KE DAFTAR ISI Suprapto,
ISSN 0216 - 3128
dkk.
355
RANCANGAN DAN KONSTRUKSI SUMBER ELEKTRON UNTUK MESIN BERKAS ELEKTRON INDUSTRI LATEKS Suprapto,
Djoko SP., Djasiman
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan, BAl'AN
ABSTRAK RANCANGAN DAN KONSTRUKSI SUMBER ELEKTRON UNTUK MESIN BERKAS ELEKTRON INDUSTRI LATEKS. Telah dilakukan perancangan dan konstruksi sumber elektron untuk mesin berkas elektron industri lateks. Perancangan berdasarkan pada kebutuhan arus dan profil berkas elektron saat masuk tabung akselerator. Dari rancangan dilanjutkan dengan pembuatan komponen-komponen sumber elektron, pengkonstruksian dan pengujian. Hasil rancangan adalah sumber elektron menggunakan elektrode Pierce dengan sudut elektrode pemfokus 67,5 () dan dengan katode dari tungsten. Untuk menghasilkan arus berkas elektron 50 mA, suhu operasi katode sekitar 2200 K dan suhu operasi ini masih jauh dibawah titik leleh yaitu 2700 K pada kevakuman I . ur6 Torr. Hasil konstruksi dan pengujian didapatkan arus berkas elektron maksimum sebesar 40 mA pada arus filamen 17 A, tegangan katode-anode 4 kV dan tegangan pemercepat 17 kV. Dengan hasil ini diharapkan sumber elektron hasil rancangbangun dapat digunakan pada mesin berkas elektron di industri khususnya industri lateks. Kata kunci : Sumber elektron, Mesin berkas elektron, Akselerator.
ABSTRACT DESIGN AND CONSTRUCTION OF ELECTRON GUN FOR ELECTRON BEAM MACHINE DEDICATED TO INDUSTRY OF LATEX. Design and construction of electron gun for electron beam machine has been done. The electron beam machine will be applied in industry of latex. The design is based on requirement of the electron beam current and profile at the entrance of accelerating tube. The design i,I'followed by manufacturing the components and constructing the electron gun as well as measuring the output electron beam current. The electron gun design is using Pierce electrode model where the focusing electrode has inclining angle of 67.5 () and the cathode is made from /lIngsten. To obtained 50 mA electron beam current, the cathode operating temperature is approximately 2200 K. This is much lower than the melting point (2700 K at I . /0-6 Torr). From the construction and the measurement yield show that the maximum beam current is 40 mA at the filament current of 17 A, the cathode-anode voltage of 4 kV and accelerating voltage of 17 kV. It is showed that the electron gun is expectedly can be used for electron beam machine, which will be applied in industry of latex. Key words: Electron gun, Electron beam machine, Accelerator.
PENDAHULUAN Mesin(Mesin pemercepat Berkas
elektron Elektron) sering adalahdisebut satu MBE jenis teknologi baru yang telah dikembangkan dalam dua dekade yang ]alu sebagai sumber radiasi pada proses iradiasi suatu produk industri. Pemanfaatan MBE dalam bidang industri telah berkembang pesat di negara-negara maju, terutama dalam proses pengeringan pelapisan (curing of coatings) permukaan suatu bahan, proses pembentukan ikatan silang pada plastik, karet dan bahan isolasi kabel, proses pra vulkanisasi karet, sterilisasi peralatan medis, pcngawetan bahan makanan, modifikasi tekstil dan graft polymerization,! 1.2.3,4) Apabila dibandingkan dengan proses termal konvensional ataupun proses kimia,
maka proses iradiasi elektron mempunyai beberapa keunggulan antara lain: menghasilkan kualitas produk yang lebih tinggi, tidak menimbulkan polusi pada lingkungan, hemat cnergi, reaksi-reaksi terjadi pada suhu kamar, proses yang terjadi mudah dikontrol, biaya operasi lebih rendah untuk produksi masal. Khusus pemanfaatan MBE untuk proses pra vulkanisasi, ikatan silang merupakan reaksi yang paling dominan yang terjadi selama proses iradiasi elektron. Sifat-sifat fisika dari karet alam akan berubah dengan terbentuknya ikatan silang, sebagai contoh bertambahnya ketahanan terhadap bahan pelarut (solvent), meningkatkan kekuatan regangan dan kekerasan, berkurangnya tingkat kemuluran dan tahan terhadap panas (deformasi termal)y,4,5j
