270
Buku /
Proseding Pertemuan dan Presentasi lImiah P3TM-BATAN. YogyakartQ25 -26 Ju/i 2000
ANALISIS SISTEM HAMP A MESIN BERKAS ELEKTRON 500 keY/tO mA Suprapto, Darsono,Djoko SP., Djasiman Pusat Pene/itian dan Pengembangan Tekn%gi Maju
ABSTRAK ANALISIS SISTEM HAMPA MESIN BERKAS ELEKTRON 500 keV/IO mA. Te/ah di/akukan ana/isis insta/asi sistem hampa untuk mesin berkas e/ektron 500 keV/10 mA. Da/am mesin berkas e/ektron. /intasan berkas e1ektron dari sumber e/ektron sampai ke target me/a/u/i beberapa bagian. Agar /intasan berkas e/ektron tidak banyak menga/ami gangguan maka sepanjang /intasan berkas e/ektron di do/am mesin berkas e/ektron harus dihampakan. Untuk menghapakan mesin berkas e/ektron ini per/u suatu pompa hampa don per/engkapann,va yang disebut insta/asi sistem hampa. Agar sistem hampa yang dl'gunakan sesuai dengan sistem yang dihampakan maka per1u di/akukan suatu ana/isis. Ana/isis ini me/iputi penentuan komponenkomponen yang digunakan. beban gas yang harus dihampakan, daya hantar pada sistem hampa, kebutuhan pompa yang digunakan dan kehampaan akhir yang dapat dicapai. Dari hasi/ ana/isis insta/asi sistem hampa mesin berkas e/ektron 500 keV/10 mA menunjukkan bahwa.. beban gas yang harus dipompa me/ipu/i ..pe/epasan gas. permeasi don kebocoran masing-masing ada/ah 4,6357. 10-5 Torr /t./de/ik, 5,6663. 10-5 Torr //./de/ik don 3,66576. 10-4 Torr /t./de/ik, sehingga didapa/kan beban gas kese/uruhan 4.69596. ~0-4 Torr /t./de/ik. Daya han/ar sa/uran dari sis/em ins/a/asi hampa ke pompa /urbomo/eku/ar ada/all 694.93 //./de/ik sedangkan /afu pemompaan efektif don /ingka/ kehampaan akhir yang dapat dicapai dengan pofnpa turbomo/eku/ar tipe TMU 520 masing-masing ada/ah 290.78 Torr /t./detik don 1.62. 10-6 Torr. Dengan demikian do/am ana/isis insta/asi sis/em hampa ini didapatkan hasi/ yang cukup baik dan diharapkan se/e/ah sistem hampa /ersebu/ diins/a/asi dihasi/kan /ingka/ kehampaan akhir sesuai dengan ana/isis. sehingga dapa/ mendukung operasi mesin berkas e/ektron 500 keV//O mA.
ABSTRACT ANALYSIS OF VACUUM SYSTEkl FOR 500 keV/10 nlA ELECTRO,V BEAM kIACIlINE. Analy.\'is of vacuum system for 500 kl!V/IO mA electron beam machine has been done. ln order of electrom beam trajectory in the electron beam machine from electron gun to target does not have disturbance, the all part ofpassage along the electron beam trajectory must be evacuated. For evacuation the elctron beam machine the vacuum pump and its accessoriesare required, these are as mentioned vacuum installation system. In order to match the vacuum system with the vacuum installation, the analysis is neededfor determined the components of vacuum system,gas load, conductance at the vacuum system,number and type ofpump, and the ultimate pressure ofthe vacuum system. The result ofthe analysis for vacuum system installation of500 keV/IO mA electron beam machine shows that outgassing, permeation and leakage are 4.6357. 10-5 Torr Ito/second, 506663 0 10-5 Torr Ito/secondand 3.665i6 0 10-4 Torr Ito/second respectively, and the total gas load is 40695960 10-4 Torr Ito/secondo The conductance of installation from vacuum system to molecular pump is 694093 Ito/secondo Whereas effective pumping speed and ultimate pressure reached by molecular pump type TMU 520 are 290.78 Torr It./second and 10620 10-6 Torr respectivelyo The analysis result of vacuum system installation is very good and then the ultimate pressure according with of the analysis can be expected. So that able to support the operation of500 kI! V/I 0 mA electron beam machine.
PENDAHULUAN M
eSin berkas elektron adalah suatu peralatan yang digunakan untuk menghasilkan arus berkas elektron dimana elektron tersebut harus mempunyai energi yang cukup untuk penggunaanya. Adapun penggunaan mesin berkas elektron atara lain dalam bidang : lndustri kabel, industri alat-alat kedokteran/kesehatan, pelapisan kayu, karet, busa dan lain-lain. Untuk mesin berkas elektron yang digunakan di bidang pelapisan kayu mempunyai rentang energi antara 150 keY sampai 350 keY. Sedangkan penggunaan mesin berkas
elektron untuk pelapisan karet (ban mobil), pelapisan busa plastik dan pcngolahan gas buang industri mempunyai rentang energi 300 keY sampai 1.000 keY. Salah satu tara untuk memberikan energi elektron yang dihasilkan oleh sumber elektron di dalam m~sin berkas elektron digunakan sumber tegangan tinggi yang dirangkai dengan sistem pemercepat. Dengan tara ini, besamya energi elektron yang telah dipercepat di dalam sistem pemercepat adalah sebanding dengan besamya tegangan tinggi yang digunakan sebagai tegangan pemercepat.
