Edisi khuslls. Jllii 2006
ISSN 1411-IJ49
RANCANGAN DASAR MESIN BERKAS ELEKTRON keV/20 mA UNTUK INDUSTRI LATEKS ALAM
300
Darsono PuMek Akselerator JI. Babarsari
dan Proses Bahan-BA TA N
Kotak Pos 6101 yk bb, Yogyakarta 55281
ABSTRAK RANCANGAN
DASAR MF;SIN BERKAS HI.EKTRON JOO keVI20 mA UNTUK INDUSTRII.AnKs.
PotellSi
pemanfaatan MBE (Mesin Berkas Elektron) sebagai alat proses karet alam iradiasi IIntllk prodllksi hW'ang jadi karet (kondom. sarung tangan, tensimeter) skala nasional maupun internsional sangat menjanjikan. Nasi! kajian menunjukkan dibutuhkan sekitar puluhan sampai dengan ratusan MBE dengan spesifikasi 250JOO keVIIO mA untuk mensuplai I - 10% kebutuhan karet alam iradiasi. Berdasarkan data kajian tersehllt telah di!akllkan pembllatan rancangan dasar prototip MBE JOO ke VI20 mA skala industri. Dalam perancangan diperhitungkan aspek teknologi, ekonomi, dan estetika yang diselaraskan dengan kriteria penggllna dan komponen mekanik dan elektrik yang ada dipasaran. Struktur MBE ini terdiri dari sllmher elektron dengan katoda Wolfram yang menyatll dengan tabung akselerator berkapasitas 20 mA. 2 hllah tahllng akselerator herkopositas 400 kV podo hejono hertekanon CO! don N! 7 atm. sistem pell!filkllS dOli pemayar herkas elektron. mrong pemayar berkas elektron dengan tebal jendela Ti 17,5 )Jm dengall Illo.w/ll herkas 6 cm x 60 cm, sumber tegangan tinggi jenis transformer i11literbumikan herkapasitas J50 k VIJIi mA. sistem vakum menggunakan pompa turbo, sistem penghisap ozon, dan pengaman radiasi sinar X sekitar bejana iradiasi lateks serta sistem intrumentasi dan kendali. MBE yang dirancang ini bemkuran 2 m x 2 m x 2,5 m dengan komponennya terpasang secOl'a modul u11lllk memudahkan mobilisasi dan perawatan. Modlls operasi produksi karet alam iradiasi secara batch dengan kapasitas produksi 90 liter per jam.
K/\ 1'/\ KUNCI : mesin berkas elektron. peraneangan. karet alat iradiasi. skala industri.
ABSTRACTS BASIC DESIGNS OF THE ELECTRON BEAM MACfl/NE (EBM) FOR NATURAL RUBBER LA7EX INDUSTRY. Potential utilizations of EBM for natural rubber irradiation processing to produce rllbber goods such as condom, hand gloves, ters/meter give very good prospects and big promises to national and i11lernational indllstries. The investigation reports show that if is needed about tens upto hundredr of EBM with specification 250-JOO keVIIO mA (with production capacity 500 tonly) to supply 1% III' to 10% of irradiated natural rubber latex (INRL) in the market. Based on the. reports BATAN has made a basic design of a prototype EBM JOO keVI20 mA in industrial scale. In making basic design many aspects in engineering developments such as technology. economy, estetica, as well as the availiblitY of mechanical and electrical components in a local market are considered. The prototype EBM structure consists of electron glln in one system with acce/~rator tubes usi';g wolfram filament, two accelerator tllbes of 400 kV capacity at 7 atm pressure of CO2 dan N 2 gases, focusing and scanning sytems, scanning tube with electron beam size of 6 cm x 60 cm using Ti window thickness of 17.5 )Jm. grounded transformer NV with capacity of J50 kVIJO mA. vacuum system using turbo pump, safety'system from X-rays and Ozon hazards, and control system. 7he F:BM i.r designed to be 2 m x 2 m x 2.5 m in size, and main components in the form of moduls to ease in mobi!i=lltion and maintenance. Operationlllode of /:'IJM.fi)r irradiation processing of nati,ral rubber latex is ill bacth with 90 liter capacity.
Keywords:
EBM. engineering design. natural rubber latex. industry.
PENDAHULUAN MBE (Mesin Berkas Elektron) adalah satu pcmereepat teknologi clcktron baru sering yang disebut telah dikcmbangkan dalam dua dekadc yang lalu scbagai sumbcr radiasi pada proses iradiasi suatu produk industri. Pcmanfaatan MBE dalam bidang industri
Mcsinjenis
RANCANGAN DASAR MESIN BERKAS ELEKTRON ke VI20 mA UNTUK INDUSTRI LATEKS ALAM Darsono
JOO
telah berkembang pesat di negara-negara maju. terutama dalam proses pengeringan pelapisan (curinK of coatings) permukaan suatu bahan. proses pembcntukan ikatan silang pada plastik. karet dan bahan isolasi kabel. proscs pembuatan latcks alam iradiasi. sterilisasi pcralatan medis. pengawctan bahan makanan. moditikasi tckstil dan graft polymerization[I.2.J.4J• /\pabila dibandingkan dcngan 47
ISSN 14/1-1349
Edisi khuSIIS, .fuli 2006
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 energi, reaksi-reaksi terjadi pada suhu kamar, proses yang terjadi mudah dikontrol, biaya operasi lebih rendah untuk produksi masaI. Lateks alam iradiasi atau lateks pekat pravulkanisasi radiasi adalah lateks alam yang sudah divulkanisasi dengan radiasi pengion sinar gamma dari 6OCO atau berkas elektron dari MBEI5.61. Indonesia merupakan negara penghasil karet alam nom or dua di dunia, dengan kapasitas produksi pada tahun 2004 sekitar 1,8 ton atau 21,7% dari produksi dunia yang besarnya sekitar 8,3 juta ton. Sebagian besar barang jadi karet didominasi oleh ban dan barang cetak teknik lainnya yang berasal dari karet yaitu sekitar 87%, sedang sisanya (sekitar 13%= I0,8 ton) adalah barang karet dari lateks alam (71.Problema yang timbul dari barang jadi karet adalah diketahuinya kandungan nitrosamin (bahan penyebab kanker) berasal dari bahan kimia senyawa karbamat yang ditambahkan pada waktu membuat barang jadi karet vulkanisasi belerang dan protein alergen (bahan penyebab alergi) yang berasal protein karet alam[8,91. Akibat dua problema tersebut dikawatirkan peminat barang jadi karet alam akan beralih ke barang jadi karet sintetis. Hal ini akan mengancam keberadaan industri hulu dan hilir negara penghasil karet alam antara lain Thailand, Indonesia, Malaysia, Vietnam, India, dsb. Vulkanisasi lateks karet alam dengan teknik iradiasi berkas elektron mempunyai keunggulan: meningkatkan nilai jual lateks pekat menjadi lateks pekat pra vulkanisasi, proses iradiasi dapat dilakukan di pabrik sebelum proses pemekatan serta prosesnya sederhana dan mudah ditangani. Disamping itu. keunggulan barang jadi yang dihasilkan adalah: hemat bahan kimia dan pengurangan energi panas sehingga beaya produksi menurun ± 40 %. Waktu untuk memproduksi barang jadi dati bahan lateks yang diiradiasi dapat ditekan menjadi setengahnya dari waktu yang diperlukan apabila menggunakan bahan dari lateks pra-vulkanisasi secara konvensionaI. Dengan teknologi iradiasi ini dapat menghasilkan lateks pra-vulkanisasi scbagai berikut: bersifat stabil dalam penyimpanan sehingga sangat cocok untuk industri kecil dan menengah, memiliki kadar protein, karbohidrat dan lemak yang rendah serta bebas dari nitrosamine dan protein alergcn yang sampai saat ini belum ada cara lain untuk mengatasinya. Teknologi ini telah diintroduksikan kc industri perkarctan baik skala nasional maupun intcrnasional. lIasilnya menunjukkan bahwa potensi pemakaian lateks alam iradiasi untuk produksi barang jadi karct Proseding Perlenlllan dan Presenlasi f/miah Teknologi tlkseleralo/' dan Aplikasinya Edisi khIlSUS, .filii 2006 : 47 - 61
(kondom,
sarung tangan, tensimeter)
skala nasional
sekitar 1000 ton/tahun, sedanr skala internasional sekitar 1,7 juta ton per tahun 101. Mcnurut Marga Utama bila diasumsikan hanya 1% mcnggunakan lateks alam iradiasi, maka akan dibutuhkan mcsin berkas elektron berenergi 250-300 keY dcngan arus 10 mA berkapasitas produksi 500 ton/th sedikitnya 34 buah, dan bila diasumsikan pcmakaian latcks alam iradiasi untuk barang jadi karet 10% kcbutuhan dunia, maka dibutuhkan mesin berkas elektron sedikitnya 340 buah lebih(11]. Berdasarkan uraian terse but di atas, pada makalah ini dilaporkan hasil pembuatan rancangan dasar MBE untuk industri lateks yang meliputi: a). konsep rancangan dasar yang memuat kritcria pengguna, aspek-aspek perancangan dan batasan rancangan, b) rancangan dasar yang mcmuat dasar pcrhitungan perancangan dan kritcria bahan dari masing komponen MBE. Pembahasan ditinjau dari aspek SDM, penguasaan teknologi, dan pcrhitungan awal besar biaya yang diperlukan.
