Volume 1 Nomor 1 Juli 1999
ISSN 1411-1349
PERANCANGAN ~IESIN BERKAS ELEKTRON 500 keY/tO mA Sudjatmoko, Sutadji Sugiarto, Darsono, Sudiyanto PP.VY-BATAN. JL Bohanari
Po. Box 1008 YogyaJ:arta jj010
ABSTRAK PERANCANGAN MESIN BERKAS ELEKlRON 500 Iav/JO mA. Telah dirancang satu unit MBE (}Jesin Berkas Ele/aron) energi rendoh 500 keV/10 mAyang Iwmponen-lromponenutamanya terdiri dori sumber elektron, sistem pemfokus berkas e/ektron. sumber tegangan tinggi. tabung akselerator, pemayar berkas elektron don sistem hampo. Sumber elektron berupo jenis katoda panas dori tungsten berbentuk spiral yang mampu menghasi/kan arus berkas elektron minimal 10 mA. Sistem pemfOkus berkas elektron berupa lensa magnet. terdiri dari sistem pemfokus I yang berfimgsi memfOkusl«m berkas elelaron setelah ke/uar don sumber elektron don pemfokus II berjUngsi memfokusl«m berkas elelaron setelah keluar dari tabung akselerator. Sumber tegangan tinggi pemercepat berkas elektron dipi/ih jenis generator Cocla:roft-Waltondmganjumlah 20 tingkat pe/ipat teganganyang mampu menghasill«m tegangan tinggi 500 kV/20 mA. Tabung akselerator terdiri dari tabung isolator gelas pyrex don elelaroda yang terbuat dori bahan stainless-steel, jumlah elektroda 34 buah sehingga masing-masing elektroda mendopatkan distribusi tegangan tidak lebih don 15 kv. Sistem pemayaran berkas elelaron berupa medan magnet bolak-halik dengan sut/ut pembelokan sebesar 2d' donjumlah liliran elektromagnet sekitar 920 Ii/iran dengan medon magnet sekitar 0,012 weber/m2. Sistem hampaMBE 500 keV/10 mAyang dirancang terdiri dori pompa rotari duo tingkat dengan laju pemompaan sekitar 14,6 m3;jam don pompa turbomo/ekul dengan pemompaan sekitar 280 liter/detik, yang mampu mencapai tingkat kehampaan sampai Iff> torr.
ABSTRA cr DESIGN OF 500 keV/ 10 mA ELEKTRON BEAM MACmNE. A 500 keV/ 10 mA Ion Energy Electron Beam Machine Unit was designed whict its components consisted of: electron source, electron beamfocusing system.,high voltage supply, accelerator tube, electron beam scanning system and vacuum system. The electron source was a hot chatode type made of spiral tungsten wire that capabled toproauce at least 10 mA electron beam current. The electron beamfocussing system was a magnetic lens consisted ofa.firstfocussing synem used to.focuselectron beam comingfrom electronsource. and a secondfocussing system used tofocus electron beam comingfTOn accelerator tube. The high voltage supply for electron beam acceleration was a cockroff-Walton generator type having 20 step voltage multi.fiercapabled to produce 500 keV/20 mA output. The accelerator tube consisted ofpyrex glass insulator tubes and sainless steel eleGJmdes.the electrodes were 34 plates so that each electrode was given a voltage distribution not more than 15 kv. The electron beam scaning system was an altemating magnetic .field having 2d' deflection angle. 920 coil tum and 0.012 W/m2magnetic.field intensity. The vacuum systemfOr this 500 ke V/ 10 mA EBM was designed to be a two step rotary pump of 14.6 m3/hour and a turbo molecularpump of 280 IIminute.to achieve a vacuum of 1ff> torr
PEND AHUL UAN
P
ada tabun-tahun terakhir ini akselerator partikel bermuatan telah berkembang sangat pesat, baik pemakaiannya di dalam bidang penelitian, kedokteran maupun industri. Dalam waktu yang relatif singkat, energi partikel bermuatan yang dipercepat telah dapat mencapai orde sampai puluhan MeV (1,2).Sampai dengan tabun 1992 di Jepang telah banyak MBE (Mesin Berkas Elektron) yang digunakan dalam berbagai bidang, dalam bidang "curing of coating" sebanyak lebih dari 23 buah, dalam bidang "cross-linking of wire insulations" berjumlah 41 buah, dalam bidang "foamed polyolefin" telah terpasang 13 buah clan untuk riset clan pengembangan sebanyak 45 buah
atau lebih (I). Partikel bermuatan yang dipercepat daJam suatu akselerator partikel bisa ion atau elektron dan pada MBE partikel bermuatan yang dipercepat adalah elektron yang dihasilkan oleh suatu sumber elektron (electron gun). MBE berbeda dengan akselerator ion positif hanya pada terminal tegangannya yang dipasang pada tegangan negatif dan katoda termionik menggantikan sistem sumber ion. Karena katoda termionik tidak melibatkan pemakaian gas, maka permasalahan sistem vakum lebih sederhana dan diameter tabung akselerator dapat dibuat lebih keci!. Karena tabung akselerator bentuknya lebih kecil clan konstruksinya lebih sederhana. maka MBE dapat lebih kompak atau ringkas konstruksinya dibandingkan dengan
PERANCANGANMESINBERKAS-ELEKTRON500 keV/10 mA (Sudjatm'oko.dkk.)
