perancangan komponen dee siklotron proton 13 mev - Digilib

Rian Suryo Darmawan, dkk.
ISSN 0216 - 3128
65
PERANCANGAN KOMPONEN DEE SIKLOTRON PROTON
13 MEV
Rian Suryo Darmawan, Slamet Santosa
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan
Jl.Babarsari Kotak Pos 6101 Ykbb, Yogyakarta 55281
E-mail: [email protected], [email protected]
ABSTRAK
PERANCANGAN KOMPONEN DEE SIKLOTRON PROTON 13 MeV. Siklotron merupakan mesin
pemercepat ion dengan lintasan berkas spiral. Komponen utama dari siklotron adalah sistem sumber ion,
sistem magnet, sistem RF (radio frekuensi), sistem vakum, sistem ekstraktor berkas dan sistem instrumentasi
dan kendali. Sistem RF berfungsi untuk mempercepat ion-ion hidrogen (H+ atau H-). Salah satu komponen
sistem RF adalah dee yaitu elektrode yang menghasilkan medan listrik sebagai pemercepat ion pada
siklotron. Dari hasil perhitungan komponen dee, didapatkan material yang digunakan adalah tembaga jenis
Oxigeen Free High Conductivity (OFHC), dengan dimensi radius, sudut, panjang komponen koaksial
masing-masing adalah 480 mm, 39° dan 245 mm. Kemudian dengan geometri yang ditentukan tersebut
dilakukan simulasi menggunakan software CST Microwafe Studio untuk mendapatkan struktur vektor medan
listrik yang dihasilkan. Dari proses simulasi didapatkan nilai frekuensi resonansi 61,0851 MHz dan Q factor
5642,1.
Kata kunci : siklotron, sistem RF, dee.
ABSTRACT
DESIGN OF DEE COMPONENT OF 13 MeV PROTON CYCLOTRON. Cyclotron is an ion accelerator
machine with spiral beam path. Main components of cyclotron are ion source system, magnet system, radio
frequency (RF) system, vacuum system, beam extractor system and instrument and control system. The use of
RF system is to accelerate hydrogen ions (either H+ or H-). One of RF system components is dee, electrodes
that generate an electric field as ions accelerator on the cyclotron. From calculation results on dee
component, materal that should be used is of type Oxigeen Free High Conductifiity (OFHC) copper with the
geometrical dimensions of 480 mm, 39° and 245 mm for radius, angle and coaxial component length
respectively. With those geometrical data we then simulate the dee component using CST Microwafe Studio
software in order to obtain the structure of electric field vector which will be generated. From the simulation
we obtain resonant frequency 61,0851 MHz and Q factor 5642,1.
Keywords :cyclotron, RF system, dee.
PENDAHULUAN
S
aat ini di Pusat Teknologi Akselerator dan
Proses Bahan BATAN sedang dilaksanakan
kegiatan perancangan dasar siklotron untuk
produksi radioisotop dengan energi proton sekitar 13
MeV yang berinisial Design Experimental of
Cyclotron in Yogyakarta – 13MeV (DECY-13).
Siklotron bekerja dengan mempercepat ion,
positif maupun negatif, secara periodik (siklus)
menggunakan tegangan pemercepat bolak-balik
(alternating voltage) yang dipasang pada dua buah
elektrode berongga dalam ruang yang dihampakan
sehingga dapat dilintasi oleh berkas ion. Dengan
medan magnet ditimbulkan gaya Lorentz yang
merupakan gaya sentripetal pada berkas ion sehingga
lintasannya melingkar dan dapat dipercepat berulangulang (cyclic) setiap kali melalui celah (gap)
pemercepat. Berkas ion masuk dengan energi
tertentu, kemudian setiap kali mengalami percepatan
energi akan bertambah besar, sehingga radius
lingkaran makin besar. Pada energi dan radius
tertentu berkas dikeluarkan untuk ditembakkan pada
target padat, gas atau cair sehingga terjadi reaksi
nuklir yang menghasilkan radioisotop yang
didinginkan atau memberikan dosis radiasi untuk
sterilisasi, terapi, maupun modifikasi sifat bahan [1].
