Ke Daftar Isi
KONSTRUKSI
SISTEM VAKUM UNTUK SPEKTROMETER
MASSA
Sudjatmoko, Sutadji Sugiarto Pusat Penelitian Nuklir Yogyakarta
ABSTRAK
Telah dilakukan konstruksi spektrometer pompa
utama,
100/300M
pompa
massa. yaitu
yang
depan
denganlaju
sebagian sistem vakum untuk
Sistem vakum jenis
pompa
tersebut difusi
mempunyai laju pemompaan
yang
terdiri
Diffstak
model
280
l/detik,
sesuai adalah pompa -rotari model
pemompaan 7 mZ/jam.
Dari
pengujian
dari
dan EDM6
diperoleh
tingkat kehampaan sebesar 10-6 torr.
ABSTRACT
The
vacuum
system
+or
mass
spectrometer
has
partially
constructed.
main-pump
i.e. diffusion pump model Diffstak lOO/300M
pumping
The vacuum system
consists
speed 280 1 per second, and fore-pump with
displacement 7 mZ per hour.
been of
a
with
pumping
From the testing vacuum of 10-0
torr is reached.
40 4' :;
41
I.
PENDAHULUAN
Sistem
vakum adalah merupakan salah satu bagian
utama
dari spektrometer massa, yaitu sistem yang dipakai untuk menghampakan sistem spektrometer massa. Dalam spektrometer massa diperlukan keadaan hampa yang sangat tinggi yaitu sekitar 10-7 10-8 torr, agar supaya ion-ion yang dihasilkan oleh sumber ion dapat men~apai sistem deteksi. Pada umumnya untuk menghampakan suatu sistem atau bejana digunakan pompa vakum untuk mengalirkan udara yang ada di dalam bejana. Derajad kehampaan yang dapat di~apai bergantung pada banyaknya udara yang dapat dikeluarkan dari dalam bejana, tetapi dalam kenyataannya tidak pernah diperoleh kehampaan sempurna yaitu bebas dari semua materi. Suatu sistem vakum yang lengkap tersusun dari bermacamma~am komponen vakum, yaitu pompa-pompa vakum, baffle, valve, pipa-pipa vakum, gauge, dan sebagainya. Pada umumnya setiap sistem vakum terdiri dari tiga kelompok utama yaitu : 1. bejana kerja (sistem yang dihampakan) 2. pompa-pompa utama 3. pompa depan. Kelompok-kelompok ini
kemudian
dihubungkan
bersama-sama
dengan pipa-pipa vakum, dan komponen-komponen pembantu seperti baffle, valve dan ~old trap. Dalam membuat sistem vakum untuk spektrometer massa, terlebih dahulu dilakukan perhitungan untuk memilih jenis pompa yang digunakan. Dari perhitungan diharapkan akan diperoleh kombinasi jenis pompa vakum yang paling 'efisien dan ekonomis dengan derajad kehampaan sekitar 10-7 torr. Hasil yang diperoleh dari perhitungan tersebut, sisfem vakum yang dibuat terdiri dari 2 buah pompa Diffstak seri 100/300 dengan laju pemompaan 280 l/detik dan 2 buah pompa rotari model EDM6 dengan laju pemompaan 7 m3/jam. Untuk mengontrol derajad kehampaan yang di~apai, sistem vakum yang dibuat dilengkapi dengan 2 macam gauge. Pada jangkau tekanan 3 sampai 10-3 torr dipakai gauge PR10, dan untuk jangkau tekanan 10-3 sampai 10-7 torr dipakai Penning gauge jenis CP25.
Kombinasi
pompa difusi dan pompa rotari tersebut
yang
42 satu pasang
disambungkan
yang kedua dipasang
pada sistern deteksi.
pompa-pompa
difusi
pendinginan
tersebut
mampu memberikan II.
RANCANGAN
pada sistern sumber
memerlukan dipasang
pendinginan
ion,
Selama
beroperasi
pendingin,
satu sistem
sampaisuhu
sedangkan dan
untuk
pendingin
yang
15 ~C.