ProsedingPertemuandan PresentasiIImiah P3TM-BATAN,Yogyakarta25 -26 Juli 2000 Pembuatan mesin berkas elektron yang barn pertama kali dilakukan di P3TM.Batan direncanakan untuk digunakan dibidang pelapisan kayu dan busa plastik. Dengan demikian, mesin berkas elektron yang akan dibuat mempunyai energi sampai 500 keY. Untuk menghasilkan energi elektron sebesar 500 keY diperlukan sumber tegangan tinggi sebagaitegangan pemercepatsebesar500 kV, Di dalam mesin berkas elektron, berkas elektron dari sumber elektron kemudian dipercepat di dalam tabung pemercepat dan selanjutnya diarahkan ke target melalui corong pemayar dan "window", Agar lintasan berkas elektron dari sumber elektron sampai ke target tidak banyak mengalami gangguan maka sepanjang lintasan berkas elektron di dalam mesin berkas clektron barns dihampakan, Untuk menghapakan mesin berkas elektron ini perlu suatu pompa hampa dan perlengkapannya yang disebut sistem hampa, Agar sistem hampa yang digunakan dapat sesuai maka perlu dilakukan suatu analisis meliputi penentuan komponen-komponen yang digunakan, volume sistem yang dihampakan, daya hantar pada sistem hampa, kebutuhan pompa yang digunakan dan kehampaan akhir yang dapat dicapai,
METODOLOGI Agar di dalam seluruh ruangan instalasi mesin berkas elektron dapat dihampakan sampai tingkat kehampaan yang diinginkan, maka diperlukan perencanaan yang teliti. Untuk melakukan pcrcncanaan yang teliti maka pcrmasalahanpermasalahanyang berkaitan dengan instalasi sistem hampa pada mesin berkas elektron harus dikaji lebih dahulu. Pengkajian permasalahandi dalam instalasi sistem hampa ini harus didasarkan pada tingkat kekompleksan mesin berkas elektron yang dihampakan. Tingkat kekompleksan mesin berkas elektron akan berkaitan dengan beban pompa meliputi besar kecilnya ruangan yang dihampakan dan bahan komponen-komponen yang digunakan serta instalasi sistem hamra, sistem saluran untuk menghapakan ruangan di dalam mesin berkas elektron dan kebutuhan jenis, dimensi dan jumlah pompa yang digunakan untuk menghampakan.
1. BehanPompa Besar kecilnya ruangan akan berkaitan denganjumlah gas yang harus dipompa. Jumlah gas ini akan menjadi beban pompa, untuk pemompaan awal bebanpompa ditentukan oleh volume gas yang ada di dalam ruangan mesin berkas elektron
ISSN 0216 -3128
Buku J
271
sebelumdipompa. Sedangkansetelahpemompaan dimulai hingga mencapai kondisi tunak, maka beban pompa tergantung dari gas yang dilepaskan melalui dinding-dinding instalasi mesin berka~ elektron yang dihampakan. lumlah gas yang dilepaskan dan menjadi beban pompa ini terdiri dari : permeasi, pelepasangas (difusi dan desorpsi), penguar'ln serta kebocoran (Gambar I)
c::f~ nF_'OR!'.,
t'l--
..~~ DALAM
"~nOCORAN =_.~
"VAT~
~ Gambar
Sumbergas don uapdi do/amruang hampa.
Permeasi Penneasi merupakan suatu proses masuknya molekul-molekuVatom-atom gas dari pennukaan luar yang mempunyai tekanan atmosphir ke permukaan dalam yang barns dihampakan. Proses masuknya molekul-molekuVatom-atom gas ini melalui 4 tahap yaitu adsorpsi, pelarutan, difusi clan desorpsi (Gambar 2). Pada tahap pertama yaitu adsorpsi, molekul-molekuVatom-atom gas menempel pada pennukaan luar dinding. Setelahmolekulmolekul/atom-atom menempel pada pennukaan luar dilanjutkan tahap yang kedua yaitu pelarutan dimana molekul-molekul/atom-atom gas larut di dalam dinding. Selanjutnya tahap yang ketiga yaitu difusi, dim ana molekul-molekuVatom-atom ini menembus dinding dari pennukaan luar ke pennukaan dalam. Difusi ini disebabkan karena bahan dinding mempunyai penneabilitas sehingga memungkinkan molekul-molekuVatom-atom yang telal.1 larut di pennukaan luar dan mempunyai konsentrasi tinggi menembus ke pennukaan dalam. Tahap yang terakhir yaitu desorpsi dimana molckul-molekul/ atom-atom gas setelah mencapai di pennukaan dalam melepaskandari pennukaan yang disebabkan oleh adanya tekanan yang sangat rendah (kehampaantinggi).
