PENENTUAN KRITERIA DESAIN KOMPONEN UTAMA SIKLOTRON 13 MeV

Penentuan kriteria desain komponen utama siklotron 13 Mev (Drs. Silakhuddin, M. Si.)

PENENTUAN KRITERIA DESAIN KOMPONEN UTAMA SIKLOTRON 13 MeV Silakhuddin Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan, BAT AN , Yogyakarta e-mail: [email protected]

ABSTRAK PENENTUAN KRITERIA DESAIN KOMPONEN UT AMA SIKLOTRON 13 MeV. Suatu bahasan untuk menentukan kriteria-kriteria desain dari komponen-komponen utama siklotron 13 MeV untuk fasilitas PET (Positron Emission Tomography) telah dilakukan. Oari studi terhadap reaksi-reaksi untuk menghasilkan radioisotop PET termasuk data tam pang lintang reaksinya dan contoh desain yang ada di dunia maka ditetapkan siklotron yang menghasilkan proton dengan energi 13 MeV. Kriteria desain untuk komponen-komponen utama dibahas menggunakan metode empirik dan semiteoritik serta acuan-acuan dari desain siklotron PET. Metode empirik dilakukan dengan mengambil data-data dan pengalaman operasi siklotron SATAN di Serpong. Metode semiteoritik mengacu pada dasar-dasar teori siklotron dengan cara langsung menggunakan formula-formula yang sudah lazim. Komponenkomponen yang dibahas meliputi: sumber ion, sistem rf dee, sistem magnet dan ekstraktor. Hasil bahasan menunjuk pad a pilihan siklotron pemercepat ion negatif dengan sumber ion internal. Medan magnetnya harus mengikuti pola relativistik dengan kutubnya berbentuk sektor-sektor. Oari hasil perhitungan diperoleh kuat medan magnet pada radius ekstraksi sebesar 12,745 kG dan di pusat magnet sebesar 12,571 kG. Suatu mapping medan magnet diperlukan untuk menentukan nilai indeks medan magnet guna mencegah te~adinya resonansi osilasi vertikal dan horizontal. Jumlah sektor pada kutub magnet sebanyak 4 buah akan cukup leluasa untuk penempatan komponen-komponen seperti dua dee, sumber ion, ekstraktor dan beam probe. Konsekuensinya sudut dee sebesar 45° dengan angka harmonik ke 4 dengan frekuensi operasi 78 MHz. Ekstraktor dengan multifoil dipilih untuk mendapatkan efisiensi operasi. Kata kunci: siklotron, PET, ion negatif, sumber ion, sistem rf dee, sistem magnet, ekstraktor multifoil. ABSTRACT THE DETERMINATION OF DESIGN CRITERIA FOR A CYCLOTRON 13 MeV MAIN COMPONENTS. The determination of design criteria for a proton cyclotron 13 MeV is discussed. From the result of study on reactions of PET (Positron Emission Tomography) radioisotopes production, reactions cross-section and some design references, a design on proton cyclotron 13 MeV was decided. The design criteria of main components has been discussed using empirical and semitheoretical methodes, as well as some references of cyclotron for PET production. The empirical methode has been carried out by using some data from operational experiences of SATAN Cyclotron at Serpong. Semitheoretical methode was carried out by using the common used formulas of cyclotron basic theory. The main components discussed are: ion source, rf dee, magnet, extractor and general layout of components. The result of discussion guides to a choice on a negative ion acceleration cyclotron with internal ion source. The magnetic field must follow relativistic mode with sectors on the pole. From the calculation it was obtained that magnetic field intensity at radius extraction is 12.745 kG and in the innermost radius is 12.571 kG. A magnetic field mapping is required to determine the value of magnetic field index, so as to a resonance between vertical and horizontal oscillation can be avoided. The magnet pole consists of 4 sectors to make adequate space for components placement such for dees, ion source, extractor and beam probe. Therefore the dee angle is 45°, using 4th harmonic number and frequency of 78 MHz. A multifoil extractor is chosen to obtain an efficient operation. Key words:

Cyclotron, PET, negative ion, ion source, rf dee system, magnet system, multifoil extractor.

331

Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi IImiah Jabatan Peneliti

BABJ

ISSN 2087-8079

PENDAHULUAN

Penggunaan siklotron untuk memproduksi radioisotop secara komersial telah mengalami beberapa tahapan generasi. Siklotron komersial generasi pertama sangat serupa dengan siklotron-siklotron untuk riset. Generasi ini ditandai dengan pemercepatan ion positif dan penempatan target di dalam tangki siklotron secara langsung, bahkan di daerah magnet di mana berkas partikel dipercepat tanpa melalui proses ekstraksi keluar dari orbit. Pada sistem seperti ini terjadi sering dibukanya tangki siklotron untuk menpambil dan memasang kembali target dan radiasi yang ekstra tinggi di dalam tangki siklotron [ ,2J. Generasi berikutnya ditandai dengan dilakukannya proses ekstraksi berkas partikel ke luar orbit dan diarahkan ke target, baik target ditempatkan pada tepi tangki vakum maupun diteruskan ke saluran berkas. Proses ekstraksinya menggunakan deflektor elektrostatik pada ion positif yang dipercepat. Pada sistem ini masih terjadi cukup tinggi radiasi residu yang terjadi di dalam tangki siklotron karena proses ekstraksi yang tidak sempurna. Perkembangan yang merupakan langkah agak maju dan langkah antara ke generasi ketiga adalah digunakannya ion negatif untuk dipercepat dan proses ekstraksi dilakukan dengan proses stripping ion negatif pada foil karbon. Keunggulan relatif pada sistem ini adalah radiasi residu di dalam tangki siklotron sudah banyak dikurangi karena proses ekstraksi menggunakan foil dapat mendekati 100%. Sampai batas perkembangan ini, geometri siklotron masih agak besar karena susunan komponen yang belum kompak. Siklotron CS30 BATAN di Serpong buatan CTI adalah salah satu contoh dari generasi ini. Siklotron komersial generasi ketiga dimulai pada pertengahan tahun sembilanpuluhan, dengan menawarkan sistem yang lebih kompak dan radiasi residu lebih rendah yang secara ekonomik akan mengurangi biaya-biaya instalasi dan proteksi radiasi yang cukup berarti. Aplikasi dari siklotron generasi ini dimaksudkan untuk memproduksi radioisotop-radioisotop berumur sangat pendek yang harus ditempatkan secara in situ di tempat-tempat fasilitas diagnostik, misalnya untuk fasilitas teknik PET (Positron Emission Tomography). Perkembangan terbaru dari generasi ini belum luas digunakan adalah kembalinya pada pemercepatan ion positif dan penggunaan proses self extraction pada proses ekstraksi. Pengembangan ini didasarkan pada kenyataan bahwa produksi berkas ion positif jauh lebih besar dibandingkan berkas ion negatif di dalam sumber ion. Desain terakhir ini memungkinkan intensitas berkas ion yang diekstraksi akan cukup besar sehingga akan memberikan dampak komersial yang lebih unggul. Perusahaan IBA Belgia merupakan salah satu pelopor dalam desain terbaru ini [1]. Studi desain siklotron di PTAPB BATAN mulai dilakukan untuk menanggapi kecenderungan pemakaian siklotron dalam fasilitas diagnosis dengan teknik PET di rumah sakit di Indonesia. Suatu kelompok kegiatan telah dibentuk untuk dapat membuat suatu dokumen BEDP (Basic Engineering Design Package) Siklotron 13 MeV untuk PET yang dimulai awal tahun 2009 dan direncanakan selesai pada tahun 2014. Penentuan kriteria desain ini adalah merupakan tahapan awal dari kegiatan tersebut. Hasil dari penentuan kriteria desain ini merupakan hasil iterasi pertama dan dapat berkemban~ di waktu kemudian. Ada empat radioisotop penting yang digunakan dalam teknik PET yaitu 1c,150, 13Ndan 18F. Untuk maksud ini, dengan digunakan target-target yang diperkaya 180, 15Ndan 13Cyang dapat diperoleh secara komersial [3]. Pembahasan untuk menentukan kriteria desain menggunakan metode empirik yaitu berdasar atas pengalaman operasi siklotron BATAN Serpong dan acuan-acuan desain di dunia, dan metode teoritik yaitu menggunakan secara langsung formula-formula dasar yang lazim digunakan dalam siklotron. Tujuan dari pembahasan ini adalah dapat diperoleh suatu acuan awal untuk pembuatan desain dasar (basic design) dari sikloron untuk fasilitas PET, dengan sasarannya adalah diperoleh data tentang jenis dan spesifikasi umum dari komponen-komponen utama siklotron. Kriteria desain yang akan dibahas meliputi komponen-komponen utama dan spesifik untuk siklotron yaitu sumber ion, magnet, sistem rf dee dan ekstraktor. Tidak dibahas di sini sistem vakum yang merupakan sistem yang umum walaupun memegang peran yang sangat penting. Pembahasannya juga tidak sampai pada masalah-masalah desain teknis dan material. HasHdari pembahasan ini diharapkan dapat dimanfaatkan bagi penyusunan dasardasar desain yang lebih rind.