Prosiding PPI - PDIPTN 2006 PlJstek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta. 10 Juli 2006
356
ISSN 0216 - 3128
Berdasarkan uraian tersebut di atas, perlu segera dikembangkan penguasaan teknologi MBE khususnya untuk industri lateks yang digunakan untuk pra vulkanisasi. Mesin berkas elektron energi rendah yang digunakan di industri mempunyai rentang energi antara 150 ke V sid. 500 ke V dengan arus berkas elektron antara 30 mA sid. 300 mA.[6] Komponen utama MBE diantaranya adalah sumber elektron yang berfungsi untuk menghasilkan berkas elektron. Berkas elektron selanjutnya dipercepat di dalam tabung akselerator dan dimayarkan di dalam corong pemayar serta dikeluarkan melalui jendela (widow) untuk ditembakkan pada target (bahan yang diiradiasi). Oi PT APB telah dilakukan rancang bangun sumber elektron denr,an kapasitas arus berkas elektron sampai 15 mA. 7] Sumber elektron ini belum dapat digunakan untuk MBE skala industri karena besar arus berkas elektron yang dihasilkan bel urn memenuhi kebutuhan. Untuk memenuhi· kebutuhan arus berkas elektron yang diperlukan, maka terlebih dahulu dilakukan rancangan (disain) sumber elektron yang dapat menghasilkan arus berkas elektron diatas 30 mA. Oalam makalah ini dibahas rancangan dan konstruksi sumber elektron untuk mesin berkas elektron industri lateks, arus berkas elektron yang dihasilkan antara 0 sid. 50 mA. Hasil rancangan dan konstruksi ini diharapkan dapat memenuhi kebutuhan sumber elektron untuk mesin berkas elektron industri lateks khususnya untuk proses pra vulkanisasi lateks karet alam.
Suprapto, dkk.
suhu pemanasan filamen (katode). Agar elektron terse but dapat dikeluarkan dari ruang sumber elektron maka diperlukan medan listrik untuk mengekstraksi dan membentuk elektron hasil emisi dari filamen (katode) menjadi berkas elektron. Jika medan listrik tersebut tidak cukup besar maka akan terjadi penumpukan elektron di depan katode sehingga terjadi awan elektron yang membentuk muatan ruang dan membatasi emisi elektron dari katode. Oalam keadaan demikian rap at arus emisi elektron disebut sebagai rapat arus emisi yang terbatasi oleh muatan ruang. Besar rapat arus ini (j" dalam A/cm2) mengikuti hukum Child-Langmuir sebagai berikut:[8] V'/2 a Je
=
(2)
XZT ka
dengan Va adalah tegangan anode (V), Zka jarak katode-anode untuk susunan paralel (em) dan X tetapan Child (X = (4;0 ) ·he 1m),
= 2,334
X
untuk elektron X
10,6AmperNoIt312.
Emisi elektron oleh katode tergantung pada luas pennukaan emisi, mode pemanasan, dan konstruksi mekaniknya (bentuk kawat, spiral atau keping).
Penentuan Elektrode Pemhentuk Berka .••
TEORI Rapat Arus Elektron Sumber elektron tipe tennionik adalah sumber elektron di mana elektron dihasilkan melalui proses emisi atau pancaran tennionik pad a filamen panas karena dialiri arus listrik. Elektron-elektron yang dipancarkan terse but kemudian dipercepat dengan medan elektrostatik dan dibentuk menjadi berkas elektron. Rapat arus jenuh emisi elektron (Ncm2) sebagai fungsi suhu pemanasan besarnya mengikuti persamaan Richardson-Oushmann sebagai berikut:[8]
(1) dengan A adalah konstanta Richardson (A/cm2 K2), rp fungsi kerja (eV), k tetapan Boltzmann (eV/K) dan T suhu pemanasan (K). Nilai A tergantung pada jenis bahan filamen (katode). Persamaan (I) merupakan persamaan yang menyatakan hubungan emisi elektron di dalam ruang sumber elektron dan
Oi dalam MBE diharapkan berkas elektron yang keluar dari sumber elektron tidak menyebar sehingga semua berkas elektron dapat dilewatkan melalui tabung akselerator. Untuk mendapatkan agar berkas elektron tidak menyebar diperlukan susunan elektrode pembentuk berkas yang sesuai. Susunan elektrode pembentuk berkas elektron yang ban yak digunakan untuk menghasilkan berkas elektron yang lurus atau hampir tidak menyebar adalah susunan elektrode Pierce yang terdiri dari katode, elektrode pemfokus dan anode.[9.IO) Susunan elektrode Pierce untuk mendapatkan aliran elektron yang lurus hampir sejajar sumbu berkas mempunyai elektrode pemfokus dengan sudut 67,5° terhadap sumbu berkas.
