RANCANGAN SISTEM PENGATUR CATU DAYA SUMBER ELEKTRON TIGA ELEKTRODA MBE LATEKS BERBASIS PLC

Volume 17, November 2015

ISSN 1411-1349

RANCANGAN SISTEM PENGATUR CATU DAYA SUMBER ELEKTRON TIGA ELEKTRODA MBE LATEKS BERBASIS PLC Saminto dan Eko Priyono Pusat Sains dan Teknologi Akselerator, BATAN email: [email protected]

ABSTRAK RANCANGAN SISTEM PENGATUR CATU DAYA SUMBER ELEKTRON TIGA ELEKTRODA MBE LATEKS BERBASIS PLC. Telah dirancang sistem pengatur catu daya menggunakan PLC untuk sumber elektron tiga elektroda pada MBE Lateks. Rancangan ini menggunakan PLC seri F2424 dan didukung perangkat lunak yaitu diagram ladder dan TBasic. Hasil uji konversi digital ke analog (DAC) menunjukkan bahwa setiap kali tombol operasi ditekan sesaat, menghasilkan selisih kenaikan tegangan keluaran (∆V) pada DAC nomer 1 adalah 400 mV, (∆V) pada DAC nomer 2 adalah 300 mV dan (∆V) pada DAC nomer 3 adalah 200 mV. Hasil percobaan menunjukkan bahwa tegangan keluaran DAC proposional terhadap nomer kanal operasi. Hasil uji secara simulasi menunjukkan bahwa urutan operasi dan sistem interlok bekerja dengan benar. Secara umum dapat dikatakan bahwa hasil simulasi untuk rancangan sistem pengatur catu daya sumber elektron tiga elektroda dapat bekerja dengan baik sesuai yang direncanakan. Kata kunci: sumber elektron tiga elektroda, catu daya, PLC

ABSTRACT PLC BASED POWER SUPPLY CONTROL SYSTEM DESIGN FOR THREE ELECTRODES ELECTRON SOURCE OF LATEX EBM. The three electrodes electron source power supply control system of Latex EBM (electron beam machine) using PLC has been designed. This design uses F2424 series PLC and supported by software ladder diagram and TBasic. The digital to analog converter (DAC) test results showed that the everytime of operation button is pressed shortly, produce a rise in the output voltage difference (∆V) of DAC number 1 is 400 mV, (∆V) of DAC number 2 is 300 mV and (∆V) of DAC number 3 is 200 mV. The test results showed that the DAC output voltage proportional to the operating channel number. The test results in simulation showed that the sequence of the operations and interlocking system is working properly. In general it can be said that the simulation results for three electrode electron source power supply control system design can work well as planned. Keywords: three electrodes electron source, power supply, PLC

PENDAHULUAN atu diantara kegiatan litbang Bidang Fisika Partikel di PSTA-BATAN adalah rancang bangun sebuah mesin berkas elektron (MBE) 300 keV/20 mA atau MBE Lateks yang akan digunakan untuk iradiasi vulkanisasi lateks [1]. Untuk aplikasi tersebut dibutuhkan variasi parameter MBE seperti dosis radiasi dan energi berkas [2]. Dosis radiasi sangat ditentukan oleh arus elektron dari sumber elektron, sehingga perlu dibuat perangkat untuk mengatur arus berkas elektron. Salah satu cara untuk mengatur arus berkas elektron adalah dengan mengatur catu daya pada sumber elektron. Suatu perangkat sumber elektron tiga elektroda terdiri dari filamen, pendorong (anoda) dan pemercepat telah di uji fungsi dan siap diterapkan pada MBE Lateks. Sebelum perangkat tersebut dibuat, perlu rancangan pembuatan perangkat pengatur catu daya sumber elektron dimana basil rancangan tersebut dapat digunakan sebagai dasar pembuatan perangkat pengatur arus berkas elektron yang menentukan besar

S

kecilnya dosis radiasi yang merupakan parameter penting untuk memenuhi keperluan aplikasi.

KRITERIA PERANCANGAN Sumber elektron merupakan salah satu komponen penting di dalam Mesin Berkas Elektron yang berguna sebagai penghasil berkas elektron. Suatu sumber elektron tiga elektroda terdiri dari filamen (sebagai penghasil elektron bebas), elektroda pendorong dan elektroda pemercepat telah diterapkan pada litbang rancangbangun MBE lateks di PSTA. Beberapa hal yang perlu dipertimbangkan dalam pemilihan katoda adalah umur katoda, mode pemanasan, daya pemanasan, arus emisi dan efisiensi pemanasan. Untuk umur katoda dibatasi oleh efek sputtering dan evaporasi, sedangkan laju sputtering ditentukan oleh arus berkas elektron dan tekanan gas. Diagram skema sumber elektron tiga elektroda dan sistem kelistrikan catu daya ditunjukkan pada Gambar 1 [4].

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 17, November 2015 : 106 - 111

106


Gambar 1. Skema sumber elektron tiga elektroda dan catu daya. Catu daya arus filamen dan catu daya pemfokus digunakan trafo terisolasi terhadap sumber daya listrik PLN. Sedang catu daya pemercepat (HV accelerator) diambil dari sumber daya listrik PLN 220 VAC[5]. Sumber elektron tiga elektroda bekerja pada daerah tegangan tinggi (HV area) sedang untuk pengaturan catu daya dilakukan pada daerah bumi (ground area) oleh karena itu diperlukan trafo daya terisolir. Suatu trafo terisolir yang mampu mengisolasi tegangan sampai sekitar 300 kV telah berhasil dibuat di PSTA sehingga untuk pengaturan catu daya sumber elektron dapat dilakukan di daerah bumi (ground area) [6].

ISSN 1411-1349

Perancangan sistem pengatur catu daya sumber elektron tiga elektroda menggunakan komponen utama modul PLC-F2424 dan SCR-tipe LPC 90 HDA. Keluaran ketiga DAC-PLC dihubungkan ke kontrol SCR1, kontrol SCR2 dan kontrol SCR3. Pengaturan keluaran DAC dapat dilakukan melalui key pad pada human machine interface atau saklar/tombol operasi yang selanjutnya mengendalikan ketiga SCR untuk mengatur catu daya filamen, tegangan anoda dan tegangan pemercepat. Masukan digital digunakan untuk masukan parameter keselamatan (interlok) yaitu, vakum, tegangan lebih (over voltage), pendingin (cooling) dan darurat (emergency). Pengaturan DAC dapat dinaikkan/diturunkan jika semua masukan parameter interlok telah memenuhi syarat batas yang ditentukan atau dengan kata lain semua masukan pada digital input bernilai tinggi (high level). Algoritma pengaturan catu daya sumber elektron tiga elektroda. Agar dalam pengoperasian sumber elektron dapat bekerja secara benar, maka perlu dibuat algoritma atau flowchart pengaturan catu daya sumber elektron tiga elektroda seperti ditunjukkan pada Gambar 3.

PERANCANGAN SISTEM Dari literatur tentang sumber elektron tiga elektroda terdapat tiga catu daya yang diperlukan untuk operasi yaitu, catu daya filamen, pemfokus (anoda) dan pemercepat. Catu daya filamen digunakan tegangan AC sedang untuk catu daya pemfokus dan pemercepat digunakan tegangan DC. Ketiga elektroda bekerja/beroperasi pada daerah tegangan tinggi (HV area) sedang operasi sumber daya elektron pada daerah bumi (ground area) sehingga diperlukan trafo terisolir yang antara kumparan primer dengan sekunder mampu mengisolasi secara listrik dengan tegangan relatif tinggi. Proses pengendalian ke tiga catu daya pada sumber elektron tiga elektroda selanjutnya dapat dilakukan melalui bagian primer trafo terisolir yaitu pada daerah bumi seperti ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 2. Blok diagram rancangan pengatur catu daya sumber elektron tiga elektroda.

RANCANGAN SISTEM PENGATUR CATU DAYA SUMBER ELEKTRON TIGA ELEKTRODA MBE LATEKS BERBASIS PLC Saminto dan Eko Priyono

Gambar 3. Diagram alir pengaturan catu daya sumber elektron tiga elektroda.