332

Penentuan kriteria desain komponen utama siklotron 13 Mev (Drs. Silakhuddin, M.Si.)

BAB II DASAR-DASAR

2.1.

TEORI SIKLOTRON

Prinsip Dasar Pemercepatan

Dalam Siklotron

[4]

Siklotron beroperasi berdasarkan pemercepatan partikel bermuatan pada daerah gap potensial di antara dua elektroda dee yang berlangsung berkali-kali karena dua elektroda tersebut mempunyai potensial yang senantiasa berlawanan dalam frekuensi rf (radiofrequency). Prinsip operasi siklotron ditunjukkan pada Gambar 1. Top View

edan magettegak urus

r = (mv)/ (qB)

osilator

rf

Gambar 1. Skema pemercepatan partikel di dalam siklotron Pada arah tegak lurus bidang pemercepatan dipasang medan magnet sehingga membuat gerak bolak-balik tersebut berbentuk lingkaran dengan radius r = mv/qB dengan m massa partikel, v kecepatan partikel, q muatan partikel dan B kuat medan magnet. Karena setiap kali setelah partikel melintas di antara 2 dee kecepatannya bertambah sehingga radiusnya juga bertambah dan gerakan partikel akan berbentuk spiral. Semakin besar radius partikel energinya juga semakin besar dan akan mencapai maksimumnya pad a radius maksimum dari dee, yang kemudian diekstraksi keluar dari orbit. Agar terjadi pemercepatan siklik secara stabil di dalam siklotron, harus dipenuhi adanya sinkkronisasi antara frekuensi pemercepat rf dari dee dengan gerakan revolusi partikel bermuatan dalam medan magnet yang dinyatakan dalam formulasi

f=-

qB (1)

2rrm

dengan ffrekuensi rf dari dee (yang sama dengan frekuensi revolusi partikel), q muatan listrik partikel, B kuat medan magnet dan m massa partikel. Untuk proton, dengan memasukkan muatan dan massa proton, formula (1) menjadi

fp = 1,53 B

(2)

dengan fp dalam satuan MHz dan B dalam satuan kG. Untuk siklotron pemercepatan maksimum R, energi maksimum yang dicapai adalah

E

q2 B2 R2 = -'---2m

dengan radius

(3)

untuk proton formula (3) memberikan

El'

=

04882 J

R2

(4)

dengan Epdalam satuan MeV, B dalam satuan kG dan R dalam satuan meter. Kenaikan energi partikel pada radius yang lebih tinggi menyebabkan kenaikan massa relativistik, maka agar tetap terjaga sinkronisasi antara frekuensi revolusi partikel dengan frekuensi rf dari dee maka nilai f harus dibuat tetap, konsekuensinya nilai B pad a persamaan

333


ISSN 2087-8079

(1) harus ikut naik seiring naiknya nilai m yang sesuai dengan kenaikan radius revolusi. Jika mo adalah massa awal (= massa rehat) partikel berubah menjadi massa relativistik m" Bo akan berubah menjadi B(r), dan harus berlaku hubungan

moc:+ E(r) moc2

B(r) =

(5)

Bo

di mana E(r) energi kinetik pada radius r, Bo., medan magnet di r = 0 (pusat magnet) dan c kecepatan cahaya. Dengan menuliskan moc-= Eo, formula (5) ditulis

=

BeT)

BC)

(1 +

E(r)) Eo

(6)

Kuat medan magnet dalam siklotron dibuat semakin besar dengan bertambahnya radius sesuai dengan kenaikan massa relativistik dari partikel yang dipercepat. Kondisi ini dimaksudkan agar tetap sinkronnya revolusi gerak partikel dengan perubahan fase tegangan dee atau sistem rf, dan pola medan magnet yang demikian disebut isokronus (isochronous). Formulasi lain dari medan magnet isokronus B(r) sebagai fungsi radius r adalah

BeT) dengan ffrekuensi

2.2.

= ,

4~

pr7

(7)

----c::-

rf dari dee.

Optika Dalam Medan Magnet

[5]

Medan magnet isokronus tidak lagi seragam tetapi terjadi gradiensi dalam arah radial baik besar maupun arahnya. Jarak kedua kutub atas dan bawah semakin dekat untuk radius yang semakin besar dan gradiensi dalam arah menimbulkan komponen radial. Interaksi gaya Lorentz komponen radial medan magnet (B,) dengan kecepatan partikel bermuatan q dalam arah tangensial (v) mengakibatkan terdorongnya partikel dalam arah vertikal (z). Gaya dorong tersebut menimbulkan gerakan partikel dalam arah vertikal yang dapat dinyatakan dalam persamaan (8) dengan

(9) Jika n positif maka partikel akan mengalami gerak osilasi secara vertikal dengan frekuensi sudut Wz = w-/n dan akan mengalami gerakan eksponensial naik atau keluar jika Jadi syarat terjadinya kestabilan dinamik dari orbit secara aksial atau vertikal adalah

n>O

(10)

Didefinisikan suatu parameter yang merupakan perbandingan dengan frekuensi orbit

n negatif.

antara frekuensi osilasi vertikal

Uz = Wz = ...fir. W

Gradiensi besarnya medan magnet aksial ke arah radial menimbulkan partikel dalam arah radial yang persamaan geraknya dinyatakan sebagai

gerakan

(11 ) Bila n < 1 maka partikel akan berosilasi radial dengan frekuensi W,= WV 1 - n dan jika n> 1 partikel akan bergerak secara eksponensial. Agar terjadi kesetimbangan yaitu tidak terjadi gerakan eksponensial naik maka syarat yang harus dipenuhi adalah n<1

(12 )

Jadi dari persamaan (10) dan (12) dapat diperoleh bahwa agar terjadi kesetimbangan dalam arah aksial dan radial adalah:

334

Penentuan kriteria desain komponen utama siklotron 13 Mev (Drs. Silakhuddin, M.Si.)

O
(13)

= ...;1 Perbandingan antara frekuensi osilasi radial dengan frekuensi orbit: u,= w" w

2.3.

n.

Medan Magnet Bervariasi Secara Azimut cB

Pad a medan magnet isokronus di mana gradien pada arah radial r yaitu a: bernilai positif, maka n yang pada persamaan (11) bernilai negatif, yang berarti berkas mengalami penyebaran secara eksponensial. Kondisi demikian tidak dikehendaki supaya berkas tetap terkungkung selama pemercepatan. Untuk mencegah penyebaran berkas partikel pada medan magnet isokhronus murni maka diperkenalkan medan magnet yang intensitasnya bervariasi secara periodik dalam arah azimut atau yang disebut Azimuthally Varying Field (AVF). Siklotron yang sekarang banyak digunakan adalah tipe siklotron dengan medan magnet yang bervariasi periodik sepanjang arah azimut. Berbeda dengan siklotron pada generasi awal di mana medan magnetnya seragam, siklotron AVF mempunyai variasi secara azimut yang merupakan peningkatan yang menonjol atas siklotron medan magnet seragam. Variasi tersebut ditambahkan pada medan magnet dengan melekatkan sisipan berbentuk irisan juring pada posisi azimutal periodik pada kutub magnet. Bagian sisipan dinamakan hill (bukit) yang bermedan magnet lebih kuat dan sisanya disebut valley (Iembah) yang bermedan magnet lebih lemah. Tujuan variasi medan magnet seperti ini adalah untuk menjaga terkungkungnya berkas ion yang dipercepat di sekitar median plane pemercepatan. Skema dari kutub magnet model AVF diperlihatkan pada Gambar 2 [6J •

, ./ Kutub magnet

Gambar 2. Penampang kutub magnet model A VF Komponen medan magnet horizontal memberikan pemokusan vertikal. Hal ini dimungkinkan untuk mengkompensasi indeks medan negatif rata-rata akibat kenaikan medan magnet dengan naiknya radius. Dengan pemilihan unsur pemokusan dan variasi indeks medan, variasi medan magnet mengimbangi kenaikan mass a relativistik dan menghasilkan frekuensi revolusi yang konstan. Suatu siklotron AVF dengan kelakuan seperti ini dinamakan siklotron isokronus. Keuntungan tambahan dari siklotron AVF adalah pemokusan vertikal yang lebih kuat memungkinkan intensitas berkas yang lebih tinggi. Gerak partikel pada daerah hill akan mempunyai radius gerakan yang lebih kecil dan akan lebih besar pada daerah valley, sehingga gerakan satu siklus akan berbentuk poligon seperti ditunjukkan pada Gambar 3 dan pada Gambar 4 ditunjukkan bentangan dari hill dan valley [5] .

