmaka? − Disarankan oleh penulis untuk memperpanjang target sampai 3,4 cm. Apakah hal itu efektif mengingat harga H218O sangat mahal. Sedangkan di RS volume target sekitar 1,2 ml dan itu dapat untuk melayani 15 pasien bahkan lebih. Suharni − Diharapkan dengan terinstalnya satu siklotron dapat menyuplai radiofarmaka ke beberapa RS di sekitarnya, maka PSTA diharapkan mampu menghasilkan prototipe design siklotron untuk komersial. − Saran diterima dan akan dilakukan perhitungan ulang.

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 17, November 2015 : 38 - 42

42