Penentuan Tegangan Ekstraksi Pada sumber elektron, tegangan ekstraksi adalah tegangan yang diberikan di antara katode (elektrode pemfokus)-anode. Untuk elektrode pemfokus dengan sudut 67,5° agar didapatkan lintasan berkas elektron yang hampir lurus sejajar sumbu berkas (sumbu x) dan kerapatan arus elektron
Prosiding PPI - PDlPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
ISSN 0216 - 3128
Suprapto, dkk.
yang diekstraksi keluar dari sumber elektron (JJ seragam dalam arah sumbu x serta dengan mengabaikan efek magnetik, maka tegangan ekstraksi ditentukan berdasarkan persamaan diferensial berikut:[ 10]
(3)
dengan G" adalah konstanta dieJektrik (F/m), '7 perbandingan muatan dengan massa elektron (elm) dan V tegangan yang diberikan pada terminal katode (elektrode pemfokus)-anode (V). Penyelesaian persamaan diferensial untuk menentukan besar tegangan elektrode pemfokus-anode (persamaan 3) dengan mengandaikan bahwa daerah di luar aliran elektron (y > 0) merupakan daerah bebas muatan yang berbatasan dengan bidang sejajar yaitu daerah aliran elektron (y < 0). Jika persamaan tersebut diselesaikan menggunakan fungsi analisis x + jy dan syarat batas pad a daerah bebas muatan diandaikan dalam bentuk bidang serta dengan mengintegralkan, maka didapatkan:[loJ V
= I(x)
=
A
xm
357
elektron hingga mencapai ~ 50 mA. Dari perhitungan tersebut didapatkan rapat arus jenuh elektron yang selanjutnya digunakan untuk menentukan luas permukaan katode yang mengemisikan elektron, yaitu dengan membagi arus berkas elektron yang harus dihasilkan dengan rapat arus jenuh elektron. Geometri eJektrode pemfokus ditentukan berdasarkan susunan elektrode Pierce dengan pertimbangan bahwa diameter dalam elektrode pemfokus harus cukup untuk menempatkan katode. Penentuan flange sumber elektron disesuaikan dengan flange tabung akselerator untuk memudahkan pemasangannya. Geometri perisai radiasi termal ditentukan berdasarkan persamaan (7) untuk meminimalkan laju perpindahan panas radiasi sehingga kenaikan suhu tabung akselerator dapat diminimalkan untuk mencegah terjadinya keretakan. Dari hasH rancangan tersebut dilanjutkan pembuatan komponen-komponennya dan konstruksi lengkap dengan sistem pengujiannya. Konstruksi sumber elektron lengkap dengan sistem pengujiannya ditunjukkan pada Gambar 2.
(4)
dan
Data romber eJektmn~ • •
7
diperluJian
Arns btd
(5) Rm.
Persamaan (4) dan (5) dapat digunakan untuk menghitung besamya potensial yang harus dipasang pada elektrode Pierce dengan sudut elektrode pemfokus 67,5° agar didapatkan lintasan berkas elektron yang mendekati lurus sejajar sumbu berkas.
pamm rnmbt£ .wdron J!Utiptdi:
•
B
• •
B
•
TmWntl C&!Ildql
•
!IaIgt
<1m romah
pomfukus
rumbor .lektron
Pembuatan komponen-Jamlponen ranc~an
dan konstruJcsi Ie~ap
sesu.ai
de~an
de~an
basil
sistern pe~jianrty4
TAT A KERJA Rtlllcallgall dall KOllstruksi Rancangan dan konstruksi sumber elektron meliputi: pemilihan bahan dan perhitungan katode, penentuan geometri dan pembuatan komponenkomponen serta pengkonstruksian dan pengujian sumber elektron. Penentuan geometri komponenkomponen sumber elektron berkaitan dengan catu daya (tegangan dan arus listrik) untuk mencatu sumber elektron tersebut. Adapun langkah-langkah rancangan, konstruksi dan pengujiannya ditunjukkan pada diagram alir (Gambar I). Untuk menentukan geometri katode dilakukan perhitungan dengan persamaan (I) agar dapat menghasilkan arus berkas
Gambar
1. Diagram alir rancangan struksi sumber elektron.
Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006,
dan kon-
sai radiasi termal nge ktrode pemfokus
358
ISSN 0216 - 3128
Suprapto, dkk.
b. Konstruksi sumber elektron pada tabung akscIcrator
Keterangan I. Sumber Elektron 3. Penyangga 5. Dudukan 7. T-Piece
2. Tabung Akselerator 4. T-Piece 6. Pompa Difusi 8. Kerangka Pengujian
9. Roda a. Konstruksi pengujian sumber elektron
Gambar 2. Konstruksi
sumber elektron dan sistem pengujiannya.