335


ISSN 2087-8079

Valley

v

~I Rfl

I

II

~ - -!... 2 -

2N

i

H

Gambar 3. Gerakan partikel dalam hill dan valley

Bo

o

8

11'

Gambar 4. Bentangan hill dan valley Sistem hill dan valley ini dalam siklotron berfungsi untuk menjaga agar berkas tetap terfokus secara vertikal di sekitar orbit kesetimbangan melalui proses pemfokusan kuat yang disebut Thomas focussing.

2.4.

Pemercepatan Oleh Sistem RF Dee

Oalam siklotron dengan 2 dee bersudut 180°, energi tambahan (gain energy) proton per putaran adalah b..E=4

(14)

Vdeecoscp

dengan L1E energi tambahan dalam eV, Vdee adalah tegangan puncak dee dalam volt dan cp adalah bed a fase terhadap fase puncak dari tegangan dee sewaktu partikel berada pada tepi masuk ke dee atau keluar dari dee. Bentuk dari dee pada siklotron modern tidak lagi bersudut 1800 tetapi kurang dari 900 untuk penempatan komponen-komponen secara leluasa. Lebih lanjut untuk mengurangi jarak antar kutub magnet, penempatan dee berada pada posisi valley dari sektor magnet, dan besar sudutnya kira-kira sama dengan sudut dari valley. Bila sudut dari dee sebesar e, medan listrik di antara tepi dee tidak lagi lurus melainkan membentuk sudut dari arah semula sebesar (1800 - 8)/2 = (900 - el2), dan formula pad a persamaan (14) menjadi b..E

=4

Vdee

sin (el2) cos

cp

(15)

Untuk mengefisienkan pemercepatan dalam hal ini mempertinggi b..E tanpa memperpesar Vdee maka nilai (e/2) dinaikkan dengan mengalikan bilangan bulat h sedemikian sehingga nilainya menjadi mendekati 90°. Secara umum untuk sudut dee e, formula (14) ditulis [7,8]

336

Penentuan kriteria desain komponen utama siklotron 13 Mev (Ors. Silakhuddin, M. Si.)

~E

=

4 Vdss sin (h X

e /2) cos

i.p

(16)

Untuk menerapkan formula terse but, frekuensi dari tegangan dee dibuat h kali frekuensi revolusi partikel. Nilai h disebut sebagai angka harmonik dari rf.

BAB III PENENTUAN

KRITERIA DESAIN

3.1.

PersyaratanDesain

3.1.1.

Oesain penggunaan

Oalam dokumen Safety Reports Series No. 58 yang dikeluarkan oleh IAEA disebutkan tentang jenis radioisotop utama yang digunakan dalam pencitraan dengan teknik PET seperti diperlihatkan pada Tabel1. Tabel1.

Radioisotop utama untuk pencitraan teknik PET

Radioisotop

1,194 0,959 0,633 1,738 Waktu paro, gamma, menit MeV 9,96 20,4Energi 109,8 2,04

Karena waktu paronya yang tidak terlalu singkat dan energi sinar gammanya yang paling rendah maka radioisotop 18F yang paling banyak penggunaannnya dalam bentuk senyawa radiofarmaka yang disebut FOG (fluoro deoxy glucose). Oalam dokumen tersebut juga disebut kelaziman kuantitas FOG yang diinjeksikan kedalam pasien sebesar 185-555 MBq (5-15 mCi) untuk pencitraan seluruh tubuh (whole body imaging). Menurut IAEA-Tecdoc-1605 (October 2008), radiosotop-radioisotop pemancar positron tersebut dihasilkan melalui penembakan berkas partikel bermuatan pada target yang sesuai. Partikel-partikel tersebut dipercepat dengan suatu linear accelerator (linac) ataupun siklotron ukuran kecil (baby cyclotron). Siklotron dapat berupa fasilitas yang seflshielded ataupun fasilitas masif dalam suatu ruangan yang diperisai. 3.1.2.

Persyaratan jenis, energi dan arus berkas partikel

Pemancaran positron terjadi karena pada intinya terjadi reaksi peluruhan positron, yaitu perubahan proton menjadi neutron disertai pemancaran positron dan neutrino. Proses demikian terjadi pada inti-inti yang tidak stabil karena jumlah proton di dalam inti tersebut yang masih melebihi jumlah neutronnya, sehingga memerlukan perubahan proton menjadi neutron. Sehingga untuk membuat inti tidak stabil tersebut, pad a partikel stabil ditembaki dengan proton. Pad a Tabel 2 dapat terlihat tentang keperluan reaksi nuklir dan arus berkas dan yield radioisotop untuk keperluan teknik PET yang dirancang oleh TRIUMF Vancouver Canada [3]. Tabel 2. Keperluan arus berkas proton untuk produksi pemancar positron Reaksi

AktivitasArus Berkas IJA 30 IJA =11 MeV) 25 158 IJA (Ep Ci (T1/2=110 1/2 =20 men it)IJA 500 mCi (T1/2=2 men it) 200 11 Ci mCi (T (T1/2=10 menit) menit)

Siklotron KIRAMS 13 dari Korean Insitute of Radiolo~ical and Medical Science beroperasi dengan energi proton 13 MeV dan arusnya 20 IJA J. Rumah sa kit pertama di

337


ISSN 2087-8079

Indonesia yang memasang fasilitas siklotron untuk PET yaitu RS Gading Pluit, siklotronnya beroperasi dengan energi proton 9,6 MeV dan arusnya 50 IJA [9]. Pengamatan pada data tampang lintang reaksi seperti pada Lampiran 1, 2 dan 3 dapat terlihat bahwa dengan berkas proton berenergi 13 MeV eukup untuk mendapatkan integrasi energi yang eukup besar. Hal ini karena pada proses produksi radioisotop berlaku rumusan thick target yield di mana semakin luas daerah integrasi ener~i yang dapat dijangkau akan menghasilkan yield yang lebih besar. Khusus untuk produksi 8F, pada energi di atas 13 MeV kurva tampang lintang reaksinya sudah eukup turun sehingga hasil integrasinya tidak terlalu memberikan kontribusi. Atas dasar aeuan-aeuan tersebut dan didukung pengamatan pada kurva tampang lintang reaksi maka penetapan energi berkas proton 13 MeV dengan arus 50 IJA adalah eukup memadai. Dengan demikian kriteria dasar dari komponen utama siklotron adalah 1. Partikel yang dipereepat : proton 2. Energi proton : 13 MeV 3. Arus berkas proton terekstraksi : 50 IJA 3.1.3.

Persyaratan keselamatan

Reaksi dari partikel proton yang dipereepat dengan medium atau material di fasilitas siklotron akan menimbulkan radiasi khususnya sinar gamma. Fasilitas siklotron medik umumnya diklasifikasikan pada yang self-shielded dan non self-shielded. Pad a jenis pertama, pada siklotron disertakan perisai berat di sekelilingnya. Dengan mengaeu pada dokumen Radiation Protection in PET/CT yang dikeluarkan oleh IAEA, perisai tersebut berupa magnet baja silinder setebal 15 em atau dari air yang didoping boron (boron-doped water) setebal 68 em. Pada jenis kedua di mana siklotron ditempatkan pada suatu ruangan, dinding ruangan dari beton setebal 60 em. Konstruksi komponen-komponen di dalam siklotron dibuat sedemikian hingga dapat diminimalkan timbulnya paparan radiasi residu. Pemilihan material juga didasarkan pada sifatnya yang mempunyai tampang lintang reaksi dengan proton yang relatif lebih ked!.

3.2.