KONSEPSUAL RANCANGAN
MBE
1. Kriteria Pengguna MBE untuk iradiasi lateks karet alam harus memenuhi faktor penting sebagai berikut : Struktur kompak, Harga rendah, Mampu dioperasikan lama. Mampu memproduksi 1000 ton pcr tahun(121. Struktur kompak MBE merupakan faktor pcnting karcna MBE ini sebaiknya diinstalasi di industri pcrkaretan alau di perkebunan tanpa mcmerlukan ruang iradiasi khusus scpcrti halnya menggunakan iradiator gamma. Agar biaya proses pembuatan karct alam iradiasi bcrsaing dengan metode konvcnsional maka harga MBE rendah. MBE mampu dioperasikan lama. mampll memproduksi 1000 ton per tahun. dan l11udah pcrawatannya. Pcrsyaratan pcngguna MBE untllk proses pravulkanisasi lateks karct alam ditunjukkan pada Tabell. Tabel 1: MBE untuk proses produksi alam
lateks karet
Kcterangan maksimum 300 keV maksil11um 10 mA ember bentuk kotak dengan sistem pcndingin lateks cair Batch dengan kapasitas roduksi 90 liter ocr iam
2. Aspek dan Batasan Rancangan Dari kriteria pcngguna terse but diatas maka pada perancangan MBE untuk industri lateks harus 48
ISSN 14/1-1349
Edisi khusus. Juli 2006 .
Batch 12kW Arus dan Jenis sistem ember dan ALARA adalah Konsumsi Bentuk Jendela 200 -mA 300 keY Ukurantotal Maksimum berkas 620 kW Energi elektron Ti 6foil=17,5 cm x&60 mikro cm. metcr Spesifikasi KomDonen Satuan Rentang Agar kompak Modus dengan daya 2,5)mJ Daya (2 xMaksimum 2reaktor xoperasi kriteria aspek pengguna, kapasitas encrgi menggunakan Faktor dengan lempeng ketujuh pemakaian dipertimbangan beberapa aspek: keempat adalah wadah latcks didcsain dcmikian rupa lateks No dan mobil maka ukuran struktur MBE Gambar harus I. keeil listrik produksi 90 liter per iam timbal. memenuhi 4 2 6 elektron 3 MBE listrik harus efisien. 8 pendingin lateks 7 cair 1 5 dan tebal Ti foil batasan peraneangan maka MBE untuk industri lateks sumber perawatan, bertekanan. elektron dan Disamping handal dan tabung operasinya. itu pemereepat sumber tegangan dalam bejana tinggi serta 300 pemercepat bisa konsep pravulkanisasi Kunci harus Perisai MBE lateks keY mobil. komponen sebagian kompak mengecilkan seperti gambar radiasi dan harus Spesifikasi arus ditunjukkan lateks dipasang pakai teknis MBE 10 berbasis ukuran mobil, mA karet sistem dapat konsepsual teknis adalah hanya struktur alam mudah pada pad diinstalasi knock a MBE dengan pada seperti Tabel transformator MBE pcngoprasian MBE down daerah untuk secara menyungkup 2 untuk terlihat pada agar sedangkan industri iradiasi modul. proses energi MBE pada DC. dan Komponen eerobong. yang gas dan serapat ozon diradiasi, harus Keenam mungkin dan dikungkung kompatibel. adalah serta mudah pengamanan dalam Faktor dikeluarkan ruangan kelima radiasi mclalui sckccil adalah harus agar MBE tidak terlalu be rat. Juga sistem kerangka eair sehingga yang dapat diradiasi, mendinginkan mudah dalam dan penggantian mengaduk latcks Aspek teknologi Berdasarkan Tabel 2: Spesifikasi TeknisdanMBE untuk Industri 3, Konsep Gambar Teknis Spesifikasi MBE I. komponen lokal sebanyak mungkin 2. pengoperasian mudah 3. handal 4. pcrawatan mudah Aspek ekonomi I. harga komparatip 2. suku cadang mudah 3. pcrawatan murah Aspek estetika I. kompak 2. scrasi 3.mobil Untuk mencapai aspek tersebut diatas pcrlu dirancang MBE dengan komponen sedikit mungkin tctapi sesuai fungsi yang diharapkan. Rancangan komponcn struktur MBE tersebut meliputi : a. Sumbcr clcktron b. Sistem pemercepat c. Sistem optik d. Sistem pemayar berkas elektron yang meliputi corong pemayar, jendela Ti, pendingin jendela e. Sistcm vakum f. B~iana tckan untuk menyungkup tabung aksclerator dan sumbcr elcktron g. h. i. j. k.
Perisai radiasi sinar X Pcngaman Ozon Sistem intrumentasi dan kendali Bcjana iradiasi lateks Kerangka MBE Batasan rancangan meliputi beberapa faktor. Faktor-faktor yang harus diperhatikan dalam pcrancangan agar aspek-aspek tersebut dipenuhi adalah pcrtama diusahakan jendela Ti setipis mungkin untuk menghindari energi yang hilang pada jendela Ti. Jika hal ini dapat dilakukan maka akan bcrdampak pada perancangan sumbcr tegangan tinggi yang lebih rendah. Faktor kedua adalah sumber elcktron terutama katodanya harus mempunyai umur yang panjang (dapat beropcrasi 10000 jam per tahun) schingga penggantiannya tidak terlalu sering, hal ini dapat dipcnuhi dcngan menggunakan katoda Wolfram atau LaBb• Faktor kctiga adalah SIK harus sesederhana mungkin bila perlu hanya ada 3 sampai 5 tombol opcrasi (ON/OFF power, pengatur arus, tegangan. pembuka pintu iradiator, pengaduk lateks) serta pancl operasi pada dinding kerangka MBE. Pintu iradiator bisa dibuka apabila ozon dibawah batas dan sinar X nol (arus filamcn nol). Faktor
RANCANGAN DASAR MESIN BERKAS ELEKTRON keV/20mA UNTUK INDUSTRI LATEKSALAM Darsono
300
49
Edisi khusus, .fuli 2006
/SSN /./11-/3./9
~
ttHm"IlURlJt.JlM1:DI1>!.
1Iro."~ciHtoI1'<.)"" y.()'I ••••.1101. P:OlCD'rn>.!. DI"IIUtN! )00). VII •••• trvUb*,1I:i.t&~.
1k.~1~: OI~'LHJ
bw.o
&I,
;;1' __ .•••••••I __•
~••••••••
Gambar I: Konsep gambar teknis MBE untuk industri lateks
RANCANGAN DASAR MBE I. Sumber Elektron Sumber elektron untuk arus dibawah 50 mA biasanya digunakan sumber elektron tipe termionik dengan katoda wolfram. Sumber elektron tipe terll1ionik dengan elektrode Pierce Il1cll1punyai elektrodc pcmbentuk berkas yang terdiri dari: katode, elektrode pemfokus dan anode. Sumber elektron tipe termionik adalah sumber elektron di mana elektron dihasilkan melalui proses emisi atau panearan termionik pada filamen panas karena dialiri arus listrik. Elektron-elektron yang dipancarkan terse but kemudian dipercepat dengan medan elektrostatik dan dibentuk menjadi berkas elektron menggunakan elektrode pembentuk berkas (pemfokus) dan anode. Sumber elektron untuk MBE lateks dirancang menyatu dengan tabung pemercepat sepcrti terlihat pada konsep gambar teknis sUll1ber elektron pada Gambar 2.
