Perancangan Mesin Berkas Elektron 500 KeV/10 mA

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