SISTEM VAKUM
dari A. Pemilihan sistem suatu ditentukan Besarnya vakum ukuran aliran batasan kec:epatan gas. Pompa Difusi perlu gas sebanding dalam suatu adalah sistem Dalam
dengan
diferensial
pV terhadap
waktu, yaitu besaran
(1)
q = -d(pV)/dt yang disebut'dengan
lewatan
(throughput).
dalam sistem di mana tekananpada
= -pdV/dt. volume
Lewatan
gas
tersebut. besarnya
pada tekanan p)
Maka dV/dt disebut
titik
saat itu adalah p, maka' q
diukur berdasarkan
(diukur
Pad a suatu
kec:epatan aliran dari yang
laju Spada
mellalui suatu
titik
ti~ik
lewatan adalah
(2)
q = S.p Laju
S
yang
dikeluarkan
dari pompa vakum didefinisikan
pada tekana~ Untuk
di saluran
disebabkan
oleh
akibat desorpsi yang
timbul
konstante
Lewatan
sistem vakum, besarnya
adanya
outgassing;
dan perembesan karena
yang
yang
ini
permukaan, yang
dan
diukur
diberikan
pertama
yang
total
yang
gas
timbul
didefinisikan
dalam
satuan
oleh
outgassing
sebagai
bejana.
diukur
di mana gas yang timbul berasal
diukur
l/detik.
melalui dinding
outgassing K,
beban
yang
gas
q diukur dalam
langkah
adalah
outgassing
kec:epatan Lewatan
masuk pompa.
volume
waktu
dan laju S dalam satuan
meranc:ang
dihitung
sebagai
dari sistem persatuan
satuan torr.l/detik
harus
dan
Gas
berdasarkan sebagai
dari satuan
luas
torr.l/detik/c:m2• dapat
dihitung
43 berdasarkan
persamaan(2)
q = dimana
(3)
: K~ adalah
konstante
A~ adalah Dalam rancangan sekecil yaitu
outgassing
luas permukaan
dari material
material
ke i.
sistem vakum yang baik lewatan harus
mungkin,
2. lewatan
dapat diperkecil
permukaan
memilih
dari
Untuk
yang pertama
pompa
lewatan
utama
q pu
Faktor
ini
dengan jalan membuat
merancang
sistem
kali dilakukan
untuk
menghasilkan
sebagai suatu
laju S
mempertahankan
tekanan
107. dari
yang pompa
adalah menentukan
diperlukan
sekitar
dipilih
adalah
at au
utama
Pad a umumnya sistem dirancang adalah
vakum
memilih
jenis pompa
luas
mungkin.
vakum
yang
cara
mempunyai
vakum dan komponen-komponen
sehingga
dikehendaki. akhir
dalam
pompa-pompa
difusi,
yang
dinding dalam bejana sekecil
kedua
diperlukan.
dibuat
dan hal ini dapat dicapai dengan dua
1. material konstruksi harus dipilih harga outgassing terendah
Langkah
ke i
kerja
sehingga
tekanan faktor
yang tekanan
kerja
p_(2).
pengaman.
Laju
efektif Sa dari pompa utama pada. bejana kerja diperoleh persamaan :
dari
(4)
Pad a melalui
pipa,
konduktansi pertama
2S._
umumnya
pompa dihubungkan
dengan
valve, dan sebagainya.
dari
komponen-komponen
Dleh
disediakan perhitungan, mendekati rendah). maksimum
laju
cleh akan hasil
pompa
pabrik
dari tidak
harus
sesuai
(lebih
vakum
dengan laju
tinggi
kerja adanya
pendekatan sama
pompa-pompa
tetapi pcmpa mempunyai perhitungan
karena
tersebut,
dari laju pompa yang diperlukan Meskipun
bejana
pompa atau
Untuk itu maka dipilih pompa yang mempunyai
dengan yang hasil yang lebih l~ju
44 Untuk mendapatkan pompa dan
Apabila
laJu pemompaan
konduktansi
pemompaan
efektif
1/5_
=
Sedangkan 10-4
pipa
dari
L
adalah
Perlu 10-2
sama
dengan.
diameter
dari
pipa sampai
beJana
dapat di bawah
100 cm, aliran gas
Dari
sini
yang diperbolehkan,
yang
konduktansi
dapat
yaitu
bahwa pompa difusi
kerja
dari
10-2 torr.
baling-baling rotor
rotari
dihitung
:
dapat
rotari.
tekanan terdiri
sebesar
pompa
sampai
ini bekerja
secara
dari rotor~
stator
(rotaryvane).