Basis Desain

Hingga sa at ini belum ada pembakuan mengenai desain komponen-komponen siklotron. Kriteria desain yang disusun ini mengaeu pad a desain siklotron jenis KIRAMS (the Korea Istitute of Radiological and Medical Sciences), hal ini karena dokumen-dokumen yang memuat informasi tekniknya relatif lebih banyak dibandingkan jenis yang lain. Fasilitas siklotron KIRAMS juga sudah masuk dalam dokumen Directory of "Cyclotrons Used for Radionuclide Production in Member States, 2006 Update" yang dikeluarkan IAEA dalam tahun 2007. Adapun pokok-pokok desain dari siklotron jenis KIRAMS adalah [7.8.10] a. Pemereepatan ion negatif b. Sumber ion internal e. Jumlah dee 2 buah, angka harmonik 4 d. Sektor magnet berjumlah 4 (simetri 4).

3.3.

Metodologi 1.

2. 3.

Metode empirik, berdasar pengalaman operasi siklotron CS-30 BAT AN dan informasi-informasi yang diperoleh dari pustaka tentang operasi fasilitas siklotron lainnya serta hasil komunikasi pribadi dengan tenaga ahli dalam teknologi siklotron Metode semiteoritik, tidak dianalisis berdasar teori fisika siklotron akan tetapi berdasar formula-formula yang lazimnya dipakai dalam desain siklotron Metode simulasi, menggunakan computer code dalam hal ini program PoissonSuperfish untuk menentukan distribusi medan magnet dan medan listrik.

3.4.

PenentuanSpesifikasi

3.4.1.

Jenis pemercepat

Untuk menghasilkan proton dari suatu siklotron, dapat digunakan siklotron pemereepat ion positif (selanjutnya disingkat SPIP) dan siklotron pemereepat ion negatif

338

Penentuan kriteria desain komponen utama siklotron

(disingkat SPIN.

SPIN). Pada Tabel 3 diperlihatkan

perbandingan

13 Mev

(Ors. Silakhuddin, M.Si.)

karakteristik

antara SPIP dan

Tabel 3. Karakteristik kualitatif SPIP dan SPIN Kestabilan Efisiensi baik residu tinggi SPIN rendah SPIP rendah lebih rendah Keperluanekstraksi kevakuman Paparan radiasi kurang tinggi Parameter

Karena ada 3 keunggulan yang dimiliki pad a SPIN yaitu dari segi kestabilan, efiseiensi ekstraksi dan paparan radiasi radiasi residu, maka SPIN menjadi pilihan yang ditetapkan. 3.4.2.

Sumber Ion

3.4.2.1. Sistem internal dan eksternal Dua metode untuk menginjeksikan ion ke dalam ruang pemercepatan adalah secara internal dan eksternal. Sumber ion internal ditempatkan di dalam tangki vakum dan komponen utamanya yaitu ruang ionisasi (ruang plasma) pada bagian pusat pemercepatan. Komponen ini ditopang oleh holder yang menghubungkan dengan komponen penggerak posisi yang berada di luar tangki vakum. Saluran injeksi gas ke dalam ruang ionisasi dan saluran air pendingin dilekatkan pada holder ini. Pada sumber ion eksternal, seluruh komponen sumber ion berada di luar tangki vakum. Berkas ion yang dihasilkan kemudian diinjeksikan dengan permercepatan awal hingga beberapa puluh kV melalui komponen inflektor ke dalam ruang pemercepatan. Inflektor berfungsi untuk mengubah arah injeksi yang vertikal menjadi arah gerakan horizontal setelah berada di dalam ruang siklotron. Pada Tabel 4 ditunjukkan perbandingan kualitatif antara sistem sumber ion internal dan eksternal. Tabel 4. Perbandingan kualitatif sistem sumber ion internal dan eksternal Parameter

rendah rumit lebih b llebih kedl ebih esar rendah Sistem sederhana Eksternal Internal tinggi lebih Sistem tinggi lebih tinggi

Dengan pertimbangan keunggulan yang lebih dalam hal konstruksi sederhana, efisiensi berkas ion yang tinggi dan biaya, biaya investasi dan perawatan yang lebih rendah, maka sistem internal merupakan spesifikasi yang dipilih. 3.4.2.2. Jenis sumber ion Beberapa tipe sumber ion mempunyai intensitas tinggi untuk menghasilkan H- yang dapat digunakan secara eksternal, seperti jenis duoplasmatron, sumber Ehlers, PIG (Penning Ion Gauge) katode dingin dan multicusp. Opsi untuk tipe internal terbatas pada PIG katoda dingin dan jenis Ehlers. Cara kerja kedua jenis sumber ion hampir sama, perbedaannya adalah diperlukan katoda panas pada jenis Ehlers. Jenis sumber ion jenis PIG lebih sederhana dibanding jenis Ehlers, sehingga secara sederhana dapat diperkirakan bahwa biaya yang diperlukan untuk jenis PIG akan lebih kedl. Jenis PIG dipilih dalam desain ini.

339


ISSN 2087-8079

3.4.2.3. Posisi sumber ion Oitinjau dari pemasangan sumber ion internal, dapat seeara radial yaitu dari sisi sam ping tangki siklotron ataupun seeara aksial dari puneak tengah magnet. Atas pertimbangan kemudahan dalam perawatan maka dipilih pemasangan seeara radial. 3.4.2.4. Keluaran arus berkas sumber ion Oalam proses pemereepatan siklik pad a tangki siklotron, sebagian berkas akan hilang dalam perjalanan akibat tumbukan dengan molekul-molekul gas sisa, proses ini dikenal dengan stripping lost. Besar stripping lost untuk beda radius tertentu ditentukan oleh kerapatan molekul gas sisa yang berarti ditentukan oleh tingkat kevakuman pada tangki siklotron (P). Tingkat kevakuman pada siklotron untuk fasilitas PET umumnya berkisar pada 10.6 Torr. Beberapa eontoh, fasilitas-fasilitas berikut beroperasi dengan kevakuman: ~ ~ ~ PETraee 5 x 10

Torr, MiniTraee 5 x 10 Torr, ROS-111 3 x 10

Torr dan Cyclone 10/53

x

10.6 Torr [11]. Parameter-parameter lain yang menentukan adalah besar gain energy (t.Vo) yaitu besarnya tambahan energi pada partikel untuk satu kali periode putaran partikel pada siklotron. Jika arus berkas ion terekstraksi yang diperlukan minimal sebesar 'eks pada radius Reks, maka arus berkas minimal keluaran dari sumber ion pada puller dari dee '1 pada radius R1 dapat dihitung dengan rumus [12.13]

Iskz = I1 e

.dV 0

(1 7)

dengan P kevakuman dalam satuan 10.6 Torr dan t. Vo tambahan energi berkas per satu siklus pemereepatan dalam satuan MeV dan Reks dan R1 dalam meter. Oengan arus berkas terekstraksi 'eks = 50 !-lA, di anggap P = 1. 10.6 Torr, R1 = 0,015 m dan perkiraan Reks dan t. Va masing-masing 0,41 m dan 0,16 MeV, maka besar minimum dari arus berkas ion yang keluar dari sumber ion 11 adalah

SO I1

= e-O,02074

1=---50 1

0,97947

11

= 51,048 ItA

Jadi untuk mendapatkan arus terekstraksi 50 !-IA eukup diperlukan arus keluaran sumber ion 51,05 !-lA, dengan eatatan bahwa pemereepatannya sempurna. 3.4.3.

Magnet

3.4.3.1. Kuat medan magnet Untuk menentukan kuat medan magnet didasarkan pada formula (2) dengan menentukan dulu nilai f yaitu frekuensi dari sistem rf. Oi pasaran suatu tabung rf yang beroperasi pada daerah 100 MHz dapat diperoleh, tetapi penetapan f dihindari dari daerah frekuensi komunikasi radio siaran untuk menghindari keboeoran yang dapat mengganggu penggunaan komunikasi publik. Jika diambil frekuensi rf pada frekuensi dasar f = 19,5 MHz, maka berdasar formula (2) nilai kuat medan magnet B

19,5 = -= 12 745 kG. 1,53

'

Jika Bmaks=12, 745 kG ditetapkan sebagai medan magnet rata-rata pada radius terluar (radius ekstraksi berkas partikel) dan pada radius ini diharapkan energi proton sebesar 13 MeV, maka berdasarkan persamaan (4) radius ekstraksi sebesar R = 40,8 em.

340

Penentuan kriteria desain komponen utama siklotron 13 Mev (Ors. Silakhuddin, M.Si.)