Gambar 2: Konsep gambar teknis sumber elektron Rapat arus emisi tcrmal elektron (l\/em2) akibat pemanasan besamya mengikuti persamaan Richardson-Oushmann sebagai berikutll31
J = AT2e(-f,o)
(I)
dengan A adalah konstanta Richardson (l\/cm2 K2).
50
/SSN /4//-/349
Edisi khl/SlIs. JI/Ii 2006
bahan liIamcn (btodc). Emisi clcktron olch katodc juga dipengaruhi olch luas permukaan emisi. Pada sumbcr clektron tcrmionik dcngan clcktrodc Pierce, clektrodc pembentuk bcrkas (pemfokus) bcrfungsi untuk menolak/mendorong dan mcmfokuskan clektron hasil cmisi tcrmionik schingga membcntuk berkas elektron. Berkas clcktron ini diekstraksi keluar dari sumber elektron mclalui cclah/slit anode. Pada sumber elektron, tcgangan ekstraksi adalah tegangan yang diberikan di antara katode (elcktrode pemfokus)-anode. Jika diharapkan bahwa elektron mempunyai lintasan sejajar dengan sumbu berkas (sumbu x) dan kerapatan arus elektron yang diekstraksi kcluar dari sumber elektron (Je) seragam dalam arah sumbu x dan dengan mengabaikan efck magnctik. maka tcgangan ckstraksi ditcntukan bcrdasarkan persamaim diferensial berikut,141:
-d2V
_
J --,,-----
dx2
-
c",fhiVY2
(2)
dengan c,. adalah konstanta dielektrik (rIm), '7 pcrbandingan muatan dcngan massa elcktron (c/m) dan V tcgangan yang dibcrikan pada tcrminal katodc (clcktrodc pcmfokus)-anodc (V). 2. Sistem Pemercepat Sistem pemercepat pada pokoknya terdiri atas dua bagian yaitu tabung pemercepat dan sumber tegangan tinggi. Tabung pemcrccpat terdiri atas sejumlah elektroda berbentuk cincin tipis tersusun dengan jarak spasi tertentu dan merata dengan pemisah dari bahan isolator biasanya dari keramik atau gelas, keseluruhannya tersusun berbentuk tabung yang tahan vakum tinggi. Dari suatu sumbcr tcgangan tinggi DC, tegangan dicatukan ke tabung pemercepat yang terdegradasi secara merata pad a tiap elektroda mulai dari tingkat pertama di sisi sumber elektron hingga terakhir di sisi ground melalui suatu rangkaian tahanan pembagi tegangan. Dengan beda potensial yang merata pada tiap celah elektroda yang berdckatan akan terbcntuk medan listrik yang homogen searah, sehingga berkas elektron akan dipercepat dalam arah gerak seragamfisl.
Secara tisis bahwa energi berkas elektron sctclah proses pemercepatan melalui tabung pemercepat adalah senilai dengan tegangan pemercepatnya, maka kapasitas tegangan tabung pemcrcepat tersebut harus sesuai yaitu sarna atau Icbih bcsar dari energi berkas MBE yang dikehendaki, atau dapat dirumuskan berikutfl6]
Mengacu pada keterangan dari NEC (National untuk tabung Electroniquc Company Co.Ltd.iI71 pcmcrccpat jcnis "general purpo.fe". scliap satuan tabung dengan 10 buah elektrode mcmiliki kapasitas 75 kV dalam pcmakaian atmosfir ruang dan 200 kV dalam gas bertckanan. Tcrkait dcngan kcbutuhan kapasitas MBE 300 keY, maka kebutuhan tabung pemercepat dapat dipenuhi dengan mcnggunakan 2 buah satuan tabungjenis "general purpose" dari NEC yang dikondisikan dalam gas bertekanan. Bcsamya arus berkas yang dipcrccpat 'adalah menjadi beban arus bagi sumbcr tcgangan tinggi (SIT). Dengan demikian kapasitas daya STT harus mengatasi besarnya daya berkas clcktron atau daya MBE yang diinginkan. (4) dengan Va.. fa masing-masing adalah tcgangan dan arus SIT dan £h. '" adalah cnergi dan arus berbs MBE. Sclisih lebih besar pad a kapasitas daya srI' terhadap daya MBE dipcrlukan untuk mcngatasi rugirugi dan berbagai kebutuhan lain disamping arus bcrka.~, antara lain adalah: a. Arus yang dipcrlukan mclalui rangkaian pcmbagi tcgangan. b. Arus yang dipcrlukan mclalui rangkaian tahanan meter pengukur tcgangan. c. Arus yang dipcrlukan melalui rangkaian tahanan pcnyearah. d. Arus bocor yang tidak diperlukan mclalui kolom isolator. e. Arus bocor yang berupa arus korona. f. Arus bocor dalam bentuk arus elektron sekunder. Sumber Sumber tegangan tinggi (STT) yang dimaksud dalam hal ini merupakan STT arus scarah (DC) yang diperlukan untuk mencatu tabung pemercepat mesin berkas elektron (MBE) 300 keV/20 mA untuk industri lateks. Berdasarkan kapasitas MBE terse but, SIT harus memiliki kapasitas tegangan <: 300 kV dan kapasitas arus > dari 20 mA, dengan kata lain dipcrlukan jcnis srI' bcrdaya besar dengan tegangan rcndah. Kapasitas daya STT terdiri atas kapasitas tcgangan dan arus. Menurut cara pembangkitan tegangannya terdapat 3 macam jenis sumber tegangan tinggi DC yaitu: pelipat tegangan (Cockcroft-Walton), pcnimbunan muatan (Van de Graaff) dan tipe transformator.!IBI. Untuk tegangan dibawah 1000 kV transformator DC mempunyai ukuran yang lebih keci\. SIT .jcnis transformator dibedakan menjadi dua yaitu: jcnis inti terbumikan (grounded core transformer type atau GCT). Diagram rangkaian koil dan penyearah STT ditunjukkan pad a Gambar 3.
51
Edisi khllSIlS, Jllli 2nn6
ISSN 1411-1349
Kapasitas tegangan disesuaikan dengan kebutuhan energi MBE, sehingga kapasitas legangan SlT adalah senilai dengan kapasilas MBE yang dikehendaki, atau dapat dirumuskan sebagai berikut:
Diodo
(5)
]
dengan Va adalah keluaran tegangan STr (kV) dan Eh energi berkas MBE (keV). Sedangkan kapasitas arus harus eukup besar untuk dapat mengatasi jumlahan dari arus berkas elektron MBE yang dikehendaki dan rugi-rugi arus yang terjadi. 1.\77'~ (In
! ---.- ..'
1,--' I
1.,,_
~'_L04
II"
II:
-
.
~!!n.:L' : Gambar
-- -
:
11
•
JI I I
:''
04
hU_:
i
3. Diagram rangkaian penyearah STT
Tabel3:
Perbandingan
koil dan
sifat-sifat
yang dimiliki
STT dari jenis GCT dan ICT
3. Sistem Optik Sislem oplik yang digunakan terdiri dari 2 bagian sub sistem pemfokus dan pemayar. Sub sistem pemfokus adalah sistem yang berfungsi mengarahkan lintasan berkas agar selalu berimpit dengan sumbu labung pcmercepat sebelum dilakukan pemayaran sehingga sesuai dcngan yang diharapkan. Sub sistem pemayar berfungsi menyimpangkan berkas dengan sudut simpangan lertentu sesuai dengan target yang dikehendaki dalam proses penyinaran. Mekanisme pemfokusan berkas cleklron analog dengan pemfokusan cahaya dcngan lensa oplik. Pada MBE sistem lensa dapat berupa medan eleklrostatis atau medan magnet, dalam hal ini digunakan medan magnet (lensa magnel) yang bentuknya seperti pada Gambar 4.
