RANCANG BANGUN PENGUAT DAYA RF - Digilib

Volume 15, Oktober 2013
ISSN 1411-1349
RANCANG BANGUN PENGUAT DAYA RF GROUNDED GRID ¼λ UNTUK SIKLOTRON PROTON 13 MeV
Prajitno
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan, BATAN
Jl.Babarsari Kotak Pos 6101 Ykbb, Yogyakarta 55281
e-mail: [email protected]
ABSTRAK
RANCANG BANGUN PENGUAT DAYA RF GROUNDED GRID ¼-λ UNTUK SIKLOTRON PROTON 13
MeV. Telah dilakukan pembuatan penguat daya RF untuk siklotron proton 13 MeV menggunakan tabung tunggal
trioda 3CX15000A7 dengan mode grounded grid. Daya RF akan digunakan sebagai sumber tegangan pemercepat
bolak-balik siklotron DECY-13 rancangan PTAPB-BATAN. Penalaan (tuning) keluaran daya RF menggunakan
teknik RF cavity ¼ λ, bagian inner dari cavity dibuat dari bahan tembaga yang besarnya menyesuaikan diameter
tabung 3CX15000A7 yaitu 7”. Untuk menekan munculnya frekuensi kelipatan (2fo) pada keluaran daya RF,
penguat daya RF dilengkapi rangkaian low pass filter pasif order 3 yang diharapkan dapat menekan frekuensi
harmonik sampai dengan 20 dB. Pengujian penguat daya RF telah dilakukan menggunakan beban dummy rersistor
50Ω/10kW. Hasil pengujian pada frekuensi 78 MHz., dengan tegangan anode 5180 Vdc dan tegangan filamen 6,0
Vac diperoleh hasil: keluaran daya RF 4860 Watt, pada kondisi arus anode 1,40 A, arus grid 115 mA, daya RF
masukan 133 watt dan suhu ruang pengujian 39,6°C.
Kata Kunci: RF cavity, radio frekuensi, tabung trioda
ABSTRACT
DESIGN AND CONSTRUCTION RF POWER AMPLIFIER GROUNDED GRID ¼-λ FOR PROTON
CYCLOTRON 13 MEV. A RF power amplifier for 13MeV proton cyclotron using 3CX15000A7 triode tube with
grounded grid mode has been constructed. RF power will be used as a source of accelerating alternating voltage
for the proton cyclotron DECY-13 designed by PTAPB-BATAN. RF power output tuning using RF cavity technique
¼ λ, the inner of the cavity made of copper which size equal to the diameter of the tube 3CX15000A7 is 7". To
suppress the emergence of the second harmonic frequency (2fc) at the output, the RF power amplifier is equipped
with a passive low pass filter circuit of 3rd order which is expected to suppress harmonic frequency up to 20 dB.
RF power amplifier has been tested using dummy load resistor 50Ω/10kW. The test results on the frequency of 78
MHz, with anode voltage 5180 Vdc and filament voltage Vac 6.0, are: RF power output 4860 watt, anode current
1.40 A conditioned, grid current 115 mA, RF power input 133 watt and temperature of testing room 39.6 °C.
Keywords : RF cavity, radio frequency, triode tube
PENDAHULUAN
P
ET/CT (Positron Emission Tomography/
Computerized Tomography) adalah gabungan
dari dua teknologi peralatan diagnosa yaitu
PET-Scan dan CT-Scan. Gabungan alat ini mampu
menghasilkan tingkat akurasi diagnosa lebih tinggi
dibandingkan Gamma Camera. Untuk mendukung
PET/CT diperlukan suatu siklotron yaitu alat yang
digunakan untuk memproduksi fluorodeoxyglucose
(FDG) yang fungsinya sebagai penelusur pada pemeriksaan PET/CT scan[1]. PTAPB (Pusat Teknologi
Akselerator dan Proses Bahan) – BATAN mempunyai
tugas dan fungsi mengembangkan teknologi
akselerator, salah satu kegiatannya adalah melakukan
rancang bangun siklotron proton 13 MeV untuk
produksi radio isotop. Tujuan dari pengembangan ini
adalah guna meningkatkan kemampuan sumber daya
manusia di BATAN dalam penguasaan teknologi
RANCANG BANGUN PENGUAT DAYA RF GROUNDED
GRID ¼λ UNTUK SIKLOTRON PROTON 13 MEV
Prajitno
siklotron agar mampu memberikan dukungan rumah
sakit pengguna PET/CT dalam permasalahan siklotron.