1
I
ISSN 1411-1349
Volume 1 Nomor 1 Juli 1999 akselerator ion untuk kelas tegangan yang sarna (2)
Proses radiasi menggunakan akselerator elektron atau MBE sebagai sumber radiasi adalah suatu jenis teknologi barn yang dikembangkan sekitar dua dekade yang laID.Aplikasinya dalam duma industri berkembang sangat cepat, terutama dalam bidang ikatan-silang plastik, curing of coating, sterilisasi peralatan medis, modifikasi tekstil clan -graft polymerization-j j3engawetan bahan makanan clan lain-laiMya ( . ~). Apabila dibandingkan dengan proses termal konvensional atau proses kimia, maka proses radiasi elektron mempunyai beberapa keuntungan (3) I. menghasilkan kualitas produksi yang tinggi 2. tidak menimbulkan polusi pactalinglcungan 3. hemal energi 4. reaksi-reaksi kimia tetjadi pactasuhu kamar 5. mudah dikontrol 6. biaya operasi lebih rendah untuk produksi masal. Karena penetrasi dari elektron-elektron energi rendah tidak cukup atau kurang memadai untuk pemrosesan bahan-bahan padat clan elektron-elektron energi tinggi dapat mengakibatkan radioaktivitas dalam bahan yang diiradiasi, makajangkau energi elektron dari MBE untuk proses radiasi adalah 0,15 sarnpai dengan 1O MeV. Pactaumumnya MBE string diklasifikasikan
sesuai dengan energinya yaitu energi rendah (kurang dari 0,5 MeV), energi medium (0,5 sampat 3 MeV) dan energi tinggi (di atas 3 MeV). Berdasarkan pactaJatarbelakang tersebut di atas maka dalam perancangan MBE 500 keV/IO mA Ada beberapa pertimbangan yang mendasari konsep perancangan. Beberapa pertimbangan tersebut adalah kemampuan SDM (Sumber Daya Manusia) yang mempunyai keahlian dalam teknologi akseleratoryang tersedia balk dari PPNY maupun dari luar PPNY, pemilihanjangkau energi dan arus berkas elektron dari MBE, serta aplikasi dari MBE. Pemilihan jangkau energi elektron sangat diperlukan karena mempengaruhi kedalaman penetrasi elelctron, sedangkan arus berlcaselektron akan menentukan dosis radiasi clan kuantitas radiasi yang terserap oleh bahan. Oleh karena itu dalam makalah ini dibahas tentang konsep dasar perancangan MBE, spesifikasi telenis dari masing-masing komponen utama MBE clan kemungkinan aplikasinya dalam bidang industri. Tujuan dari penelitian tnt, berdasarkan basil pembahasan seperti tersebut di atas, adalah dapat dihasilkan suatu konsep rancangan Mesin Berkas Elektron energi rendah 500 keV dengan arus elektron 10 mA yang nandnya dapat digunakan sebagai dasar untuk pembuatan satu unit Mesin Presiding Pertemuan dan Presentasi IImiah TeknologiAkselerator .. . ... ~'" ~--- ~dan - Aplikasinya
Berkas Elektron 500 keV/I0 mA.