Dalam
bersama-sama
proses
dengan rotari
baling rotari yang berputar
udara didorong
sampai akhirnya
pe-
balingtertentu,
yang dipompa masuk ke dalam ruang Selanjutnya
'untuk
atmosfir
Pada posisi baling-baling
dan stator.
beroperasi
minimum
sebuah
Pompa rotari
akan berputar
udara atau gas-gas
antara
oleh
baling-
dibuang
ke lauar
sebuah katup berpegas.
Pompa
rotari harus tidak hanya dapat
apabila
sistem pada tekanan
mampu memberikan akan
.pompa.
pipa
Maka besarnya
dimana di dalam pompa
mompaan,
gas
dan
kerja dalam keadaan hampa
minimum
mekanik,
melalui
leher
Untuk semua tekanan
Untuk itu maka diperlukan
menghampakan
rotor
dipilih
(6)
diketahui
torr.
baling
cold-trap
harus
Pompa Rotari
bejana
tekanan
laju
12~12 D::S/C
Pemilihan
apabila
maka
adalah(3)
lainnya
12,12 D3/L.
pipa maksimum =
Ct,
adalah
tersebut
adalah aliran molekular.
panjang
adalah
komponen
dari katalog pabrik.
pipa
dari pompa difusi
dan
torr dan diameter
terjadi
sebuah
(5)
konduktansi
diperoleh
antara
1/Ct
sekurang-kurangnya
dan
yang tinggi, dipasang
dari cold-trap
dari kombinasi
1/Sm +
Diameter
B.
kehampaan
difusi dengan bejana kerja biasanya
cold-trap. Sm
tingkat
terjadi
lewatan maksimum
kerja, tetapi
juga
beban harus
paca pompa utama yang yang
selama proses penghampaan.
lewatan pompa utama maksimum
mengatasi
adalah qb, maka
Apabila :
diambil
45 ( ..• I, \
dimana
lewatan
III.
pompa
KONSTRUKSI
pompa
diketahui. vakum dengan
persamaan
utama
jika
dipakai terendah.
outgassing
dari
0,13
persamaan
lewatan q dari
bahwa bahan
tek~nan
bahan ini
baja
10-7
akhir
p~
tahankarat,
mempunyai
Dari tabel diketahui
baja tahankarat
x
dan
laju efektif
sistem vakum ini semua komponen
terbuat
pertimbangan
outgassing adalah
x
(laju
=
qb
(4) dapat ditentukan
Dalam konstruksi
yang
maksimum
SISTEM VAKUM
Berdasarkan dari
utama
setelah
bahwa
konstante
jam
pemompaan
4
torr.l/detik/cm2•
konstante
Maka
berdasarkan
(3) diperoleh
q = K.A = 0,13 x 10-7 x 103 = 1,30 x 10-~ torr.l/detik. Dengan
demikian
besarnya
laju efektif yang dibutuhkan
:
S. = q/p~ = (1,3 x 10-~)/(10-7)
= 130 l/detik, dan
pendekatan
dibutuhkan adalah
laju
pemompaan
= 2S. = 260 l/detik.
pompa difusi Edwards
mempunyai
karakteristik
Kecepatan
pemompaan
Kehampaan
akhir
Critical
dari
pompa
utama
Sebuah pompa
model Diffstak
sebagai berikut
yang
100/300M,
yang sesuai yang
:
2801/detik : 2 x 10-8 torr
backing pressure
: 0,45 torr (untuk minyak Santo-vac 5 atau Silicone 705)
Recommanded
backing
Laju pemompaan pada tekanan
pump
6 m3/jam
maksimum
10-2 torr
60 l/detik
(gambar 1)
46 Pemilihan "critical
pompa rotari dipengaruhi
backing
melampaui
di
dari
pompa
Pb =
0,45 torr, sehingga
Pompa
rotari
adalah
model EDM6
Maka
maksimum.
dari pompa rotari berdasarkan
: qb = 60 X 10-2 torr.l/detik
tidak
difusi
bawah kondisi lewatan pompa
laju pemompaan adalah :
dimana
pressure"
bahwa
oleh kriteria
(7)
persamaan
= 0,6 torr.l/detik : Sb > 5 m3/jam.