Salah satu komponen penting dari siklotron
adalah sistem RF dee, dengan komponen tersebut
berfungsi sebagai sistem untuk mempercepat ion-ion
hidrogen (H+ atau H-) yang dihaslikan oleh sumber
ion. Dee merupakan elektrode yang memberikan
medan listrik pemercepat dalam siklotron, yang pada
permulaan perkembangan siklotron berbentuk
setengah lingkaran (180º) seperti huruf D (dee). Dee
sebagai elektrode merupakan bagian yang terintegrasi
dengan sistem radio frekuensi (RF) yang
memberikan tegangan pemercepat AC dengan
frekuensi antara 60 – 80 Mhz. Sistem RF ini harus
mempunyai faktor kualitas (Q) yang baik, terbuat
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2011
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 19 Juli 2011
66
ISSN 0216 - 3128
dari bahan penghantar yang baik dan tahan hampa
(sifat degassing yang baik) dan ditala (tuned) untuk
memberikan tegangan pemercepat yang maksimal.
Dee bentuk sektor dengan lebar bergantung pada
harmonik frekuensi pemercepat yang digunakan:
harmonik pertama lebar dee sekitar 180º, kedua
sekitar 90°, ketiga sekitar 60°, keempat sekitar 45° [1].
Struktur sistem RF dan dee siklotron proton dengan
harmonic frekuensi pemercepat keempat dapat dilihat
pada Gambar 1.
Perancangan dee ini bertujuan untuk
mengetahui material yang digunakan dan dimensi
dari dee itu sendiri sehingga memudahkan dalam
proses pembuatan komponen, ekonomis dan efisien
serta dapat dimanfaatkan sebagai dasar dalam
simulasi menggunakan perangkat lunak untuk
mendapatkan resonanasi sistem.
TATA KERJA
DECY-13 akan menggunakan frekuensi tetap
(78 MHz), isochronus dengan harmonik frekuensi
keempat. Dalam kegiatan perancangan dee siklotron
DECY-13 ini perlu memperhatikan spesifikasi
keseluruhan dari siklotron itu sendiri.
Material
Kriteria yang dipakai dalam pemilihan
material dee didasarkan pada:
1. Karena merupakan komponen penghantar
listrik, maka material dee harus merupakan
Rian Suryo Darmawan., dkk.
metal yang mempunyai konduktivitas listrik
yang tinggi atau resistivitas yang rendah.
2.
Agar tidak memberikan efek penurunan
vakum, maka material dee harus mempunyai
sifat desorpsi (pelepasan gas dari gas yang
terserap sebelumnya) dan evaporasi yang
kecil. Kedua efek ini juga akan
mempengaruhi kemurnian gas yang akan
diionisasi pada ruang anoda sumber ion.
3.
Karena sumber ion berada dalam medan
magnet siklotron, maka material tersebut
harus bukan bahan magnetik agar tidak
mengubah pemetaan medan magnet,
khususnya untuk komponen dee yang
terletak di daerah pusat magnet.
Geometri
Geometri dee menyesuaikan struktur sektorsektor sistem magnet siklotron. Sistem magnet
memiliki dua sektor utama, yaitu hill dan valley. Hill
adalah bagian dari sistem magnet yang memiliki
medan magnet yang kuat, sedangkan valley adalah
bagian dari sumber magnet yang memiliki medan
magnet lemah. Sistem dee terletak pada valley dari
sistem magnet siklotron yang berjarak 8 cm dan
ditunjukkan pada Gambar 2.
Keterangan:
1. RF dee
2. Center dee
3. Liner
4. Komponen koaksial
5. Rongga Rf
6. RF coupler
7. Kabel transmisi
8. RF finetuner
Gambar 1. Struktur sistem RF dan dee siklotron proton 13 MeV
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2011
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 19 Juli 2011
Rian Suryo Darmawan, dkk.