Suprapto, dkk.
K.
272
Proseding Perlemuan don Presenlasi //miah P3TM-BATAN. Yogyakarla 25 -26 Ju/i 2000
Buku J
_-u~a~u
K. = K. + ~ '10'
---
Adsorpsi Larut
u:J\JI!
--~inding n
,
(3)
dim ana
Difusi --Desorpsi
Hampa
,1h
(4)
Gambar 2. Prosesterjadinyapermeasi. Untuk harga ~ > 104jam, nilai ~ adalah
Berdasarkan hukum Fick's pertama dan kedua serta melalui penjabaran lebih lanjut maka laju permeasi spesifik (qp) dapat dihitung dengan persamaan(I) :
qp
I =Db~}j-P'}j
2
h
Perkalian antara koefisien difusi daD konstanta kelarutan yaitu DI b disebut konstanta permeasi (K). Besamya laju permeasi yang terjadi (Qp) dapat ditentukan dengan persamaan(l):
(5)
-4
1T ho2
= 5,76.IO4D,
,;
(I)
dimana D1 adalah koefisien difusi, b konstanta kelarutan, PI, P2 tekanan di sisi permukaan luar dan dalam, h tebal dinding danj konstanta desosiasi
-i
tr
(6)
dimana Kh adalah laju pelepasangas spesifik pada h jam setelah pompa dioperasikan, K1 laju pelepasan gas spesifik setelah pompa dioperasikan selama 1 jam, /h waktu setelah pompa dioperasikan, r konstanta yang berkaitan dengan bahan, ; konstanta waktu difusi dan D1 koefisien difusi. Sedangkan nilai
K1 dan Ku dihitung
dengan
persamaan(l) Qp
=q
p
A
(2)
dimana A adalah luas permukaan ruang hampa.
K1
2,79.10-3 3600"
]
'D T &0I
I
)y,
l-;-
'7)
Pelepasan Gas (difusi dan desorpsi) Gas yang disebabkan oleh adanya difusi dan desorpsi biasanya disebut pelepasan gas (" outgassing"). Difusi gas terjadi jika suatu molekuV atom gas menempel pactapermukaan yang selanjutnya masuk ke dalam permukaan dinding. Setelah dihampakan, molekuVatom tersebut keluar dan lepas dari permukaan sehingga memberikan sumbangan gas di dalam sistem hampa. Sedangkan desorpsi terjadi jika suatu molekuVatom gas menempel pacta permukaan tetapi tidak sampai masuk di permukaan tersebut, yang selanjutnyajika dihampakan molekuV atom gas tersebut lepas dari permukaan sehingga memberikan sumbangan gas di dalam sistem hampa. Kedua proses lepasnya gas dari permukaan yang dihampakan tersebut disebut pelepasangas. Jumlah gas yang disebabkan oleh pelepasan gas ini tergantung dari suhu, bentuk, jenis bahan yang digunakan dan pengolahan permukaan (kekasaran, pembersihan dan sebagainya). Laju pelepasan gas dapat ditentukan dengan pendekatan eksperimen sesuai persamaan(I) :
Suprapto,dkk.
=2,79.10-3 T ( T)
Po
(8)
dimana &0adalah konsentrasi gas ketika th = 0, T suhu dinding pada saat operasi, D1 b konstanta permeasi, ho tebal dinding dan Po tekanan parsial gas di bagian luar dinding. Besarnya laju pelepasangas yang terjadi CQD)dapat ditentukan dengan persamaan
QD
=qD,A
(9)
dimana qD = Kh adalah laju pelepasan gas spesifik daD A adalah luas pennukaan di dalam sistem hampa.
Untuk mempercepatpelepasangas dapat dilakukan dengan pemanasan ("bake j. Dengan pemanasanini, pada saat pemanas dihidupkan maka laju pelepasangas naik secara cepat. Setelah suhu ISSN 0216 -3128
Proseding Perlemuan don Presenlasi /lmiah P3TM-BATAN. Yogyakarla 25 -26 Ju/i 2000
pemanas stabil laju pelepasan gas turnn secara eksponensial. Kemudian setelahpemanasdimatikan laju pelepasangas turnn secaracepat.