HASIL DAN PEMBAHASAN Oalam konstruksi mesin berkas elektron, berkas elektron yang dihasilkan oleh sumber elektron langsung dipercepat di dalam tabung akselerator sehingga sumber elektron dipasang langsung pada tabung akselerator. Karena itu rancangan flange dudukan elektrode pemfokus yang sekaligus sebagai flange sumber elektron hams sesuai dengan flange
Tabel1.
tabung akselerator untuk memudahkan pemasangan. Tabung akselerator yang digunakan adalah buatan NEC - USA jenis 2 JA 004] 50 (NEC Flange). Flange pada tabung akselerator ini sesuai dengan flange untuk standar vakum ON 160 CF sehingga flange sumber elektron dirancang dengan standar flange ON 160 CF dan disesuaikan dengan flange tabung akselerator Gambar 2b.
Spesifikasi teknis sumber elektron hasil rancangan.
ON 160kerueut silinder, CF, tebal20 bahanmm, stainless bahan stainless steel,berdiameter diameter steel sudut luar mm dan diameter 0,panjang diameter Bentuk spiral, bahan (corong), kawat bahan tungsten stainless steel, 0,5 60 67,5 mm, 20 luar em Katode lubang 62 mm dan diameter spiral (lilitan) 23 mm 40 mm, diameter lubang 25 mm
Prosiding PPI • PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
ISSN 0216 - 3128
Suprapto, dkk.
dengan dinding isolator. Untuk meminimalkan radiasi panas yang terjadi dipasang perisai radiasi termal untuk memantulkan kembali panas dari elektrode pemfokus, sehingga jumlah panas yang ditransmisikan ke tabung akselerator dan menyebabkan kenaikan suhu sangat rendah. Rancangan perisai radiasi termal ini didasarkan persamaan (7) dengan geometri menyesuaikan geometri katode dan tabung akselerator. Bahan perisai radiasi termal dipilih dari stainless steel karena mempunyai kemampuan memancarkan kembali panas yang datang cukup besar sehingga panas yang ditransmisi-kan rendah. Jika panas yang ditransmisikan rendah, maka laju perpindahan panas dari katode ke rumah sumber elektron atau dinding tabung akselerator rendah dan tidak memberikan kenaikkan suhu yang berarti.
Rancangan sumber elektron dengan elektrode Pierce sangat penting untuk mendapatkan susunan elektrode yang tegar (rigid) dan pemasangan catu daya baik catu daya filamen (katode) maupun catu daya anode. Yang dimaksud susunan elektrode yang tegar adalah apabila sumber elektron tersebut dioperasikan atau dipasang pada mesin berkas clektron tidak tcrjadi perubahan bentuk baik pad a elektrode maupun katode akibat pengaruh panas dari katode. Apabila susunan elektrode tidak tegar dan terjadi perubahan bentuk atau posisi, maka menyebabkan lintasan berkas elektron yang dihasilkan tidak sejajar dengan sumbu dan pemfokusannya tidak tepat sebagai masukan pada sistem pemercepat (tabung akselerator). Oi samping itu, untuk mencegah terjadinya loncatan listrik (discharge) maka bentuk katode, anode dan elektrode pemfokus dihindarkan dari bentuk ujungltepi yang runcing dan harus dibuat dalam bentuk bulat. Hal ini disebabkan karena ujung-ujung yang runcing mengakibatkan timbulnya medan listrik yang besar dan apabila isolasi di antara katode, anode dan elektrode pemfokus tidak tahan terhadap medan listrik yang terpasang akan terjadi loncatan listrik (discharge).
Perhitungan
u ••
..
/'.-/ V
/'
"'7
u'
/
... ........