107


ISSN 1411-1349

Prinsip operasi sumber elektron tiga elektroda sebagai berikut : Program melakukan pengecekan parameter masukan interlok/keselamatan yaitu, cek vakum, cek cooling water, cek pengaman HV (over voltage) dan cek saklar darurat. Jika semua parameter masukan telah memenuhi syarat dan dinyatakan interlok siap, maka program melanjutkan proses siap operasi untuk pengaturan tegangan pemercepat, tegangan pemfokus (anoda) dan arus filamen. Jika dalam kondisi operasi terjadi kegagalan pada salah satu masukan parameter interlok, maka keluaran ke tiga DAC reset ke 0 V dan diikuti arus filamen, tegangan pendorong (anoda) dan tegangan pemercepat turun ke 0 V. Operasi pengaturan catu daya dapat dimulai lagi jika semua parameter masukan keselamatan/interlok sudah siap. Untuk memulai pengoperasian, tekan tombol enter dan tekan tombol start. Dari diagram alir selanjutnya dibuat program yang berisi instruksi-instruksi operasi menggunakan paket program ladder dan Tbasic yang ditanam pada PLC F-2424. Sebelum membuat program, perlu dilakukan pengalamatan pada terminal input/output PLC seperti ditunjukkan pada Tabel 1. Tabel 1. Pengalamatan terminal input/output PLC. TERMINAL PLC Input

Keterangan

Output

Keterangan

DI#1

c_vakum

DO#1

o_vakum

DI#2

c_cooling

DO#2

o_cooling

DI# 3

c_voltage

DO#3

o_voltage

DI# 4

c_darurat

DO#4

o_ darurat

DI# 6

start

DI# 8

F4 (enter)

DAC#1

Ifilamen

DI# 9

reset

DAC#2

Vanoda

DI# 11

filamen-up

DAC#3

Vacc

DI# 12

filamen-dn

DI# 13

Vanoda - up

DI# 14

Vanoda - dn

DI# 15

Vacc-up

DI# 16

Vacc-dn

ADC#5

Arus berkas elektron (mA)

ADC#6

Arus filamen (A)

ADC#7

Vanoda.

ADC#8

Vaccelerator.

Modul PLC F2424 PLC F2424 merupakan sebuah modul perangkat keras berfungsi mengolah data/perintah masukan sinyal dari key pad sebagai permintaan masukan

(setting demand), masukan digital, masukan tegangan analog ADC, keluaran tegangan analog DAC dan tampilan pada layar LCD. Sebuah modul PLC seri F2424 ditunjukkan pada Gambar 4[7].

Gambar 4. Modul PLC seri F2424. Spesifikasi PLC- F2424 memiliki 24 digital input, 24 digital output dan analog 12 I/Os built-in dan dapat diperluas untuk 96 digital output dan 96 digital output menggunakan papan ekspansi EXP1616R atau EXP4040, Fitur dari pada PLC F2424 menyediakan fasilitas pulse width modulator (PWM), kendali stepper motor, interrupt, encoder input, Real-Time Clock (RTC), kendali PID dan saluaran ke HMI (Human-Machine Interface) beserta LCD. PLC F2424 mempunyai 4 kanal keluaran analog (D/A), 0-5 V, 10 bit. Untuk pemrograman analog output (DAC) digunakan perintah SETDAC n,x [8]. Pengendali sudut fase SCR (SCR phase angle controller) Pengendali sudut fase SCR adalah suatu teknik pengaturan pememicuan gate SCR untuk mengendalikan daya atau tegangan ke beban, misal, transformator, heater, dll. Prinsip kerja dari SCR phase angle control dijelaskan pada Gambar 5 [9]. Gambar 5a menunjukkan penggunaan dua SCR yang dihubungkan secara terbalik paralel (back to back) untuk memperoleh kontrol gelombang penuh. SCR1 mengontrol tegangan positip bentuk gelombang sinus dan SCR2 mengontrol tegangan negatip. Jika pulsa trigger diberikan awal pada setengah siklus, maka output-nya tinggi. Jika pulsa trigger diberikan terlambat pada setengah siklus, maka hanya sebagian kecil dari bentuk gelombang yang dilewatkan dan mengakibatkan output-nya kecil seperti ditunjukkan pada Gambar 5b. Sebuah modul SCR phase angle control tipe LPC-50HDA ditunjukkan pada Gambar 6 [10].


108


ISSN 1411-1349

ANALISIS DAN PEMBAHASAN Hasil pembuatan program untuk naik/turun output DAC dan input ADC ditunjukkan pada Gambar 8. (a)

(b)

Gambar 5. Pengendali sudut fase SCR.

Gambar 8. Diagram Ladder: fungsi updown, DAC. Masukan pada interface menggunakan saklar/tombol, oleh karena itu nama-nama tombol dipakai di dalam bagian program ini. Hasil pembuatan program pembacaan fungsi f_adc adalah, Gambar 6. Modul SCR phase angle controller tipe LPC-50HDA. SCR tipe LPC-50HDA adalah sebuah modul kontrol sudut fasa dirancang untuk digunakan dengan standar SSR (solid state relay). Modul di sekrup langsung pada permukaan SSR dipasang pada pendingin aluminium. Modul ini beroperasi dengan memvariasikan pemicuan masukan SSR. Daya yang dikirim ke beban sebanding dengan sinyal perintah masukan. Rangkaian detil SIK pengatur catu daya sumber elektron tiga elektroda menggunakan PLC F2424 dan SCR phase angle control tipe LPC-50HDA ditunjukkan pada Gambar 7.

dm[26]=((ADC(5)*100)/4096) 'I berkas 'elektron dengan skala 0‐100mA dm[23]=((ADC(6)*50)/4096) 'I‐filamen 'dengan skala 0‐50A,per‐1A dibaca 0,5A dm[24]=((ADC(7)*150)/4096)'V‐anoda dengan 'skala 0‐15kV dm[25]=((ADC(8)*200)/4096)'Vo_acc dengan 'skala 0‐200kV

Fungsi ini mengatur tentang akuisisi ADC dari ADC 5 sampai ADC 8 yang pada hardware-nya sudah terhubung ke perangkat PLC. Pada fungsi f_adc terdapat perhitungan yang dipakai untuk merubah skala ADC (bit) ke skala pengukuran yang diinginkan. Penentuan skala ini disesuaikan dengan yang akan ditampilkan pada LCD. Hasil pembuatan program keluaran fungsi f_dac : setdac 1,dm[18] 'i_filamen setdac 2,dm[19] 'vo_anoda setdac 3,dm[20] 'vo_acc

Fungsi ini berguna untuk memasukan nilai DAC yang sudah diatur ke port DAC. Nilai-nilai ini nantinya akan menentukan tegangan yang dikeluarkan. Program Perhitungan Nilai Interval Naik/Turun Output DAC Gambar 7. Rangkaian detil pengatur catu daya sumber elektron tiga elektroda. Di dalam implementasinya, SCR phase angle control tipe LPC-50HDA memerlukan komponen tambahan berupa trafomator control untuk memberikan pemicuan pada SCR phase angle control. Untuk penggunaan beban induktif, maka pada SCR perlu ditambahkan rangkaian pemotong spike atau transien, disebut snubber berguna untuk menghindari kerusakan SCR. Perintah masukan SCR phase angle control berupa arus 4 to 20 mA atau 0 to 5V. RANCANGAN SISTEM PENGATUR CATU DAYA SUMBER ELEKTRON TIGA ELEKTRODA MBE LATEKS BERBASIS PLC Saminto dan Eko Priyono

Untuk menentukan interval (step) naik/turun tegangan keluaran DAC digunakan perintah TBasic yaitu SETDAC n,x. Dengan menjalankan pernyataan SETDAC, maka keluaran D/A akan sebanding dengan nilai tegangan yang diberikan. Program perhitungan menentukan interval (step) naik/turun DAC ditampilkan pada Gambar 9.

Gambar 9. Diagram Ladder f_start. 109


Ladder ini berfungsi untuk me-restart program ke nilai awal. Fungsi f_start berisi perhitungan untuk mementukan interval (step) naik/turun DAC : A=1 'digunakan untuk memindah halaman 'pada fungsi f_halaman '===================================== C=82 'I filamen (0,5/25)*4096= 82 bit; '0,5 sebagai interval step naik/turun I_Fil D=55 'V ak(200/15000)*4096=55bit E=20 'V acc (1000/200000)*4096= 20 bit 'adalah besar nilai per step yang 'dipakai untuk step naik/turun 'pada fungsi updown, nilai ini dalam 'satuan DAC '================================== dm[10]=1tampilan menu diatur halaman 1 dm[18]=0 'i_filamen diatur ke 0 dm[19]=0 'vo_anoda diatur ke 0 dm[20]=0 'vo_acc diatur ke 0 '================================== clrio darurat 'restart keadaan darurat clrio hold 'restart tahan f4

Di dalam fungsi ini akan mengubah semua variabel ke nilai awal sehingga kondisi sistem akan seperti dimulai ulang. Hasil Simulasi Program Hasil simulasi program pengatur catu daya sumber elektron tiga elektroda ditampilkan pada Gambar 10.

(a) Tampilan simulasi program, interlok siap/ready

ISSN 1411-1349

Pengukuran Tegangan Keluaran DAC Hasil pengukuran tegangan keluaran DAC#1, DAC#2 dan DAC#3 terhadap nomer kanal operasi berturut-turut ditampilkan pada Gambar 11.