Penguapan Penguapan bahan di dalam sistem hampa disebabkan karena adanya tekanan yang sangat rendah (kehampaan tinggi) pada suhu ruangan. Untuk bahan-bahan yang digunakan dalam pembuatan komponen-komponen sistem hampa, penguapan akan terjadi bila tekanan parsial yang mengenai pennukaan lebih kecil dari tekanan penguapan dari bahan tersebut. Jumlah pengua~an yang terjadi dapat ditentukan denganpersamaan(1
W = 5.83.10-2 p. -
f
T (M}M
273
Buku I
Kebocoran Kebocoran pada sistem hampa terjadi pada sambungan komponen-komponen yang digunakan di dalam sistem hampa. Sambungan komponenkomponen ini dibedakan menjadi 2 bagian yaitu sambungan tidak dapat dilepas dan sambungan dapat dilepas. Sambungan tidak dapat dilepas yaitu sambungan dengan las clan sambungan dengan "brazing". Pada sambungan ini kebocoran yang terjadi sangatsulit ditentukan karena tergantung daTi kualitas sambungantersebut. Sedangkan sambungan dapat dilepas yaitu sambungan dengan perapat ("seal') logam atau viton (Gambar 3). Jenis logam yang banyak digunakan sebagai perapat adalah tembaga,alumunium, Indium dan emas.
(10)
dimana W adalah jumlah bahan yang menguap (gr/dt. cm1, Pv tekanan penguapanbahan (Torr), M berat molekul bahan, T suhu bahan dalam oK clan f koefisien "sticking" Dengan mengetahui jumlah bahan yang menguap (W) maka dapat menghitung volume per satuan waktu pada kehampaan tersebut dari penguapan yang menyebabkan sumbangan beban gas pada pompa. Besamxa sumbangan beban gas dari penguapan ini adalah<)
v -~!!L -M
n
Gambar 3. Sambungan denganperapatlogam dan viton.
dan
P kT
(12)
sehingga didapatkan
(13) Dengan demikian beban gas akibat penguapan (Qv) dapat dituliskan
Qv
=V.A
b. perapatviton
(11)
Dalam sambungan dengan perapat logam, logam yang digunakan sebagai perapat tersebut akan mengalami deformasi plastis sehingga jika dilepas perapat tersebut tidak bisa kembali ke bentuk semula. Besamya konduktansi pada ditentukan dengan persamaan(l)
)
T ~ C =1,93.10.( --!5--
M
2
Al
[
perapat
logam
e-3l'IR
In(r./r,) 8,12 1-0,36e-3l'IR.
(15)
(14)
dimana Vadalah volume gas akibat penguapan, NA bilangan avogadro, n kerapatan molekul/atom bahan yang menguap, p tekanan di ruang hampa, k konstanta Boltzman dan T suhu ruang hampa
Untuk sambungan dengan perapat viton, viton yang digunakan sebagai perapat tersebut akan mengalami defonnasi elastis sehingga jika sambungan dilepas bentuk perapat tersebut akan kembali ke bentuk semula. Dengan demikian
Proseding Perlemuan dan Presenlasi /Imiah P3TM-BATAN. Yogyakarla 2.5 -26 Juli 2000
Buku I
274 perapat viton dapat digunakan berulang-ulang. Namun jenis perapat viton dalam pemakaiannya menggunakan "grea.'ie" schingga dapat mcnambah penguapanyang discbabkan oleh "grease" tersebut. Besamya konduktansi pada perapat viton dapat ditentukan dengan persamaan:
(
L = 4(fI) ,x A2 -exp-W
3F LwR
)
QL = C.M
Qo = QL+QD+QV+Qp
T
t
=9072(-;;1
2
2 b2 aK (a+b)L
(22)
(16)
baik dapat
(17) be ban pompa
(21
dan untuk penampang aliran segi empat adalah
C
Selanjutnya besamya laju kebocoran (QV dengan perapat logam maupun viton ditentukan dengan persamaan
Dengan demikian besamya untuk kondisi tunak adalah
C =3,SI(-bf(t)
dimana C adalah konduktansi saluran (liter/detik), T suhu gas rK), M berat molekul, A luas penampang aJiran (cm1, B keliling dari penampang aliran (cm), L panjang pipa/saluran (cm), a dan b adalah sisi-sisi pipa untuk penampang segi em pat dan K adalah faktor koreksi untuk penampang segi empat. Sedangkan konduktansi Gambar 4) adalah(l)
untuk
belokan
("elbow".
(QG)
Ci
(18)
-381
( -T )
X
(
-.M
)
D)
:23)
L.+~+1.33D
dan
2. SistemSa/ural' Konfigurasi dan dimensi sistem ~aIuaran dalam instalasi hampa sangat berkaitan dengan besarnya daya hantar (konduktansi). Untuk menentukan besarnya konduktansi harus diketahui jenis aliran yang terjadi di dalam saluran tersebut. Jenis aliran ini ditentukan berdasarkan bilangan Knudsen yaitu perbandingan antara diameter saluran (D) dan lintasan bebas rata-rata(A) yang dapat dituliskan Bli.D Knudsen = ).