Katode
Oalam rancangan sumber elektron ini digunakan bahan katode dari tungsten (W). Untuk memprediksi suhu operasi dengan menghitung emisi elektron dari katode (emitor) sebagai fungsi suhu. Suhu operasi sangat berkaitan dengan sifat-sifat bahan pada saat dioperasikan. Satu diantara sifat yang paling penting berkaitan dengan suhu operasi katode adalah titik leleh (melting point). Oalam pengoperasian sumber elektron, suhu katode tidak boleh lebih tinggi dari pada titik leleh bahan katode. Hasil perhitungan untuk memprediksi suhu operasi katode dengan menggunakan persamaan (1 ) ditunjukkan pada Gambar 3. Gambar 3a menunjukkan hasil perhitungan hubungan antara rapat arus jenuh emisi elektron oleh katode sebagai fungsi suhu, sedangkan Gambar 3b menunjukkan besamya emisi arus elektron yang dihasilkan sebagai fungsi suhu. Berdasarkan persamaan (1) menunjukkan bahwa arus jenuh emisi elektron ditentukan oleh suhu katode. Makin tinggi suhu katode, makin besar arusemisi elektron.
Ada tiga komponen penting yaitu katode, elektrode pemfokus dan perisai radiasi termal. Katode berfungsi untuk mengemisikan (memancarkan) elektron, elektron yang diemisikan katode selanjutnya difokuskan dan didorong keluar dari sumber elektron oleh elektrode pemfokus. Agar dapat mengemisikan elektron, katode harus dipanaskan dengan dialiri arus listrik sehingga mempunyai suhu yang cukup yaitu di daerah suhu operasi katode. Karena suhu katode ini, maka elektrode pemfokus menjadi panas yang disebabkan adanya radiasi panas dari katode. Selanjutnya panas ini akan diradiasikan ke dinding tabung akselerator sehingga menyebabkan kenaikan suhu dinding tersebut. Kenaikan suhu dinding tabung akselerator dapat menyebabkan kerusakan yaitu keretakaan pad a sambungan antara elektrode tabung akselerator 1000
359
:..:. <0
'0 ~ c2 .§.,
100 1000 10
<\)
:<
100
./
/'
/ 10
I
I 2000
2100
2200
2300
2400
2500
2000
2100
Suhu katode (K)
2300
2400
2500
(b)
(a) Gambar
2200
Suhu katode (K)
3. Kurva emisi elektron sebagai fungsi suhu katode. a. Rapat arus jenuh emisi elektron sebagai fungsi suhu dan b. Emisi arus elektron sebagai fungsi suhu. Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
360
ISSN 0216 - 3128 Hal
ini
berkaitan
dengan
energi
yang
diberikan pada elektron untuk rnelepaskan dari ikatannya. Makin tinggi suhu katode, berarti makin besar energi yang diberikan kepada elektron sehingga elektron tersebut makin mudah melepaskan diri dari permukaan katode dan akibatnya makin ban yak elektron yang diemisikan. Akibat makin banyak elektron yang diemisikan, maka rapat emisi elektron makin besar. Arus emisi elektron merupakan perkalian antara rapat emisi elektron dengan luas permukaan katode: Jadi arus jenuh ernisi elektron akan makin besar jika rapat emisi elektron makin besar akibat dari makin tingginya suhu katode. Suhu operasi katode dibatasi oleh titik leleh dari bahan katode. Titik leleh bahan katode ini ditentukan pada kondisi operasi yaitu pada kondisi vakum yang cukup tinggi. Kevakuman untuk mesin berkas elektron pad a umumnya berkisar di antara 10' 2 Pa sid. 10-4 Pa (10-4 mbar sid. 10-6mbar) atau lebih tinggj,[8] Makin tinggi tingkat kevakumannya, makin baik untuk kondisi operasi mesin berkas elektron. Karena pad a tingkat kevakuman yang makin tinggi gangguan pad a Iintasan berkas elektron dan efek sputtering yang terjadi lebih keci!. Tingkat kevakuman sumber elektron sarna dengan tingkat kevakuman mesin berkas elektron, maka titik leleh katode ditentukan pada tingkat kevakuman ini. Titik leleh katode dari bahan tungsten adalah 3.050 K untuk kevakuman I. 10-4Torr dan 2.700 K untuk kevakuman I . 10.6 Torr (I Torr sarna dp.ngan 1,33 mbar).(II] Berdasarkan perhitungan untuk memperkirakan suhu operasi katode didapatkan bahwa suhu katode sebesar 2.200 K untuk emisi arus elektron 55,98 mA dan 2.300 K untuk emisi arus elektron 171,73 mA (Gambar 3b). Jadi dengan suhu operasi ini, katode dari bahan tungsten untuk sumber elektron dengan arus berkas sampai dengan 50 mA diharapkan dapat berfungsi dengan baik. Hal ini disebabkan karena suhu operasi untuk menghasilkan emisi arus elektron yang diperlukan masih jauh di bawah titik leleh pad a kondisi tingkat kevakuman saat mesin berkas elektron beroperasi yaitu (10-4 sid. 10.6) mbar. Hasil pengujian awal sumber elektron ini ditunjukkan pada Gambar 4, Gambar 5 dan Gambar 6. Pada Gambar 4 ditunjukkan hubungan arus elektron sebagai fungsi tegangan katode-anode untuk 3 variasi arus filamen. Berdasarkan pengujian terse but didapatkan bahwa arus berkas elektron 9,5 mA untuk arus filarnen 15 A, arus berkas elektron 22,5 mA untuk arus filamen 16 A dan arus berkas elektron 27 mA untuk arus filamen 17 A. Penambahan arus filamen menyebabkan kenaikan suhu filamen (katode) sehingga meningkatkan emisi elektron dari permukaan katode. Hal ini sesuai dengan persamaan (1) yaitu dengan bertambahnya
Suprapto, dkk.