Untuk Biso = Bmaks = 12,745 kG yang bersesuaian dengan energi kinetik maksimum = 13 MeV, dan dengan memasukkan massa rehat proton

E(rmaksJ

Eo = 938,256 MeV, maka dengan menggunakan pusat akan sama dengan

formula (6) kuat medan magnet di daerah

Be= 12,571 kG. Kuat medan harus mengikuti pola kenaikan massa relativistik sebagai fungsi radius yang mengikuti persamaan (7) dengan intensitas awal Bo = Be dan intensitas maksimum dari Br sebesar Bmaks. 3.4.3.2. Simulasi menggunakan Superfish Sebelum ini sudah ditetapkan radius ekstraksi yaitu sebesar 40,8 em dan ini adalah batas di mana medan magnet masih sedapat mungkin relatif homogen. Kutub magnet sesungguhnya harus dibuat lebih besar dari radius ekstraksi. Titik batas homogenitas medan magnet sangat ditentukan oleh gap di antara permukaan kutub. Dengan menggunakan gap sebesar 6 em, hasil dari analisis Superfish menunjukkan bahwa jika diinginkan pada radius ekstraksi 40,8 em merupakan batas homogenitas medan magnet, maka radius kutub magnet harus dibuat sebesar 45 em. Hasil simulasi ditunjukkan pada Gambar 5.

-------------- - ~-~::-

IB-I~

'-, "

I: '~/

/

~

-

~'/' ./~:.<:::~/'~:-~ ~,~,.," .~~~~~. '.,~/';/~~:,~~~~~:~ ~~ .'