Gambar 11. Kenaikan tegangan keluaran DAC terhadap nomer kanal operasi. Kurva menunjukkan bahwa kenaikan keluaran tegangan DAC terjadi proposionalitas terhadap terhadap nomer kanal operasi. Setiap sekali pada masing-masing tombol kanal operasi step-up/stepdown ditekan sesaat (± 25 mili detik), program mengeksekusi keluaran tegangan DAC#1 naik dengan step (∆V) = 400 mV, DAC#2 naik dengan step (∆V) = 300 mV dan DAC#3 naik dengan dengan step (∆V) = 200 mV. Nilai step (∆V) keluaran tegangan pada masing-masing DAC telah ditentukan sesuai setting demand di dalam program. Jika tombol stepup/stepdown ditekan dan ditahan (press and hold), maka program secara kontinyu menaikkan keluaran tegangan DAC hingga maksimum (5 V) dan begitu juga sebaliknya untuk tombol stepdown. Keluaran tegangan DAC selanjutnya digunakan sebagai sinyal masukan pada SCR phase angle controller. Percobaan secara simulasi dilakukan dengan menghubungkan keluaran SCR phase angle controller ke primer trafo daya sedang bagian sekunder dihubung ke beban lampu pijar. Hasil percobaan secara keseluruhan (perangkat keras dan lunak) menunjukkan bahwa rancangan perangkat sistem pengatur catu daya sumber elektron tiga elektroda dapat bekerja dengan benar sesuai yang direncanakan.

(b) Tampilan simulasi program, siap operasi

KESIMPULAN

(c) Tampilan simulasi program, sistem shutdown Gambar 10. Tampilan simulasi program operasi sumber elektron.

Telah berhasil dibuat rancangan dan simulasi perangkat sistem pengatur catu daya sumber elektron tiga elektroda menggunakan PLC. Rancangan dibuat terdiri dua bagian yaitu perangkat lunak dan perangkat keras. Perangkat lunak menggunakan program Ladder dan TBasic berfungsi untuk menjalankan operasi sistem, sedang perangkat keras dibangun dari PLC dan SCR phase angle controller. Setiap tombol operasi ditekan sesaat (± 25 mili detik), selisih kenaikan tegangan keluaran (∆V) DAC#1 = 400 mV, (∆V) DAC#2 = 300 mV dan (∆V) DAC#3 = 200 mV.


110


Kenaikan dan penurunan tegangan keluaran DAC terjadi proposionalitas terhadap nomer kanal operasi. Hasil uji perangkat lunak secara simulasi menunjukkan bahwa telah diperoleh urutan proses operasi dan kerja interlok dengan benar. Hasil percobaan rancangan secara keseluruhan menunjukkan bahwa perangkat sistem pengatur catu daya sumber elektron tiga elektroda dapat bekerja dengan baik sesuai yang direncanakan.

UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada PSTA-BATAN yang telah mengalokasikan anggaran DIPA tahun 2015 dan kepada tim MBE, atas bantuan yang telah diberikan untuk menyelesaikan penelitian ini.

DAFTAR PUSTAKA [1]

DARSONO, Rancangan Dasar Mesin Berkas Elektron 300 keV/20 mA Untuk Industri Lateks Alam, Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya, PTAPBBATAN, Yogyakarta, Juli 2006, ISSN 14111349.

[2]

SUKARYONO, dkk., Identifikasi Arus Berkas Elektron Pada Pra Komisioning Mesin Berkas Elektron (MBE) Lateks, Prosiding Seminar Penelitian dan Pengelolaan Perangkat Nuklir, PTAPB - BATAN, Yogyakarta, September 2012, ISSN 1410 – 8178.

[3]

PUDJORAHARDJO, D.S., dkk, Rancang Bangun Sumber Elektron Untuk Mesin Berkas Elektron, Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya, PPNY-BATAN, Yogyakarta, 1999, ISSN 14111349.

[4]

CEN SHAWN WU, YOSHIYUKI MAKIUCHI AND CHIIDONG CHEN, High-energy Elektron Beam Lithography for Nanoscale Fabrication, DOI: 10.5772/8179, book edited by Michael Wang, ISBN 978-953-307-064-3, Published: February 1, 2010 under CC BY-NC-SA 3.0 license. © The Author(s).

ISSN 1411-1349

[7]

PLC-F2424, Triangle Research International, www.triplc.com/f2424.htm.

[8]

TRIANGLE RESEARCH INTERNATIONAL, 2006a, Internet Trilogi Version 6.2 Programmer’s Reference, Triangle Research International, Singapore.

[9]

LPC USER MANUAL, SSR Intelligent Phase Angle Controller.

[10] HB CONTROLS, www.hbcontrols.com/store/ phase-angle-40-amp, Category.asp.

TANYA JAWAB Gilang Kurnawan − Sistem pengatur catu daya dari yang bapak presentasikan, sistem masih open loop, jadi semisal terjadi problem/kendala dari kendali PLC atau hal lainnya dalam beban tidak bisa diketahui. Bagaimana cara untuk menanggulangi hal tersebut? Saminto − Sistem catu daya ini tipe open loop, untuk mengatasi jika terjadi overload, over voltage maka perlu dipasang pemantau arus lebih dan tegangan lebih yang selanjutnya di hubungkan kemasukan digital input PLC, berfungsi sebagai masukan interlock keselamatan. Triyono − Apakah dalam perancangan pengatur catu daya dengan menggunakan PLC F2424? Apakah PLC tersebut tipe FX 2424, mohon penjelasan − Apakah pengatur input transformator menggunakan SSRC tipe LPC-HDA, mohon dijelaskan kemampuan arus maksimal pada SSRC tersebut − Dalam aplikasinya SSRC mengalami panas, walaupun telah terpasang pada pendingin aluminium, apakah ada pendingin tambahan mohon penjelasan Saminto

[5]

SUHARTONO, Kegiatan Uji Fungsi Sumber Elektron Tiga Elektroda, Laboratorium Bidang Fisika Partikel, PSTA, Yogyakarta, 2014.

− Rancangan sistem ini kami gunakan PLC seri FX 2424 yang punya 4 kanal DAC, 8 kanal ADC dan 24 input digital

[6]

SUTADI, SAEFURROCHMAN, SUPRAPTO, Rancangan Transformator 625 VA Terisolasi Pada Tegangan Tinggi 300 kV Untuk Catu Daya Filamen Sumber Elektron MBE Lateks, Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya, PTAPBBATAN, Yogyakarta, Januari 2012, ISSN 14111349

− Rencananya akan kami pakai SSR tipe 50 HDA, arus maksimalnya sampai 40 Ampere AC, untuk nominalnya ≈ 25 A

RANCANGAN SISTEM PENGATUR CATU DAYA SUMBER ELEKTRON TIGA ELEKTRODA MBE LATEKS BERBASIS PLC Saminto dan Eko Priyono

− Jika terjadi panas berlebih sebaiknya ditambah pendingin udara dan digunakan SSR dengan kemampuan lebih besar.

111


ISSN 1411-1349

PENGUKURAN DOSIS RADIASI IRADIATOR GAMMA DAN MESIN BERKAS ELEKTRON DENGAN DOSIMETER CERICERO Anwar Jundiy*) Sukaryono**) *)

Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir (STTN)-BATAN, Email:[email protected]

**)

Pusat Sains dan Teknologi Akselerator, BATAN. Email:[email protected]

ABSTRAK PENGUKURAN DOSIS RADIASI IRADIATOR GAMMA DAN MESIN BERKAS ELEKTRON DENGAN DOSIMETER CERI-CERO. Telah dilakukan pengukuran dosis radiasi iradiator gamma di PAIR-BATAN dan mesin berkas elektron di PSTA-BATAN menggunakan larutan ceri sulfat. Larutan yang digunakan pada proses iradiasi adalah larutan CeSO4.4H2O 5mM yang dalam padatannya dilarutkan menggunakan H2SO4 0,8 N. Analisis kuantitatif untuk mengukur beda absorbansi sebelum dan sesudah iradiasi dilakukan menggunakan spektrofotometer UV-Vis pada panjang gelombang 400 nm. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa terjadi perubahan densitas optik sebelum dan sesudah iradiasi. Juga terjadi reduksi ion Ce4+ menjadi Ce3+, terukur nilai dosis sebesar 3,6354 kGy (iradiator gamma PAIR) dan 6,7065 kGy (MBE PSTA), serta pengukuran CTA MBE sebesar 23,4 kGy. Kata kunci: dosimeter ceri-cero, densitas optik, iradiasi, MBE, iradiator

ABSTRACT RADIATION DOSE MEASUREMENT IRRADIATOR GAMMA AND ELECTRON BEAMS MACHINE WITH DOSIMETER CERI-CERO. It has carried out measurements of radiation dose gamma irradiator in PAIR-BATAN and electron beam machine in PSTA-BATAN using a solution of sulfuric ceri. The solution used in the process of irradiation was 5 mM CeSO4.4H2O solution dissolved into H2SO4 0.8 N. Quantitative analysis to measure absorbance difference before and after irradiation was performed using UV-Vis spectrophotometer at a wavelength of 400 nm. These results indicate that a change in optical density before and after irradiation. Also the reduction occurred Ce4+ ions into Ce3+, the measured value of 3.6354 kGy dose (gamma irradiators PAIR) and 6.7065 kGy (MBE PSTA), as well as MBE CTA measurement of 23.4 kGy. Keywords: dosimeter ceri-cero, optical density, irradiation, EBM, irradiator