Prosedil1g Pertemllal1 dal1 Presel1tasi IImiah Tekl1ologi Akselerator dal1 Aplikasinya Edisi khllslls. JIlIi 2nn6: 47 - 61
(6)
dengan 1.\7'f adalah kapaSitas arus SlT (mA). III arus berkas elektron MBE (mA) dan II. jumlahan rugi-rugi arus yang terjadi (mA). Keunggulan dan kekurangan dari jenis transformator ini terlihat pada Tabel 3.
-:
_~ II II _ . •-- ,:.__
+ h)
LJ
\
Kurnparan P,rnl.kIIl
U
B,
(O.Z)
LU
L
(-:
11~.161:
':J_~I - :~~_-_-_-_-_-t~T; .~
lJ Gambar
Kurnpat'" P,rnl.kII,
U
4. Medan magnet sistcm pcmfokus.
Arah bekas elcklron searah dengan sUl11bu i'.( sumbu optik ) dimana pad a daerah sumbu oplik arah medan magnet B sejajar dcngan arah Z. Berbs elektron yang sejajar dengan sumbu oplik tidak mengalami pemfokusan, sedangkan arah bcrkas yang menyimpang dengan sumbu optik akan disimpangkan ( difokuskan ) seperti pada lensa oplik. Pada sistem pemayar arah medan magnel 13 tidak searah dengan arah berkas elektron letapi tegak 52
ISSN 141/-/349
Ed~ikhusus,Juli2006 lurus arah berkas elektron seperti terlihilt pada Gambar 5. Berdasarkan gaya Lorentz bekas elektron (2) dengan yang searah dengan sumbu optik kecepatan V melalui medan magnet B yang tegak lurus V, akan dibelokan (disimpangkan) sebesar sudut Ct dengan jejari R. Besamya penyimpangan tergantung dari energi elektron dan besar medan magnet B yang terpasang. Fenomena dasar perilaku elektron yang bergerak dengan kecepatan V dalam medan magnet dan listrik dinyatakan dalam gaya Lorentz yang dirumuskan dalam persamaan berikut.
F = qE
+
q x Vx B
(7)
Pada sistem optik baik pada pemfokus maupun pemayar untuk menyimpangkan gerak elektron menggunakan medan magnet, sehingga perilaku elektron hanya tergantung pad a kecepatan V dan medan magnet B. Untuk sub sistem pemfokus jumlah lilitan kawat yang dibutuhkan agar diperoleh medan B sehingga perilaku elektron sesuai dengan yang dikehendaki, dinyatakan pada persamaan berikut. N =
(8 m Ed
lef)/12 1 Po I
(8)
dengan m adalah massa elektron (kg), E tenaga elektron (eV), d panjang celah (m), e muatan elektron (C), Po permeabilitas udara (HIm), I kuat arus (A) dan N jumlah lilitan. Untuk sub sistem pemayar pengarah jumlah liIitan kawat yang diperlukan dinyatakan pada persamaaan berikut.
N = sin a g (2 m VIe)
'I,lpo
IL
(9)
dengan a adalah sudut belok, g jarak antara kutub kumparan (m) dan L panjang kumparan (m). perhitungan sejenis untuk mendapatkan persamaan 8 dan 9 dapat dijumpai pada acuan nomor 19.
--
,...---I
v
\_----
I
I
,
~
....•
u
I I
______ Jz
I
--------J
I
Gambar 5. Medan magnet sistem pemayar. 4. Corong Pemayar Corong pemayar berbentuk trapesionidal dengan ujung atas dan bawah mempunyai ukuran rongga yang berbeda. Pada ujung tengah atas. mempunyai rongga berbentuk lingkaran yang terhubung dengan tabung pemfokus sedang rongga RANCANGAN DASAR MESIN BERKAS ELEKTRON 300 keV/20 mA UNTUK INDUSTRI LATEKS ALAM Darsono
bawah berbentuk segi empat yang merupakan pemayaran berkas elektron kekanan maupun kekiri. Pada ujung rongga bawah terdapat jendela Ti yang memisahkan sistem hampa dan atmosfer yang berfungsi agar elektron dapat dikeluarkan ke atmosfer untuk keperluan iradiasi sam pel. Pada corong pemayar ini menempel magnet pemayar yang berfungsi untuk memayarkan berkas kekiri dan kekanan. Sehingga material yang untuk corong pemayar harus dipertimbangkan beberapa hat: • Ukuran berkas elektron pada target (panjang x lebar) • Tinggi/panjang corong pemayar • Kemampuan vakum • Detleksi yang diijinkan pada dinding corong pemayar • Sirip penahan dinding agar detleksi yang terjadi lebih kecil dari yang disyaratkan Material yang digunakan harus tahan korosi Berdasarkan pertimbangan di atas maka rancangan dasar sistem corong pemayar harus benarbenar diperhitungkan dari segi kekuatan, kebersihan dan mampu vakum[20. 23J. Yang pada akhimya akan menentukan jenis material yang akan digunakan, dan juga pengerjaan yang diperlukan[22J• Untuk bahan mekanik yang digunakan harus memenuhi standar ASME, ISO, ASTM[20.22J. Konsep gambar teknis corong pemayar seperti terlihat pada Gambar 6. Karena dinding corong pemayar berada an tara ruang hampa dan tekanan afmosfer maka yang penting untuk diperhitungkan adalah detleksi yang diijinkan. Untuk menentukan tebal dinding corong pemayar agar mampu vakum orde 10.6 mbar dan 0,4 cm diperlukan beberapa detleksi maksimum persamaan [20J: •
384Elo=FLJatau
FL3
384EI
(10)
dari persamaan (10) akan diperoleh besarnya detleksi dengan mengasumsikan tebal dinding rata (homogen) dan menghitung dengan coba-coba untuk beberapa ketebalan plat dari bahan tertentu dimana F adalah gaya tekan/tarik (kg), L panjang tumpuan (cm), E modulus elastisitas (kg/cm2), dan I momen inertia (cm4). Besar momen inertia dapat dihitung dengan persamaan berikut (1 I) Jika hasH dari perhitungan besar detleksi melebihi dari yang disyaratkan (0,4 cm) inaka pada dinding corong pemayar dipasang sejumlah sirip penahan, ini dimaksudkan untuk memperpendek jarak tumpuan (L) sehingga persamaannya menjadi FL3 FL3 x=-0=-384Elo 384Elx
(12) 53
Edisi khl/sl/s, JI/Ii 2006
/SSN /4/1-/349
Hasil perhitungan besar detleksi dan jumlah sirip dari pcrsamaan (10),( II ),( 12) dapat digunakan untuk menentukan ketebalan dinding. Untuk menghitung Icbar dan tcbal dari sirip mcnggunakan persamaan bcrikut 7WL) 7WL' £>=-/=-1920El 1920£.-5
( 13)
sehingga akan dipcroleh besamya mom en inertia (/).
melampui batas, maka diperlukan suatu pcndingin. Pada sistem pendinginan dengan udara yang dihembuskan dengan motor blower langsung ke window agar panas yang terdesipasi dapat dipindahkan ke lingkungan. Jumlah udara yang harus dihembuskan ditentukan berdasarkan jumlah panas yang terdisipasi dan laju perpindahan panas yang terjadi. L~iu perpindahan panas harus dihitung berdasarkan bilangan Reynold (Re), bilangan Nussclt (Nu) dan koefisien perpindahan panas seeara konveksi (h). Besarnya I~iu perpindahan panas dari window ke udara (q) adalah (21)
q = hA(T •. - T,,)
(15)
dengan A adalah luas permukaan perpindahan panas (Iuas permukaaan window) T••. suhu window dan T" suhu udara pendingin. Ukuran jcndela Ti 6 em x 60 em dengan tebal 17,5 itm memenuhi kriteria perancangan. 5. Bejana Tekan Gambar
6: Konsep gambar teknis corong pemayar
Jcndela (window) Ti sebaiknya dibuat setipis mungkin namun tentunya harus memperhitungkan pcrbedaan tekanan antara ruang hampa dan atmosfer. Untuk menentukan tebal window agar tidak terjadi kerusakan pada saat menahan perbedaan tekanan yang tCI:iadi an tara tckanan hampa dalam ruang MBE dan tekanan atmosfcr digunakan persamaan berikut.