ISSN 0216 - 3128
67
Gambar 2. Posisi dee pada sistem magnet siklotron
Perancangan geometri dee harus dapat
mengoptimalkan tempat yang tersedia agar
didapatkan nilai Q-value yang tinggi sehingga rugiruginya rendah. Langkah-langkah dalam penentuan
geometri dee adalah sebagai berikut:
a. Menghitung jarak minimum tegangan dadal RF
Untuk menhitung tegangan dadal RF digunakan
rumus killpatrick criterion dengan persamaan
[2]
:
(1)
(2)
b.
(3)
dengan f adalah frekuensi siklotron (MHz), E k
adalah killpatrick limit (MV/m), E s adalah
puncak medan listrik di permukaan (MV/m), b
adalah bravery factor, d min adalah jarak
minimum tegangan dadal RF dan V dee adalah
tegangan dee.
Menghitung kapasitansi dee
Untuk menghitung kapasitansi dee, pertama kali
menghitung luas permukaan dee kemudian baru
dapat ditentukan kapasitansi dee dengan
persamaan [3]:
(4)
c.
(5)
dengan S dee adalah luas permukaan dee (m2),
R dee adalah jari-jari dee (m), θ dee adalah sudut
dee (°), C dee adalah kapasitansi dee (F), ε 0
adalah konstanta elektrik (F/m) dan d adalah
jarak antara dee dengan liner (m).
Menghitung panjang komponen koaksial
Untuk menghitung panjang komponen koaksial
menggunakan persamaan [4]:
(6)
(7)
Dengan L adalah panjang panjang komponen
koaksial (m), c adalah kecepatan cahaya (m/s),
ω adalah 2πf, Z 0 adalah impedansi komponen
koaksial (ohm),
adalah impedansi ruang
vakum (ohm), A adalah jari-jari luar komponen
koaksial dan a adalah jari-jari dalam komponen
koaksial.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2011
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 19 Juli 2011
68
d.
ISSN 0216 - 3128
Rian Suryo Darmawan., dkk.
Simulasi perangkat lunak
medan listrik. Dari proses simulasi tersebut juga
Proses simulasi menggunakan perangkat lunak
dapat diketahui nilai Q factor.
CST MicroWaveStudio trial version. CST
MicroWaveStudio adalah perangkat lunak yang
HASIL DAN PEMBAHASAN
dikhususkan untuk simulasi electromagnetic
frekuensi tinggi. Sebelum proses simulasi
Material
dimulai, user harus menentukan satuan-satuan
Berikut sifat-sifat dari material sebagai
yang akan dipakai dan batasan-batasan dari
pertimbangan
untuk dee yaitu aluminium, tembaga
sistem. Simulasi dimulai dengan membuat
dan
perak.
Pertimbangan
pemilihan material tersebut
model geometri yang didapatkan dari
terutama
pada
sifat-sifat
yang memenuhi kriteria
perhitungan poin a, b dan c di atas. Setelah
untuk
bahan
dee
dan
juga
ketersediaan bahan dan
model geometri selesai dibuat, maka dilanjutkan
kemudahan dalam pengerjaan konstruksinya. Sifatdengan proses simulasi yang akan menghasilkan
sifat dari material tersebut tercantum pada Tabel 1.
nilai frekuensi resonansi dan tampilan didtribusi
Tabel 1. Sifat-sifat material logam untuk dee
Nama
Material
Resistivitas,
µ ohm-cm
[5]
Titik leleh,
°C
[5,6]
Laju desorpsi,
2 [7]
mb l/det cm
Laju evaporasi,
2
gr/cm det
[8,10]
Susceptibility
magnet, x 10-6 [9]
Aluminium
2,67
660,4
6 x 10-8
10,7 x 10-8
+10,5
Tembaga
1,69
1083
3,5 x 10-7
7,0 x 10-8
-0,1
Perak
1,63
961,9
-2
2,0 x 10
-19,5
Keterangan:
i.