PENDAHULUAN

R

adiasi yang diterima tidak dapat langsung terukur karena manusia ataupun lingkungan tidak punya variabel yang menunjukkan berapa besarnya dosis yang diterima, melainkan terjadi perubahan yang berupa efek kimia maupun fisika dari materi yang terkena radiasi. Efek kimia inilah yang digunakan sebagai pengukur dosis atau laju dosis radiasi [1]. Proses kimia tersebut dinamakan dosimetri kimia dan untuk pengukurannya menggunakan dosimeter. Dalam kimia radiasi terdapat beberapa jenis dosimeter, salah satunya adalah dosimeter ceri-cero [2]. Dosimeter ceri-cero merupakan dosimeter yang digunakan dalam dosimetri gamma maupun elektron. Namun dalam aplikasinya sistem ini memiliki beberapa kelemahan, seperti harus digunakannya bahan-bahan kimia dengan tingkat kemurnian yang sangat tinggi serta semua peralatan yang dipergunakan harus benar-benar bersih untuk mendapatkan sistem pemantau yang baik. Pada penelitian ini dilakukan iradiasi dosimeter ceri-cero untuk mengetahui korelasi besarnya laju

dosis terhadap perubahan konsentrasi larutan pada dosimetri ceri-cero dengan menggunakan fasilitas iradiator gamma yang ada di PAIR-BATAN Jakarta dan MBE 350 keV/10 mA PSTA-BATAN Yogyakarta. Pada penelitian ini diperlukan pengetahuan yang cukup memadai dalam penanganan dosimetri. Karena pada hakekatnya dosimetri industri merupakan unsur pokok dari langkah-langkah menuju penggunaan radiasi secara baik (Good Radiation Practice) dan cara memproduksi barang dengan baik (Good Manufacturing Practice) [3,4].

DASAR TEORI Dosimeter ceri-cero dapat digunakan sebagai dosimeter standar untuk mengukur radiasi pengion dosis tinggi, seperti sinar gamma dengan dosis 101000 kGy [5]. Dosimeter standar adalah dosimetri yang digunakan sebagai acuan ICRU (International Commision On Radiation Units and Measurements), karena mempunyai kestabilan tinggi dan ketelitian yang baik (± 1%) [6]. Apabila larutan ceri-cero ini


112


ISSN 1411-1349

diiradiasi dengan dosis tinggi, maka yang terjadi adalah reduksi ion Ce (IV) menjadi Ce (III). Semakin besar dosis radiasi, maka semakin banyak pula ion Ce (III) yang terbentuk. Perubahan densitas optik cericero dapat diukur dengan spektrofotometer pada panjang gelombang 320 nm [7]. Spesi reaktif yang dapat menimbulkan reaksi reduksi adalah e-aq dan H*. Dalam air e-aq dan H*akan mengubah ion Ce (IV) menjadi Ce (III) seperti reaksi berikut [8] H• + Ce4+ Æ H+ + Ce3+ e

_

aq +

Ce

4+

(1)

Æ Ce + H2O 3+

H2O2 + Ce Æ H + Ce + H2O 4+

+

3+

(2) (3)

G-value merupakan kesebandingan jumlah spesi tertentu yang menghasilkan per 100 eV kehilangan energi oleh partikel bermuatan, foton dan produk sekundernya ketika terhenti dalam air [9]. Gvalue Ce (III) jauh lebih kecil dibanding G-value Fe (III). Pengukuran laju dosis radiasi dari suatu iradiator gamma atau berkas elektron menggunakan dosimeter ceri-cero dapat ditentukan dengan persamaan sebagai berikut [8] D=

( DOa − DOs )100 × N A × 1,602.10 −12 rad / jam 3 3+ )

∑ ρd10 G(Ce

(4)

dengan D = laju dosis yang dicari dalam rad/jam, Doa= densitas optik ion Ce (III) setelah sel Ceri-Cero diiradiasi, Dos= densitas optik ion Ce (III) sebelum sel Ceri-Cero diiradiasi, dan Σ = koefisien ekstinksi molar pada suhu 25 °C untuk ion Ce (III) atau dosimeter Ceri-Cero setelah diiradiasi dalam liter/mol.cm. pada grafik densitas optik Vs konsentrasi ion Ce(III), harga Σ adalah tangen kurva kalibrasi itu;

dalam oksidasi-oksidasi yang memerlukan pendidihan dengan cerium (IV) sulfat berlebih dalam larutan asam. Jadi asam sulfat harus digunakan dalam oksidasi demikian. Namun, titrasi langsung dengan cerium (IV) sulfat dalam medium asam klorida encer (misalnya, untuk besi (II) dapat dilakukan dengan tepat (akurat) pada suhu kamar. Berkenaan dengan ini, cerium (IV) sulfat lebih unggul ketimbang kalium permanganat. Adanya asam fluorida mengganggu, karena ion fluorida membentuk kompleks stabil dengan Ce(IV) dan menghilangkan warna larutan. Pengukuran-pengukuran potensial formal menunjukkan bahwa potensial redoks dari sistem Ce (IV)-Ce (III) sangat banyak bergantung pada sifat serta konsentrasi dari asam yang ada, sebagai berikut: H2SO4 1,44 V; HNO3 1,61 V; HClO4 1,70 V; dan dalam larutan asam perklorat 8 M nilainya adalah 1,87 V. Telah dipostulatkan atas dasar pengukuranpengukuran potensial formal, bahwa Ce (IV) berada sebagai kompleks-kompleks anionik [Ce(SO4)4]4- atau [Ce(SO4)3]2-, [Ce(NO3)6]2-[Ce(ClO4)6]2-; akibatnya garam-garam padat seperti ammonium cerium (IV) sulfat 2(NH4)2SO4, Ce(SO4)2, 2H2O dan amonium cerium (IV) nitrat 2NH4NO3, Ce(NO3)2, 4H2O telah dirumuskan masing-masing sebagai amonium tetrasulatoserat (IV). Indikator yang sesuai untuk digunakan dengan larutan cerium (IV) sulfat adalah asam N-fenilantranilat, feroin, dan 5,6-dimetilferoin [10].

METODOLOGI Bahan Bahan yang digunakan adalah senyawa Ce(SO4)2.4H2O, H2SO4 0,8 N, dosimeter CTA dan aquadest.

ρ = berat jenis dosimeter Ceri-Cero (gram/Ml) Alat

D = tebal larutan, yaitu diameter sel Ceri-Cero, G(Ce3+) = jumlah molekul, radikal atau ion Ce4+ yang berubah menjadi ion Ce3+ untuk setiap absorpsi tenaga radiasi 100 eV. Harga G untuk ion Ce (III) = 2,34 untuk larutan Cero yang jenuh udara. NA Bilangan Avogadro = 6,023 × 1023 molekul/mol,

Peralatan yang digunakan terdiri dari iradiator gamma PAIR-BATAN, Mesin Berkas Elektron 350 keV/10 mA PSTA-BATAN, spektrofotometer UVVis, piknometer, gelas beker, labu ukur, gelas arloji, neraca analitik, vial-vial plastik, lakban, botol kecil.

1 eV = 1,602 × 10-12 erg ; 1 rad : 100 erg/gram

Preparasi Sampel Larutan

Larutan cerium (IV) sulfat dalam asam sulfat encer adalah stabil, bahkan pada suhu didih. Larutan dalam asam klorida dari garam ini tidak stabil, karena reduksi menjadi cerium (III) oleh asam tersebut dengan dibarengi dengan pembebasan klor

Preparasi dilakukan dengan pembuatan larutan dosimeter ceri-cero 5 mM dengan cara melarutkan 1,0415 gram Ce(SO4)2.4H2O ke dalam H2SO4 0,8 N, kemudian ditanda bataskan hingga 500 mL. Larutan sampel dibagi ke dalam tiga gelas plastik (sampel tidak diiradiasi, sampel diiradiasi dengan iradiator gamma PAIR-BATAN dan sampel diiradiasi di MBE 350 keV/10 mA PSTA-BATAN) masing-masing 25 ml. Kemudian ditentukan massa jenisnya.