yang sesuai untuk laju pemompaan (Edwards) yang mempunyai
>
5
m3/jam
karakteristik
:
·:ballast) 28 10-<4 mm.torr(tanpa · ·Displacement 710-2 m3/jam (dengan gas gas ballast)
·
ameter inlet pompa mpaan akhir
Panjang
pipa
menghubungkan menggunakan
bahwa panjang
trap
yang
dikonstruksi
pasang pompa yang
lain
maksimum
telah
seperti
dapat
Bunn and Ward
dipilih
tersebut
(gambar
= 5,0 m. di
sistem sumber ion, sedangkan
dipasang
yang 5
pada sistem deteksi.
dipakai
adalah
tipe
liter
nitrogen
cairo
atas
dalam gambar 3.
CT100,
Satu
rotari)
satu
pasangan
Liquid
nitrogen
yang
Sedangkan
dipakai adalah model QSB100 quarter-swing yang dipakai adalah tipe PR10 dan CP25. IV.
-ditentukan
yang diijinkan
terlihat
untuk
( 1 buah pompa difusi dan 1 buah pompa
pada
kapasitas
diperbolehkan
tabel atau dengan kriteria
Pompa-pompa
dipasang
yang
pompa rotari dengan difusi
2>, diperoleh kemudian
maksimum
mempunyai valve
valve, dan
yang gauge
HASIL DAN PEMBAHASAN Sistem
vakum yang dibuat tergambar
harus dioperasikan 1. Pada
melalui
sa at
pompa backing
prosedur
pada gambar 3,
sebagai berikut
pompa rotari dihidupkan,
difusi valve
dalam dan
dan
keadaan roughing
valve
tertutup, valve
dalam
di
at as
sedangkan keadaan
47
terbuka. dalam
Dalam
bejana
detektor)
kondisi
kerja'
ini maka
(sumber
ion,
pompa difusi dihidupkan saat
pendinginn 3. Pada
ada
ion
dan
kanal
menguap
menghidupkan ~ihidupkan
keluar.
sistem pemanas
untuk memanaskan
ada dalam pompa sehingga
dinding
yang
dan di dalam pompa difusi dipomp~
2. Selama pompa rotari beroperasi,
dengan
udara
minyak yang
ke atas.
sistem
sehingga
pada
Bersamaan
pemanas, akan
sistem
mendinginkan
pompa difusi.
saat
dengan
kehampaan
menggunakan
dioperasikan,
mencapai
10-3
torr
(diukur
Pirani gauge PR10) pompa
yaitu
dengan membuka valve
pompa difusi dan menutup roughing
valve.
difusi di
atas
Uap minyak
yang telah sampai· di puncak akan terpancar ke luar dan akan menumbuk seta membawa molekul-molekul udara yang
akan
dinding
dipompa.
Ketika
uap
pompa yang didinginkan
minyak
oleh
mengenai
air
pendingin
maka terjadi pengembunan. Minyak beserta molekulmolekul udara tadi akan turun ke bawah. Dalam proses pemanasan terbebaskan terpompa bejana
kembali,
lagi
molekul-molekul
tetapi sebagian
oleh pompa rotari.
besar
Tingkat
udara akan akan
ikut
kehampaan
dari
kerja diukur dengan menggunakan
Penning
gauge
tipe CP25. Berdasarkan dipasang
pada
hasil pengoperasian sumber
adalah sebesar
ion, tingkat
10-6 torr.
sistem vakum yang telah kehampaan
Perlu diketahui
ini sistem vakum yang terpasang
tersebut,
dana).
direncanakan
akan
telah terpasang v.
kehampaan
sedangkan
tahun depan
Dari hasil pengukuran
maka tingkat
dicapai
bahwa sampai saat
baru satu pasang,
satu pasang yang lain baru akan dipasang keterbatasan
yang
yang
(adanya
diperoleh
10-7 torr sesuai denganyang
dapat dicapai apabila
dua
pasang
pompa
semua.
KESIMPULAN Dari konstruksi
diambil
kesimpulan
sistem vakum yang telah dilakukan sebagai
berikut.
Untuk
dapat
mendapatkan
48
a. TVI
- /I
1,00 ., VI ••• « 200 100 8 ~.,10-
0
L.!