Salah satu bagian siklotron yang perannya penting
adalah sumber daya RF (Radio Frequency). Daya RF
berfungsi sebagai tegangan pemercepat bolak-balik
untuk mempercepat ion secara periodik. Untuk
mendukung bekerjanya siklotron 13 MeV diperlukan
daya RF kurang lebih 10 kW. Oleh karena itu dalam
rangka penguasaan teknologi sumber daya RF, dalam
makalah ini dibahas kegiatan penelitian yang berkaitan
dengan rancang bangun penguat daya RF
menggunakan tabung elektron jenis trioda yang
diharapkan mampu mengeluarkan daya RF sesuai
kebutuhan.
Penguat daya RF menggunakan tabung trioda
3CX15000A7[2] yang dikerjakan dalam mode
grounded grid dan sebagai penala (tuning) keluaran
digunakan teknik RF cavity ¼ panjang gelombang (λ).
31
Volume 15, Oktober 2013
Untuk menekan frekuensi harmonika kelipatan dua
(2fc), pada keluaran penguat daya RF ditambah
rangkaian pasif low pass filter (LPF) order 3.
Pengujian keluaran daya RF menggunakan
beban resistor dummy 50 Ω sehingga daya RF yang
dipantulkan balik (reflected) sangat rendah.
ISSN 1411-1349
Apabila panjang fisik saluran tersebut kurang
dari ¼ λ, impedansi akan lebih rendah dan pada
saluran yang muncul induktif, seperti digambarkan
pada Gambar 2. Induktansi ini digunakan untuk
beresonansi dengan reaktansi kapasitif dalam tabung
dan sirkuit sekitarnya.
TEORI
Sistem Penguat RF Cavity
Tabung power grid secara ideal cocok untuk
digunakan sebagai elemen pembangkit daya dalam
penguat cavity. Karena melibatkan dimensi fisik,
desain cavity biasanya terbatas untuk frekuensi sangat
tinggi (VHF) dan di atasnya. RF generator yang
frekuensi lebih rendah, untuk membuat kebutuhan
rangkaian tangki (tank circuit) biasanya menggunakan
perangkat diskrit L dan C. Dua jenis cavity amplifier
yang umum digunakan adalah: sistem ¼ dan ½panjang gelombang (λ)[3].
Cavity ¼-λ adalah yang paling umum
digunakan dikarenakan desainnya yang sederhana dan
mudah. Banyak variasi dapat ditemukan dalam penguat
daya yang berbeda, namun teori yang mendasari
operasi adalah sama. Tujuan dari setiap penguat cavity
adalah untuk mensimulasikan rangkaian tangki
resonansi pada frekuensi operasi dan menyediakan
sarana untuk pasangan energi dalam cavity ke jalur
transmisi.
Dalam penguat cavity, tabung menjadi bagian
dari resonan saluran transmisi. Stray antar elektroda
dan kapasitansi terdistribusi dan induktansi tabung
digunakan untuk kepentingan sebagai bagian dari
saluran resonansi. Saluran resonansi ini secara fisis
lebih besar dari ekivalen rangkaian resonansi LRC
pada frekuensi yang sama, dan ukuran fisis yang lebih
besar membantu dalam memecahkan tantangan operasi
daya tinggi, kerugian efek kulit, dan masalah tegangan
tinggi.
Gambar 2. Saluran kurang dari ¼ panjang
gelombang dihubung singkat a.
Rangkaian fisik b. Ekivalen
elektrik.
Penguat Daya RF
Untuk menahan terjadinya daya RF dipantulkan
balik (reflected) yang tinggi, penguat daya RF dipilih
menggunakan tabung elektron dibandingkan solidstate. Dengan pertimbangan kemudahan dalam
penalaan dan harga yang murah, dipilih tabung
elektron jenis trioda tipe 3CX15000A7 yang
dioperasikan dalam mode grounded grid. Diagram
elektronik dari penguat daya RF grounded grid seperti
ditampilkan pada Gambar 3.
Saluran transmisi ¼-λ yang salah satu ujungnya
dihubung singkat memiliki impedansi masukan resistif
murni tinggi. Secara elektrik, tampak sebagai
rangkaian resonansi paralel, seperti yang ditunjukkan
pada Gambar 1.
Gambar 3. Diagram penguat daya RF
grounded grid.
Perhitungan RF Cavity
Gambar 1. Saluran ¼ panjang gelombang dihubung singkat a. Rangkaian fisik
b. Ekivalen elektrik.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi
Akselerator dan Aplikasinya
Vol. 15, Oktober 2013: 31 - 36
Perhitungan panjang RF cavity diperlukan
karena kebutuhan panjang agar cavity dapat
beresonansi pada frekuensi yang diharapkan kurang
dari ¼-λ, hal ini karena dipengaruhi oleh Direct
Interelectrodes Capacitance grounded grid[2] dari
tabung trioda 3CX15000A7 yaitu: Cin = 56 pF dan Cout
= 36 pF.