KONSEP DASAR PERANCANGAN l\-IESINBERKAS ELEKTRON Dalam perancangan sebuah MBE Adasuatu konsep dasar yang harus diperhitungkan secara seksama, yaitu meliputi pertimbangan clan perhitungan kedalaman penetrasi elektron, arus clan day a berkas elektron, ukuran medan iradiasi clan keandalan MBE. Kedalaman Penetrasi Elektron Berkas elektron setelah mengalami percepatan di dalam taboos akselerator akan memiliki energi tertentu yang besarnya sebanding dengan tegangan tinggi pada tabung akselerator tersebut. Besar energi elektron sangat menentukan kedalaman penetrasi elektron dalam permukaan bahan yang diradiasi. Kedalaman penetrasi tersebut dapat ditentukan berdasarkan rumusan (1,2) d = 0,33 (£Ip) dan d = 0,8 (£Ip) (I) dimana d adalah kedalaman penetrasi (em), E adalah energi elektron (MeV), clan p adalah kerapatan bahan yang diradiasi (gIcm2).Persamaan (I) tersebut masing-masing untuk iradiasi pacta sisi-satu clansisi-ganda. Arus Berkas Elektron
Dalam perancangan MBE besarnya arus berkas elektron pealing untuk dipertimbangkan. Arus berkas elektron tersebut menentukan dosis scrap yang besarnya dapat ditentukan dart persamaan (1,2)
=
D (oE/oR) [ 100 TI/lv W] (2) dimana D adalah dosis scrap (Mrad), I adalah arus berkas elektron (mA), TI adalah -utilization coefficient dari arus berkas elektron (0,3
-0,9), v
adalah kelajuan bahan yang diradiasi{cmldetik), W adalah adalah lebar pemayaran (em) dan oEloR adalah energi yang bilans sesuai dengan pemercepat. Daya Berkas EJektron Daya berkas elektron menentukan Kuantitas Iradiasi M yang dapat ditentukan dengan rumusan (1,2)
M = 360 (TIP/D) (3) dimana M adalah kuandtas iradiasi (kgljam), P adalah daya berbs elektron (kW) yaitu tegangan pemercepat dikalikan dengan besamya arus berkas elektron dan D adalah dosis scrap. Ukuran Medan Iradiasi Parameter lain yang cukup penting dalam perancangan MBE adalah ukuran medan iradiasi
2
ISSN 1411-1349
Volume 1 Nomor1 Juri 1999 atau sering disebut lebar pemayaran (width of scanning). Ketidakseragaman rapat arus berkas elektron yang diberikan akan menentukan panjang zona iradiasi. Ukuran MedIn iradiasi ini menentukan besarnya kuantitas iradiasi (untuk .
iradiasi permukaan bahan berupa lembaran), dimana kuantitas iradiasi S ini dapat ditentukan dari
rumusan (1,2) .
S
= O,OO6vW = (oE/oR)[O,6t11/D):4)
dimana S adalah kuantitas iradiasi (em2/detik), v adalah kelajuan bahan yang diradiasi (c:mIdetik) clanW adalah ukuran medan iradiasi (em). Keandalan Mesin Serbs Elektron Karakteristik yang paling penting bagi pemakai MBE adalah keandalan mesin. Keandalan ini ditandai dengan suatu koefisien yang disebut koefisien penggunaan iradiasi, yang nilainya bisa mencapai 0,95 atau 95% untuk instaIasiMBE yang baik. Hal ini berarti bahwa hanya 5% dati waktu pemeliharaan total digunakan untuk perbaikan MBE, kesa1ahandeteksi dan pemeliharaan. Parameter lain yang mencirikan keandalan operasi MBE adalah waktu operasi rata-rata tanpa kesalahan Tm.Berdasarkan pengalaman yang telah ada. yaitu pengoperasian MBE dapat disimpuIkan bahwa Tm = 200jamdaDt1 0,85 (6).
=
DESKRIPSI MESIN BERKAS ELEKTRON Pada umurnnya sebuah MBE terdiri dari beberapa komponen utama yaitu sumber tegangan tinggi, sumber elektron, pernfokus berkas elektron, tabung akselerator, sistem pemayar, sistem hampa dan sistem conveyor. Somber Tegangan Tinggi Ada beberapajenis somber tegangan tinggi yang dipakai dalam MBE, salah satu diantaranya adalah generator tegangan tinggi Cockcroft-Walton. Dengan generator ini dapat dihasilkan energi elektron medium dIn arus berkas mencapai orde puluhan IDA. Generator Cockcroft-Walton terdiri dari dua batis kapasitor tegangan ringgi, yaitu baris kiri dIn baris kanan yang masing-masing dihubungkan oleh dioda-dioda tegangan tinggi. Pada waktu sesaat semua kapasitor diisi terjadi hubungan paraIel dan pada waktu sesaat lainnya terjadi hubungan serio Dengan demikian jika besar tegangan rnasukan besarnya adalah V danbanyaknya tingkat kapasitor adalah N, maka akan terjadi peningkatan tegangan sebesar 2NV. Apabila puncak tegangan masukan adalah Vi, yaitu tegangan keluaran dati generator pulsa,
frekuensi generator pulsa adalah f, kapasitansi masing-masing kapasitor sarna dengan C dan arus yang mengalir pada beban adalah I, maka tegangan keluaran maksimum yang dapat dicapai oleh generator Cockcroft-Walton adalah I 2 3 1 2 1 (5) Vmab= 2NV;- fC [3n +3n - 6nj Sedangkan tegangan ripple dapatditentukan berdasarkan rurnusan oV=(l/fC)N(N+l) (6) Dati persarnaan di atas jellS terlihat bahwa frekuensi generator pulsa yang tinggi sangat menguntungkan sehingga meminimalkan tegangan ripple dan memperkecil ukuran kapasitor. Somber Elektron Arus berkas elektron dalam MBE biasanya dihasilkan dari sebuah sumber elektron (electron gun), dimana elektron dihasilkan dati katoda yang dipanaskan. Keuntungan secara langsung dari katoda yang dipanaskan adalah kesederhanaan dari segi perancangan dan mempunyai nilai ekonornis yang relatifringgi (2). Kemampuan somber elektron untuk menghasilkan berkas elektron bergantung pada daya pernanas, bahan filamen dan konstruksinya. Sebagai pemancar elektron dalam sistern sumber elektron dengan menggunakan katoda yang dipanaskan, rapat arus ernisi jeT katoda tersebut besarnya mengikuti persamaan Richardson Dushrnan(7) JeT
= A T-exp(-e
Ua/kT)
(7)
dimana A adalah konstanta Richardson, U. adalah tegangan anoda, k adalah konstante Boltzmann dan
T adalah suhu pemanasan. Nilai A tersebut bergantung pada jenis bahan yang digunakan sebagai katoda. Tabung Akselerator Tabung akselerator adalah suatu tabung dengan medan listrik konstan untuk mempercepat partikel-partikel berrnuatan, baik elektron ataupun ion. Pada umumnya taboos akselerator dikonstruksi dari bahan isolator, biasanya berupa silinder seils atau porselin yang panjangnya beberapa inchi dengan diameter yang cukup besar dengan elektroda-elektroda logam berbentuk kerucut yang dipasang antara ruas-ruas tabung isolator tersebut.