I ,-~~.~.\" I~£o ._-u---/ / _~_ /,. ~~-~<~>.~~,

~~~~

~:~~~

....

%'-,",,§E

••_::-\'<..

': ~

~

"-.',",'

\

..-

\

180

10

["

-10

-10

-10

-10

-aD

Gambar

-£0

-10

-18

10

10

80

100

5. HasH simulasi dengan program Superfish pada magnet model H siklotron

3.4.3.3. Sektor-sektor magnet Intensitas medan magnet yang sudah dihitung di atas masih merupakan medan magnet isokhronus rata-rata. Agar terjaganya stabilitas berkas selama pemereepatan, magnet dibuat sektor-sektor. Dengan adanya sektor-sektor maka berkas partikel senantiasa terjaga diameternya di sekitar orbit kesetimbangan. Semakin besar bed a medan magnet antara hill dan valleyakan semakin besar komponen medan magnet tangensial Be. Semakin kuat bedan medan tersebut maka semakin besar sudut yang terbentuk antara arah orbit real dan orbit kesetimbangan ketika berkas melewati batas hill dan valley, yang berarti semakin besar komponen keeepatan ke arah radial vr. Dan akhirnya gaya Lorentz yang mengungkung partikel di sekitar orbit kesetimbangan semakin kuat. Jumlah sektor ditentukan dengan mempertimbangkan penempatan komponenkomponen: 2 buah dee, sumber ion, ekstraktor dan beam probe. Dua buah dee memerlukan ruang pada 2 valley. Ekstraktor yang mengekstraksi berkas ke arah 3 buah target memerlukan gerak azimut seeara leluasa sehingga memerlukan ruang pad a valley tersendiri. Kemudian sumber ion dan beam probe dapat menempati satu valley. Sehingga diperlukan 4 valley di dalam kutub magnet. Dengan empat sektor (N = 4) yang simetri, sehingga masing-

341

Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi I/miah Jabatan Peneliti

ISSN 2087-8079

masing hill dan valley bersudut 45°, Tetapi agar ruang valley dapat dimasuki

dee seeara

penuh, maka sudut valley dibuat sedikit lebih besar yaitu 46,5° dan sudut hill 43,5°. Jarak antara hill ditetapkan berdasarkan pertimbangan bahwa jaraknya sedekat mungkin untuk mendapatkan kuat medan magnet yang besar tetapi masih harus lebih besar dari 2 kali amplitudo osilasi berkas partikel yang berdasarkan aeuan adalah 3 em. Untuk itu di sini ditetapkan jarak antara hill adalah dh = 4 em. Hubungan medan magnet rata-rata Bo dengan medan magnet di pusat hill Bh dan medan magnet di pusat valley Bv dinyatakan dalam formula [7J:

- . ----T-Zn

N8h

N8v

Bo

Bh

Bv

(18)

di mana Bh dan Bv masing-masing adalah sudut pelengkungan partikel pada hill dan valley. Untuk mengetahui besarnya Bh dan Bv diperlukan formulasi yang eukup rumit, dan untuk pendekatan Bh dan Bvdianggap sama dengan sudut hill dan valley. Medan magnet rata-rata (Bo) pada radius terluar yaitu sebesar Bmaks = 12,745 kG, maka dari persamaan di atas didapat:

yaitu:

0,157 =

0,967 Br..

--I l,a:a:a I

~,

Nilai Bh ditetapkan sebesar 19,9 kG (yang masih di bawah nilai kejenuhan pad a 21 kG), maka nilai Bv menjadi sebesar 9,3 kG. Selanjutnya berdasarkan kesebandingan: B.jBh= dtldv

(19)

maka diperoleh jarak antara valley sebesar dv= 8,5 em. 3.4.4.

Sistem RF dee

3.4.4.1. Geometri dee, angka harmonik dan frekuensi operasi Geometri di sini adalah sudut dan radius dee. Besar sudut dari dee mengikuti besar sudut valley. Bila diambil konstruksi simetri 4 di mana ada 4 hill dan 4 valley, 2 dee dapat dipasang di 2 valley dan 2 valley yang lain dapat dipasang sumber ion dan beam probe. Sudut valley tersebut ditentukan 46,5° dan juga sudut dee (B) dibuat kurang sedikit yaitu sebesar 45°, maka berdasar formula (16) di atas di mana diperlukan

sudut (h

x

B/2) sebesar

90° untuk kondisi paling efisien, maka angka harmoniknya h = 4. Frekuensi revolusi partikel yang telah dipilih pada sistem magnet adalah sebesar 19,5 MHz, berarti operasi rf dari tegangan dee adalah 4 x 19,5 MHz = 78 MHz. Radius dee menentukan energi maksimum dari proton yaitu sebesar 13 MeV yaitu dieapai pada radius 40,8 em, dan radius dari dee dibuat sedikit lebih besar yaitu 42 em. Besarnya gap Uarak permukaan atas dan bawah dari dee) ditentukan sebesar 3,5 em, yaitu sedikit lebih besar dari 2 kali amplitudo dari osilasi vertikal dari berkas partikel yang berdasarkan aeuan sekitar 3 em. Dengan memperhitungkan ketebalan bahan dee dan saluran pipa pendingin air sebesar kira-kira 0,75 em, ketebalan total dee menjadi 5,5 em. Mengingat gap pada valley magnet sudah ditetapkan sebesar 8,5 em, maka jarak antara permukaan dee dengan permukaan valleyadalah sebesar 1,5 em. 3.4.4.2. Tegangan dee Tegangan dee akan menentukan seberapa banyak revolusi partikel hingga meneapai energi maksimum. Semakin keeil tegangan dee akan semakin banyak jumlah putaran dan berkonsekuensi rapatnya jarak antar putaran yang bertetangga menu rut hubungan [14,15] b.R '" (M)

(2q Vo sin 'Ps IE)

342


dengan f1R jarak pisah pada radius R, q muatan ion, CPs adalah lebar fase partikel relatif terhadap fase rf, Va tegangan puneak dee dan E energi partikei. Oari formula terse but, jarak pisah berbanding lurus dengan radius dan berbanding terbalik dengan energi, tetapi karena energi berbanding kuadrat dengan radius maka sebagai hasH akhir jarak pisah berbanding terbalik dengan radius. Ini berarti pada energi maksimum yang dieapai pad a radius maksimum, daya pisah akan paling keeil pada energi maksimum. Seeara teori tegangan dee yang tinggi menjadi pilihan, akan tetapi tegangan tinggi dee dipengaruhi oleh seberapa jarak antara permukaan dee dengan valley untuk menjaga tidak adanya loneatan listrik di antara kedua permukaan. Pengalaman operasi di Siklotron CS 30 BAT AN , dengan jarak sebesar 1 em, tegangan normal untuk tidak terjadinya loneatan listrik adalah sebesar 22 kV atau maksimum sebesar 25 kV. Maka untuk desain ini di mana jarak yang sudah ditentukan adalah 1,5 em, maka ditetapkan tegangan dee yang aman adalah sebesar 30 kV. 3.4.5.

Ekstraktor

3.4.5.1. Posisi ekstraktor Oi dalam siklotron isokronus, medan magnet bertambah dengan kenaikan radius guna mengkompensasi kenaikan massa relativistik. Oi dekat pinggir kutub magnet, medan magnet yang real menyimpang jauh dari medan magnet ideal, mula-mula naik meneapai maksimum dan mulai menurun tajam menuju nolo Ketika medan real mulai turun meninggalkan medan ideal, fase partikel mulai ketinggalan terhadap fase tegangan pemereepat dee. Ketika ketinggalan fase meneapai 90°, pemereepatan berhenti, titik ini dinamakan batas pemereepatan. Pada radius lebih besar, indeks medan n = - RIB dB/dR meneapai nilai 1. Titik ini adalah batas pemokusan radial sebagaimana disyaratkan pada persamaan (13). Lewat titik ini, medan magnet tak dapat lagi menjaga berkas partikel dan berkas partikel lepas dari pengaruh medan magnet. Radius di mana n meneapai nilai 1 disebut batas ekstraksi mandiri. Jika gap kutub magnet eukup besar, seperti umumnya ditemui pada siklotron saat ini, turunnya medan sangat pelan, dan batas pemereepatan terjadi pada radius yang seeara lebih kedl dari batas ekstraksi mandiri. Oi antara radius batas pemereepatan dan radius ekstraksi mandiri inilah proses ekstraksi dilakukan, dan daerah tersebut adalah posisi di mana foil ekstraktor ditempatkan. 3.4.5.2. Model ekstraktor Ketika berkas menumbuk foil karbon, panas yang tinggi terjadi pada foil tersebut. Panas ini, kombinasi dengan tumbukan proton, akhirnya mengubah struktur dari foil karbon. Oleh karena itu foil karbon akan rusak dan harus sering diganti. Bila hanya ada satu foil terpasang maka akan sering menarik ekstraktor keluar dari tangki vakum, yang berakibat kurang efisien operasi dan kemungkinan mengganggu kevakuman. Untuk itu sangat diperlukan suatu ekstraktor dengan foil ganda (multifoil) yang umumnya berjumlah 4 dan terpasang melingkar pada suatu carousel yang dapat diputar dari luar, sehingga bila suatu foil telah tak layak dapat digantikan dengan foil berikutnya tanpa menarik sistem ekstraksi keluar. Pad a Gambar 6 diperlihatkan model ekstraktor multifoil.

Probe ekstraksi

Gambar 6. Ekstraktor multifoil

343


ISSN 2087-8079

Ekstraktor jenis ini dapat digerakkan secara radial dan azimutal. Gerak radial diperlukan untuk memvariasi energi partikel, walau dalam variasi yang kecil, sedangkan gerak azimutal diperlukan semaeam steering dari lintasan ekstraksi agar tepat pada target. 3.4.6.

Stasiun target Jumlah stasiun target disesuaikan

dengan jumlah jenis isotop PET yang hendak

diproduksi. Untuk isotop-isotop PET seperti tereantum pada Tabel 1, minimal di~erlukan 3 stasiun target. Satu target untuk target gas nitrogen dalam produksi 11C dan 1 O. Tar&et 0 kedua untuk gas CO2 dalam produksi 13N dan dan terakhir untuk air yang mengandung diperkaya untuk produksi 18F. 3.4.7.

Tata letak komponen-komponen

Dalam desain fasilitas siklotron berupa non self ruangan berdinding beton setebal 70 em. Dari uraian komponen utama di atas, dibuat desain awal tata letak siklotron 13 MeV untuk produksi PET seperti pada Gambar

shielded ditempatkan pada suatu pembahasan tentang komponenkomponen-komponen utama dari 7 dan 8 [3]. FOIL EKSTRAKTOR

V ALLEY YOKE

HILL

TANGKI V AKUM

DEE

RFINPUT SUMBER ION

o