32
Volume 15, Oktober 2013
ISSN 1411-1349
(7)
X L = Z c × tg α
Z c = 138 log (1,08 ×
L = 0,14 × log (
Gambar 4. Rangkaian padanan penguat daya
RF grounded grid.
D1
)
D2
D1 µH
)
D2 ft.
(8)
(9)
TATA KERJA
Bahan dan Alat Penelitian
Rangkaian padanan penguat
ditampilkan pada Gambar 4.
Ia =
daya
Pin
Va
Pin =
Ro =
(2)
η
Va
1,57 × I a
1
2 π f C out
X c = X cp + X ctunr + X c ( p )
XL =
seperti
(1)
Po
X cout − min =
RF
Ro
QL
(3)
(4)
(5)
(6)
Bahan dan alat yang digunakan dalam penelitian pembuatan penguat daya RF ini adalah sebagai berikut :
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Tool Kit
Prototip DDS exciter
Prototip Penguat RF pendorong LDMOS
Frequency Counter
Spectrum Analyzer GW Instek GSP-810
Digital Multimeter Sanwa PC100
SWR analyzer MFJ 269 pro
Diconex Forced Air Load 10 kW
Coaxial cable dan flange connector 1-5/8”
Diagram blok penguat daya RF seperti ditampilkan
pada Gambar 6. Plate dari tabung elektron
3CX15000A7 yang mempunyai diameter 7” langsung
dihubungkan dengan inner conductor dari RF cavity.
dengan :
Po : Keluaran Daya RF
Va : Tegangan Anode (plate)
η : Efisiensi
f
: Frekuensi
Klas operasi = B
Gambar 5. Bentuk pandangan atas RF cavity.
Bentuk koaksial kotak (square coaxial) seperti pada
Gambar 5, dapat dihitung menggunakan persamaan :
RANCANG BANGUN PENGUAT DAYA RF GROUNDED
GRID ¼λ UNTUK SIKLOTRON PROTON 13 MEV
Prajitno
Gambar 6. Blok diagram penguat daya RF.
33
Volume 15, Oktober 2013
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengujian Panjang RF Cavity
ISSN 1411-1349
Pada bagian atas dari RF cavity terpasang shorting
deck yang digunakan untuk mengatur panjang cavity
yang sama dengan induktan.
Pengujian penentuan panjang RF cavity
dilakukan dengan diagram pengujian seperti pada
Gambar 7. Pada plate dihubungkan dengan resistor 1,5
kΩ yang mana nilai resistor ini sesuai dengan
perhitungan impedansi keluaran tabung elektron.
Filament tabung elektron 3CX15000A7 pada saat
pengujian dicatu tegangan 6,3 Vac sesuai dengan
spesifikasi teknis tabung elektron tersebut.
Pengujian panjang RF cavity (Gambar 7)
dilakukan dengan memberikan masukan sinyal yang
berasal dari SWR Analyzer MFJ-269 dengan cara
mengatur frekuensi keluaran pada 78 MHz.,
selanjutnya cavity shorting deck diatur sampai SWR
pada analyzer menunjuk pada posisi minimum dengan
mengubah nilai kapasitan Ctune. Pada posisi inilah
diperoleh panjang RF cavity.
Gambar 9. Bagian bawah RF cavity.
Pada bagian RF cavity terdapat dua kapasitor yang
digunakan untuk menala keluaran daya RF yaitu Cload dan C-tune. Dengan mengatur posisi kedua
kapasitor ini maka keluaran daya RF akan dapat
maksimum dan efisien.
Blower Pendingin
Gambar 7. Blok diagram pengujian RF cavity.
Dari hasil pengukuran panjang RF cavity,
diperoleh panjang optimum pada frekuensi 78 MHz
adalah 34 cm.
Persyaratan agar tabung elektron 3CX15000A7
dapat dioperasikan sesuai dengan spesifikasi,
diperlukan hembusan udara pada sirip-sirip pendingin
anoda. Oleh karena itu pada bagian bawah tabung
elektron dipasang Mini centrifugal fan DE190-7.5”
dengan kapasitas hembusan udara 1237 cfm. Kapasitas
ini sudah memenuhi syarat, karena sesuai dengan
spesifikasi[2] pada disipasi daya 10 kW hanya
diperlukan ~500 cfm.
Catu Daya Tegangan Tinggi
Catu daya tegangan tinggi menggunakan 3 buah
transformator, koneksi bagian primer dengan
konfigurasi star dan dihubungkan catu tegangan AC
tiga fasa. Koneksi bagian sekunder dengan konfigurasi
delta dan dihubungkan dengan penyearah tiga-fasa
gelombang penuh dengan dioda hubungan jembatan
(bridge).
Diode penyearah menggunakan tipe A12F120
dan A12FR120, seperti ditampilkan pada Gambar 10.
