rancangan dan konstruksi sumber elektron untuk - ANSN

KE DAFTAR ISI
Suprapto,
ISSN 0216 - 3128
dkk.
355
RANCANGAN DAN KONSTRUKSI
SUMBER ELEKTRON
UNTUK MESIN BERKAS ELEKTRON INDUSTRI LATEKS
Suprapto,
Djoko SP., Djasiman
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan, BAl'AN
ABSTRAK
RANCANGAN
DAN KONSTRUKSI SUMBER ELEKTRON
UNTUK MESIN BERKAS ELEKTRON
INDUSTRI LATEKS. Telah dilakukan perancangan dan konstruksi sumber elektron untuk mesin berkas
elektron industri lateks. Perancangan berdasarkan pada kebutuhan arus dan profil berkas elektron saat
masuk tabung akselerator. Dari rancangan dilanjutkan dengan pembuatan komponen-komponen
sumber
elektron, pengkonstruksian
dan pengujian.
Hasil rancangan adalah sumber elektron menggunakan
elektrode Pierce dengan sudut elektrode pemfokus 67,5 () dan dengan katode dari tungsten.
Untuk
menghasilkan arus berkas elektron 50 mA, suhu operasi katode sekitar 2200 K dan suhu operasi ini masih
jauh dibawah titik leleh yaitu 2700 K pada kevakuman I . ur6 Torr. Hasil konstruksi dan pengujian
didapatkan arus berkas elektron maksimum sebesar 40 mA pada arus filamen 17 A, tegangan katode-anode
4 kV dan tegangan pemercepat 17 kV. Dengan hasil ini diharapkan sumber elektron hasil rancangbangun
dapat digunakan pada mesin berkas elektron di industri khususnya industri lateks.
Kata kunci : Sumber elektron, Mesin berkas elektron, Akselerator.
ABSTRACT
DESIGN AND CONSTRUCTION OF ELECTRON GUN FOR ELECTRON BEAM MACHINE DEDICATED
TO INDUSTRY OF LATEX. Design and construction of electron gun for electron beam machine has been
done. The electron beam machine will be applied in industry of latex. The design is based on requirement
of the electron beam current and profile at the entrance of accelerating tube. The design i,I'followed by
manufacturing the components and constructing the electron gun as well as measuring the output electron
beam current. The electron gun design is using Pierce electrode model where the focusing electrode has
inclining angle of 67.5 () and the cathode is made from /lIngsten. To obtained 50 mA electron beam current,
the cathode operating temperature is approximately 2200 K. This is much lower than the melting point
(2700 K at I . /0-6 Torr). From the construction and the measurement yield show that the maximum beam
current is 40 mA at the filament current of 17 A, the cathode-anode voltage of 4 kV and accelerating voltage
of 17 kV. It is showed that the electron gun is expectedly can be used for electron beam machine, which will
be applied in industry of latex.
Key words: Electron gun, Electron beam machine, Accelerator.
PENDAHULUAN
Mesin(Mesin
pemercepat
Berkas
elektron
Elektron) sering
adalahdisebut
satu MBE
jenis
teknologi baru yang telah dikembangkan dalam dua
dekade yang ]alu sebagai sumber radiasi pada proses
iradiasi suatu produk industri. Pemanfaatan MBE
dalam bidang industri telah berkembang pesat di
negara-negara maju, terutama dalam proses pengeringan pelapisan (curing of coatings) permukaan
suatu bahan, proses pembentukan ikatan silang pada
plastik, karet dan bahan isolasi kabel, proses pra
vulkanisasi karet, sterilisasi peralatan medis, pcngawetan bahan makanan, modifikasi tekstil dan graft
polymerization,! 1.2.3,4) Apabila dibandingkan dengan
proses termal konvensional ataupun proses kimia,
maka proses iradiasi elektron mempunyai beberapa
keunggulan antara lain: menghasilkan kualitas produk yang lebih tinggi, tidak menimbulkan polusi
pada lingkungan, hemat cnergi, reaksi-reaksi terjadi
pada suhu kamar, proses yang terjadi mudah
dikontrol, biaya operasi lebih rendah untuk produksi
masal.