L j .... L..l.L ..L~..L METER

Gambar 7. Penampang

Tampak Atas Konsep Oesain Siklotron 13 Me V

344


rYOKE

I

AT AS

/

YOKE BAWAH

"., POI\IPA

VAKUM

METER

Gambar

8. Penampang Tampak Samping Konsep Oesain Siklotron 13 MeV

BAB IV PEMBAHASAN

Kriteria-kriteria desain dari suatu siklotron pemercepat proton sampai energi 13 MeV untuk fasilitas produksi radioisotop PET telah ditentukan dan dapat dibahas sebagai berikut:

4.1.

Jenis Pemercepat

Telah ditentukan jenis pemercepat adalah siklotron pemercepat selanjutnya akan dibahas aspek kestabilan dan efisiensinya. 4.1.1.

ion negatif (SPIN),

Tinjauan kestabilan

Kestabilan operasi menjadi hal yang penting bagi suatu siklotron yang dipasang pada rumah sakit. Pertama karena sumber daya manusia yang menangani akan tersedia dalam jumlah yang terbatas dan kedua karena kebutuhan untuk memenuhi pelayanan yang prima dari pasien. Efisiensi dalam menghasilkan arus berkas berarti akan memberikan kontribusi bagi kelayakan ekonomi bagi fasilitas pelayanan rumah sakit. Dan akhirnya paparan radiasi yang relatif kedl dibandingkan pemercepat ion positif akanmemenuhi standar fasilitas radiasi yang berprinsip "as low as reasonably achievable" (ALARA). Pada SPIP diperlukan waktu tuning pada proses ekstraksi minimal 30 menit. Hal ini karena sistem ekstraksinya memakai tegangan listrik tinggi yang menyebabkan terjadinya loncatan (spark) listrik. Loncatan-Ioncatan demikian menyebabkan tegangan ekstraktor sering jatuh. Posisi ekstraktor yang jauh dari beam port juga menyebabkan pengaturan arah berkas yang terekstraksi agak sulit. Kedua kondisi tersebut menyebabkan waktu tuning yang lama. Loncatan-Ioncatan listrik dari ekstraktor ion positif menyebabkan juga ketidakstabilan pada tegangan dee. Bila intensitasnya tinggi dapat menyebabkan trip yaitu matinya sumber tegangan tinggi dee. Pengalaman operasi pada SPIP CS 30 menunjukkan bahwa sumber tegangan tinggi dari sistem rf mati setiap satu jam [16], sehingga sekalipun spesifikasi dari siklotron tersebut dapat menghasilkan arus proton 60 IJA1 tetapi tersebut maka arus rata-rata operasi hanya sebesar 33,8 IJA [ 7],

345

karena ketidakstabilan


ISSN 2087-8079

Pada SPIN yang digunakan untuk menghasilkan

proton, ion yang dipercepat adalah deflektor elektrostatik melainkan menggunakan foil karbon. Proses ekstraksi pada SPIN sama sekali tidak menggunakan tegangan tinggi elektrostatik sehingga tidak menimbulkan ganggunan pada kestabilan karena tegangan tinggi.

H. Proses ekstraksi H untuk keluar dari orbit siklotron tidak lagi menggunakan

4.1.2.

Efisiensi ekstraksi

Proses ekstraksi pad a SPIP menggunakan deflektor yaitu suatu pasangan elektrode tegangan tinggi (yang biasanya potensial negatif untuk menarik ion positif) dan elektrode ground. Kedua elektrode terpisah oleh celah selebar kira-kira 3 mm di ujung awal dan kirakira 5 mm diujung akhir. Melalui celah ini berkas dilewatkan untuk diekstraksi ke arah beam port. Karena melalui celah yang sempit inilah, banyak bagian berkas yang tersangkut di dinding celah dan mengurangi kuantitas berkas yang terekstraksi. Kerugian dari banyaknya berkas yang tersangkut adalah rendahnya efisiensi ekstraksi dan tingginya radiasi di dalam tangki siklotron khususnya di bagian ekstraktor ini. Pengalaman pada fasilitas siklotron CS-30 BATAN menunjukkan bahwa paparan radiasi pada komponen ini hingga 4000 mR. Efisiensi ekstraksi pada SPIP tidak akan lebih dari 70% dan bahkan untuk fasilitas yang sudah lama dapat kurang dari 50% [18]. Proses ekstraksi ion positif diperlihatkan pada Gambar 9.

--

berkas terekstraksi 60 kV

Deflektor Gambar 9. Proses ektraksi ion positif dengan deflektor. Proses ekstraksi pada SPIN menggunakan suatu foil karbon yang dilewati oleh berkas ion negatif. Ion H akan kehilangan semua dari 2 elektron yang dipunyainya dan berubah menjadi ion rt atau proton yang kemudian akan dibelokkan oleh medan magnet tepi dari siklotron ke arah beam port. Pengalaman operasi menunjukkan bahwa efisiensi model ekstraksi ini adalah 100% [19,20]. Efisiensi yang tinggi pada SPIN berdampak pada efisiensi yang lebih baik dalam proses produksi. Sebagai ilustrasi, fasilitas Cyclone 30 buatan IBA menghasilkan daya berkas terekstraksi sebesar 15 kW dari konsumsi daya 100 kW [20]. Keuntungan lainnya adalah juga efek paparan radiasi yang lebih kedl bagi personel. Proses ekstraksi ion positif diperlihatkan pad a Gambar 10.

Gambar 10. Proses ekstraksi ion H negatif dengan foil.

346

Penentuan kriteria desain komponen utama siklotron 13 Mev (Ors. Silakhuddin, M.Si.)

4.2.

Sistem Sumber Ion

4.2.1.

Sistem internal dan eksternal

D Karena sebagian besar komponen sumber ion ini berada di dalam tangki vakum maka akan memberikan beban pada proses pemvakuman tangki. Gas yang diinjeksikan ke dalam tangki vakum juga memberikan kontribusi beban kevakuman. Hal-hal inilah yang merupakan kelemahan dari sistem internal sedangkan keuntungannya adalah efisiensi yang relatif tinggi dari penggunaan berkas ion yang dihasilkan kemudian dipercepat. Pad a Gambar 11 diperlihatkan pemasangan sumber ion internal [21],

Gambar 11. pemasangan sumber ion internal. Pada sistem eksternal, bentuk saluran berkas di dalam inflektor cukup rumit (electrostatic helicoid inflector) dan banyak berkas yang hilang pada proses infleksi ini. Pada siklotron Cyclone 30 ISA, keluaran dari sumber ion eksternal sebesar 2 mA men~hasilkan berkas internal 500 IJA, berarti kira-kira 75% berkas hilang pada proses infleksi [2 . Sistem eksternal memerlukan sistem pemompaan vakum tersendiri. Jadi kelemahan sistem eksternal adalah efisiensi penggunaan berkas yang dihasilkan rendah. Instrumentasi sistem eksternal lebih rumit karena diperlukan komponen pemercepat awal, sistem inflektor dan sistem pemompaan vakum ini memerlukan biaya tambahan pada sistem akselerator. Pada Gambar 12 diperlihatkan injeksi berkas dari sumber ion eksternal ke dalam siklotron melalui inflektor [21].

Gambar 12. Injeksi berkas dari sumber ion eksternal

347


ISSN 2087-8079

Keunggulan dari sistem eksternal adalah tidak ada beban gas pada tangki siklotron oleh sistem sumber ion. Sistem eksternal juga memungkinkan dilakukannya perawatan dan pengujian tersendiri tanpa mengganggu sistem tangki siklotron. Dengan sistem eksternal dimungkinkan juga untuk menempatkan beberapa sumber ion. Jadi 2 sistem yaitu internal dan eksternal mempunyai keuntungan dan kelemahan tergantung dari sisi mana ditinjau. Pada sistem internal, untuk menopang beban kevakuman yang tinggi mutlak diperlukan sistem pompa vakum pada tangki siklotron yang lebih tinggi kecepatan pemvakumannya dibandingkan pad a sistem eksternal. Jadi kalau ditinjau hanya sistem tangki vakum akan diperlukan biaya yang lebih pada sistem internal. Akan tetapi pada sistem eksternal juga diperlukan sistem pompa vakum untuk sumber ion dan saluran injektor ke siklotron, juga diperlukan biaya yang lebih dari sekedar biaya sistem vakum pada tangki siklotron. Efisiensi penggunaan berkas pada sistem internal lebih baik dari pada sistem eksternal. Adanya sistem injektor dan inflektor pada sistem eksternal, yang tidak ditemukan pada sistem internal, menambah keunggulan sistem internal. Ringkasnya, jika biaya dan kesederhanaan instrumentasi maka sistem internal akan lebih menjadi pilihan dibandingkan sistem eksternal. 4.2.2.

Sumber ion jenis Penning dan pemasangan secara radial

Kerugian sumber ion jenis Penning adalah umur dari katodenya yang lebih pendek sehingga frekuensi perbaikannya juga lebih sering. Tetapi harga bahan katoda tidaklah terlampau mahal sekalipun dari bahan tantalum, bahkan bahan dari aluminiumpun dapat digunakan walau unjuk kerjanya tidak sebagus tantalum. Jadi jenis sumber ion Penning menjadi pilihan yang layak. Pada Gambar 13 diperlihatkan skema sumber ion Penning. ~

Icatoda atas

gas

w • H+

!

Icatoda bawah

B

Gambar 13. Skema Sumber Ion jenis Penning Pemasangan sumber ion secara aksial adalah tidak memerlukan tempat yang khusus bidang horizontal. Keuntungan lainnya adalah terhindarnya tangkai (holder) sumber ion dari paparan radiasi akibat tembakan berkas partikel pada energi yang lebih tinggi. Pemasangan secara radial memerlukan tempat secara horizontal yang sejajar dengan penempatan dee. Tetapi dengan membuat sudut dee yang 90° atau bahkan kurang, masalah tempat tidak menjadi kendala. Jadi pemasangan secara radial akan menjadi pilihan yang lebih baik. Efek paparan radiasi dikurangi dengan membuat tangkai terdiri atas dua batang atas dan bawah, dan memungkinkan berkas lewat di antara dua batang. Pemasangan secara radial akan juga lebih mudah dalam pelepasan dan pemasangan sewaktu perawatan atau perbaikan. Pemasangan sumber ion secara radial seperti diperlihatkan pada Gambar 11. 4.2.3.

Penentuan arus berkas

Dari hasil perhitungan efek stripping lost pad a tangki siklotron diperlukan keluaran arus berkas dari sumber ion sebesar 51 IJA untuk dapat terekstraksi arus berkas proton

348