Fungsi
elektroda
adalah
untuk
menghasilkan medan pemercepat dan pemfokusan berkas elektron. Untuk memberikan distribusi tegangan pemercepat yang lebih seragam terhadap elektroda, maka digunakan sistem pembagi
PERANCANGANMESINBERKASELEKTRON500 keV/10 mA (Sudjatrnoko.dkk.)
3
Volume 1 Nomor 1 Juli 1999
ISSN 1411-1349
tegangan yang terdiri dari resistor ohm-tinggi yang disusun sedemikian rupa sehingga tegangan nominal pada tabung akan mengalirkanarus sekitar 100 A Nilai ini cukup memberikan keseragaman tegangan daD hanya kehilangan daya listrik 100 watt per I MY dari tegangan pemereepat (2). Sistem Pem(okus Berkas Elektron Pemfokusan berkas elektron dapat dilakukan dengan menggunakan lensa magnet, yai1o sebuah solenoid koaksial daD biasanya dibungkus dengan besi untuk mengurangi pemencaran medan magnet yang dihasilkan. Panjang fokus dari sua1o lensa magnet pendek dapat diperoleh jika diandaikan bahwa rapat fluks magnet B =Bo konstan pada jarak d di tengah lensa daD Dolditempat lain. Panjang fokus dari lensa magnet tersebut adaJah f=
(8m T)/(eBo2
d)
(8)
dimana T adalah energi kinetik dari partikel dalam eV. Jika kumparan terdiri dari NI ampere-lilitan, dan karena Bod = J.IoNimaka panjang fokus (9)
f=
8m Td
e JJo2 N2
i
Sistem Pemayaran Berkas Elektron Sistem pemayaran merupakan salah sa1o komponen utama dari MBE yang biasanya digunakan dalam industri. Dengan sistem ini memungkinkan untuk iradiasi bahan dengan perrnukaan yang luas dengan berkas elektron di udara luar daD memberikan medan iradiasi yang cukup lebar dengan dosis iradiasi yang seragam. . Prinsip operasi dari sistem tersebut adaJah membelokkan berkas elektron dari arabnya semula dengan menggu.nakan dua medan magnet yang dipasang saling tegalelurus (B I dan B2)daDdengan frekuensi yang cukup tinggi untuk memberikan iradiasi yang seragam pada obyek yang bergerak lurus pada arab berkas elektron. Sudol pembelokan
maksimum berkas elektron dalam sistem
-
pemayaran biasanya tidak lebih besar dari 200 300,
karena pada sudOlyang lebih besar energi elektron berkurang cukup besar dan kedalaman penetrasi elektron ke dalam obyek juga akan berkurang. Frekuensi pemayaran berkas elektron dalam arab regale lurus pada gerakan obyek yang diradiasi ditentukan oleh persamaan
(2)
f=v/(edej)
(10)
dimana v adalah keeepatan gerakan obyek (cmldetik), clecadalah diameter efektif dari berkas elektron daD adalah penggeseran obyek selama satu perioda pemayaran. Telah diketahui bahwa un1ok e ~ 0,8 ketidak seragaman iradiasi pada Presiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya \I_' . ",- . '..1: of"'nt'hof-a
obyek tidak lebih besar dari 5% (2). Berkas elektron yang melewati medan magnet bolak-balik dengan besar medan magnet maksimum Bo akan dibelokkan secara bolak-balik. Panjang pembelokan maksimum d, = /00 L I Bo[-q/(2mVsJif2 (11) dimana d, adalah jarak pembelokan maksimum (em), L adaJahjarak dari pusat magnet ke suatu titik pengamatan (em), I adalah panjang sumbu magnet (em), q adalah muatan elektron (coulomb), m adaJah Massa elektron (kg) dan Va adaJahtegangan tinggi pemereepat elektron sebelum dibelokkan. Sistem Hampa Dalam MBE sistem hampa biasanya terdiri dari pompa depan (fore-pump),pompa utama (main pump), katup dan pipa-pipa hampa dan detektor kehampaan (gauge) serra sistem deteksi kehampaan. Masing-masing jenis pompa bergantung pada fisis pemompaan, yai1o sua1o kehampaan minimum yang dapat dieapai yang disebut kehampaan akhir (ultimate vacuum). Kehampaan akhir dari seluruh sistem hampa juga bergantung pada beberapa parameter antara lain jumlah gas, jenis gas atau kombinasinya daD laju pemompaan dari pompa. Suatu sistem hampa mengandung dua macam sumber gas, yaitu gas yang dilepaskan oleh suatu proses selama pelaksanaan eksperimen di daJam sistem dan produksi gas yang diakibatkan oleh desorpsi dari permukaan bejana daJam roang hampa dan komponen- komponen yang terdapat di daJam ruang sistem hampa. Oleh karena itu daJam meraneang suatu sistem hampa, kedua macam somber gas tersebut harus diperhatikan.