Laju desorpsi adalah laju pelepasan dari gas yang terabsorpsi sebelumnya
ii. Data laju desorpsi tersebut adalah setelah satu jam pemvakuman
iii. Laju evaporasi dihitung pada suhu 500 °C dan tekanan 10-2 micron Hg
Fungsi utama dari dee adalah sebagai
pemercepat muatan dengan cara memberikan medan
listrik sehingga muatan yang melalui dee akan
ditolak atau ditarik. Agar suatu material dapat
menghasilkan medan listrik yang baik, maka harus
dicari material yang memiliki nilai resistivitas yang
kecil. Material tembaga dan perak merupakan suatu
pilihan yang baik karena memilliki resistivitas 1,69 µ
ohm cm dan 1,63 µ ohm cm.
Karena dee berada di dalam medan magnet,
maka harus dipilih material yang memiliki nilai
susceptibility kecil agar tidak mempengaruhi medan
magnet yang ada. Dari ketiga pilihan material yang
ada, perak memiliki nilai suseptibilitas yang paling
kecil yaitu -19,5.
Agar tidak memberikan efek penurunan
vakum, maka material dee harus mempunyai sifat
desorpsi (pelepasan gas dari gas yang terserap
sebelumnya) dan evaporasi yang kecil. Dari ketiga
pilihan material yang memenuhi kriteria tersebut
adalah aluminium. Tetapi aluminium memiliki nilai
resivitas dan suseptibilitas magnet yang lebih tinggi
yang dikhawatirkan dapat mengganggu proses
penghantaran listrik dan medan magnet yang ada.
Selain itu aluminium juga memiliki nilai titik leleh
yang rendah, sehingga jika terjadi pendinginan yang
kurang baik, material ini berpotensi untuk meleleh.
Dari ketiga material tersebut, tembaga dan
perak memiliki keunggulan dalam nilai resistivitas.
Perak juga memiliki keunggulan dalam nilai
suseptibilitas yang paling kecil dibandingkan dengan
dua material yang lain. Tetapi perak memiliki
kekurangan dalam nilai laju evaporasi yang tinggi
dibandingkan dengan aluminium dan tembaga.
Material tembaga menjadi pilihan karena unggul
dalam nilai resitivitas, titik leleh dan laju evaporasi.
Dalam pemilihan material tembaga juga
tidak boleh memilih sembarang tembaga, harus
dipilih tembaga dengan grade Oxygen-Free High
Conductivity (OFHC). Tembaga OFHC adalah
tembaga dengan konduktivitas yang tinggi dengan
kandungan oksigen sama atau kurang dari 0,001%.
Kandungan
oksigen
yang
sangat
rendah
menguntungkan bagi material yang beroperasi di
dalam ruang vakum karena proses pelepasan gas dari
material tersebut juga akan sangat rendah sehingga
dapat mengurangi efek penurunan tingkat kevakuman
sistem.
Geometri
Perancangan geometri dee menyesuaikan
geometri sistem magnet. Geometri sistem magnet
memiliki struktur sektor-sektor, yaitu hill dan valley.
Hill adalah sektor magnet yang memiliki medan
magnet yang tinggi, sedangkan valley adalah sektor
magnet yang memiliki medan magnet yang rendah.
Struktur sistem magnet dan spesifikasinya masingmasing ditunjukkan pada Gambar 3. dan Tabel 2.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2011
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 19 Juli 2011
Rian Suryo Darmawan, dkk.
ISSN 0216 - 3128
69
Gambar 3. Dimensi sistem magnet dalam mm
Tabel 2. Spesifikasi sistem magnet
Spesifikasi Sistem
Dimensi
Magnet
Radius
480 mm
Hill gap
40 mm
Valley gap
120 mm
Sudut hill
35°
Sudut valley
55°
Komponen dee terletak pada valley dari
sistem magnet yang berjarak 120 mm dan sudut
valley sebesar 55°, sehingga tebal keseluruhan dari
dee tidak boleh melebihi 120 mm dan radiusnya lebih
kecil dari 55°.