= 3,81
]
T
D
M
.L1+~,
,
:24
sehingga = c. + C2
(25)
(19)
Aliran di dalam sistem hampa diklasifikasikan menjadi 3 bagian yaitu aliran kental ("viscous ") dengan D/J. > 110, aliran transisi dengan 1 < D/J. < 110 dan aliran molekular dengan D/J. < 1. Untuk kehampaan tinggi aliran yang terjadi adalah aliran molekular, sehingga konduktansi yang terjadi adalah konduktansi pada aliran molekular. Dengan demikian dapat ditentukan besarnya konduktansi untuk berbagai konfirgurasi dan dimensi dari saluran. Besarnya konduktansi untuk pipa panjang dengan penampang tetap adalah(l)
( )( )
T 1 BL C = 1,9408.104""A1 A2
(20)
Persamaan 20 dalam satuan cas, dari persamaan tersebut untuk penampang aliran lingkaran di-
Gambar 4. Saluran berbentuk "e/~ow
3. DimensidanJunual,Pon,pa Berdasarkan beban pompa dan konduktansi saluran maka dimensi dan jumlah pompa dapat ditentukan. Dimensi dan jumlah pompa ini berkaitan dengan tingkat kehampaan akhir dan waktu pemompaan. Tingkat kehampaan akhir (Pu) dihitung dengan persamaan
dapatkan Suprapto, dU.
ISSN 0216 -3128
Pu ~~
ProsedingPertemuandon Presentasiltmiah P3TM-BATAN,Yogyakarta25 -26 Juti 2000
=
&
(26)
S~f
Sedangkanwaktu pemompaanadalah
=(1)[1+~Jln P-Pu
(27)
Set
=-=-+
sp
c
puti : Sumber elektron, sistem pemfokus, tabung akselerator, sistem pengarah dan pemayar serta corong pemayar. Agar dalam analisis dapat berhasil dengan baik, maka setelah dikaji dasar-dasar perhitungan untuk perencanaandilanjutkan perhitungan yang berkaitan dengan instalasi sistem hampa. Untuk perhitungan ini dapat dilakukan dengan menghitung tiap-tiap bagian kemudian dijumlahkan
atau dengantara menghitung secarakeseluruhan.
Sehubungan adanya konduktansi (daya hantar) saluran dalam instalasi sistem hampa maka akan menimbulkan adanya kecepatan pemompaan efektif (S.u sebagai berikut
-
275
Buku I
(28)
Oi dalam sistem hampa mesin berkas elektron, bagian-bagian yang harus dihampakan meli-
Namun demikian untuk mempermudah perhitungan dan meningkatkan ketelitian, dalam analisis ini akan dihitung tiap-tiap bagian kemudian dijumlahkan. Perhitungan yang berkaitan dengan instalasi hampa terutama perhitungan beban gas yang harus dipompa, konduktansi/daya hantar saluran dan tingkat kehampaan akhir yang dapat dicapai. Sedangkan data-datayang digunakan untuk perhitungan adalah dimensi-dimensi dari komponen-komponen yang berkaitan dengan sistem hampa, konstanta-konstanta yang berkaitan dengan pelepasan gas ("outgassing';, permeasidan kebocoran.
Keterangan 1. Sumber elektron dan pemfokus I 2. Tabung pemercepat 3. Pemfokus 11 4. Pengarah 5. "Crosspiece" 6. "Blankingflange" 7. "Bellow" 8. Pemayar 9. "Scanning horn ,. 10. "T-piece" 11. "Valve" 12, "Elbow 900" 13. "Bellow" 14. "Filter" 15. Pompa Turbomolekular 16. Manometer Pirani 17. "Valve" 18. "Valve" 19. Pompa Rotari
Gambar 4. Insta/asi sistem hampa mesin berkas e/ektron.
~
Proseding Per/emuan dan Presen/asi I/miah P3TM-BATAN. Yogyakar/a 25 -26 Juti 2000
Buku /
276
HASIL DAN PEMBAHASAN Perhitungan beban gas yang harus dipompa meliputi : Jumlah gas yang berada di dalam ruangan yang harus dihampakan dan jumlah gas akibat pelepasan gas {"outgassing;, permeasi, kebocoran dan penguapan. Jumlah gas yang berada di dalam ruangan tergantung dari volume ruangan yang harus diharnpakan, volume ruangan ini akan mempengaruhi waktu penghapaan awal dengan pompa rotari. Sedangkan jumlah gas akibat pelepasan gas, permeasi sangattergantung dengan besarnya konstantakonstanta yang berkaitan dengan sifat bahan terhadap pelepasan gas dan permeasi dan luas dinding instalasi sistem hampa. Untuk gas akibat kebocoran tergantung dari penggunaan bahan perapat ("sea"') dan gas akibat penguapan tergantung dari jenis bahan yang ada di dalam ruangan yang
elektron dan pemfokus I, tabung akselerator, tabung pemfokus II, "T -piece", "bellow", corong pemayar dan "elbow",
TabungSumberElektron don PemfokusI Laju permeasi Untuk menghitung besamya laju penneasi perlu diketahui terlebih dahulu konstanta-konstanta yang diperlukan meliputi : koefisien difusi (D1), konsentrasi gas ketika th = 0 (Co) daD konstanta
dihampakan.
penneasi (D. b). Setelah konstanta-konstanta tersebut diketahui, konstanta-konstanta yang lain dihitung daD kemudian dihitung besamya laju penneasi. Dalam perhitungan ini besamya koefisien difusi (DJ daD konstanta penneasi (D. b = K)
Untuk memudahkan perhitungan, maka dihitung tiap-tiap bagian meliputi tabung sumber
ditentukan berdasarkan ekstrapolasi Tabel 1 daD 2 atau Gambar 5 daD 6.(5)
Tabcll.