BASIL DAN PEMBABASAN Berdasarkan konsep dasar peraneangan MBE daD deskripsi komponen-komponen utama MBE seperti yang diuraikan di atas mw pada bab ini akan dibahas peraneangan masing-masing komponen utama MBE daD spesifikasi teknis dari komponen-komponen utama tersebut. Somber Tegangan Tinggi Energi elektron setelah keluar dari tabung akselerator berbanding langsung dengan tegangan tinggi yang terpasang, sesuai dengan persamaan (I) di alas, energi elektron akan mempengaruhi kedalaman penetrasi elektron pada bahan yang diradiasi. Tegangan tinggi pemereepat berkas elektron selain mempengaruhi besarnya energi elektronjuga menentukan aplikasi dari MBE dalam berbagai bidang. Menurut SUZUKI [1], tegangan tinggi sekitar 150kV -350 kV sesuai untukaplikasi
4
Volume 1 Nomor 1 Juri 1999
ISSN 1411-1349
MBE dalam bidang "curing (coating/ lamination/printing)", tegangan tinggi 200 kV 3000 kV sesuai untuk "heat shrinkable tubing", tegangan tinggi 300 kV 5000 kV sesuai untuk sterilisasi, tegangan tinggi 300 kV 1000kV sesuai untuk "foamed PE plastics, rubber tire, daD De-NOxIDe-SOx of Exhaust gas" (Gambar 1).
-
-
-
kaI8II8.,.. ,.........
...t j
J
I
I
- -..j I
1
',:,;; 0;.;=
-- -- .
Slelilization
---------------------.
;--~-
II11D--!
-y:.:.
W..
& C&bI8
~
Heal $I\ri-
Tubing
~Tir8 f<8ned
p £. Pl8SIics --------------------
J
~.ot ExIl8uIlGa8
2!11--
c..;ng ~n~tiO,!1___.
-- -- - - --- iPrinting)
111-1 - - -- -- -- -. - --- -- -- - - - - - - - --.
Gambar 1. Tegangan TInggi Pemercepat vs Apli kasi Dengan mempertimbangkan kemampuan penetrasi berkas elektron ke dalam permukaan bahan padatdaDaplikasi dari MBE yang dirancang, mw ditentukan besarnya tegangan tinggi yang harus dihasilkan oleh generator tegangan tinggi Cockcroft-Walton dapat mencapai tegangan 500 kV. Dengan demikian diharapkan MBE yang akan dikonstruksi dapat diaplikasikan untuk 1) iradiasi bahan padat berupa lembaran 2) curing (coatingllamination/printing) 3) steriIisasi 4) foamed PE/PVC tape. Sistem Somber Elektron Elektron bebas dapat diperoleh dari bahan gas atau dari bahan padat, sehingga sumber elektron sebagai penghasil elektron dapat berupa bahan gas atau padat. Dalam suatu MBE sumber elektron yang banyak digunakan adalah dari bahan padat yang dipanaskan,yang disebut katoda panas. Bahan katoda yang sering digunakan ada tiga macam yaitu
tantalum, tungsten daD LaB6. Sesuai dengan persamaan (7) besarnya arus berkas elektron selain ditentukan oleh bahan katoda daDtegangan anoda juga bergantung pada suhu pemanasan dan bentuk katoda, antara bentuk kawat, spiral atau bentuk keping. Pemilihan bentuk katoda selain diharapkan dapat menghasilkan arus berkas yang cukup besar (orde puluhan mA) juga berdasarkan pad a pertimbangan umur pemakaian katoda. Umur pemakaian katoda dibatasi oleh karena efek "sputtering" daD evaporasi (6). Sepanjang lintasannya berkas elektron menghasilkan ion-ion yang bergerak dalam arab berlawanan dengan arab gerak elektron, kemudian dipercepat dalam suatu listrik antara katoda dan anoda menuju ke arab katoda. Apabila katoda tertumbuk oleh ion-ion energi tinggi, bahan katoda akan terspuner dengan kelajuan yang bergantung pada arus berkas ion dan tekanan gas dalam sistem sumber elektron. Untuk sebuah sumber elektron dengan arus berkas
-
mencapai 3 40 A laju sfuttering mencapai sekitar 10"3 - 10-1 mmljam (6. Karena deformasi dari permukaan katoda yang disebabkan oleh sputtering ion, distrlbusi rapat arus berkas elektron bergantung pada perubahan luasan permukaan emisi akibat efek sputtering. Untuk mengurangi efek sputtering ini dapat dilakukan dengan tara memperkecil tekanan gas di dalam sistem sumber elektron, atau memberi lubang pada pusat katoda yang memungkinkan sebagai jalan bebas dari sebagian besar ion yang menuju ke katoda. Oleh karena itu dalam perancangan dan pembuatan sistem sumber elektron untuk MBE ini dipiJih bentuk katoda spiral, yang memungkinkan ion-ion yang menabrak katoda dapat lewat diantara celah-celah spiral sehingga mengurangi terjadinya efek sputtering, serta mampu menghasilkan arus berkas elektron cukup besar dengan orde puluhan mA. Berdasarkan konsep dasar perancangan MBE, arus berkas elektron menentukan dosis scrap sesuai dengan persamaan (2) tersebut di alas. Menurut SUZUKI [1], dosis yang terserap berkaitan erat dengan aplikasi dari MBE. Untuk sterilisasi diperlukan dosis hingga 2,5 Mrad, untuk foamed PE diperlukan dosis 2,5 Mrad 10 Mrad, untuk curing diperlukan dosis 1 Mrad 9 Mrad, sedangkan untuk PVC tape diperlukan dosis 1Mrad