2 Ce 4+ + 2 Cl − ⇒ 2 Ce 3+ + Cl 2

(5)

Reaksi ini berlangsung benar-benar cepat pada pendidihan, maka asam klorida tak dapat digunakan

PENGUKURAN DOSIS RADIASI IRADIATOR GAMMA DAN MESIN BERKAS ELEKTRON DENGAN DOSIMETER CERICERO Anwar Jundiy, Sukaryono

113


ISSN 1411-1349

Iradiasi Sampel dan Penentuan Dosis Radiasi Larutan sampel disiapkan ke dalam wadah kaca dan diberi label. Sampel diiradiasi menggunakan iradiator gamma PAIR-BATAN dan MBE 350 keV/10 mA PSTA-BATAN. Perlakuan iradiasi dengan MBE 350 keV/10 mA dikondisikan pada tegangan pemercepat 302 kV, arus berkas elektron 2,5 mA dan waktu irradiasi 1 menit. Dosimeter yang digunakan adalah dosimeter CTA dan dosimeter penanda go-nogo yang ditempel pada sampel, kemudian diiradiasi sebagai pembanding pembacaan dosis antara ceri-cero dengan CTA. Analisis Cuplikan Hasil Degradasi Analisis kuantitatif dilakukan untuk mengetahui perubahan akibat iradiasi berdasarkan perubahan intensitas atau pengurangan intensitas warna menggunakan spektrofotometer UV-Vis. Pengukuran intensitas warna dilakukan pada panjang gelombang tertentu pada kondisi terjadi penyerapan maksimum. Juga dilakukan pengamatan dosis CTA menggunakan CTA reader.

Faktor pengenceran = 10 kali (5ml larutan ceri-cero dalam50 ml pelarut) Blanko = H2SO4 0,8 N Larutan Sampel = (larutan ceri-cero dengan pelarut H2SO4 0,8 N) Pengukuran absorbansi dilakukan dengan menggunakan spektrofotometri UV-Vis pada panjang gelombang 340 nm dan hasilnya disajikan pada Tabel 2. Tabel 2. Data pengukuran absorbansi. No.

Sampel

Absorbansi

1

Blanko H2SO4 0,8 N

0,000

Larutan ceri-cero

2

0,439

sebelum iradiasi Larutan ceri-cero setelah iradiasi PAIR

3

0,384

HASIL DAN PEMBAHASAN Pembuatan Larutan Ceri - Cero

Perhitungan Densitas

= Massa CeSO4.4H2O = Volume H2SO4 0,8N Volume yang di radiasi = Konsentrasi yang diiradiasi =

Untuk menentukan densitas larutan ceri-cero dapat dihitung dengan persamaan (6) dan hasilnya disajikan pada Tabel 3.

1,0415 gram 500 mL 25 mL 5 mM.

v (aquadest ) =

Data pengukuran massa sebelum diiradiasi, setelah diiradiasi dengan iradiator gamma PAIR dan setelah diiradiasi dengan MBE 350 keV/10 mA PSTA disajikan pada Tabel 1.

m (aquadest ) ρ (aquadest ) (6)

ρ (larutan) =

m (larutan) v (aquadest )

Tabel 1. Data pengukuran massa larutan. Massa sebelum Irradiasi (gram)

Massa setelah diiradiasi di PAIRBATAN (gram)

Massa setelah diiradiasi di PSTABATAN (gram)

Keterangan

piknometer kosong

15,9863

10,8435

10,8435

pH <1

piknometer + aquadest

40,4431

21,1134

21,1134

piknometer + ceri cero

41,3687

21,7000

21,5412

Komponen

Penentuan Dosimetri Spektrofotometri

Ceri-Cero

Tabel 3. Harga densitas larutan ceri-cero. No.

dengan

Larutan

Densitas (gr/cm3)

1

Aquadest ( 29o C)

0,995945

2

Larutan ceri-cero sebelum iradiasi

1,033654

3

Larutan ceri-cero setelah iradiasi PAIR

1,052802

4

Larutan ceri-cero setelah iradiasi MBEPSTA

1,037403

Massa CeSO4.4H2O = 1,0415 gram


114


ISSN 1411-1349

Perhitungan Dosis Radiasi Besarnya dosis radiasi dapat dihitung dengan persamaan (4) dan hasilnya disajikan pada Tabel 4.

Tabel 4. Dosis radiasi dosimeter ceri-cero. Dosimetri ceri-cero (kGy)

No.

Jenis larutan

1

setelah iradiasi dengan iradiator gamma PAIR

3,6354

2

setelah iradiasi MBE-PSTA

6,7065

dengan

PEMBAHASAN Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui dosis radiasi dalam suatu penggunaan dosimeter cericero, prinsip dosimeter ceri-cero yakni suatu bahan yang dapat memberikan tanggapan atau respon dapat diukur, jika dikenai radiasi pengion. Tanggapan berlangsung selama proses iradiasi, tanggapan tersebut menunjukkan terjadinya reduksi ion Ce4+ menjadi ion Ce3+. Reduksi ion ceri menjadi ion cero dapat menyebabkan terlihatnya perubahan rapat optik pada larutan dan keadaan demikian dapat dimanfaatkan untuk mengetahui besar dosis radiasi. Proses reaksi reduksi berlangsung melalui tahapan berikut: H• + Ce4+ Æ H+ + Ce3+ e aq + Ce4+ Æ Ce3+ + H2O _

Dalam penelitian ini digunakan larutan induk CeSO4.4H2O dan H2SO4 0,8 N sebagai pelarutnya, sedangkan iradiator yang digunakan adalah iradiator gamma yang ada di PAIR-BATAN Jakarta dan sebuah Mesin Berkas Elektron 350 keV/10 mA yang ada di PSTA-BATAN. Larutan dosimeter ceri-cero sebelum dan sesudah diiradiasi dilakukan analisis. Analisis tersebut dilakukan secara kuantitatif untuk mengetahui perubahan densitas optik (absorbansi larutan) dengan menggunakan spektrofotometer UVVis pada panjang gelombang 400 nm. Larutan CeSO4.4H2O yang digunakan berwarna kuning yang cukup kuat dan stabil, sehingga dapat dianalisis secara langsung tanpa harus menambahkan zat pewarna lain. Namun, oleh karena warna larutan terlalu pekat dan tidak tergolong pada persamaan warna di salah satu deret standar, maka larutan dilakukan pengenceran terlebih dahulu supaya memudahkan analisisnya. Berdasarkan hasil analisis dapat diketahui bahwa terjadi perbedaan absorbansi, baik sebelum, maupun setelah iradiasi. Besar absorbansi larutan dosimeter ceri-cero setelah iradiasi lebih kecil daripada sebelum iradiasi yakni dari 0,439 (sebelum diiradiasi) menjadi 0,384 (setelah diiradiasi di

PENGUKURAN DOSIS RADIASI IRADIATOR GAMMA DAN MESIN BERKAS ELEKTRON DENGAN DOSIMETER CERICERO Anwar Jundiy, Sukaryono

iradiator gamma PAIR-BATAN) dan 0,339 (setelah diiradiasi di MBE PSTA-BATAN). Hal ini menunjukkan bahwa telah terjadi reaksi reduksi yang mengubah Ce4+ menjadi Ce3+ selama iradiasi berlangsung, sehingga absorbansinya menurun. Dari perhitungan dapat diketahui bahwa besar dosis serap mencapai 3,6354 kGy (iradiator gamma PAIRBATAN) dan 6,7065 kGy (MBE PSTA-BATAN). Dari hasil tersebut jika dibandingkan dengan nilai dosis serap CTA yang dibaca oleh CTA reader 23,4 kGy, ini sangat besar perbedaan pembacaan kedua indikator tersebut. Dosis yang dihitung berdasarkan ceri-cero sangat kecil dari pada yang terbaca oleh dosimeter CTA. Hal ini bisa terjadi karena pembacaan dosimeter CTA terlalu lama (lebih dari 2 jam setelah iradiasi), sehingga hasil pembacaan absorbansi dari dosimeter CTA tidak pada harga yang sebenarnya.

KESIMPULAN Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan, akhirnya dapat disimpulkan beberapa hal antara lain: a. Dosimetri kimia dapat digunakan untuk menentukan laju dosis irradiator gamma maupun mesin berkas elektron. b. Ceri-cero setelah iradiasi lebih kecil daripada sebelum iradiasi yakni dari yang menunjukkan bahwa telah terjadi reaksi reduksi untuk mengubah Ce4+ menjadi Ce3+ selama iradiasi berlangsung, sehingga absorbansinya menurun. c. Dihasilkan perhitungan dosis berdasarkan dosimetri Ceri-cero saat di PAIR sebesar 3,6354 kGy sedangkan saat di MBE sebesar 6,7065 kGy.

UCAPAN TERIMA KASIH Tiada kata yang lebih indah untuk diucapkan selain terima kasih, untuk itu penulis haturkan terimakasih yang setulus-tulusnya kepada Bapak Kepala Pusat Aplikasi Isotop dan Radiasi dan Bapak Kepala Pusat Sains dan Teknologi Akselerator, sehingga penulis bisa menggunakan fasilitas untuk melakukan penelitian. Semoga Allah SWT selalu memberikan imbalan yang setimpal atas jasa baik tersebut dan selalu memberi kekuatan kepada kita semua untuk berkarya dan beramal lebih baik lagi dalam setiap kesempatan. Amin.

