Volume 15, Oktober 2013
ISSN 1411-1349
RANCANG BANGUN PENGUAT DAYA RF GROUNDED GRID ¼λ UNTUK SIKLOTRON PROTON 13 MeV Prajitno Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan, BATAN Jl.Babarsari Kotak Pos 6101 Ykbb, Yogyakarta 55281 e-mail:
[email protected]
ABSTRAK RANCANG BANGUN PENGUAT DAYA RF GROUNDED GRID ¼-λ UNTUK SIKLOTRON PROTON 13 MeV. Telah dilakukan pembuatan penguat daya RF untuk siklotron proton 13 MeV menggunakan tabung tunggal trioda 3CX15000A7 dengan mode grounded grid. Daya RF akan digunakan sebagai sumber tegangan pemercepat bolak-balik siklotron DECY-13 rancangan PTAPB-BATAN. Penalaan (tuning) keluaran daya RF menggunakan teknik RF cavity ¼ λ, bagian inner dari cavity dibuat dari bahan tembaga yang besarnya menyesuaikan diameter tabung 3CX15000A7 yaitu 7”. Untuk menekan munculnya frekuensi kelipatan (2fo) pada keluaran daya RF, penguat daya RF dilengkapi rangkaian low pass filter pasif order 3 yang diharapkan dapat menekan frekuensi harmonik sampai dengan 20 dB. Pengujian penguat daya RF telah dilakukan menggunakan beban dummy rersistor 50Ω/10kW. Hasil pengujian pada frekuensi 78 MHz., dengan tegangan anode 5180 Vdc dan tegangan filamen 6,0 Vac diperoleh hasil: keluaran daya RF 4860 Watt, pada kondisi arus anode 1,40 A, arus grid 115 mA, daya RF masukan 133 watt dan suhu ruang pengujian 39,6°C. Kata Kunci: RF cavity, radio frekuensi, tabung trioda
ABSTRACT DESIGN AND CONSTRUCTION RF POWER AMPLIFIER GROUNDED GRID ¼-λ FOR PROTON CYCLOTRON 13 MEV. A RF power amplifier for 13MeV proton cyclotron using 3CX15000A7 triode tube with grounded grid mode has been constructed. RF power will be used as a source of accelerating alternating voltage for the proton cyclotron DECY-13 designed by PTAPB-BATAN. RF power output tuning using RF cavity technique ¼ λ, the inner of the cavity made of copper which size equal to the diameter of the tube 3CX15000A7 is 7". To suppress the emergence of the second harmonic frequency (2fc) at the output, the RF power amplifier is equipped with a passive low pass filter circuit of 3rd order which is expected to suppress harmonic frequency up to 20 dB. RF power amplifier has been tested using dummy load resistor 50Ω/10kW. The test results on the frequency of 78 MHz, with anode voltage 5180 Vdc and filament voltage Vac 6.0, are: RF power output 4860 watt, anode current 1.40 A conditioned, grid current 115 mA, RF power input 133 watt and temperature of testing room 39.6 °C. Keywords : RF cavity, radio frequency, triode tube
PENDAHULUAN
P
ET/CT (Positron Emission Tomography/ Computerized Tomography) adalah gabungan dari dua teknologi peralatan diagnosa yaitu PET-Scan dan CT-Scan. Gabungan alat ini mampu menghasilkan tingkat akurasi diagnosa lebih tinggi dibandingkan Gamma Camera. Untuk mendukung PET/CT diperlukan suatu siklotron yaitu alat yang digunakan untuk memproduksi fluorodeoxyglucose (FDG) yang fungsinya sebagai penelusur pada pemeriksaan PET/CT scan[1]. PTAPB (Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan) – BATAN mempunyai tugas dan fungsi mengembangkan teknologi akselerator, salah satu kegiatannya adalah melakukan rancang bangun siklotron proton 13 MeV untuk produksi radio isotop. Tujuan dari pengembangan ini adalah guna meningkatkan kemampuan sumber daya manusia di BATAN dalam penguasaan teknologi RANCANG BANGUN PENGUAT DAYA RF GROUNDED GRID ¼λ UNTUK SIKLOTRON PROTON 13 MEV Prajitno
siklotron agar mampu memberikan dukungan rumah sakit pengguna PET/CT dalam permasalahan siklotron. Salah satu bagian siklotron yang perannya penting adalah sumber daya RF (Radio Frequency). Daya RF berfungsi sebagai tegangan pemercepat bolak-balik untuk mempercepat ion secara periodik. Untuk mendukung bekerjanya siklotron 13 MeV diperlukan daya RF kurang lebih 10 kW. Oleh karena itu dalam rangka penguasaan teknologi sumber daya RF, dalam makalah ini dibahas kegiatan penelitian yang berkaitan dengan rancang bangun penguat daya RF menggunakan tabung elektron jenis trioda yang diharapkan mampu mengeluarkan daya RF sesuai kebutuhan. Penguat daya RF menggunakan tabung trioda 3CX15000A7[2] yang dikerjakan dalam mode grounded grid dan sebagai penala (tuning) keluaran digunakan teknik RF cavity ¼ panjang gelombang (λ). 31
Volume 15, Oktober 2013
Untuk menekan frekuensi harmonika kelipatan dua (2fc), pada keluaran penguat daya RF ditambah rangkaian pasif low pass filter (LPF) order 3. Pengujian keluaran daya RF menggunakan beban resistor dummy 50 Ω sehingga daya RF yang dipantulkan balik (reflected) sangat rendah.