Selain menyesuaikan geometri sistem
magnet, geometri dee juga ditentukan dengan
perhitungan beam dynamic siklotron. Spesifikasi
yang ditentukan oleh beam dynamic adalah sudut dee
dan phase acceptance atau acceleration gap. Phase
acceptance adalah rentang fase antara berkas yang
dipercepat dan medan pemercepat. Dari phase
acceptance tersebut dihitung acceleration gap yang
merupakan jarak antara dee dengan ground. Sudut
dee dan acceleration gap dari perhitungan beam
dynamic berturut-turut adalah 39° dan 39 mm. Untuk
radius dee harus lebih besar dari radius ekstraksi
berkas yaitu 410 mm. Untuk memaksimalkan ruang
dee, maka radius dee sesuai radius magnet yaitu 480
mm.
a.
Jarak minimum tegangan dadal RF
Untuk faktor keamanan, maka perlu dihitung
jarak minimum tegangan dadal RF antara dee dengan
ground. Perhitungan ini dilakukan untuk menentukan
jarak aman antara dee dengan ground agar ketika
siklotron beroperasi tidak terjadi discharge.
Perhitungan ini menggunakan persamaan (1), (2) dan
(3) dengan nilai f = 78Mhz, b = 2 (untuk pulsa
kurang dari 1 ms) dan V dee = 40 kV. Dari perhitungan
tersebut didapatkan jarak minimum antara dee
dengan ground adalah 2 mm. Nilai tersebut adalah
jarak minimum, tetapi jarak tersebut jauh lebih kecil
dari acceleration gap yang telah ditentukan dari
perhitungan beam dynamic yaitu 39 mm, sehingga
dengan nilai 39 mm tersebut diharapkan tidak akan
terjadi discharge.
b.
Kapasitansi dee
Untuk
menghitung
kapasitansi
dee
menggunakan persamaan (4) dan (5) dengan nilai
R dee = 480 mm, θ dee = 39°, ε 0 = 8,854 x 10-12 F/m dan
d = 39 mm. Dari perhitungan tersebut didapatkan
nilai kapasitansi dee yaitu 35,6 pF. Ditambah dengan
kapasitansi dari sambungan dan acceleration gap,
diasumsikan nilai kapasitansi total adalah 50 pF.
c.
Panjang komponen koaksial
Untuk menghitung panjang komponen
koaksial menggunakan persamaan (6) dan (7) dengan
nilai c = 300 x 106 m/s dan
= 376 ohm.
Diasumsikan komponen koaksial dengan jari-jari luar
A = 0,1 m dan jari-jari dalam a = 0,02 m maka
didapatkan panjang komponen koaksial yaitu 0,245
m.
Desain siklotron DECY-13 menggunakan
frekuensi harmonik keempat sehingga dua dee
disambung dan fase RF-nya selalu sama. Jarak antara
pelat atas dan pelat bawah dee adalah 30 mm,
memaksimalkan hill gap 40 mm yang dikurangi
dengan tebal liner atas dan bawah sebesar 5 mm
masing-masing.
Dari nilai-nilai yang didapat dari
perhitungan dan spesifikasi sub-sistem yang lain,
maka dapat disusun gambar teknik dari komponen
dee, seperti ditunjukkan pada Gambar 4.
d. Simulasi menggunakan perangkat lunak
Setelah dilakukan perancangan, kemudian
hasil rancangan tersebut dijadikan dasar untuk
melakukan simulasi dengan perangkat lunak CST
MicroWaveStudio Trial Version. Distribusi medan
listrik ditunjukkan pada Gambar 5. Terlihat bahwa
vektor medan listrik tegak lurus terhadap dee
sehingga berkas ion yang melaluinya dapat
dipercepat.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2011
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 19 Juli 2011
70
ISSN 0216 - 3128
Rian Suryo Darmawan., dkk.