DAFTAR PUSTAKA [1] BUMSOO HAN Ph.D, Electron Beam and Human Life, Seminar Nasional Iptek Nuklir Dasar dan Terapan, PSTA-BATAN Yogyakarta, 2015.

115


[2] TJAHJONO SURINDRO, Dosimetri Iradiator, Pelatihan Petugas Iradiator Gamma, PusdiklatBATAN, Jakarta, 2015. [3] UTAMA, M. et.al., Trial Production of Irradiated Natural Rubber Latex and its Dipping Products on Factory Scale, Quality And TechnoEconomical Aspec International Rubber Conference and Products Exhibition, Jakarta, 2004.

ISSN 1411-1349

[9] IRAWATI, Z. Aplikasi Mesin Berkas Elektron pada Industri Pangan, Pusat Aplikasi Teknologi Isotop dan Radiasi, Badan Tenaga Nuklir Nasional, Edisi Khusus, Jakarta, Juli 2006. [10] G.H JEFFERY, dkk., Vogel’s Quantitative Chemical Analysis, Longman Scientific & Technical, New York, 1989.

[4] MAKUUCHI, K., Electron Beam Processing of Rubber Proceeding of the Workshops on the Utilization of Electron Beams, JAERI-M, 90194.

TANYA JAWAB

[5] THAMRIN M THOYIB, dkk., Pengukuran Dosis Serap dengan Dosimeter Kimia, PKRBNBATAN. Jakarta, 2004.

− Hasil pengukuran dosis menggunakan CTA dan ceri-cero ada perbedaan yang cukup signifikan. Faktor apa saja yang menyebabkan itu terjadi?

[6] RANY SAPTAAJI, Teori Dosimetri Akselerator, Pelatihan Pekerja Akselerator, Pusat Pendidikan dan Pelatihan-Badan Tenaga Nuklir Nasional, Yogyakarta, 2009. [7] SUKARYONO, Dosimetri Industri Iradiator, Petunjuk Praktikum Dosimetri Mesin Berkas Elektron, Sekolah Tinggi Teknik Nuklir (STTNBATAN), Yogyakarta, 2014.

Rany Saptaaji

Anwar Jundiy − Jika dilihat dari faktor yang mempengaruhi, posisi penempatan sampel sangatlah berpengaruh, dikarenakan ada pengaruh jarak, kemudian dari pengaruh bahan yang di iradiasi dan juga faktor kalibrasi dari kedua dosimeter tersebut yaitu dosimeter CTA dan dosimeter Standar Acuan (cericero).

[8] CHRISTINA MARIA, dkk., Dasar-Dasar Kimia Radiasi, Percobaan-Percobaan, dan Contoh Aplikasinya. STTN-BATAN, Yogyakarta, 2008.


116


ISSN 1411-1349

PENGARUH SUHU SUBSTRAT TERHADAP SIFAT LISTRIK DAN OPTIK BAHAN SEMIKONDUKTOR LAPISAN TIPIS SnSe HASIL PREPARASI TEKNIK EVAPORASI HAMPA Alvan Umara1, Tjipto Sujitno2, Ariswan3 1

Mahasiswa Program Studi Fisika FMIPA UNY Peneliti PSTA-BATAN Yogyakarta 3, Dosen Program Studi Fisika FMIPA UNY e-mail : [email protected] 2,

ABSTRAK PENGARUH SUHU SUBSTRAT TERHADAP SIFAT LISTRIK DAN OPTIK BAHAN SEMIKONDUKTOR LAPISAN TIPIS SnSe HASIL PREPARASI TEKNIK EVAPORASI HAMPA. Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari pengaruh suhu substrat terhadap sifat listrik dan sifat optik lapisan tipis Tin Selenide (SnSe) hasil preparasi menggunakan teknik evaporasi hampa. Proses preparasi lapisan tipis SnSe dilakukan pada kondisi; tekanan 2 × 10-5 mbar, berat bahan 0,250 gram, spacer 15 cm dan pada berbagai variasi suhu substrat yaitu pada suhu kamar, 250 oC, 350 oC, dan 500 oC. Karakterisasi sifat listrik dilakukan menggunakan probe empat titik (FPP, four point probe) sedang sifat optik lapisan tipis dikarakterisasi menggunakan spectroscopy UV-Vis. Hasil karakterisasi dari FPP menunjukkan bahwa lapisan tipis Tin Selenide (SnSe) yang terbentuk merupakan semikonduktor tipe P dengan resistivitas dalam orde × 105 Ώcm-2 atau dalam orde × 103 Ώ-cm. Dari data pengukuran sifat optik (transmittance, absorbanse dan reflectance) dan setelah diolah menggunakan metode Taue plot dengan bantuan software Ms. Origin 5.0 diperoleh energi gap 1,38 eV untuk substrat tanpa dipanasi, 1,43 eV untuk substrat yang dipanasi 250˚C, 1,47 eV untuk substrat yang dipanasi pada suhu 350˚C dan 1,706 eV untuk substrat yang dipanasi pada suhu 500˚C. Kata kunci : suhu substrat, semikonduktor SnSe, metode evaporasi, FPP dan energi gap.

ABSTRACT THE INFLUENCE OF SUBSTRATE TEMPERATURE ON THE OPTICAL AND ELECTRICAL PROPERTIES OF SnSe THIN FILM SEMICONDUCTOR PREPARED USING VACUUM EVAPORATION TECHNIQUE. The aim of this research is to investigate the influence of substrate temperature on the optical and electrical properties of tin selenide (SnSe) thin film prepared using vacuum evaporation technique. The condition of preparation process was 2 × 10-5 mbar of pressure, 0,250 gram of weight, 15 cm of spacer and for various of substrate temperature such as room temperature, 250 oC, 350 oC, and 500 oC. Characterization of electrical properties was measured using four point probe (fpp), while optical properties was measured using UV Vis spectrofotometer It’s found that the formed tin selenide (SnSe) thin films is semiconductor P type with the resistivity in order of × 105 Ώcm-2 or × 103 Ώ-cm. From optical properties measurement data (transmittance, absorbanse dan reflectance, and after having been analyzed using Taue plot methods which is provided with Ms. Origin 5.0 software, it’s found the gap energy of the tin selenide (SnSe) thin films which is 1,61 eV for unheated substrate, 1,61 eVfor substrate heated for 250˚C, 1,67 eV for substrate heated 350˚C and 1,72 eVfor substrate heated for 500˚C. Keywords: substrate temperature, SnSe thin film semiconductor, evaporation methods, gap energy.

PENDAHULUAN

M

asalah krusial yang dihadapai dunia saat ini adalah mengenai masalah energi dunia, ketidakseimbangan permintaan (demand) dan penawaran serta akses terhadap sumber daya energi. Pemanfaatan energi yang tidak dapat diperbaharui secara berlebihan dapat menimbulkan masalah krisis energi. Tin Selenide (SnSe) merupakan senyawa kimia yang berupa padatan kristal dengan warna abu-abu.

PENGARUH SUHU SUBSTRAT TERHADAP SIFAT LISTRIK DAN OPTIK BAHAN SEMIKONDUKTOR LAPISAN TIPIS SnSe HASIL PREPARASI TEKNIK EVAPORASI HAMPA Alvan Umara, Tjipto Sujitno, Ariswan

SnSe merupakan paduan dari dua unsur kimia yaitu tin (Sn) dan selenium (Se) dengan presentase masing-masing adalah 39,95% Se dan 60,05% Sn. SnSe mempunyai struktur kristal orthorombik dengan lebar pita terlarang (Eg, band gap) secara tidak langsung (indirect) sekitar (0.9 eV) dan secara langsung (direct) sekitar (1.30 eV), tetapi untuk lapisan tipis dan nanocrystals dari SnSe mempunyai energi gap sebesar 1.9 eV, titik lebur sebesar 861 oC, dan massa atom relatif sebesar 197,67gram/mol (Enue Barrios-Salgado dkk,2014) serta resistivitas listrik sebesar 17,9 Ωm.

117


Pada makalah ini disajikan hasil pembuatan lapisan tipis SnSe yang dideposisikan pada substrat kaca dengan teknik evaporasi hampa. Kemudian lapisan tipis SnSe dikarakterisasi sifat listrik dan optiknya masing masing menggunakan probe empat titik (FPP, four point probe) dan spektroskopi UV-Vis. Dalam pembuatan lapisan tipis SnSe, jarak sumber ke substrat dibuat tetap sedang suhu substrat divariasi, hal ini dimaksudkan agar diperoleh karakteristik lapisan tipis yang optimum. Karakterisasi Lapisan Tipis Oleh karena lapisan tipis yang dibuat ini, kedepannya akan digunakan sebagai tranduser dari cahaya menjadi elektrik (sel surya), maka karakterisasi yang paling tepat adalah karakterisasi sifat listrik maupun sifat optiknya. Dalam penelitian ini, karakterisasi elektrik lapisan tipis dilakukan menggunakan probe 4 titik (Four Point Probe (FPP)), sedang sifat optis dianalisa menggunakan spektroskopi UV-Vis. Dari pengukuran sifat listrik diperoleh informasi mengenai resistivitas, resistansi maupun tipe konduksinya dari lapisan tipis yang terbentuk. Sedang dari data pengamatan sifat optik menggunakan UV Vis diperoleh informasi tentang sifat absorbansi, reflektansi maupun transmitansi dari lapisan. Kemudian dari data ini dan setelah diolah menggunakan metode Taue plot dengan bantuan software Ms. Origin 5.0 diperoleh energi gap dari lapisan.