ISSN 1411-1349
Apabila panjang fisik saluran tersebut kurang dari ¼ λ, impedansi akan lebih rendah dan pada saluran yang muncul induktif, seperti digambarkan pada Gambar 2. Induktansi ini digunakan untuk beresonansi dengan reaktansi kapasitif dalam tabung dan sirkuit sekitarnya.
TEORI Sistem Penguat RF Cavity Tabung power grid secara ideal cocok untuk digunakan sebagai elemen pembangkit daya dalam penguat cavity. Karena melibatkan dimensi fisik, desain cavity biasanya terbatas untuk frekuensi sangat tinggi (VHF) dan di atasnya. RF generator yang frekuensi lebih rendah, untuk membuat kebutuhan rangkaian tangki (tank circuit) biasanya menggunakan perangkat diskrit L dan C. Dua jenis cavity amplifier yang umum digunakan adalah: sistem ¼ dan ½panjang gelombang (λ)[3]. Cavity ¼-λ adalah yang paling umum digunakan dikarenakan desainnya yang sederhana dan mudah. Banyak variasi dapat ditemukan dalam penguat daya yang berbeda, namun teori yang mendasari operasi adalah sama. Tujuan dari setiap penguat cavity adalah untuk mensimulasikan rangkaian tangki resonansi pada frekuensi operasi dan menyediakan sarana untuk pasangan energi dalam cavity ke jalur transmisi. Dalam penguat cavity, tabung menjadi bagian dari resonan saluran transmisi. Stray antar elektroda dan kapasitansi terdistribusi dan induktansi tabung digunakan untuk kepentingan sebagai bagian dari saluran resonansi. Saluran resonansi ini secara fisis lebih besar dari ekivalen rangkaian resonansi LRC pada frekuensi yang sama, dan ukuran fisis yang lebih besar membantu dalam memecahkan tantangan operasi daya tinggi, kerugian efek kulit, dan masalah tegangan tinggi.
Gambar 2. Saluran kurang dari ¼ panjang gelombang dihubung singkat a. Rangkaian fisik b. Ekivalen elektrik.
Penguat Daya RF Untuk menahan terjadinya daya RF dipantulkan balik (reflected) yang tinggi, penguat daya RF dipilih menggunakan tabung elektron dibandingkan solidstate. Dengan pertimbangan kemudahan dalam penalaan dan harga yang murah, dipilih tabung elektron jenis trioda tipe 3CX15000A7 yang dioperasikan dalam mode grounded grid. Diagram elektronik dari penguat daya RF grounded grid seperti ditampilkan pada Gambar 3.
Saluran transmisi ¼-λ yang salah satu ujungnya dihubung singkat memiliki impedansi masukan resistif murni tinggi. Secara elektrik, tampak sebagai rangkaian resonansi paralel, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Gambar 3. Diagram penguat daya RF grounded grid. Perhitungan RF Cavity
Gambar 1. Saluran ¼ panjang gelombang dihubung singkat a. Rangkaian fisik b. Ekivalen elektrik. Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 15, Oktober 2013: 31 - 36
Perhitungan panjang RF cavity diperlukan karena kebutuhan panjang agar cavity dapat beresonansi pada frekuensi yang diharapkan kurang dari ¼-λ, hal ini karena dipengaruhi oleh Direct Interelectrodes Capacitance grounded grid[2] dari tabung trioda 3CX15000A7 yaitu: Cin = 56 pF dan Cout = 36 pF. 32
Volume 15, Oktober 2013
ISSN 1411-1349
(7)
X L = Z c × tg α Z c = 138 log (1,08 × L = 0,14 × log (
Gambar 4. Rangkaian padanan penguat daya RF grounded grid.