Gambar 4. Gambar teknik komponen dee siklotron DECY-13
e.
Simulasi menggunakan perangkat lunak
Setelah dilakukan perancangan, kemudian
hasil rancangan tersebut dijadikan dasar untuk
melakukan simulasi dengan perangkat lunak CST
MicroWaveStudio Trial Version. Distribusi medan
listrik ditunjukkan pada Gambar 5. Terlihat bahwa
vektor medan listrik tegak lurus terhadap dee
sehingga berkas ion yang melaluinya dapat
dipercepat.
Gambar 5. Hasil Simulasi CST MicroWaveStudio Trial Version
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2011
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 19 Juli 2011
Rian Suryo Darmawan, dkk.
ISSN 0216 - 3128
Dari hasil simulasi didapatkan nilai Q factor
5642,1 dan frekuensi resonansinya 61,0851 MHz.
Perbedaan nilai frekuensi resonansi antara
perhitungan dengan simulasi disebabkan oleh
penyederhanaan
komponen-komponen
dan
karakteristik material di dalam sistem.
71
KESIMPULAN
ANONIM, Catalog Balzers, Edisi 1989/1990
ROTH, 1983, Vacuum Technology, North
Holland Publishing Company, Amsterdam
10. R.H. PERRY, 1997, Perry’s Chemical
Engineer’s Handbook, Seventh Edition,
McGraw-Hill, New York
11. IN SU JUNG, Design of Kirams-13 RF System
for Regional Cyclotron Center
Dari kegiatan perancangan komponen dee
siklotron DECY-13, dapat diambil beberapa
kesimpulan sebagai berikut :
TANYA JAWAB
1.
2.
3.
Material tembaga OFHC adalah merupakan
pilihan terbaik untuk bahan dee.
Dimensi dari struktur dee yaitu radius, sudut dan
panjang komponen koaksial secara berturut-turut
adalah 480 mm, 39° dan 245 mm
Dari proses simulasi menggunakan perangkat
lunak CST MicroWaveStudio trial version
didapatkan frekuensi resonansi 61,0851 MHz
dan Q factor 5642.1.
DAFTAR PUSTAKA
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
PRAMUDITA
ANGGRAITA,
2010,
Akselerator siklik, Batan Accelerator School
2010, Yogyakarta
THOMAS P. WANGLER, 2008, RF Linear
Acclerator 2nd Edition, Wiley-VCH Verlag
GmbH, Wienheim
SEKIGUCHI M., 2003, Design Example of a
50-MeV Cyclotron
JUNG IN SU, 2010, Design and Calculation a
13-MeV Cyclotron RF Structure, Batan
Accelerator School 2010, Yogyakarta
Cyclotron Operating and Service Manual: Ion
Source and Power Supply, 1985, CTI, Berkeley
ANONIM, 1995/1996, Catalogue Goodfellow
ANONIM, Catalog ESPI 690
8.
9.
Pramudita Anggraita
- Apakah sumber ion sudah dimasukkan
dalam perhitungan, mengingat jaraknya
dekat dengan dee/puller (hanya sekitar
6mm), komponen lain seperti beam guides
juga perlu diperhatikan, juga ukuran sudut
dee supaya disinkronkan dengan simulasi
lain.
Rian Suryo
• Dalam perhitungan komponen yang dicari
nilai C nya hanya Dee, tetapi dalam
simulasi menggunakan CST MWS komponen
sumber ion dan linear sudah dimasukkan.
Widi Usada
- Apakah sudah dihitung atau belum
impedansi Dee, bila ia dipandang sebagai
beban?
- Sejauh ini dee, dianggap sebagai C murni
(kapasitor murni), adakah besaran lain
seperti R atau L ataukah besaran tersebut
diabaikan?
Rian Suryo
• Impedansi Dee menggunakan 15 Ω
• Untuk perhitungan, nillai R dan L
diabaikan, jadi hanya menghitung besaran
C
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2011
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 19 Juli 2011