sebesar 50 IJA. Dalam perhitungan yang dibuat oleh Schneider et al [3J diperoleh hasil bahwa berkas ff yang hilang selama pemercepatan sebesar 5% pada kondisi vakum 1x1 0-5 Torr. Akan tetapi berdasarkan pengalaman operasi Siklotron BATAN Serpong, kehilangan berkas ion tersebut dapat mencapai 30% pada kevakuman 2,1 x1 0-6 torr [22]. Jadi secara faktual bahwa untuk memperhitungkan keluaran berkas minimal yang harus keluar dari sumber ion tidak dapat hanya memperhitungkan efek berkas hilang karena stripping lost saja. Sebab kehilangan yang lain dapat diakibatkan dari menabraknya berkas ion pada dinding atas dan bawah dee.

4.3.

Sistem Magnet

Hasil perhitungan medan magnet yang didasarkan pada kisaran frekuensi sistem pembangkit rf yang ada di pasaran diperoleh nilai sebesar 12.745 kG pada radius ekstraksi. Dengan kuat medan magnet sebesar itu, untuk menghasilkan proton 13 MeV diperlukan radius ekstraksi sebesar 40,8 em. Medan magnet untuk siklotron adalah jenis elektromagnet sehingga akan dapat dilakukan tuning untuk sinkronisasi dengan frekuensi rf dee. Untuk dapat melakukan tuning secara halus (fine tuning), kuat medan magnet ini juga bekerja pada daerah di mana medan magnet tidak sangat terpengaruh oleh perubahan arus listrik pembangkit. Untuk material besi lunak, kurva hubungan antara kuat medan magnet dan arus listrik berbentuk linear hingga 10 kG, dan mulai agak datar di atas 10 kG menuju ke daerah jenuh [41. Penetapan medan magnet juga tidak di daerah jenuh karena sulit dilakukan tuning, karena di dareah jenuh berarti besar medan magnet tidak dapat dikendalikan dengan pengaturan arus listrik pembangkit magnet. Dari segi ekonomis, semakin besar medan magnet berarti diperlukan biaya yang lebih tinggi untuk kumparan dan arus listrik, sehingga penetapan medan magnet ditentukan di daerah sedikit lebih besar dari batas linearitas. Dengan demikian dengan nilai B 12,745 kG sudah memenuhi kriteria teknis maupun ekonomis. Selanjutnya, efek remanensi medan magnet akibat titik operasi melewati daerah linear dapat diatasi dengan membalik arus listrik pembangkit medan magnet sedemikian hingga medan magnet menjadi nol. Pembentukan pol a medan magnet akan menentukan besarnya n yang menentukan terjadinya osilasi partikel di sekitar lintasan orbit. baik arah vertikal maupun radial. Pada frekuensi-frekuensi tertentu dapat terjadi coupling kedua osilasi (vertikal dan radial) dan menyebabkan resonansi. Kondisi resonansi harus dicegah karena amplitudo gerak partikel dapat melampaui batasan-batasan rongga dari dee. Jadi walaupun nilai n sudah dibatasi seperti pada persamaan (13) yaitu 0< n < 1, masih terdapat nilai-nilai n yang harus dihindari.

=

Dengan adalah:

nilai-nilai

Wz

= cu,j"ii

1.

w, =

2.

w, = 2wz yang terjadi bila ...;

3.

Wz =

4.

w, = 3wz yang terjadi bila

5.

Wz =

Wz

yang terjadi bila

dan w, = w-...l1 - n., kondisi-kondisi -...11 -

n = ....;n.

atau

1- n = 2..[ii.

2w,yang terjadi bila

3w, yang terjadi bila

,/n = 'Ii

2-...11 -

....;n

11.

= 3-../1

-

n = 0,5.

atau n = 0,2

n. atau

1- = 3....;n,

yang harus dihindari

n

= 0,8

atau n = 0.1

n, atau n

= 0,9.

Suatu data pemetaan medan magnet secara radial dan azimutal perlu diperoleh untuk memastikan nilai-nilai indeks magnet yaitu besaran yang menggambarkan gradiensi medan magnet pada suatu radius, pada nilai-nilai 0.5; 0,2; 0.8; 0.1 dan 0,9 tidak terjadi. Bentuk sektor-sektor magnet simetri 4 yang terdiri atas 4 hill dan valley akan membuat pemokusan berkas partikel. Dengan simetri 4 tersebut, dee mempunyai sudut 45° dengan frekuensi operasi 78 MHz pada harmonik ke 4.

4.4.

Sistem RF Dee

Tegangan yang telah ditetapkan sebesar 30 kV. Sedangkan pada siklotron untuk PET yang komersial tercantum spesifikasi dari operasi tegangan dee paling kecil sebesar 40 kV (dengan geometri sistem dee yang hampir sama), yang sudah tentu dengan penjagaan kebersihan dan kelembaban standar di negara maju. Dengan tegangan yang tinggi maka perhatian perlu diberikan untuk menjaga kebersihan dan kelembaban agar tidak sering terjadi

349


ISSN 2087-8079

loncatan-Ioncatan arus listrik dari dee ke ground. Jadi penentuan tegangan dee harus mempertimbangkan kondisi manajemen pengoperasian dan perawatan. Dari pengalaman operasi pad a siklotron CS 30 BATAN, memberi pelajaran bahwa infrastruktur dan manajemen lokal belum dapat tepat sama untuk menyamai kondisi operasi di negara maju. Dalam desain ini, dengan mempertimbangkan kondisi infrastruktur yang belum canggih maka penetapan nilai tegangan dee sebesar 30 kV merupakan nilai yang moderat.

BAB V KESIMPULAN

Kriteria-kriteria desain dari komponen-komponen suatu siklotron pemercepat berkas proton energi 13 MeV dan arus sebesar 50 IJA untuk fasilitas produksi radioisotop PET telah ditentukan berdasarkan formula-formula dasar teori siklotron dan secara teknis mengacu pada desain siklotron di luar negeri khususnya dari siklotron KIRAMS Korea serta pengalaman dalam penanganan operasi Siklotron CS 30 BATAN. Komponen-komponen yang sudah ditentukan kriterianya baru komponen utama jadi belum termasuk komponenkomponen bantu seperti sistem vakum, perisai, sumber-sumber daya dan infrastruktur. Dengan pertimbangan kestabilan operasi, efisiensi dalam menghasilkan berkas ion dan kemudahan dalam perawatan, sistem siklotron pemercepat ion negatif dengan sumber ion internal jenis PIG dan dipasang secara radial menjadi kriteria yang ditetapkan. Kriteria desain untuk magnet dan sistem rf dee adalah sistem 4 sektor dengan dee sepenuhnya ada di daerah valley. Untuk mendapatkan energi proton 13 MeV, kuat medan magnetnnya sebesar 12,745 kG pada radius ekstraksi 40,8 cm dan sistem rf dee beroperasi pada frekuensi 78 MHz harmonik ke-4. Hasil-hasil penentuan kriteria desain ini dan dengan dilakukan pengembangan-pengembangan lebih lanjut dapat dipakai sebagai acuan penyusunan desain dasar fasilitas siklotron untuk fasilitas PET.

DAFT AR PUST AKA

[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7]

[8] [9] [10] [11] [12] [13] [14]

W. KLEEVEN et ai, "Self-Extraction in a Compact High-Intensity H+ Cyclotron at IBA", Proceedings of EPAC 2000, Vienna, Austria, p 2530-2532 http://www.epaper.kek.jp/p95/ARTICLES/FAG/FAG07.PDF: BF. MILTON and N.R. STEVENSON, "Cyclotrons for Isotope Production", 25 Mei 2009 H.R. SCHNEIDER et aI., " Design Note of A Compact H- Cyclotron for PET Isotope Production", TRIUMF, Vancouver, Canada November 1986 p 1 J.J. LIVINGOOD, "Principles of Cyclic Particle Accelerators", D. Van Nostrand Company, Inc, New York, 1961 H. WIEDERMANN, "Particle Accelerator Physics", Springer-Verlag Heidelberg, 1993, p 58-60 S. HUMPHRIES, Jr, "Particle Acceleration", John Wiley and Sons, 1999 p 514-516 http://www.accelconf.web.cern.ch/Accel Conf/a981 AP AC98/6D051 .PDF: a. S. OH et ai, " Initial Design of a 13 MeV Cyclotron for Positron Emission b. Tomography: Design of The Dee System", 25 Mei 2009 W.Y. YANG and M. YOON, " Magnetic Field Calculation For A 13 MeV PET Cyclotron", Proceeding of the 1999 Particle Accelerator Conference, New York, 1999 Lembar informasi dari Fasilitas PET -CT Dan Cyclotron RS Gading Pluit, 2009 J.S. CHAI et ai, "New Design and Development of 13 MeV PET Cyclotron in Korea", Proceedings of the Particle Accelerator Conference, New York, 1999 D. SCHL YER, "Cyclotron Comparison", Bahan Kuliah Batan Accelerator School 2008, PTAPB BATAN. M.L. MALLORY et ai, "Cyclotron Internal Ion Source with DC Extraction", 1973 IEEE p147 H. SURY ANTO dan SILAKHUDDIN, "Pengaruh Tingkat Kevakuman Terhadap Stripping Loss ion H- ", Jurnal Fisika HFI vol. 2 no. 4 hal 62-68 (Desember 1999) S. HUMPHRIES, Jr, "Particle Acceleration", John Wiley and Sons, 1999 p509

350


[15] J.M. van NIEWLAND, " Extraction of Particles from a Compact Isochronous Cyclotron", De Technische Hogeshool Eindhoven, Nederland, 1972, p 34. [16] Buku Laporan Tahunan Proyek Pengembangan Teknologi Produksi Radioisotop dan Radiofarmaka Tahun 1995/1996, Pusat Produksi Radioisotop BAT AN , hal. 131 [17] SILAKHUDDIN, "Evaluasi Operasi Siklotron BATAN Pada Tahun Pertama Pasca Komisioning", Bulletin BATANTahun XIII No.3, Juli 1992 [18] Log Book Operasi Siklotron CS 30 BATAN Tahun 1990-1994, Instalasi Siklotron, Pusat Produksi Radioisotop BATAN [19] SILAKHUDDIN dan T. HERYANTO, "Status Operasi Siklotron BATAN Pasca Modifikasi", Prosiding PPI Teknologi Akselerator dan Aplikasinya, P3TM BAT AN , Yogyakarta (1998) [20] http://www.accelconf.web.cern.ch/accelconf/eOO/PAPERS/WEP48B18.pdf: P. COHILIS and Y. JONGEN, " High Beam Intensities for Cyclotron - Based Radioisotope Production", 26 Mei 2009 [21] www.accelconf.web.cern.ch/accelconf/c04/data/CYC2004 .../20A3.pdf: Y. JONGEN, "New Cyclotron Developments at IBA", 27 Mei 2009 [22] SILAKHUDDIN dan T. HERYANTO, "Status Operasi Siklotron BAT AN Pasca Modifikasi", Prosiding PPI Teknologi Akselerator dan Aplikasinya, P3TM BATAN, Yogyakarta (1998)

351

PENENTUAN KRITERIA DESAIN KOMPONEN UTAMA SIKLOTRON 13 MeV

Recommend Documents