D1 ) D2
D1 µH ) D2 ft.
(8) (9)
TATA KERJA Bahan dan Alat Penelitian
Rangkaian padanan penguat ditampilkan pada Gambar 4. Ia =
daya
Pin Va
Pin = Ro =
(2)
η Va 1,57 × I a
1 2 π f C out
X c = X cp + X ctunr + X c ( p )
XL =
seperti
(1)
Po
X cout − min =
RF
Ro QL
(3) (4) (5) (6)
Bahan dan alat yang digunakan dalam penelitian pembuatan penguat daya RF ini adalah sebagai berikut : 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
Tool Kit Prototip DDS exciter Prototip Penguat RF pendorong LDMOS Frequency Counter Spectrum Analyzer GW Instek GSP-810 Digital Multimeter Sanwa PC100 SWR analyzer MFJ 269 pro Diconex Forced Air Load 10 kW Coaxial cable dan flange connector 1-5/8”
Diagram blok penguat daya RF seperti ditampilkan pada Gambar 6. Plate dari tabung elektron 3CX15000A7 yang mempunyai diameter 7” langsung dihubungkan dengan inner conductor dari RF cavity.
dengan : Po : Keluaran Daya RF Va : Tegangan Anode (plate)
η : Efisiensi f
: Frekuensi
Klas operasi = B
Gambar 5. Bentuk pandangan atas RF cavity. Bentuk koaksial kotak (square coaxial) seperti pada Gambar 5, dapat dihitung menggunakan persamaan :
RANCANG BANGUN PENGUAT DAYA RF GROUNDED GRID ¼λ UNTUK SIKLOTRON PROTON 13 MEV Prajitno
Gambar 6. Blok diagram penguat daya RF.
33
Volume 15, Oktober 2013
HASIL DAN PEMBAHASAN Pengujian Panjang RF Cavity
ISSN 1411-1349
Pada bagian atas dari RF cavity terpasang shorting deck yang digunakan untuk mengatur panjang cavity yang sama dengan induktan.
Pengujian penentuan panjang RF cavity dilakukan dengan diagram pengujian seperti pada Gambar 7. Pada plate dihubungkan dengan resistor 1,5 kΩ yang mana nilai resistor ini sesuai dengan perhitungan impedansi keluaran tabung elektron. Filament tabung elektron 3CX15000A7 pada saat pengujian dicatu tegangan 6,3 Vac sesuai dengan spesifikasi teknis tabung elektron tersebut. Pengujian panjang RF cavity (Gambar 7) dilakukan dengan memberikan masukan sinyal yang berasal dari SWR Analyzer MFJ-269 dengan cara mengatur frekuensi keluaran pada 78 MHz., selanjutnya cavity shorting deck diatur sampai SWR pada analyzer menunjuk pada posisi minimum dengan mengubah nilai kapasitan Ctune. Pada posisi inilah diperoleh panjang RF cavity.
Gambar 9. Bagian bawah RF cavity. Pada bagian RF cavity terdapat dua kapasitor yang digunakan untuk menala keluaran daya RF yaitu Cload dan C-tune. Dengan mengatur posisi kedua kapasitor ini maka keluaran daya RF akan dapat maksimum dan efisien. Blower Pendingin Gambar 7. Blok diagram pengujian RF cavity. Dari hasil pengukuran panjang RF cavity, diperoleh panjang optimum pada frekuensi 78 MHz adalah 34 cm.
Persyaratan agar tabung elektron 3CX15000A7 dapat dioperasikan sesuai dengan spesifikasi, diperlukan hembusan udara pada sirip-sirip pendingin anoda. Oleh karena itu pada bagian bawah tabung elektron dipasang Mini centrifugal fan DE190-7.5” dengan kapasitas hembusan udara 1237 cfm. Kapasitas ini sudah memenuhi syarat, karena sesuai dengan spesifikasi[2] pada disipasi daya 10 kW hanya diperlukan ~500 cfm. Catu Daya Tegangan Tinggi Catu daya tegangan tinggi menggunakan 3 buah transformator, koneksi bagian primer dengan konfigurasi star dan dihubungkan catu tegangan AC tiga fasa. Koneksi bagian sekunder dengan konfigurasi delta dan dihubungkan dengan penyearah tiga-fasa gelombang penuh dengan dioda hubungan jembatan (bridge). Diode penyearah menggunakan tipe A12F120 dan A12FR120, seperti ditampilkan pada Gambar 10.