METODE PENELITIAN Preparasi lapisan tipis SnSe menggunakan teknik evaporasi hampa merupakan metode pembuatan lapisan tipis dengan menguapkan bahan dalam ruang hampa. Pada sistem evaporasi hampa terdapat sumber pemanas yang akan mengevaporasi bahan yang akan dilapiskan. Pemanas tersebut dialiri oleh arus yang cukup tinggi hal ini dimaksudkan untuk mendapatkan suhu yang tekanan uapnya mampu mendesak keluar uap-uap dari bahan sumber. Bahan sumber yang telah dievaporasi kemudian bergerak meninggalkan sumber panas dalam bentuk uap/gas. Kemudian terjadi proses pelapisan melalui proses kondensasi pada permukaan substrat Sebagai langkah awal dari penelitian adalah serbuk SnSe seberat 0,250 gram diletakkan pada mangkok/wadah/cawan/boat, jarak substrat ke bahan dibuat tetap sekitar 15 cm. Setelah itu, tabung dihampakan hingga 2 × 10-5 mbar, mangkok molebdenum dialiri listrik dalam orde 40 A. Proses

ISSN 1411-1349

pendeposisian lapisan tipis SnSe dilakukan untuk berbagai variasi suhu substrat yaitu tanpa pemanasan substrat, pada suhu kamar, 250 oC, 350 ˚C, dan 500 ˚C. Proses karakterisasi sifat listrik lapisan tipis dilakukan menggunakan probe empat titik (FPP), sedang karakterisasi sifat optik dilakukan dengan menggunakan spektroskopoi UV-Vis. Untuk menentukan energi gap digunakan metode Taue plot. Untuk mencari nilai Eg digunakan hubungan koefisien absorbansi terhadap energi, seperti yang disajikan pada persamaan (1):

α h f = A ( h f − Eg )0,5 dengan h adalah konstanta Planck, f =

(1) c

λ

, A adalah

konstanta yang tergantung pada material dan Eg adalah energi gap. Koefisien absorbsi ditentukan dengan persamaan (2):

α = −

ln T d

(2)

dengan T adalah transmitansi optik (%). Penentuan celah pita optik dengan metode Taue plot dilakukan dengan cara menarik garis secara ekstrapolasi pada daerah linier dari grafik hubungan antara (α h f)2 dengan (α h f) hingga memotong sumbu energi. Perpotongan antara hasil ekstrapolasi dengan sumbu inilah yang menunjukkan celah pita optik dari lapisan tipis tersebut (Supu,A.et, 2008).

HASIL DAN PEMBAHASAN Sifat Listrik Lapisan Tipis SnSe Hasil karakterisasi sifat listrik lapisan tipis SnSe untuk sampel yang diperoleh pada kondisi tanpa pemanasan substrat, pemanasan substrat sebesar 250 ˚C , 350 ˚C dan 500 ˚C disajikan pada Tabel 1. Nilai resistansi untuk sampel yang diperoleh pada substrat yang tidak dipanasi dan pada sus substrat 250 °C tidak terdeteksi oleh FPP (menunjuk error) hal ini dimungkinkan lapisan yang terbentuk masih terlalu tipis sehingga jarum pada FPP mengenai substrat kaca. Sedangkan nilai resistansi untuk sampel yang diperoleh pada suhu substrat 350˚C pada posisi tegak adalah 2,620 × 105 Ω, 2,660 × 105 Ω, dan 2,580 × 105 Ω. Apabila diambil nilai rata-ratanya adalah sebesar 2,620 × 105 Ω. Dan pada posisi melintang adalah 3,420 × 105 Ω, 2,960 × 105 Ω, dan 3,050 × 105 Ω, dengan nilai reratanya adalah sebesar 3,140 × 105 Ω.


118


ISSN 1411-1349

Tabel 1. Hasil pengukuran karakteristik sifat listrik lapisan tipis SnSe. a. Tanpa pemanasan substrat Posisi Tegak

Posisi Melintang

Pengukuran

Resistansi (× 10 Ω)

Tipe

Pengukuran


Tipe

1 2 3

-

-

1 2 3

-

-

5

Posisi Tegak

Posisi Melintang

Pengukuran

Resistansi (× 103 Ω-cm)

Tipe

Pengukuran


Tipe

1 2 3

-

-

1 2 3

-

-

b. 250 ˚C Posisi Tegak

Posisi Melintang

Pengukuran


Tipe

Pengukuran


Tipe

1 2 3

-

-

1 2 3

-

-

5

Posisi Tegak

Posisi Melintang

Pengukuran


Tipe

Pengukuran


Tipe

1 2 3

-

-

1 2 3

-

-

c. 350˚C Posisi Tegak

Posisi Melintang

Pengukuran


Tipe

Pengukuran


Tipe

1

2,660

P

1

3,420

P

2

2,620

P

2

2,960

P

3

2,580

P

3

3,050

P

5

Posisi Tegak

Posisi Melintang

Pengukuran


Tipe

Pengukuran


Tipe

1

0,665

P

1

0,870

P

2

0,676

P

2

0,753

P

3

0,656

P

3

0,775

P


119


ISSN 1411-1349

d. 500˚C Posisi Tegak

Posisi Melintang

Pengukuran


Tipe

Pengukuran


Tipe

1

0,181

P

1

0,023

P

2

0,178

P

2

0,169

P

3

0,157

P

3

0,177

P

5

Posisi Tegak

Posisi Melintang

Pengukuran


Tipe

Pengukuran


Tipe

1

0,461

P

1

0,584

P

2

0,453

P

2

0,431

P

3

0,399

P

3

0,451

P

Nilai resistansi untuk sampel yang diperoleh pada suhu substrat 500 oC pada posisi tegak adalah 0,181 × 105 Ω, 0,178 × 105 Ω, dan 0,157 × 105 Ω dengan nilai reratanya adalah sebesar 0,172 × 105 Ω. Sedang pada posisi melintang adalah sebesar 0,230 × 105 Ω, 0,169 × 105 Ω, dan 0,177 × 105 Ω dengan nilai rerata adalah sebesar 0,192 × 105 Ω.

absorbansi maksimum sebesar 3,16, sedangkan nilai absorbansi minimumnya diperoleh pada lapisan yang substratnya dipanasi pada suhu 350 °C dan suhu substrat 500 °C. Hal ini dimungkinkan lapisan tipis yang terbentuk sangat tebal sehingga cahaya yang terabsorpsi semakin besar dan semakin banyak cahaya yang ditransmisikan.

Nilai resistivitas untuk sampel yang diperoleh tanpa pemanasan substrat dan pada suhur substrat 250 °C tidak terdeteksi oleh FPP dikarenakan sampel tersebut terlalu tipis. Sedangkan nilai resistansi untuk sampel yang diperoleh pada temperatur substrat 350 oC pada posisi tegak adalah 0,665 × 103 Ω-cm, 0,676 × 103 Ω-cm, dan 0,656 × 103 Ω-cm. Apabila diambil nilai rata-rata untuk nilai resistansi adalah sebesar 0,666 × 103 Ω-cm. Dan pada posisi melintang adalah 0,870 × 103 Ω-cm, 0,753 × 103 Ω-cm, dan 0,775 × 103 Ω-cm, dengan nilai reratanya adalah sebesar 0,799 × 103 Ω-cm. Nilai resistivitas untuk sampel yang diperoleh pada suhu substrat 500 oC pada posisi tegak adalah 0,461 × 103 Ω-cm, 0,453 × 103 Ω-cm, dan 0,399 × 103 Ω-cm. Dengan nilai reratanya adalah sebesar 0,438 × 103 Ω-cm. Sedangkan pada posisi melintang adalah sebesar 0,584 × 103 Ω-cm, 0,431 × 103 Ω-cm, dan 0,451 × 103 Ω-cm dengan nilai rerata adalah sebesar 0,489 × 103 Ω-cm.

Gambar 1. Grafik hubungan antara energi foton dan absorbansi lapisan tipis SnSe.

Hasil karakterisasi sifat optis untuk sampel yang substratnya tidak dipanasi dan yang dipanasi pada suhu 250 °C, 350 °C dan 500 °C disajikan berturut turut pada Gambar, 1, 2, 3, 4.