s = t!.pbj2 8hr
( 14)
dengan S adalah tebal window (em), t1p perbedaan tekanan antara ruang hampa dengan tckanan diluar ruang hampa (atm), br lebar window (em), h yield strength (MPa) dan r tensile strength (MPa). Dengan memasukkan besaran-besaran pada persamaan (14) akhirnya didapatkan' tebal window. Pad a kondisi mesin berkas elektron bcropcrasi. berkas elektron kcluar dari mesin berkas elektron menuju targct dilcwatkan mclalui window. Pada kondisi ini, bcrkas elektron kehilangan sebagian energinya yang terserap oleh window dan terdisipasi menjadi panas. Besar kchilangan cncrgi pada window tcrgantung dari daya hcnti (stopping power) bahan window yang digunakan. Besar kehilangan energi ini dihitung dcngan persamaan menggunakan aeuan 3. Akibat bcrkas elcktron yang kchilangan sebagian energinya dan terdesipasi menjadi panas pada window menyebabkan kenaikan suhu window. Hal ini dapat mengurangi kekuatan mekanis dari window tcrsebut. Agar kenaikan suhu window tidak Proseding l'ertenlllan dan I'resenlasi I/miah Tekn%gi Akse/erato,. dan Aplikasinya Edisi khusus. Juli 2006 : 47 - 6/
Bejana tekan berbentuk silinder dimana pada bagian atas ditutup dengan bentuk sctengah bola sedangkan bagian bawah ditutup dengan plat datar berbentuk flange. Bejana ini berfungsi untuk mengisolasi tegangan tinggi pada tabung pemereepat elektron dan sumber elektron. Untuk meneegah agar tidak ter:iadi discharge maupun breakdown voltage pad a saat MBE dioperasikan, maka diperlukan isolasi tegangan tinggi yang berupa gas isian eampuran N2+C02 masing-masing 50% pada tckanan orde 7 atm. Konsep gain bar teknis bejana tckan scperti terlihat pada Gambar 7.
20
50
4>
35 55
Gambar
7: Konsep gambar teknis bejana tekan
Pada dasar peraneangan ini diperhitungkan tiap-tiap bagian/komponcn bejana tekan antara lain,
pcrlu dari 54
F:disi khllSUS, Jllii 20(}6
I. Tabung bejana tekan (tebal dinding, diameter dan tinggi tabung) 2. Flange (tebal, diameter, jumlah dan ukuraf1lobang baut) 3. Baut pengikat ( jumlah dan ukuran baut bcrdasarkan bahannya) 4. Gasket (bahan, ukuran tebal dan diameter) 5. Nepel dan fasilitas sambungan (terminal kabel HV, SIK, meter indikator tekanan gas isian, dll.) Untuk menentukan tebal dinding bejana agar aman/mampu menahan tekanan gas isolasi dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikutl241: ( 16)
t= p.D 2.a,
Kevakuman akhir berkaitan dengan waktu pemompaan pada kondisi transisi dan bcrkailan dengan beban gas pada kondisi manlap (steady state). (P) sebagai fungsi waktu Tingkat kevakuman pemompaan adalah(2~1 P
=(P,-P.)CXP{[-(~'}]/[I+(~)]}+/:,
(18)
dengan Pi adalah kevakuman awal (Torr). I'll kevakuman akhir (Torr). Sf' laju pemompaan teoritis (It/detik), V volume ruang yang divakumkan (liter) dan t waktu pemvakuman (dctik). Kevakuman akhir pada kondisi mantap (PII) dihitung dengan persamaan!251
.,.--_.~'"-- --~ .
dcngan : at adalah tcgangan larik ijin bahan, kglcm2 , p adalah tckanan gas isian dalam b~iana tckan, kg/cm2 D adalah diamater bejana tekan, cm. Dengan mengasumsikan tebal gasket = 1/16 inch, Icbar gasket dapat ditentukan dengan pcrsamaan1241 ( 17)
-;;;= d" [
y-P(III+l) y - P.III
]"5
dengan. do adalah diameter luar bejana (inchi), di adalah diameter dalam bejana (inch i), I' adalah lckanan gas isolasi dalam bcjana (Psi). y adalah minimum seating ~·tress (Psi), dan adalah factor gasket. 111
6. Sistem Vakum Sistem vakum digunakan untuk memvakumkan ruangan di dalam MBE dengan tingkat kevakuman tertentu agar elektron dapat bergerak tanpa hamburan yang berarti ketika dipercepat. Tingkat kevakuman ini berkaitan dengan bahan komponen-komponen vakum yang digunakan, cara penginstalan dan laju pemompaan. Perhitungan yang berkaitan dengan tingkat kevakuman M BE adalah be ban gas, konduktansi saluran, laju pemompaan efektif dan tingkat kevakuman akhir yang dapat dicapai. Beban gas ini meliputi pelepasan gas (olltgasing), kebocoran dan permeasi. Perhitungan-perhitungan didasarkan dari data-data komponen-Iomponen vakum dan pompa vakum yang akan digunakan. Besar laju pelepasan gas akan berkurang terhadap waktu pemompaan sehingga kehampaan semakin bertambah dan akan mencapai keseimbangan atau kondisi mantap (steady state). Pada kondisi ini, beban gas disebabkan oleh adanya pelepasan gas (olltgassing), permeasi dan kebocoran. Konsep gambar teknis instalasi sistem hampa seperti diperlihatkan pada Gambar 8. RANCANGAN DASAR MES/N BERKAS ELEKTRON 300 keV/20 iliA UN7VK INDUSTRI LATEKS ALAM Darsono
Gambar
8: Konsep gambar hampa
teknis instalasi sistem
( 19)
dan
_=_+_ I
S'l
1
I
Sf'
C
(20)
dengan Sej adalah laju· pemompaan efcklif (liter/detik). Besamya konduktansi (C) tergantung sistem saluran tabung hampa dan besar be ban pompa (Q(;) tergantung jenis bahan yang digunakan dan instalasi penyambungan. Dua parameter ini dapal ditentukan dengan menggunakan rumus konduklansi dan beban pompa yang ada pada acuan 12~1. 7. Sistem Intrumentasi
dan Kendali MBE
Sistem Instrumentasi dan Kendali (SIK) MBE mempunyai peranan yang sangat penting pada saat pengoperasian MBE. Pada SIK MBE untuk industri lateks, interaksi operator dilakukan langsung menyenluh saklar hidup/mati (ON/OFF) pada dinding bilik yang telah dilapisi perisai radiasi. Unluk 55
Edisi khllsus. Juli 2006
opcrasional MBE cukup dcngan bcberapa buah saklar s'\ia yang langsung mcngaktitKan perangkat lunak aplikasinya. SIK MBE untuk industri latcks mcnggunakan komponcn micro controller yang dilengkapi dengan EEPROM berisi perangkat lunak aplikasi dan unit penguat daya (power amplifier) untuk relay driver. SIK MBE pada prinsipnya berfungsi sebagai perangkat akuisisi data dan pengendali parameterparameter operasi MBE. SIK MBE untuk industri lateks meliputi SIK untuk bagian-bagian MBE, yaitu SIK sumber elektron, SIK sumber tegangan tinggi berbasis transformator, SIK sistem vakum, SIK proses iradiasi dan sistem interlock yang seeara diagram kotak seperti ditampilkan pada Gambar 9. Karena MBE yang dirancangbangun ini akan digunakan di industri lateks sebagai iradiator clektron yang mobile, maka SIK MBE harus dirancang dengan memenuhi beberapa kriteria sebagai berikut: • SIK MBE yang dirancang memudahkan operator di industri lateks mengoperasikan MBE, karena langkah pengoperasian yang sederhana dan mudah untuk dipahami. SIK MBE yang dirancang memungkinkan operator mengoperasikan MBE dengan aman, karena dilengkapi dengan sistem interlock. SIK MBE yang dirancang dapat dibuat dengan kandungan komponen lokal yang semaksimal mungkin sehingga harganya murah tetapi tanpa mengabaikan kualitas. harus • SIK MBE yang dirancang dan mempertimbangkan faktor .estetika ergonomika. SIK MBE harus mempertimbangkan faktor keselamatan manusia, mesin dan cuplikan atau target. Panel Kendall MBE Lateks