Gambar 8. Bagian atas dari RF cavity.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 15, Oktober 2013: 31 - 36
34
Volume 15, Oktober 2013
ISSN 1411-1349
diinginkan. Percobaan pengujian yang telah dilakukan dengan umpan daya RF 133 W diperoleh keluaran daya RF 4860 W. Pada kondisi ini arus anoda Ia =1,40 A, arus grid Ig = 115 mA, dan suhu ruang = 39,6 oC.
KESIMPULAN
Gambar 10. Penyerah 3 fase gelombang penuh. Catu daya tegangan tinggi belitan bagian primer dihubungkan ke catu tegangan AC tiga fasa dengan konfigurasi star, sedangkan koneksi bagian sekunder digunakan konfigurasi delta. Bagian sekunder disambungkan dengan rangkaian penyearah jembatan (bridge) 3 fasa. Keluaran tegangan dc dengan konfigurasi delta[5] adalah Vdc = Vm
3 3
π
= 1,654 Vm
Dari data hasil pengujian yang telah dilakukan, penguat daya RF sudah dapat berfungsi sesuai dengan rancangan. Pengujian belum dilakukan sampai keluaran daya RF maksimum (10 kW) karena ruangan yang digunakan untuk menguji belum memenuhi syarat, terutama berkaitan dengan sirkulasi udara untuk pendingin tabung elektron. Untuk mencapai daya 10 kW dapat dilakukan dengan menaikkan tegangan anoda sampai 7000 Vdc sesuai dengan spesifikasi 3CX15000A7. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa penguat daya RF yang telah selesai dibuat dapat mendukung kebutuhan sumber daya RF siklotron 13 MeV yang sedang dibangun di PTAPB-BATAN.
UCAPAN TERIMA KASIH Dengan selesainya pembuatan penguat daya RF grounded grid ¼-λ ini disampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada Saudara Wardhana N. dalam memberikan ide-ide dan merealisasikan menjadi prototip.
DAFTAR PUSTAKA Low pass filter (LPF) Untuk menekan frekuensi harmonika terutama frekuensi kelipatan dua (2fc), keluaran penguat daya RF dilewatkan rangkaian pasif low pass filter (LPF) order 3 (Gambar 11) dengan fc = 78 MHz..
[1] Pramudita Anggraita, BATAN Accelerator School, PTAPB-BATAN Yogyakarta, 11-15 Agustus 2008. [2] Technical Data 3CX15000A7, EIMAC division of varian, California 94070, USA. [3] Whitaker, Jerry C., Power Vacuum Tubes Handbook, 2nd Edition. Ed. Jerry C. Whitaker, Boca Raton: CRC Press LLC, 2000. [4] D.Li, T.Hu, J. Huang, K. Liu, J.Yang, Proceeding of IPAC2012, New Orleans, Louisiana, USA, THPPC056 hal 3416. [5] Power Electronics Handbook, Editor in Chief, Muhammad H. Rasyid, Second Edition, Copyright 2007, Elsevier Inc., 2007.
Gambar 11. Rangkaian LPF Chebyshev order 3.
Pengujian Penguat Daya RF Pengujian penguat daya RF telah dilakukan dengan memberi catu tegangan anoda Va = 5,18 kV dan tegangan filamen Vf = 6,0 Vac. Pada bagian keluaran RF dipasang beban dummy 50 Ω/10kW. Selanjutnya pada bagian masukan RF diberi umpan daya RF dan daya dinaikkan secara perlahan-lahan sampai indikator keluaran daya RF menunjukkan daya sesuai yang RANCANG BANGUN PENGUAT DAYA RF GROUNDED GRID ¼λ UNTUK SIKLOTRON PROTON 13 MEV Prajitno
TANYA JAWAB Darsono − Bagaimana cara menentukan panjang cavity, apa secara simulasi atau empiris?
35
Volume 15, Oktober 2013
ISSN 1411-1349
Prajitno
Suprapto
− Dilakukan secara simulasi menggunakan software APPCAD Ver. 3.0.2 dari Agilent Technologies.
− Jenis klas osilator yang digunakan dan mohon dijelaskan alasannya?
− Dilakukan secara eksperimen menggunakan “Standing Wave Ratio” analyzer, dengan mengatur panjang/ pendek Cavity.
Prajitno
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 15, Oktober 2013: 31 - 36
− Penguat daya RF menggunakan klas AB, karena dioperasikan dalam “grounded-grid” dan linear antara daya masukan dan daya keluaran.
36