300
/
Silicone 702
Silicone Silicone
70 I, 705
.;' /
/
Santovac 5
I Pres sure : torr
Gambar 1_
//
//
0
w ...., •••
o_ 111 n 3g !!. .0r-.!. .r-N::J ~ 0W
a C7>
<X>
C7>
"N
/.;'VVo/ /-/1/-"?7//c/ 70" / .;' "//0 LI"~)( ~ <.11 .r::J::J en
N
_.::J 1
/
W
<.11
::J '"",,
Besarnya tekanan sebagai dari laju pemompaan.
"
/
0
fungsi
N
/
aw oa N
aa w aa Gambar 2.
Kriteria
Bunn
dan
Ward.
sumber- ion
sistem deteksi
I
analyzer
gage
olektromete
meber
vakum
liquid
recorder
N2 trap
pompa difusi
/,
IT -{Xl
I I .pompa rotari
I I , I
! I
Gambar 3.
Blok Diagram
sistem vakum spektrometer massa
50 tingkat
kehampaan
10-7 torr :
1. Kombinasi adalah laju
pompa difusi dan pompa rotari yang
pompa difusi model Diffstak pemompaan
dengan
280
l/detik dan pompa
laju pemompaan
2.
ion, kanal ion, detektor) konstante
Berdasarkan untuk
satu
kehampaan pompa tingkat
dipilih
model
EDM6
pompa
vakum
telah dipasang sebesar
kerja
(sumber
vakum yang digunakan
yaitu baja tahankarat. diperoleh
telah
10-6 torr,sehingga
kehampaan
mempunyai
dari bahan yang mempunyai
uji coba eksperimen
sebesar
vakum
dan pipa-pipa
terendah
pasang
rotari
vakum yaitu bejana
semuanya
outgassing
yang
7 m3/jam.
Komponen-komponen
dalam konstruksi,
100/300M
sesuai
dicapai
apabila
semua maka akan 10-7
torr
hasil
bahwa tingkat
kedua dapat
atau
pasang dicapai
bahkan
lebih
terima
kasih
kepada saudara Sumaryadi dan Untung Margono yang membantu melakukan konstruksi sistem vakum
telah untuk
tinggi. UCAPAN TERIMA KASIH Pada
kesempatan
spektrometer
mengucapkan
massa dan uji coba eksperimen
yang telah selesai telah
ini penulis
diberikan
dikonstruksi.
Semoga
kepada penulis
dari sistem vakum
semua bantuan
mendapatkan
yang
balasan
dari
Allah SWT, Amien. ACUAN 1. Ward,
L.,
Bunn, J.P.,
Practice of London 1967.
High Vacuum
2. Van Atta, C.M., S.,
Technique", 4. Yarwood,
New York
Theory
and
Butter
Worths,
and Engineering",
McGraw-
(1965).
"Scientific
Second Edition,
of The
Technology"",
"Vacuum Science
Hill Book Company, 3. Dushman,.
"Introduction
Foundations New York
J., "High Vacuum Technique",
of
Vacuum
(1965). Chapmban
and
Hall
Ltd, 11 New Fetter Lane, London. 5. White,
F.A.,
Technology",
"Mass
Spectrometry
John Wi 1ey & Sons,
in
Inc:., London
Sc:ience (1968).
and
51 Pertanyaan-pertanyaan
dan Jawabannya
1. Al i Wari s Dari
rangkaian
alat-alat
tersebut
pada bagan apakah
ada
alat yang dibuat sendiri? Sudjatmoko Alat-alat
yang dibuat sendiri
analisis
massa
adalah sumber ion,
(sektor magnet pembelok),
detektor
sistem ion dan
sistem elektronik.
2. Mohon
dijelaskan
gambar beserta
lagi cara kerja
sistem
seperti
pada
fungsi dari komponen-komponennya.
Sudjatmoko Car a kerja sistem vakum tersebut pompa
rotari
tekanan setelah
dioperasikan
atmosfir
hingga
mencapai
difusi dioperasikan 10-7 torr. Prosedur dilihat
adalah
untuk
:
menghampakan
sistem
10-3•
tekanan
10-3
sehingga
torr,
kemudian
pompa
akan dapat dicapai tekanan
operasi sistem vakum tersebut
selengkapnya
dapat
pada hasil dan pembahasan.
Ke Daftar Isi