Khusus pemanfaatan MBE untuk proses pra
vulkanisasi, ikatan silang merupakan reaksi yang
paling dominan yang terjadi selama proses iradiasi
elektron.
Sifat-sifat fisika dari karet alam akan
berubah dengan terbentuknya ikatan silang, sebagai
contoh bertambahnya ketahanan terhadap bahan
pelarut (solvent), meningkatkan kekuatan regangan
dan kekerasan, berkurangnya tingkat kemuluran dan
tahan terhadap panas (deformasi termal)y,4,5j
Prosiding PPI - PDIPTN 2006
PlJstek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta. 10 Juli 2006
356
ISSN 0216 - 3128
Berdasarkan uraian tersebut di atas, perlu
segera dikembangkan penguasaan teknologi MBE
khususnya untuk industri lateks yang digunakan
untuk pra vulkanisasi. Mesin berkas elektron energi
rendah yang digunakan di industri mempunyai
rentang energi antara 150 ke V sid. 500 ke V dengan
arus berkas elektron antara 30 mA sid. 300 mA.[6]
Komponen utama MBE diantaranya adalah sumber
elektron yang berfungsi untuk menghasilkan berkas
elektron. Berkas elektron selanjutnya dipercepat di
dalam tabung akselerator dan dimayarkan di dalam
corong pemayar serta dikeluarkan melalui jendela
(widow) untuk ditembakkan pada target (bahan yang
diiradiasi).
Oi PT APB telah dilakukan rancang
bangun sumber elektron denr,an kapasitas arus
berkas elektron sampai 15 mA. 7] Sumber elektron
ini belum dapat digunakan untuk MBE skala industri
karena besar arus berkas elektron yang dihasilkan
bel urn memenuhi kebutuhan.
Untuk memenuhi·
kebutuhan arus berkas elektron yang diperlukan,
maka terlebih dahulu dilakukan rancangan (disain)
sumber elektron yang dapat menghasilkan arus
berkas elektron diatas 30 mA. Oalam makalah ini
dibahas rancangan dan konstruksi sumber elektron
untuk mesin berkas elektron industri lateks, arus
berkas elektron yang dihasilkan antara 0 sid. 50 mA.
Hasil rancangan dan konstruksi ini diharapkan dapat
memenuhi kebutuhan sumber elektron untuk mesin
berkas elektron industri lateks khususnya untuk
proses pra vulkanisasi lateks karet alam.
Suprapto, dkk.
suhu pemanasan filamen (katode). Agar elektron
terse but dapat dikeluarkan dari ruang sumber elektron maka diperlukan medan listrik untuk mengekstraksi dan membentuk elektron hasil emisi dari
filamen (katode) menjadi berkas elektron.
Jika
medan listrik tersebut tidak cukup besar maka akan
terjadi penumpukan elektron di depan katode
sehingga terjadi awan elektron yang membentuk
muatan ruang dan membatasi emisi elektron dari
katode. Oalam keadaan demikian rap at arus emisi
elektron disebut sebagai rapat arus emisi yang
terbatasi oleh muatan ruang. Besar rapat arus ini (j"
dalam A/cm2) mengikuti hukum Child-Langmuir
sebagai berikut:[8]
V'/2
a
Je
=
(2)
XZT
ka
dengan Va adalah tegangan anode (V), Zka jarak
katode-anode untuk susunan paralel (em) dan X
tetapan Child (X = (4;0 ) ·he 1m),
= 2,334
X
untuk elektron X
10,6AmperNoIt312.
Emisi elektron oleh katode tergantung pada
luas pennukaan
emisi, mode pemanasan, dan
konstruksi mekaniknya (bentuk kawat, spiral atau
keping).