Gambar 8. Bagian atas dari RF cavity.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi
Akselerator dan Aplikasinya
Vol. 15, Oktober 2013: 31 - 36
34
Volume 15, Oktober 2013
ISSN 1411-1349
diinginkan. Percobaan pengujian yang telah dilakukan
dengan umpan daya RF 133 W diperoleh keluaran daya
RF 4860 W. Pada kondisi ini arus anoda Ia =1,40 A,
arus grid Ig = 115 mA, dan suhu ruang = 39,6 oC.
KESIMPULAN
Gambar 10. Penyerah 3 fase gelombang penuh.
Catu daya tegangan tinggi belitan bagian primer
dihubungkan ke catu tegangan AC tiga fasa dengan
konfigurasi star, sedangkan koneksi bagian sekunder
digunakan konfigurasi delta. Bagian sekunder
disambungkan dengan rangkaian penyearah jembatan
(bridge) 3 fasa.
Keluaran tegangan dc dengan konfigurasi
delta[5] adalah
Vdc = Vm
3 3
π
= 1,654 Vm
Dari data hasil pengujian yang telah dilakukan,
penguat daya RF sudah dapat berfungsi sesuai dengan
rancangan. Pengujian belum dilakukan sampai
keluaran daya RF maksimum (10 kW) karena ruangan
yang digunakan untuk menguji belum memenuhi
syarat, terutama berkaitan dengan sirkulasi udara untuk
pendingin tabung elektron. Untuk mencapai daya 10
kW dapat dilakukan dengan menaikkan tegangan
anoda sampai 7000 Vdc sesuai dengan spesifikasi
3CX15000A7. Dengan demikian dapat disimpulkan
bahwa penguat daya RF yang telah selesai dibuat dapat
mendukung kebutuhan sumber daya RF siklotron 13
MeV yang sedang dibangun di PTAPB-BATAN.
UCAPAN TERIMA KASIH
Dengan selesainya pembuatan penguat daya RF
grounded grid ¼-λ ini disampaikan ucapan terima
kasih yang sebesar-besarnya kepada Saudara
Wardhana N. dalam memberikan ide-ide dan
merealisasikan menjadi prototip.
DAFTAR PUSTAKA
Low pass filter (LPF)
Untuk menekan frekuensi harmonika terutama
frekuensi kelipatan dua (2fc), keluaran penguat daya RF
dilewatkan rangkaian pasif low pass filter (LPF) order
3 (Gambar 11) dengan fc = 78 MHz..
[1] Pramudita Anggraita, BATAN Accelerator School,
PTAPB-BATAN Yogyakarta, 11-15 Agustus 2008.
[2] Technical Data 3CX15000A7, EIMAC division of
varian, California 94070, USA.
[3] Whitaker, Jerry C., Power Vacuum Tubes
Handbook, 2nd Edition. Ed. Jerry C. Whitaker,
Boca Raton: CRC Press LLC, 2000.
[4] D.Li, T.Hu, J. Huang, K. Liu, J.Yang, Proceeding
of IPAC2012, New Orleans, Louisiana, USA,
THPPC056 hal 3416.
[5] Power Electronics Handbook, Editor in Chief,
Muhammad H. Rasyid, Second Edition, Copyright
2007, Elsevier Inc., 2007.
Gambar 11. Rangkaian LPF Chebyshev order 3.
Pengujian Penguat Daya RF
Pengujian penguat daya RF telah dilakukan
dengan memberi catu tegangan anoda Va = 5,18 kV dan
tegangan filamen Vf = 6,0 Vac. Pada bagian keluaran RF
dipasang beban dummy 50 Ω/10kW. Selanjutnya pada
bagian masukan RF diberi umpan daya RF dan daya
dinaikkan secara perlahan-lahan sampai indikator
keluaran daya RF menunjukkan daya sesuai yang
RANCANG BANGUN PENGUAT DAYA RF GROUNDED
GRID ¼λ UNTUK SIKLOTRON PROTON 13 MEV
Prajitno
TANYA JAWAB
Darsono
− Bagaimana cara menentukan panjang cavity, apa
secara simulasi atau empiris?
35
Volume 15, Oktober 2013
ISSN 1411-1349
Prajitno
Suprapto
− Dilakukan secara simulasi menggunakan software
APPCAD Ver. 3.0.2 dari Agilent Technologies.
− Jenis klas osilator yang digunakan dan mohon
dijelaskan alasannya?
− Dilakukan secara eksperimen menggunakan
“Standing Wave Ratio” analyzer, dengan mengatur
panjang/ pendek Cavity.
Prajitno
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi
Akselerator dan Aplikasinya
Vol. 15, Oktober 2013: 31 - 36
− Penguat daya RF menggunakan klas AB, karena
dioperasikan dalam “grounded-grid” dan linear
antara daya masukan dan daya keluaran.
36