Koefisien difusi ga.\' hidrogen dalam stainless steel 309 S.
200
150
T (oC) D (cm2/det)
-
10.r
1,8 .10.9
250 4.10-1
300
400
350 3 .10-1
10-1
6.10"
500 2,5 .10-6
600 6.10.(,
Tabel 2. Konstanta permeasi (D J b = K) gas hidrogen dalam stainless steel 309 S.
T(C)
200
250
300
350
400
500
K
2.10.11
9. 10-10
3 .10.10
8. 10.9
2. 10"
8. 10.7
600
2.10
r--
6,OO5.(X) ~ -r
~ ~ ~ 5,OOo.oc,"T-~-
~ 400~1~
O
.!
.," 1/1
,"
-"'.
D'\N-'~
II; .. OOc ~
">,
"~
~
.-t
0
r
~
!'
2.005{X)-~.. .... 1.C"N. OOc r\£ ~
1OOr~ .I.;}V7
.. r
/-
150
m
2.l() 300 350 ~
4!iJ
.:<X>
550 (:00 6~
Suhu.T(C) Gambar 5. Grajik hubungan antara suhu bahan (1') dan koejisien difusi (D J).
Suprapto, dkk.
ISSN 0216 -3128
Proseding Pertemuan don Presentasi /lmiah P3TM-BATAN, Yogyakarta 25 -26 Juti 2000
"ij) ~ ~
277
Buku I
~
2.00E-O7
:=
t:
~
0.~
l,50E-07
t
-;:
l-
~
t. !-
~ I , OOE-07 .. (5
~
..
5,0] E-08!
,00&10 :"'-"
...",""1"""""""""'-'-'"-,
150 200 250 300 350 400 450 500 550600650
Suhu, T (C) Gambar 6. Grafik hubungan antara suhu bahan (F) don konstantapermeasi.
Dari Gambar 5 didapatkan persamaan garis untuk menentukan nilai koefisien difusi
DI
= 3.10-10.exp(0,0176.T)
(29)
Kernudian besamya laju penneasi dihitung dengan persamaan2 dan luas pennukaan yang menyebabkan terjadinya penneasi adalah sarna dengan luas pennukaan yang menyebabkanterjadinya pelepasan gas yaitu sebesar1230,88 crn2.
dengan mengekstrapolasi persamaan garis untuk suhu bahan (1) 30 DCdidapatkan nilai D, = 4,825 . 10-10(cm2/det). Sedangkan dari Gambar 6 didapatkan persamaan garis untuk menentukan konstanta permeasi
K
=
10-11 .exp(0,017
.T:
(30)
dengan mengekstrapolasi persamaan garis untuk suhu bahan (7) 30 °c didapatkan nilai K = 1,582 . 10.11,sehingga nilai konstanta kelarutan (b) adalah b = KID.
= 0,033 Untuk menghitung laju penneasi perlu dihitung terlebih dahulu laju penneasi spesifik yaitu menggunakan persamaan 1 dengan konstanta desosiasij = 2 untuk gas diatomik dalam logam(')
qp
= 1,582.10-11 .(760))1;-(3,37S.10-6t"
0,3
= 1,454.10-9Torrlt./dt.cm2
Qp = 1,454. 10.9Torr It./detik
PelepasanGas Untuk menghitung besarnya laju pelepasan gas perlu diketahui terlebih dahulu konstantakonstanta yang diperlukan meliputi :, konstanta waktu difusi, konstanta waktu operasi,' koefisien difusi, konsentrasi gas hydrogen dan konstanta pelepasangas. Konstanta waktu difusi persamaan6 adalah
~ -
(,;)
dihitung
1Z".(O,3)2
dengan
=1,017.104
5,76.104.4,825.10-10
Konstanta waktu setelah pompa dioperasikan dihitung dengan persamaan5 karena E,> 104
th
= 1,017.104 = 2,542.103 4
Sedangkan besarnya konsentrasi gas hidrogen ketika th = 0 (Eo) untuk bahan stainless
278
ProsedingPertemuandan PresentasiIImiah P3TM-BATAN.Yogyakarta25.26 Juti 2000
Buku I
QD = 1,372. 10.9 .1230,88
steel adalah 0,4 cm3 (STP)/ cm3 dan kontansta yang berkaitan dengan bahan y = ~. Untuk menghitung
= 1,689. 10-6 Torr It./detik.