Gambar
9. Diagram kotak SIK MBE untuk industri lateks .
SIK MBE untuk industri lateks dirancang sedemikian rupa untuk mengatur urutan langkah pengoperasian MBE yang dimulai dengan menekan saklar MAIN POWER. Kemudian penyedia daya tegangan tinggi mulai proses pelipatan tegangan AC oleh trafo pelipat tegangan yang dikendalikan dengan Proseding Pertemuan dan Presentasi IImiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Edisi khusIIs. Jll/i 2006 : 47 - 61
ISSN /411-/349
SIK tegangan tinggi. Urutan pengoprasian yang standar seperti pengoprasian pompa vakum selanjutnya disusun perintah dalam perangkat lunak yang di ditanamkan ke EEPROM(261• 8. Bejana Iradiasi Bejana iradiasi adalah tempat proses iradiasi lateks karet alam pada proses vukanisasi. Pad a saat lateks karet alam diiradiasi dengan berkas elektron. maka akan terjadi kenaikan suhu akibat energi berkas elektron yang terdesipasi. Kenaikan suhu ini tidak boleh melebihi batas yang diinginkan yaitu suhu lateks karet alam pada saat diiradiasi di antara 25°C sid. 60 °C(271• Agar latcks karet alam pad a saat diiradiasi tidak mengalami kenaikan suhu yang signifikan maka harus dilakukan pcndinginan. Penrlinginan dapat dilakukan dengan mendinginkan bejana iradiasi dengan air pendingin maupun dengan mengalirkan air pendingin di dalam bejana iradiasi melalui pipa-pipa yang dipasang di dalam bejana iradiasi. Disamping itu agar homogenitas dalam iradiasi maka dilakukan pengadukan. Dalam pengadukan tidak boleh timbul buih-buih di dalam bejana iradiasi sehingga kecepatan pengadukaan harus dibatasi. Agar bejana iradiasi dapat berfungsi dengan baik dan mempunyai umur pakai yang cukup panjang. maka dalam konstruksinya harus menggunakan bahan yang sesuai misal baja karbon. aluminium, stainless steel. Masing-masing bahan tersebut mempunyai keunggulan dan kekurangan baik sifat fisika dan kimia juga dalam penge~iaannya. Bahan stailess steel harganya agak mahal. namun mcmpunyai kemampuan las baik sehingga mudah dalam konstruksinya dan ketahanan korosi yang baik sehingga kelihatan bersih (estetika baik) dan mempunyai umur pakai yang lama. Dalam rancangan bejana iradiasi. bentuk bejana iradiasi yang direneanakan harus diperhatikan. Bentuk ini harus menyesuaikan bentuk eorong pemayar dan celah window karena berkas elektron keluar menuju target (bejana iradiasi) melalui eorong pemayar dan celah window. Dengan demikian bentuk bejana iradiasi harus dirancang sedemikiaan rupa sehingga sesuai dengan bentuk corong pemayar dan celah window dari mesin berkas elektron yang dirancang. Besar panas yang dibangkitkan akibat daya terdesipasi (I') pad a lateks karct alam berkaitan dengan besar daya berkas elektron yang digunakan untuk iradiasi yang besarnya dapat ditentukan dengan persamaan berikut (21 )
dengan P adalah daya terdesipasi (watt). E tegangan pemercepat (volt) dan I. arus berkas elektron (am per). 56
Edisi khllslls. JlIli 2006
ISSN 14/1-1349
Besar daya terdesipasi ini harus dapat dipindahkan ke lingkungan dengan cara pendinginan. Untuk memperhitungkan proses pendinginan harus dipcrtimbangkan geometri bejana, jenis fluida pendingin dan sistem pendingin yang dikonstruksi pada bejana iradiasi. Jika fluida pendingin menggunakan air yang didinginkan dengan chiller dan air pcndingin mendinginkan bejana iradiasi, maka I~iu perpindahan panasnya adalah!281 (22) dengan q adalah laju perpindahan panas (watt), U koefisien perpindahan panas menyeluruh (wattlm2 K) dan .1Tm beda suhu rata-rata fluida pendingin dengan bahan yang didinginkan (K). Konsep gambar teknis bejana iradiasi untuk proses pravulkanisasi lateks karet alam dengan mesin berkas elektron ditunjukkan pada Gambar 10.
lintang, Beban tersebut berasal dari berat konstruksi itu sendiri dan berat dari komponen MBE. Seeara garis besar kerangka MBE terdiri dari clemen struktur balok, kolom dan pelat. Gaya lintang yang bckc~ia pada balok dapat berupa be ban memusat dan beban merata. Beban memusat seperti pada beban komponen MBE yang ditumpu pada suatu batang penahan pada kerangka MBE, sedangkan beban merata yaitu beban komponen MBE ditumpu oleh pelat yang diletakkan pada kerangka MBE atau susunan balok perisai radiasi yang disusun pad a balok kerangka. Gambar teknik rancangan dasar kerangka MBE ditunjukkan Gambar II. Gaya lintang yang bekerja pada balok akan menimbulkan momen lentur (M) dan besar tegangan lentur (IT) yang terjadi dapat ditulis sebagai berikut
,
(291.
M
(J"=-
(23)
Wx
dengan
Wx= tahanan lentur Beban tekan maksimum yang dapat diteruskan pada kolom (Pcr) dapat ditentukan dengan persamaan Euler, dengan asumsi kedua ujung kolom ditumpu sendi 129];
P = ,,2EI -, '" L-" Pengaduk
Bejana
Pendingin
dengan
(tempat lateks)
Gambar iradiasi
10.
Konsep
9. Kerangka
MBE
gambar
teknis
bejana
Kerangka MBE adalah suatu bangunan konstruksi b~ja untuk menopang instalasi komponen MBE seperti; sistem vakum, sistem optik, sistem kontrol, sistem kelistrikan, sistem shielding pengaman radiasi dan sistem iradiasi. Konstruksi ini tersusun dari beberapa batang b~ia yang dirangkai dengan menggunakan sambungan tetap (Ias) atau sambungan tidak tetap (ulir). Kerangka MBE harus mempunyai kekuatan yang mampu menahan beban tersebut diatas dengan kuat, yaitu tidak terjadi perubahan bentuk atau geometri. Agar konstruksi tersebut aman maka tegangan yang tc~jadi pada bahan harus sarna atau lebih kecil dari tegangan yang diizinkan. Tegangan yang diizinkan adalah kemampuan tegangan dari bahan tcrsebut dibagi dengan faktor keamanan. Faktor keamanan untuk kerangka MBE dapat ditentukan sekitar 4(empat), hal ini berdasakanr pada sifat beban yang statis dan kerangka tidak bergerak. Arah beban yang beke~ja pada kerangka MBE ada dua jenis, yaitu beban aksial dan be ban gaya RANCANGAN DASAR MESIN BERKAS ELEKTRON keVI20 mA UNTUK INDUSTRI LATEKS ALAM Darsono
300
(24)
P",= beban kritis E = modulus elastis bahan I = momen inersia minimum dari pen ampang L. = panjang kolon
ambungan
La. Datang h,lk KoJom
Elemen Slste", MBE
iJllah. flenguat
a.tang Penumpu
Gambar
11. Rancangan dasar kerangka untuk industri lateks.
MBE
Untuk mendapatkan konstruksi kolom yang aman maka perlu dimasukkan faktor koetisien tekuk (w). Pemeriksaan ketahanan kolom dipertimbangkan terhadap be ban P yang beke~ia sendiri dengan faktor (0 seperti kolom yang dibebani secara aksial. Untuk 57
/SSN /4/1-/349
Edisi khllSlIS, JlI/i 2006
tegangan perlu ditambahkan tegangan yang disebabkan oleh momen M. maka tegangan yang tcrjadi harus memenuhi persyaratan sebagai berikut 129].