suhu katode makin besar emisi elektron dihasilkan per satuan luas permukaan.
yang
Besar arus berkas elektron yang dihasilkan oleh sumber elektron, disamping dipengaruhi oleh arus filamen juga dipengaruhi oleh tegangan elektrode pemfokus-anode atau tegangan katodeanode sesuai dengan persamaan (2) dan persamaan (4). Berdasarkan pengamatan menunjukkan bahwa walaupun arus filamen dinaikkan sampai 17 A sehingga suhu katode sekitar 2160 K, j ika tegangan katode-anode belum dinaikkan maka belum terbentuk arus berkas elektron atau arus berkas elektron belum terukur. Hal ini disebabkan pada kondisi tegangan katode-anode nol belum terjadi ekstraksi berkas elektron dari permukaan katode sehingga belum ada elektron yang keluar dari sumber elektron. Pad a kondisi ini elektron yang diemisikan oleh katode membentuk awan elektron di sekitar permukaan katode dan membentuk muatan ruang. Dengan demikian emisi elektron oleh katode dibatasi oleh muatan ruang dari awan elektron di sekitar permukaan katode. Jika tegangan katodeanode dinaikkan maka akan terjadi ekstraksi elektron dan terbentuk berkas elektron keluar dari sumber elektron. Karena elektron di sekitar katode terekstraksi, maka awan elektron di sekitar katode berkurang dan terjadi emisi elektron sesuai dengan jumlah elektron yang terekstraksi. Jika tegangan katode-anode dinaikkan sampai pada batas tertentu maka semua elektron yang diemisikan oleh katode akan terekstraksi dan dibentuk menjadi berkas elektron yang dikeluarkan dari sumber elektron melalui celah anode. Pada kondisi ini emisi elektron terjadi secara maksimum sesuai dengan kondisi SUhll operasi katode tersebut dan tidak terbentuk awan elektron di sekitar katode yang membatasi emisi elektron. Berdasarkan perhitungan dengan persamaan (4) dan persamaan (5), untuk mengekstraksi berkas elektron ini didapatkan tegangan katode-anode sebesar 1,9 kV untuk arus berkas elektron 9,5 mA dan 3,38 kV untuk arus berkas elektron 22,5 mA serta 3,87 kV untuk arus berkas elektron 27,5 mA. Hasil perhitungan tegangan katode-anode lebih kecil dibandingkan dengan tegangan katode-anode terpasang dalam pengujian, hal ini dimungkinkan karena arus berkas elektron yang terekstraksi sesungguhnya lebih besar dari pada yang terllkllr. Perbedaan arus berkas yang terekstraksi dengan arllS berkas yang terukur disebabkan karena adanya kehilangan arus berkas elektron yang bertumbllkan dengan atom-atom gas di sepanjang lintasannya dan karena adanya berkas elektron yang menyebar hingga menumbuk dinding tabung hanyut (drift tube).
Prosldlng PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan.- BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
ISSN 0216-3128
Suprapto, dkk.
361
30 25
__ Ifilamen15A -o-Ifilamen 16A -0-1 filamen17A
~
E 20
5 o
2
o
Garnbar
4.
5
(kV)
Hubungan arus berkas elektron sebagai katode-anode untuk variasi arus filarnen.