Oalam menentukan besamya laju kebocoran yang terjadi pada sambungan-sambungan diperlukan data-data "flange", perapat ("seal'), indeks pengencangan baut pengikat "flange" dan tinggi puncak. Untuk "flange" ON 160 KF menggunakan perapat "vi/on" dengan keliling perapat L = 48,29 cm, lebar w = 0,82 cm, indeks pengencangan K = 0,6 dan tinggi puncak A = I .10-4 cm, kemudian daya hantar (C) dihitung dengan persamaan 16 didapatkan
'1
(
Laju Kebocoran
.300.0,4
)
»
(
= 2,79.10-3
K1
4,825.10-1°
laju pelepasan gas perlu dihitung terlebih dahulu konstanta-konstanta pelepasan gas spesifik yaitu dengan persamaan 7 dan 8 kemudian laju pelepasan gas spsesifik
3600>'1
1t
= 6,917.10-8Torr!! /detcm2 dan
K" = 1,688.10-14Torrlt./cm2
-.exp
0,82
Sehingga laju pelepasan gas spesifik (qD = Kh)
(
-3.0,6
48,29.0,82.0,5
= 3,4452. 10-8It./detik.
dihitung denganpersamaan3
Kh
Kemudian laju kebocoran dihitung dengan persamaan 17 didapatkan
= 1,688.10-14 + 6,917.10-8 -(2,542.103f = 1,372.10-9
.
QL = (3,4452. 10-8).760 = 2,61836. 10.5 Torr It./detik.
Torrlt./cm2
Laju pelepasan gas (QD) pada sumber elektron dihitung dengan persamaan 9 dengan luas permukaan (A) yang menyebabkan terjadinya pelepasan gas sebesar1230,88 cm2.
Dengan carR yang sarna untuk bagian-bagian
yang
lain dapat dihitung dan hasilnya ditabelkan pada Tabel 3.
Tabel3. RekapilU/asihasi/perhilunganbebangasdari bagian-bagianMBE 500 keV/IO mA.
No.
Qo
Qp
QL
(Torr It./det)
(Torr It./det)
(Torr It./det)
Bagian-bagianMBE
1
Sumber elektron & pemfokus I
1,689 .10-6
1,790.10-6
2,6184. 10's
2
Tabung Akselerator
6,893 .10-6
7,305.
10-6
7,8552. 10-5
3
Pemfokus II
1,288. 10-6 0,676. 10-6 ,
2,6184. 10.5
4
"T -piece"
1,215.10-6 '..'..'...'.' '.'...'.'." 0,638. 10-6
'.'..'
..,.",..".."
5
"Bellow"
6
Corong Pemayar
7
"Elbow"
Jumlah Beban (QG) = QD + Qp+ QL
"
7,8552. 10.5
,
2,6184. 10.5
1,551 .10-6
1,644. 10-6
3,6231 .10.'
3,8361 .10.s
1,04746. 10-4
5,599.
2,6184. 10.s
1,740.10
Jumlah
Suprapto,dkk.
".,.",...,
4,6357.
-6
10.'
10-6
3,66576.
5,6663 .10.s
10-4
4,69596 .104 Torr It./detik
ISSN 0216 -3128
Proseding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah l'3TM-BATAN, Yogyakarta 25 -26 )u(i 2000
Buku1
Untuk menentukan daya hantar di dalam "elbow" dihitung dengan persamaan23, 24 dan 25 sehingga didapatkan
C = 694,93 It./detik
279
.lO.6 Torr. Dengan demikian dalam analisis instalasi sistem hampa ini didapatkan hasil yang cukup baik dan diharapkan setelah sistem hampa tersebut diinstalasi dihasilkan tingkat kehampaan akhir sesuai dengan analisis, sehingga dapat mendukung operasi mesin berkas elektron 500 key/tO mA.
Sedangkan laju pemolr paan efektif ditentukan dengan persamaan 28 dan data spesifikasi pompa turbomolekular. Pompa turbomolekular yang digunakan adalah jenisTMU-520 yang mempunyai laju pel11ompaanuntuk nitrogen 500 It/menit, maka laju pemompaan efektif adalah
1. ROTH, A., "Vacuum Technology, North-Holland Publishing Company, New York (1979).
Sel = 290,78 It./detik
2. O'HANLON, J.F.," A User's Guide to Vacuum Technology, John Wiley & Sons, New York
Dengan demikian tingkat kehampaan akhir (P u) yang dapat dicapai ditentukan dengan persamaan26 sehingga didapatkan
Dari hasil perhitungan dalam anal is is illstalasi sistcm hampa didap:ttkan total bcb:tn gas 4,69596 .10-4 Torr It./detik, daya hantar "elbow" 694,93 It./detik, laju pemompaan efektif 290,78 It./dctik dan tingkat kchamp:t:tn akhir yang dapat dicapai 1,62 .10-6 Torr. Dengan hasil ini cukup baik untuk mendukung operasi mesin berkas elektron karena dengan tingkat kehampaan ini hambatan yang terjadi dalam transport berkas elektron dari sumber elektron sampai ke "window" cukup kecil. Selanjutnya diharapkan setelah sistem tersebut
(1989). 3. ROL, P.K., "Pengantar Teknik Vakum (diterjemahkan oleh Peter Soedojo), Gajah Mada University Press,Yogyakarta (1977). 4. VAN ANTA, C.M., Vacuum Science and Engineering, Mc. Graw-HiII Book Company, New York (1965).