P
M
_
(25) a=r/JA+W-$a i:in dengan M = momen maksimum pada kolom W = mom en tahanan maksimum dalam arah x dan y
(5 = tegangan yang diijinkan Jika pada sambungan tcrsebut dibuat sambungan las type las temu, maka kekuatan sambungan adalah tegangan ijin dikalikan dengan perkalian panjang las dengan tebal pelat sambungan. Untuk konstruksi sambungan las aman maka harus memenuhi persyaratan sebagai berikut [29];
tl
Pc; L
(5(;
=
(26)
au = tegangan geser I'u = beban geser t = teballas I = panjang las Sebagian elemen struktur kolom berupa pelat baja, yang berfungsi untuk menumpu sebagian komponen MBE. Untuk pelat yang ditumpu pada dua sisinya atau pelat satu arah, perhitungan petat tersebut dapat dianggap bentuk dari balok-balok sejajar. Untuk pel at yang ditumpu pad a keempat sisinya at au pelat dua arah, perhitungan dianggap sebagai sistem balok silang. dengsn
10. Pengamim
Ozon dan Sinar X
Apabila Mesin Berkas Elektron (MBE) beropersai akan timbul sinal' X dan gas o7.On.Sinal' X timbul akibat interaksi antara berkas elektron dengan materi yang diiradiasi, bahan window eorong pemayar dan komponen MBE yang terkena elektron. Sedangkan gas o7.On timbul akibat interaksi berkas elektron dengan udara yang dilewati berkas tersebul. Iial ini tidak diinginkan karena sinal' X maupun gas ozon dapat menganggu kesehatan maupun keselamatan manusia apabila dosisnya berlebihan. Adapun konsentrasi pembentukan gas ozon sebagai fungsi parameter operasi MBE tanpa sirkulasi udara. dapat diestimasi berdasarkan persamaan [30] •
(.'
11.1
[Co, 'Ni;. E] [St'" 3,25
x 10'f,
[S,.,,'
. Iv' X .1] . Iv'
X
(27 )
.11
dengan : C03 = Konsentrasi pembentukan gas ozon (03) CO2 = Fraksi oksigen di dalam molekul udara (0,232) Proseding Pertemllan dan Presentasi IImiah Tekn%gi Ahe/eratol' dan Ap/ikasinya Hdisi khllSllS, .J1I1i2006 : 47 - 6/
G
= G value untuk produksi 03 oleh interaksi
elektron pada oksigen ( '" 6 molckulll 00 eV) E = Jumlah muatan elektron per mA detik arus berkas (6.28x 1015 elektron/mA.detik) = Bilangan Avogadro (6,023x I 023 molekul N /22,4 liter gas bertekanan 1 atmostir) SCol = Daya henti tumbukan elcktron di udara bertekanan I atmosfir (keV/em) Anls berkas elektron yang terpancar pada target (mA) = Jarak tempuh elektron dari window X sampai target (em) T = Waktu iradiasi (detik) = Volume iradiator (liter) V Selanjutnya untuk mensirkulasi udara yang terkontaminasi ozon setelah operasi MBE scdemikian hingga konsentrasi o7.On yang masih tertinggal dalam ruang iradiasi berada di bawah batas am bang yang diijinkan (~ 0, I ppm), dibutuhkan sistem ventilasi dengan menggunakan exhaust blower. Adapun konsentrasi ozon tersisa pad a ruang iradiasi dapat diperhitungkan dengan persamaan [301:
dengan : Cor
Sisa konsentrasi
ozon setelah blower ozon
beroperasi selama t detik (ppm) Konscntrasi awal ozon setelah MBE shutdown, blower ozon belum beroperasi (ppm) f Debit aliran udara dari blower ozon (liter/detik) v Volume ruang iradiasi (liter) Lama waktu blower ozon dioperasikan (detik) Adanya aliran udara pendingin window pad a MBE akan meningkatkan konsentrasi pembentukan ozon pada ruang iradiasi. dimana untuk opcrasi MBE selama I dctik pcningkatan konsentrasi omn yang terbentuk akan proporsional terhadap perbandingan antara debit aliran udara pendingin window per detik dengan volume iradiator. Berdasarkan pertimbangan teknis, pada saat operasi MBE berlangsung blower window dan blower ozon harus bekerja bersamaan. Dengan demikian untuk mcmpcroleh unjuk kcrja pembuangan ozon yang optimal. maka debit aliran blower ozon harus relatif lebih besar dibanding debit blower window. Selanjutnya sisa konsentrasi O7.0n pada ruang iradiasi pasca operasi MBE harus diperhitungkan lebih lanjut. Konsep gambaI' tcknis penghisap ozon scpcrti diperlihatkan pada GambaI' 12. C03
58
/SSN /4/1-/349
Edisi khusus. Juli 2006
Untuk lebih amannya tebal perisai radiasi (S) direkomendasikan untuk ditambah I Half Value Layer (HVL)(4]. Sedangkan harga D".Ti. Te dan HVL dapat diperoleh dari aeuan 3. Dari bcberapa rumusan di atas diharapkan dapat mcmbcrikan pcrtimbangan raneangan yang Icbih tcrinei scrta pembuatan pcrisai radiasi yang Icbih baik.
Pip. Sirkul •• ;
PENUTUP w.dab Latek.----f
Gambar
12: Konsep gambar ozon
teknis penghisap
Syarat agar pekerja radiasi tidak menerima dosis melebihi batas maksimum yang diijinkan oleh Badan Pengawas Tenaga Nuklir Nasional, yaitu 50 mSv/tahun, maka Ia,ju dosis yang diterima pekerja radiasi harus ~ 25 !-ISv/jam (2,5 mrem~iam). Namun untuk perkembangan nantinya sesuai dengan rekomendasi ICRP No. 60 tahun 1990 nilai batas dosis (NBD) akan ditekan menjadi 20 mSv/tahun atau 10 !-ISv/jam (I mrem/jam)PIJ. Agar nilai batas dosis (2.5 n1rel11~ial11)tersehut tereapai. maka ketehalan perisai radiasi ditentukan berdasarkan rum us sebagai bcrikutP01;
8
D H:::; tII
0
(1,67 x
8x = (1,67
X
T (29)
x
10-5)
10-5)
[
d2
:~
~2
]
(30)
dengan: fl., Hili
D Do
rasio transmisi perisai untuk sinar X batas laju dosis maksimum yang digunakan (2,5 mrem/jam) = jarak an tara sumber sinar X dengan titik yang ditinjau indeks Ia,iu dosis terse rap pada jarak aeuan standar I m dari sumber sinar X (rads m2/menit)
T
faktor pemakaian n = log (I/Bx)
(30)
dengan: = hanyaknya TVL n TVL = Tenth Value Layer Sehingga tebal perisai radiasi dapat dihitung menggunakan rumus sebagai berikut: S = Ti+ (n-I) Te
(31)
dengan: Ti = TVL pertama yang langsung berhadapan dengan sumber Te = TVL berikutnya (setelah Ti) S = tebal perisai RANCANGAN DASAR MES/N BERKAS ELEKTRON 300 keV/20mA UNTUK INDUSTRI LA TEKSALAM /Jar.wllo
Dalam peraneangan MBE untuk industri lateks unsur utama yang harus diputuskan segera adalah kriteria pengguna. Dari kriteria ini konsepsual peraneangan dapat segera dibuat dengan memperhitungkan kemampuan teknologi yang ada dan komponen serta bahan yang tersedia dipasaran. Dari konsepsual peraneangan ini dapat diteruskan dengan pembuatan raneangan dasar yang memuat perumusan-pcrumusan teoritis maupun empirik berdasarkan literatur serta mengumpulkan data teknis komponen dan bahan untuk keperluan perhitungan detil disain. Pada pcmbuatan raneangan deti! aspek teknologi, ekonomi, dan estetika sangatlah penting dan harus diselaraskan dengan kriteria pcngguna dan komponen mekanik dan elektrik yang ada dipasaran. Pada raneangan dasar ini struktur MBE terdiri dari sumber elektron dengan katoda Wolfram yang menyatu dengan tabung aksclerator herkapasitas 20 mA, 2 buah tabung akselerator bcrkapasitas 400 kV pad a b~iana bertekanan CO2 dan N2 scbesar 7 atm. sistem pemfokus dan pcmayar berkas elektron. eorong pemayar bcrkas elektron dengan tebal jendcla Ti 17,5 !-1mdengan luasan berkas 6 em x 60 em. sumber tegangan tinggi jenis transformer inti terbumikan berkapasitas 350 kV130 mA, sistem vakum menggunakan pompa turbo. sistem pcnghisap ozon, dan pengaman radiasi sinar X sekitar bejana iradiasi lateks serta sistem intrumentasi dan kendali. MBE yang diraneang ini berukuran 2 m x 2 m x 2.5 m dengan komponennya terpasang sceara modul untuk memudahkan mobilisasi dan pcrawatan. Modus operasi produksi karet alam iradiasi seeara batch dengan kapasitas produksi 90 liter per jam. Berdasarkan pengalaman raneangbangun MBE skala laboratorium pada tahun 2003 yang lalu maka pengerjaan MBE untuk industri lateks ini dapat dikerjakan paling eepat 4 tahun. Dalam raneangbangun MBE ini konstribusi komponen jadi buatan luar negeri ialah vakum dan tabung akselerator. Ditinjau dari segi jumlah komponen utama MBE maka dua komponen dari luar negcri ini menyumbang sekitar 20% pada pengkonstruksian MBE sedangkan sisanya buatan BAT AN sendiri. Ditinjau dari segi besar beaya raneangbangun MBE maka dua komponen luar negcri ini menyumbang 30%. Dari segi harga MBE ini I11cmerlukan dana sekitar 3,8 milyar rupiah untuk bisa diwujudkan dan dioperasikan seba!!.ai demontration plant untuk 59
Edisi khllSIlS,Jllii 2006
ISSN J./1/-13-19
iradiasi lateks karet alam.