Pada Gambar 5 dan Gambar 6 ditunjukkan hasil pengujian sumber elektron yang dikombinasikan dengan tegangan pemercepat yaitu untuk mengetahui pengaruh tegangan pemercepat terhadap bcsar arus bcrkas elektron yang dihasilkan. Pad a Gambar 5 ditunjukkan hasH pengujian hubungan arlls berkas elektron sebagai fungsi tegangan pemercepat untuk variasi arus fila men pad a tegangan katode-anode 2 kV. HasH pengujian tersebut mel1unjukkan bahwa pengaruh tegangan pemercepat cukup signifikan terbukti dengan naiknya tegangan
4
3
V katode-anode
fungsi tegangan
pemercepat diikuti dengan kenaikan arus berkas elektron. Besar kenaikan arus berkas elektron adalah dari 5,5 mA menjadi 11,5 mA untuk arus filamen 15 A, dari 12 mA menjadi 24 mA untuk arus filamen 16 A dan dari 2\ mA menjadi 30 mA untuk Kenaikan arus berkas ini arus filamen 17 A. disebabkan karena pengaruh tegangan pemercepat terhadap efek pemfokusan pada daerah masuknya berkas elektron ke tabung akselerator yaitu antara anode sumber elektron dan elektrode pertama tabung akselerator.
35 30
_On'
~ 25 E ';; 20
o
~ 15 Q)
Q)
10 .
5 D-
O
Garnbar
5
10 V pemercepat (kV)
15
20
5. Hubungan arus berkas elektron sebagai fungsi tegangan pernercepat untuk variasi arus filarnen pada tegangan katode-anode 2 kV.
Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerato'r dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
362
ISSN 0216 - 3128
Suprapto, dkk.
45 40
-Vk-a=2
35
-Vk-a=3 kV ...............................................•.. -0- Vk-a=4kV :
130 c: 25 e
~ 20 Q)
Q)
kV
.
:::::::: : :::::::::.::.::.::.: ::..::::. :::::.::::.:.::····..1.::.· .........................
~
-
15
.....................
10
••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••
-
-.--
..
~
::
: .
.
-
-
_u_rJ
-"""' ••••
·.:::···~..··:·_-..::·::~.:.:
--""
••• ~•• ~
·_
J". .......•...................•.
•••••••••
h ••••••••
_ •••••••••••••••••••••••
5 o
12
13
14
15
16
17
18
I filamen (A) Garnbar
6.
Hubungan arus berkas elektron sebagai fungsi arus filarnen untuk berbagaitegangan katode-anode pada tegangan pernercepat 17 kV.
Akibat efek pernfokusan ini harnpir sernua berkas elektron yang terekstraksi sarnpai pada target sehingga dapat rneningkatkan arus berkas elektron yang dihasilkan. Pada Garnbar 6 ditunjukkan hasil pengujian hubungan arus berkas elektron sebagai fungsi arus filarnen untuk variasi tegangan katode-anode pad a tegangan pernercepat 17 kV. Dari pengujian didapatkan bahwa pada arus filamen 17 A dihasilkan arus berkas elektron 30 rnA untuk tegangan katode-anode 2 kV, 35 mA untuk tegangan katode-anode 3 kV dan 40 rnA untuk tegangan katode-anode 4 kV. Setiap perubahan baik arus filamen maupun tegangan kat odeanode rnempengaruhi arus berkas elektron yang dihasilkan. Hal ini disebabkan karena rnakin besar arus filarnen rnakin tinggi suhu katode sehingga jurnlah elektron yang diemisikan rnakin banyak sesuai dengan persarnaan (1) dan rnenyebabkan arus berkas elektron yang dihasilkan rnakin besar. Untuk tegangan katode-anode rnernpengaruhi kernarnpuan rnengekstraksi elektron yaitu rnakin besar tegangan katode-anode rnakin ban yak jurnlah elektron yang dapat diekstraksi sesuai dengan persamaan (2) dan persarnaan (3), karena jurnlah elektron yang dapat diekstraktsi makin banyak rnaka arus berkas elektron yangdihasilkan rnakin besar. Hasil tersebut jika dihubungkan antara pengujian variasi arus filarnen dan tegangan katode-anode pad a tegangan pernercepat 17 kV (Gambar 6) dengan perhitungan ernisi elektron berdasarkan persamaan (1) didapatkan bahwa pada
arus filarnen 15 A, katode dapat mengemisikan elektron hingga rnenghasilkan arus berkas elektron 15 rnA pada suhu operasi sekitar 2100 K. Untuk arus filamen 16 A, katode rnengernisikan elektron hingga rnenghasilkan arus berkas elektron 27,5 mA pada 5uhu operasi sekitar 2130 K dan untuk arus filamen 17 A, katode mengemisikan elektron hingga rnenghasilkan arus berkas elektron 40 mA pada suhu operasi sekitar 2160 K. Jadi baik dari hasil perhitungan maupun pengujian ada beberapa faktor yang rnernpengaruhi kinerja operasi sumber elektron. Faktor-faktor ini adalah arus filamen rnernpengaruhi suhu katode sehingga menentukan jumlah elektron yang diernisikan, tegangan katodeanode mempengaruhi kemarnpuan rnengekstraksi berkas elektron dan tegangan pernercepat memberikan efek pemfokusan pada daerah antara anode dan elektrode pertarna tabung akselerator.