-
-
-6 Mrad (Gambar2).
Oleh karena itu sesuai dengan
kemampuan daD tersedianya bahan/komponen untuk pembuatan sistem sumber elektron daD rencana aplikasi dari MBE, maka arus berbs elektron yang harus dibasilkan oleb sumber elektron dapat mencapai nilai 10 IDA,sehingga dapat diaplikasikan dalam bidang seperti tersebut di atas.
PERANCANGANMeSINaeRK.A.S ELEKTRON500 keV/10 mA (Sudjatmoko. dkk.)
5
ISSN 1411-1349
Volume 1 Nomor 1 Juli 1999
...,.a. ..... !-----------
~-I~
~:8
@
f
"'
.~ UJ
1______-----
10--
I 3-fl:~~t
2-.§ ii.. ;=
I-I--tjI/)
----------
Gambar 2. Dosis vs Aplikasi Tabung Akselerator Berkas elektron yang dihasilkan oleh sumber elektron setelah difokuskan oleh sistem pemfokus berkas elelctron diarahkan menuju ke dalam taboos akselerator. Dalam taboos akselerator yang terdiri dari dua bagian yaitu elektroda daDtabung isolator berkas elektron akan difokuskan dan dipercepal'fabung-tabung isolator berfungsi menggandengkan elektroda-elektroda tabung akselerator sekaligus membentuk dinding tabung hampa dari sistem taboos akslerator, serta bersifat isolator. Berdasarkan fungsi tersebut malea taboog isolator dipilib dari baban gelas pyrex. dimana bahan ini bersifat isolator, mempunyai nilai laju "outgassing" cukup rendah daDtahan terhadap panas. Elektroda-elektroda yang terpasang dalam taboos akselerator berfungsi menyalurkan potensial DC positip terhadap tenninal tegangan tinggi yang terpasang pads tingkat pemercepat pertama. Dengan memakai sistem resistor, sO8tu beds potensial alean teljaga tetap antara setiap tingkat pemercepat Pembagian tegangan tinggi ini dengan meTals dapat didistribusikan antara masing-masing tingkat sehingga berkas elektron menerima dorongan aliran sepanjang taboos dengan energi yang bernilai sarna dengan drop Prosiding Pertemuan dan Presentasilimiah TeknologiAkselerator dan Aplikasinya Vol.1 No.1 Juli 1999: 1-8
potensial pads setiap tingkat. Setiap elektroda sebaiknya hanya menerlma tidalelebih dari IS kV, maka untuk tegangan tinggi 500 kV diperlukan 34 buah elektroda. Pada ujung akhir dari tabung akselerator berkas elektron telah memperoleh energi yang nilainya sama dengan drop potensial total antara tenninal tegangan tinggi dan tanah (ground). Berdasarkan fungsi elektroda tersebut maka dipilih bahan stainless-steel karena mempunyai sifat-sifat sebagai konduktor yang baik, mempunyai laju "outgassing" sangat kecil dan tahan panas. Sistem Pemfokus Berkas Elektron Sesuai dengan persamaan (9) di alas, panjang foleus sebagai fungsi dari energi elektron dan besarnya medan magnet dari solenoid. Untuk pemfokusan berkas elektron, jika massa elektron 9,107 x 10-31kg daDmuatan elektron adalab 1,602 x 10-19C maka persamaan (9) ootuk elektron dapat dituliskan
f = 30 Td/(Nl;2 Dalam MBE yang dirancang terdapat dO8 buah sistem pemfokus berkas elektron, pemfokus pertama berfungsi memfokuskan berkas elektron setelab keluar dari sistem sumber elektron. Untuk panjang fokus f = 1 m, medan magnet dipertahankan seragam pads jarak d = 3 em sepanjang sumbu, dan elekiron yang difokuskan setelab keluar dari sistem sumber elektron T = 5 keY, maka lensa magnet dari sistem pemfokus pertama memerlukan 67 ampere-lilitan untuk mempertahankan rapat flub sekitar 0,28 xl 0-2 weber1m2 atau 28 gauss. Sistem pemfokus kedO8 berfungsi memfokuskan berkas elektron setelab keluar dari tabung akselerator dimana T = 500 keY.