Untuk Industri, Kampanye Teknologi Jakarta, 1995
UCAP AN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan ban yak tcrima kasih yang sebesar-besarnya kepada Ir.Suprapto, Djasiman,ST, Drs.Djoko SP, Sukidi, ST, Drs.Bambang Supardiono, Rany Saptaaji, ST, Sutadi, ST, dan Set yo Atm~jo, ST yang telah banyak memberikan bantuan sehingga laporan rancangan dasar MBE-Lateks dapat selesai semoga amal baiknya dibalas oleh Tuhan YME.
DAFT AR PUST AKA [1 J MARGA UT AMA, et.al, Trial production of irradiated natural rubber latex and its dipping producs on factory scale; Quality and technoeconomical aspect, INTERNATIONAL RUBBER CONFERENCE AND PRODUCTS EXHIBITION, Jakarta, 13-15 Dec 2004 [2J STEPANIK, T.M., et.al., Electron Processing Technology: A Novel Tool for Industrial Applications. Proceedings IUPAC CHEMRA W IX World Conference on The Role of Advanced Materials in Sustainable Development, Korea, September 1-6, 1996 [3] STEPANIK, T.M., et.al., Electron Beam Technology: Turning the Corner Towards Sustainable Industrial Applications, Proceedings WORLD WISE'99 on Sustainable Infrastrueture:Emerging Technologies for New Millenium, December 6-8, 1999, Winipeg, Manitoba, Canada [4J YAMAMOTO, S., Crosslinking of Wire and Cables with Electron Beam, Proceedings of the Workshops on the Utilization of Electron Beams, JAERI-M, 90- I94, 1990
KMNRT.
[IOJANNONIME, Laporan Tahunan. Penelitian Karet , Medan, 2003
Pusat
[1 I] MARGA UTAMA, Potensi pemanfaatan mesin berkas elektron (MBE) untuk produksi lateks alam iradiasi, Prosiding PPI Teknologi Akselerator dan Aplikasinya, P3TM-BA TAN. Volume I nomor 2 Nopember. 2004 [12] Komunikasi pribadi dengan calon pengguna Marga Utama dan Meri Suharini. PJTIRBA TAN, Pasar Jumat Jakarta, 2004 [13JFORRESTER. et. al.. Large Ion Beams. Fundamentals of Generation and Propagation. John Wiley & Sons Inc., New York (1986). [14] PIERCE, J.R., Theory and Design of Eleklron Beams, D. Van Nostrand Company. Inc. New York ( 1954). [ 15] WALDEMAR SCHARF, Particle And Their Uses. Warsaw, Poland [16J KASHIW AGI, Nissin Kyoto, Japan.
Accelerator
High Voltage Co. Ltd.
[17] Brosur NATIONAL COMPANY Co. Ltd. USA.
ELECTRONIQUE
[18] SUDJA TMOKO, Dasar-dasar Akselerator Elektron, PPNY-BATAN.
Fisika 1995
[19J SUTAJI S, DJOKO SP, SUDJATMOKO:' Perancangan Sistem Optik MBE 500 kev/lO mA," Prosiding Peretemuan Dan Presentasi IImiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya. Yogyakarta, I Juli 1999. [20] FERDINAND L SINGER :" Strength of Material dite~iemahkan oleh DARWIN SEBA YANG Erlangga. Jakarta (1985)
[5] MACHI, S., Application of Radiation Technology for industry and environmental protection Proc. The secon Symposiym on RVNRL, MINT, Kuala Lumpur, 1996.
[21] E.H. WILSON,"Mechanical Engineering",Guildford,August,1976
[6J SATO,S., Proceedings of the Workshop on the Utilization of Electron Beams, JAERI-M, 93160, Tokyo, 1993.
[22] BOOTHROYD, G ;; Fundamentals of Metal Machining and Machine Tools; Scripta Book, Company, Wasington, DC (1975)
[7J BUDIMAN, AFS., The global NR Industry: curent Developmen and Future Prospect, International Rubber Conference and prouct Exhibiton 2004, Jakarta 13- I5 Desember 2004.
[23] SHIGL Y E dite~jemahkan oleh GAND( H : "Perencanaan Teknik Mesin .. Erlangga, Jakarta (1986)
[8] DALRYMPLE, SJ. AND AUDLEY, B.G., Allergenic protein levels, Rubber Developments, Vol. 45 No.2 I3, NR Technology 1414, 1992 191
MARGA
UTAMA,
Teknologi
[24] BROWNELL, L.E.," Vessel Design ••, Wiley Eastern Limited, New Delhi, 1979. [25] ROTH, Holland ( 1979).
A., Vacuum Technology, NorthPublishing Company, New York
Polimerisasi
Proseding Pertemllan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator don Aplikasil~ya Edisi khllslI.r.Jllii 2006 : 47 - 61
60
ISSN 14/1-1349
Edisi khusus. Juli 2006
[26] Majalah Elektron No.14, Bandun~ Bandung(]984~
Institut
Tehnologi
TANYAJAWAB
[27] MAKlJUCHI, K., An Introduction to Radiation Vulkanization of Natural Rubber Latex, T.IU. Global Co., Ltd., Bangkok, Thailand (2003).
Darmawan
12XIINCROPERA, F.P., DEWITI', D.P., Fundamental of Heat Transfer, John Wiley & Son, New York (1981).
Apakah tidak difikirkan system bejana radiasi diganti dengan sistem now dimana herkas elektron dipancarkan scr horisontal dan sample cair mengalir secara vertical, sehingga keseragaman dosis lehih baik?
[29] DARY ANTO, Mekanika Aksara Jakarta, 2002
Bangunan,
Bumi
[30] NCRP Report No.51 ,"Radiation Protection Design Guidelines for 0.1 - 100 MeV Particle Accelerator Facilities", Issued, March 1977. [31] ANNALS OF THE ICRP, Recomendations of The International Commision on Radiological Protection, ]990.
Darsono Saya setuju secara fisis tapi mcnuntut user sebaiknya paham bejana iradiasi karena dengan teknik yang bapak usulkan kendalanya latek mudah menyetel. Hari Suryanto Untuk gas isian sebagai isolator tegangan tinggi mengapa tidak digunakan SF, karena SF menurut hemat kami mempunyai tegangan dadal yang \chih tinggi daripada gas N2+C02• Darsono Bctul SF6 mcmpunyai tegangan dadal tinggi tapi penanganannya suEt ketika dilakukan perawatan HV yang sehingga kami memutuskan pakai N2+C02 mudah penanganannya.
RANCANGAN DASAR MESIN BERKAS ELEKTRON 300 keV/20 iliA UNTUK INDUSTRI LATEKS ALAM Darsono
61