KESIMPULAN Dari hasil rancangan dan konstruksi dapat disimpulkan bahwa surnber elektron menggunakan elektrode Pierce dengan sudut elektrode pemfokus 67,5°. Untuk rnenghasilkan arus berkas elektron 50 mA, suhu operasi katode sekitar 2200 K dan suhu operasi ini masih jauh dibawah titik leleh yaitu 2700 K pada kevakurnan I . 10.6 Torr. Hasil konstruksi. dan pengujian didapatkan arus berkas elektron maksirnurn sebesar 40 mA pada arus filamen 17 A, tegangan katode-anode 4 kV dan tegangan pemercepat 17 kV. Dengan hasil ini
Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
Suprapto, tlkk.
ISSN 0216-3128
diharapkan dapat digunakan pada rnesin berkas elektron industri lateks khususnya untuk pra vulkanisasi lateks karet alam, karena arus berkas elektron yang dihasilkan sudah memenuhi rentang arus berkas elektron untuk mesin berkas elektron di industri.
9. FORRESTER, et. al., Large Ion Beams, Fundamentals of Generation and Propagation, John Wiley & Sons Inc., New York, 1986. 10. PIERCE, J.R., Theory and Design of Electron Beams, D. Van Nostrand Company. Inc, New York, 1954. ] ]. ROTH, Holland 1979.
DAFT AR PUST AKA I. QIZHANG, Z., Electron Accelerators Manufactured in China, UNDP/IAEA/RCA Regional Training Course on EB Irradiation Technology, Shanghai Applied Radiation Institute, Shanghai University of Science and Technology, Shanghai, China, 1991. 2. SUZUKI, M., Recent Advances in High Energy Electron Beam Machine, Nissin-High Voltage Co., Ltd., Proceedings of the Workshops on the Utilization of Electron Beams, JAERI-M, 90-194, 1990. 3. YAMAMOTO, S., Crosslinking of Wire and Cables with Electron Beam, Proceedings of the Workshops on the Utilization of Electron Beams, JAERI-M, 90-194, 1990. 4. MAKUUCHI, K., Electron Beam Processing of Rubbers, Proceedings of the Workshops on the Utilization of Electron Beams, JAERI-M, 90-194, 1990. 5. MERI SUHARINI, Vulkanisasi Lateks Karet Alam Secara Batch Dengan Iradiasi Berkas Elektron, PPI Aplikasi Radiasi, P3TIRBA TAN, 2002. 6. SCHRAF, W., WIESZCZYCKA, W., Particle Accelerators for Industrial Processing, Warsaw University of Technology, Warsaw, Poland, 1999. 7. SUPRAPTO, DJOKO SP DAN DJASIMAN, Peningkatan Kinerja Sumber Elektron Termionik dengan Elektrode Pierce Untuk MBE PTAPB-BATAN, Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya, Puslitbang Teknologi Maju, BATAN, Yogyakarta, 2002. 8. SCHILLER, S., et. al., Electron Beam Technology, John Wiley & Sons Inc., New York, 1982.
363
A., Vacuum Technology, NorthPublishing Company, New York,
TANYAJAWAB Utaja - Bagaimana menghitung memancarkan elektron.
luasan
filamen
yang
Suprapto - Luasan jilamen (katode) yang memancarkan elektron dihitung dengan persamaan (I) dan kebuluhan emisi arus elektron yang diperlukan. Luasan yang memancarkan elektron adalah luasan kulil jilamen (katode).
Saefurrochman - Berapa prosentase elektron yang mencapai target (%)? Apa terdapat toleransi? - Apa terjadi muatan ruang? saja?
Dan dibagian apa
Suprapto - Prosentase elektron yang mencapai pada largel belum dihilung. Perhilungan ini melipuli : kerugianlkehilangan elektron sepanjang linlasan yaitu lintasan ruang vakum (dari sumber eleklron sampai jendela), kehilangan eleklron pada jendela serta pada celah udara anlara jendela dan largel. - Terjadi muatan berkas elektron.
ruang
disepanjang
linlasan
KE DAFTAR ISI
Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