~I
hampa
DAFTARPUSTAKA
diinstalasi
dihasilkan
tingkat
kehampaan akhir sesuai dengan analisis, sehingga dapat mendukung operasi mesin berkas elektron 500
key/tO mA.
6.
, "Electron Beam Processing System, Brosur Nissin-High Voltage, Co., Ltd.
TANYAJAWAB Sayono -Parameter apa saja yang mempengaruhi tingkat kehampaansuatu sistim. -Bagaimana teknik pendeteksiankebocoran untuk peralatanyang terbuat dari logam.
KESIMPULAN
Suprapto
Dari hasil nnnlisis instalasi sistem hampa mesin berkas elektron
5. PERKINS, W.G., Permeation and Outgassing of Vacuum Materials, Journal Vacuum Science Technology, Vol. 10, No.4, American Vacuum Society, USA (1973).
500 keV/IO
mA menunjuk-
kan bahwa beban gas yang harus dipompa meliputi : pelepasan gas, permeasi dan kebocoran masingmasing adalah 4,6357. 10.5Torr It./detik, 5,6663 . 10.5Torr It./detik dan 3,66576 .10-4 Torr It./detik, sehingga didapatkan bcban gas keseluruhan 4,69596 .10-4 Torr It./detik. Daya hantar saluran dari sistem instalasi hampa ke pompa turbomolekular adalah 694,93 It./detik sedangkan laju pemompaan efektif dan tingkat kehampaan akhir yang dapat dicapai dengan pompa turbomolekular tire TMU 520 masing-masing adalah 290,78 Torr It./detik dan 1,62
-Derdasarkan persa,naan 26, parameter yang me,npe'1garuhi tingkat kehampaan adalah beban gas pada kondisi tunak don laju pemompaan
efektif -Pendeteksian peralatan yang terbuat dari bahan loga", dengan teknik "tracer probe" don "detektor probe ", tetapi P 3TM belum mempunyai.
Bambang Sumarsono -Bagaimana pengaruh target/sistem window.
efek
panas terhadap
280 -Upaya
Proseding Pertemuan dan Presentasi I/miah P3T.j,1-BATAN. Yogyakarta 25 -26 Juli 2000
Buku J
yang
bagaimana
seandainya
panasnya
melebihi batasanyang diijinkan.
berkai/andenganpelepasangas. kebocoran.permeasidonpenguapan. Jadi /idak ado pengal'Uh deformasi/erhadapkehampaan.
Suprapto
-Efek panas pada .\'i.\'/elll"windolv" akan menaikkan suhu "window" sehingga akan lIlenurunkan kekuatan mekanisnya, -,S'eandainya .\'I/hl/ \ilindow lIlelebihi batas. sl/hl/ I/dara penllillgin di/l/r/inkan dall kecepa/an udara pendingin dinaikkan sehingga kemamp/lall pendinginan bertambah.
Yullallto -Bila dihitung ternyata tidak ada pompa vakum dcngan laju pcmompaan yang sesuai yang dijual dipasaran, lalu apa ada cara untuk mengatasinya? -llcrapa laju pemompaan yang paling besar pompa vakum yang dijual dipasaran.
Suprapto
Edi Triyono BS. -Melihat bentuk geometri MBE yang direncanakan bagaimana cara menjaga kehampaan sistem dalam MBE berkaitan dengan kemungkinan terjadinya deformasi saatdihampakan.
Suprapto -Pada
saul b(.'rujJ(.'rasi (diilallljJukan),
de/vrlllu.\'i
(misalnya pada cvrung jJ(.'lIIayar) yang lerjadi menyebabkan peng/lrangan vol/llllC! r/langan.
Sedangkanbeban gas yang harus dihampakan
-Jika didapatkan laju pemompaan haJji perhitungan lebih besar dari laju pemompaan poll/pa yang ada dipasaran, maka poll/pa dapat disusun secara paralel untuk memenuhi kebutuhanpompa hasil perhitungan. -Berda~'arkan katalog, laju pell/ompaan maski1//1111/ pompa turbo molekul yang dijual adalah 5500 lldet tipe TPH 5000 dari "Balzer" dan 9000 lldet tipe E1'/-'75019000dari "Edward",