Lensa magnet dari sistem pemfokus kedO8 ini memerlukan 670 ampere-lilitan untuk mempertahankan rapat fluks sekitar 2,8 x 10-2 weber/m2 atau 280 gauss. Sistem Pemayaran Berkas ElektroD Dalam perancangan sistem pemayaran berkas elektron hanya digunakan satu buah medan magnet pembelok karena konstruksi lebih sederhana dibandingkan dengan sistem pemayaran menggunakan dO8buah medan magnet yang saling tegale lurus. Frekuensi pemayaran berkas elektron dalam arab tegale lurus terhadap gerakan baban yang diradiasi ditentukan dengan menggunakan persamaan (10) di atas. Jika kecepatan bahan yang diradiasi v
= 10
mll1.1enit.diameter efektif berkas
elektron clef = 4 mm daD = 0,8 (memberikan ketakseragaman dosis tidale lebih dari 5%), maka besamya frekuensi pemayaran sekitar SOHz Sudut pembelokan maksimum berkas elektron dipilih tidale lebih besar dari 200 karena pads sudol yang lebih besar,. energi elektron 6
Volume 1 Nomor 1 Juli 1999 berkurang cukup besar yang akan menyebabkan kedalaman penetrasi elektron ke dalam permukaan bahan akan berkurang dan ketidak seragaman dosis menjadi besar. Berkas elektron yang melewati medan magnet bolak-balik dengan medan magnet maksimum Bo yang besarnya ditentukan dengan persamaan (11), dimana besarnya Bo tersebut terutama ditentukan oleh tegangan pemercepat berkas elektron danjarak pembelokan maksimum. Jika jarak pemayar dengan jendela 160 em. jarak penyimpangan 60 em. maka jumlah lilitan sekitar 920 liIitan untuk mempertahankan medan magnet 0,012 weber/m2 (untuk arus 1 ampere). Sistem Hampa Sistem hampa dirancang terdiri dari pompa depan berupa pompa rotari clan pompa utama berupa pompa turbomolekul, yang dilengkapi dengan katup-katup hampa, Pirani gauge. Penning .
gaugeclanmeterhampa. Sistem hampa untuk MBE 500 keVII0 mA dirancang mampu mencapai tingkat kehampaan sampai dengan 10-6torr. untuk itu diperlukan satu bulb pompa rotari dua tingkat rang mempunyai laju pemompaan sekitar 14,6 m /jam. Sedangkan untuk pompa utama dipilih jenis pompa turbomolekul yang mempunyai laju pemompaan sekitar 280 liter/detik. KESIMPULAN Berdasarkan perancangan MBE yang telah dibahas di atas dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikul 1. Sistem sumber elektron dirancang berupa jenis katoda yang dipanaskan, bahan katoda adalah tungsten berbentuk spiral. Dipilih bahan tungsten walaupun orde pemanasan tinggi. tetapi dapat menghasilkan arus berkas elektron cukup besar daD mudah diperoleh dipasaran. Dipilih bentuk spiral karena untuk menghindari tetjadinya efek sputtering. 2. Sistem tegangan pemercepat berkas elektron dipilih jenis generator Cockcroft-Walton karena mampu menghasilkan tegangan yang cukup tinggi (orde ratusan kV) dengan arus hingga mencapai orde puluhan IDA. J. Sistem pemfokus berkas elektron terdiri dart dua bulb sistem. pemfokus pertama berfungsi untuk memfokuskan berkas elektton yang keluar dari sistem sumber elektron dan pemfokus kedua memfokuskan berkas elektron setelah keluar dari tabung akselerator.
4.