Dari variasi suhu substrat ternyata memberikan kontribusi yang berarti pada sifat optis lapisan, hal ini dikarenakan dengan variasi suhu substrat akan menyebabkan baik tidaknya lapisan yang terbentuk. Selain itu metode ini merupakan transport uap yang membutuhkan suhu substrat yang lebih besar yaitu diatas 250 oC. Hal ini diperkuat oleh data yang diperoleh pada pemanasan substrat 250 oC yang menunjukkan belum terdeteksi sifat-sifat listriknya.

Dari Gambar 1 diperoleh informasi bahwa nilai absorbansi optik untuk lapisan tipis SnSe pada sampel yang substratnya dipanasi pada suhu 250 °C, nilai

Untuk menentukan besarnya celah energi bahan, metode yang digunakan adalah dengan metode Taue plot dengan bantuan software Ms. Origin 5.0.

Sifat Optik Lapisan Tipis SnSe


120


ISSN 1411-1349

Berikut disajikan plot untuk menentukan lebar celah optik atau energi gap. Dan hasilnya disajikan pada Gambar 2, 3, dan Gambar 4.

Gambar 2. Grafik koefisien absorbansi terhadap energi foton untuk lapisan tipis bahan semikonduktor SnSe yang diperoleh pada tanpa pemanasan substrat.

Gambar 3. Grafik koefisien absorbansi terhadap energi foton untuk lapisan tipis bahan semikonduktor SnSe yang diperoleh pada pemanasan substrat suhu 250 °C.

Gambar 5. Grafik koefisien absorbansi terhadap energi foton untuk lapisan tipis bahan semikonduktor SnSe yang diperoleh pada pemanasan substrat suhu 500 °C. Berdasarkan dari hasil fitting menggunakan Ms. Origin (terlampir) dapat diketahui untuk menentukan besarnya celah energi dapat menggunakan persamaan Y = A + B * X, dengan Y adalah koefisien absorbansi, dan X adalah celah energi gap. Dari persamaan tersebut dapat diketahui besarnya energi gap pada suhu substrat yang diperoleh pada tanpa pemanasan substrat sebesar 1,61 eV. Seperti hal sebelumnya, setelah dilakukan analisis matematik besarnya energi gap untuk suhu substrat yang diperoleh pada suhu pemanasan substrat 250 oC diperoleh sebesar 1,61 eV. Besarnya energi gap untuk suhu substrat yang diperoleh pada pemanasan substrat 350 oC diperoleh sebesar 1,67 eV. Dan besarnya energi gap pada suhu substrat yang diperoleh pada pemanasan substrat suhu 500 oC diperoleh sebesar 1,72 eV. Dari hasil penelitian karakterisasi optik ini untuk sampel tanpa pemanas substrat, 250 oC, 350 oC, dan 500 oC menghasilkan energi gap yang relevan dengan data referensi untuk energi gap bahan semikonduktor lapisan tipis SnSe yaitu sekitar 0,9 eV hingga 1,9 eV. Hasil pengukuran karakteristik optik dalam penelitian ini ditunjukkan pada Tabel 2.

Tabel 2. Hasil pengukuran karakteristik optik lapisan tipis SnSe.

Gambar 4.

Grafik koefisien absorbansi terhadap energi foton untuk lapisan tipis bahan semikonduktor SnSe yang diperoleh pada pemanasan substrat suhu 350 °C.


Suhu Substrat

Eg (eV) referensi

Eg (eV) hasil penelitian

Suhu kamar

0,9 - 1,9

1,61

250 oC

0,9 - 1,9

1,61

o

0,9 - 1,9

1,67

o

0,9 - 1,9

1,72

350 C 500 C

121


ISSN 1411-1349

Hubungan Antara Sifat Listrik dan Sifat Optik Lapisan Tipis Bahan Semikonduktor SnSe

Magnetron sputtering., FMIPA UNS., Surakarta, 2013.

Berdasarkan pembahasan sebelumnya, bahwa pada suhu substrat 350 oC lebih besar untuk nilai resistivitasnya daripada pada suhu substrat 500 oC. Hal ini berpengaruh pada sifat optik bahan. Berdasarkan nilai absorbansi yang dilampirkan gambar 21, besarnya nilai absorbansi pada suhu substrat 250 oC memiliki nilai absorbansi lebih besar daripada yang lainnya yaitu sebesar 3,16. Sedangkan nilai energi gap yang dilampirkan gambar 22, 23, 24 dan 25, besarnya nilai energi gap pada suhu substrat 500 oC memiliki nilai energi gap lebih besar daripada yang lainnya yaitu sebesar 1,72 eV.

[3] RIO, S.R., & M., Fisika dan Teknologi Semikonduktor. Jakarta: PT Pradnya Paramita, 1982.

Pada pembuatan lapisan tipis SnSe ini divariasi suhu substrat. Variasi suhu substrat ini dipilih pada suhu substrat tanpa pemanas substrat, 250 oC, 350 oC, dan 500 oC karena semakin tinggi suhu substrat suatu lapisan tipis pada saat pemanasan maka akan semakin baik karakteristik lapisan tipis yang dihasilkan. Sehingga didapatkan lapisan tipis SnSe yang memiliki resistansi yang kecil dan absorbansi tinggi dan diharapkan dapat dijadikan sebagai bahan dasar untuk sel surya. Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan teknik vakum evaporasi yang masih memerlukan optimasi terhadap parameter deposisi yang lain untuk mendapatkan sifat listrik dan sifat optik yang lebih baik.

KESIMPULAN Dari hasil percobaan yang telah dilakukan dan setelah dilakukan karakterisasi sifat listrik maupun sifat optik dapat disimpulkan bahwa : •

Hasil karakterisasi sifat elektrik menggunakan FPP menunjukkan bahwa lapisan tipis Tin Selenide (SnSe) yang terbentuk merupakan semikonduktor tipe P dengan resistivitas dalam orde × 105 Ώcm-2 atau dalam orde × 103 Ώ-cm.

•

Dari data pengukuran sifat optik (transmittance, absorbanse dan reflectance) dan setelah diolah menggunakan metode Taue plot dengan bantuan software Ms. Origin 5.0 diperoleh energi gap 1,38 eV untuk substrat tanpa dipanasi, 1,43 eVuntuk substrat yang dipanasi 250 oC, 1,47 eV untuk substrat yang dipanasi pada suhu 350 oC dan 1,706 eV untuk substrat yang dipanasi pada suhur 500 oC.

[4] WIYANTO, SUGIANTO, I. SUPOMO, Pengaruh Anneling Pada Film Tipis Ta2O5 Ditumbuhkan Dengan Metode DC Magnetron Sputtering, Prosiding Seminar Nasional Rekayasa Kimia dan Proses. ISSN 1411-4216, 1-5, 2004. [5] SUYOSO, Listrik Yogyakarta, 2003.

Magnet,

FMIPA

UNY,

[6] SARAGIH, HORASDIA, H. ALIAH, E. SUSTINI, A. LIMBONG, A. M. HUTAPEA, Sifat Optik Lapisan Tipis In2O3 yang Ditumbuhkan Dengan Metode MOCVD. Journal Matematika dan Sains, Vol. 12 Nomor 2, 85-92, 2010. [7] SALIM A.K.H, AHMED S.M.,LATIF L.A., The Effet of Substrate Temperature on the Optical and Structural Properties of Tin Sulfide Thin Films, Journal of Basrah Researches ((Sciences)) Volume 37.Number 3A/ 15 June ((2011)), ISSN_1817 _2695, 2011.. [8] RAJESH S, SAHAYARAJ MARIA.C.A.R, dkk., Investigation on Structural and Optical Properties of Thermally Evaporated SnSe Thin Films, Chalcogenide Letters Vol. 11, No. 2, February 2014, p. 47 – 52, 2014. [9] M. MANONMANI PARVATHI, A. MOHAN, V. ARIVAZHAGAN, S. RAJESH, AIP conf.proc.206, 1451, 2012. [10] MATTHEW A. FRANZMAN, CODY W. SCHLENKER, MARK E. THOMPSON, RICHARD L. BRUTCHEY, J. Am. Chem. Soc. 132, 4060, 2010.

TANYA JAWAB Suprapto − Untuk aplikasi semikonduktor, yang paling baik dari penelitian ini yang mana?

Alvan Umara

DAFTAR PUSTAKA [1] ARISWAN, Kristalografi, Handout Kuliah, Yogyakarta: Universitas Negeri Yogyakarta, 2014. [2] MITAYANI M., Struktur dan sifat optik film tipis CdS Doping Zn yang ditumbuhkan dengan DC

− Untuk aplikasi semikonduktor dari penelitian ini untuk suhu substrat yang memiliki enrgi gap paling rendah atau saat suhu substrat tanpa pemanasan substrat karena pada kondisi ini mampu memberikan respon terhadap sinar matahari.


122

RANCANGAN SISTEM PENGATUR CATU DAYA SUMBER ELEKTRON TIGA ELEKTRODA MBE LATEKS BERBASIS PLC

Recommend Documents