Sistem pemayaran berkas elektron berupa medan magnet bolak-balik dan hanya terdiri dart satu medan magnet pembelok. Hal ini
ISSN 1411-1349
dipilih agar supaya dalam konstruksi lebih sederhana tanpa mengurangi fungsinya. 5. Sistem hampa terdiri dart sebuah pompa rotari daDsebuah pompa turbomolekul. diharapkan dengan sistem pompa tersebut dapat dicapai tingkat kehampaan 10-6 torr yang telah memenuhi persyaratan kehampaan sistem MBE.
DAFfAR
PUSTAKA
1. SUZUKI. M. Recent Advances in High Energy Electron Beam Machine. Nissin-High Voltage Co.. Ltd.. Proceedings of The Workshops on The Utilization of Electron Beams. JAERI, (1990). 49-59 2. ALBERTINSKY, B.I.. High Voltage Electron Accelerators for Radiation Technology. The Main Characteristics. The Design of Accelerators and Their Elements. Trainig Course on Low Energy Accelerators and Their Applications. Leningrad, USSR, (1988) 3. ZHOU QIZHANG, Electron Accelerators Manufactured in China, UNDPIIAEAlRCA Regional Training Course on EB Irradiation . Technology. Shanghai Applied Radiation Institute, Shanghai University of Science and Technology, Shanghai. CHINA, (1991) 4. MACHI. S.. New Trends in Industrial Application ofEIectron Beam Machine. Japan Atomic Energy Research Institute. Takasaki
Radiation Chemistry Research Establishment. Proceedings of The Workshopson The Utilizationof Electron Beams.JAERI,(1990).15-23 5. KHAIRUL, Z.. Potential Applications of Electron Beam Machine in Malaysia,Nuclear Energy Unit, Proceedings of The Workshops on The Utilization of Electron Beams. JAERI. (1990),24-38 SCHILLER, S.. et ai, Electron Beam
6.
Technology. John Wiley & Sons, New York,
(1982)
TANYAJAWAB Purnomo Enuryanto Perancangan Mesin Berkas E/ektron $00 keVI1O mA, lenlu soja le/ah diperlimbangkan lenlang design (rancangan), biaya, wak/u don penggunaan. Mohon dije/askan penggunaan dari MBE$OOkeVI1OmA, untu/cradiasiapasajasele/ah se/esai dibuat.
PERANCANGANMESINeERKAS €LEKTRON500 keV/10 mA (Sudjatmoko, dkk.)
7
Volume 1Nomer 1 Juli 1999
ISSN-1411-1349
Sudjatmoko
Sudjatmoko
Penggunaan utama adalah untuk proses pelapisan clanpengeringan (curing of coatings)
Aplikasi MBE dirancang hanya untuk proses pelapisan clan pengeringan, sedangkan untuk aplakasi lingkungan diperlukan energi elektron lebih besar.
Syarip 1. Berapa kira-kira harga yang telah dirancang tersebut ? (/ebih mudah jika be/i jadi tinggal pakai. atau lebih maha/). Dengan kala lain apakah sudah dilakukan studi ekonomi pembuatan MBE tersebut ? 2. Komponen (sub sistem apa dari MBE tersebut yang paling mahal) tinggi biayanya ? Sudjatmoko I.
2.
Perkiraan harga MBE yang dirancang adalah sekitar empat milyard rupiah, danjika belijadi sekitar sepuluh milyard rupiah. Studi ekonomi pembuatan MBE secara lengkap belum dilakukan. Komponen tabung akselerator, sistem somber elektron clansistem vakum.
Sudarti
Anung Muharini 1. MBE yang ada di PAIR digunakan untuk apa saja, industri apa saja yang telah memanfaatkannya ? 2. Selain di PAIR, di Indonesia sekarang siapa lagi yang sudah mempunyai MBE 3. Bagaimana prospek ap/ikasi MBE dalam bidang kedokteran di Indonesia. Sudjatmoko I.
2. 3.
Digunakan untuk litbang clanproses pelapisan daD pengeringan; industri yang telah memanfaatkannya adalah sarong tangan karet clanparkit kayo. Pabrik ban Gajah Tunggal. Prospeknya cukup baik, khususnya untuk sterilisasi peralatan kedokteran.
Sebagai ap/ikasi MBE yang dirancang, belum ada ap/ikasinya untuk /ingkungan, yaitu menekan SO2, Nox dari suatu Cool Fire atau Oil Power Plant. Dari sistem tersebut akan mempunyai hasil samping pupuk. Dari IAEA buletin vol 36 no. 1, 1994, diperlukan danG sebesar $ 500 per kW untuk biaya instalasi dan operasi. Dari sisi ekonomi mungkin terlalu mahal tapi untuk keperluan pengenda/ian dampak /ingkungan, ap/ikasi tersebut perlu dipertimbangkan, terima kasih.
Prosiding Pertemuan daDPresentasi IImiah Teknologi Akselerator daDAplikasinya Vol. No.1 Juli 1999: 1-8
8