Penentuan Elektrode Pemhentuk Berka .••
TEORI
Rapat Arus Elektron
Sumber elektron tipe tennionik
adalah
sumber elektron di mana elektron dihasilkan melalui
proses emisi atau pancaran tennionik pad a filamen
panas karena dialiri arus listrik. Elektron-elektron
yang dipancarkan terse but kemudian dipercepat
dengan medan elektrostatik dan dibentuk menjadi
berkas elektron.
Rapat arus jenuh emisi elektron
(Ncm2)
sebagai fungsi suhu pemanasan besarnya
mengikuti persamaan Richardson-Oushmann sebagai
berikut:[8]
(1)
dengan A adalah konstanta Richardson (A/cm2 K2),
rp fungsi kerja (eV), k tetapan Boltzmann (eV/K) dan
T suhu pemanasan (K). Nilai A tergantung pada
jenis bahan filamen (katode).
Persamaan (I)
merupakan persamaan yang menyatakan hubungan
emisi elektron di dalam ruang sumber elektron dan
Oi dalam MBE diharapkan berkas elektron
yang keluar dari sumber elektron tidak menyebar
sehingga semua berkas elektron dapat dilewatkan
melalui tabung akselerator.
Untuk mendapatkan
agar berkas elektron tidak menyebar diperlukan
susunan elektrode pembentuk berkas yang sesuai.
Susunan elektrode pembentuk berkas elektron yang
ban yak digunakan untuk menghasilkan
berkas
elektron yang lurus atau hampir tidak menyebar
adalah susunan elektrode Pierce yang terdiri dari
katode, elektrode pemfokus dan anode.[9.IO) Susunan
elektrode Pierce untuk mendapatkan aliran elektron
yang lurus hampir sejajar sumbu berkas mempunyai
elektrode pemfokus dengan sudut 67,5° terhadap
sumbu berkas.
Penentuan Tegangan Ekstraksi
Pada sumber elektron, tegangan ekstraksi
adalah tegangan yang diberikan di antara katode
(elektrode pemfokus)-anode.
Untuk elektrode
pemfokus dengan sudut 67,5° agar didapatkan
lintasan berkas elektron yang hampir lurus sejajar
sumbu berkas (sumbu x) dan kerapatan arus elektron
Prosiding PPI - PDlPTN 2006
Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 10 Juli 2006
ISSN 0216 - 3128
Suprapto, dkk.
yang diekstraksi keluar dari sumber elektron (JJ
seragam dalam arah sumbu x serta dengan mengabaikan efek magnetik, maka tegangan ekstraksi
ditentukan
berdasarkan
persamaan
diferensial
berikut:[ 10]
(3)
dengan G" adalah konstanta dieJektrik (F/m), '7
perbandingan muatan dengan massa elektron (elm)
dan V tegangan yang diberikan pada terminal katode
(elektrode pemfokus)-anode
(V).
Penyelesaian
persamaan diferensial untuk menentukan besar
tegangan elektrode pemfokus-anode (persamaan 3)
dengan mengandaikan bahwa daerah di luar aliran
elektron (y > 0) merupakan daerah bebas muatan
yang berbatasan dengan bidang sejajar yaitu daerah
aliran elektron (y < 0). Jika persamaan tersebut
diselesaikan menggunakan fungsi analisis
x + jy
dan syarat batas pad a daerah bebas muatan
diandaikan dalam bentuk bidang serta dengan
mengintegralkan, maka didapatkan:[loJ
V
= I(x)
=
A
xm
357
elektron hingga mencapai ~ 50 mA. Dari perhitungan tersebut didapatkan rapat arus jenuh elektron
yang selanjutnya digunakan untuk menentukan luas
permukaan katode yang mengemisikan elektron,
yaitu dengan membagi arus berkas elektron yang
harus dihasilkan dengan rapat arus jenuh elektron.
Geometri eJektrode pemfokus ditentukan berdasarkan susunan elektrode Pierce dengan pertimbangan
bahwa diameter dalam elektrode pemfokus harus
cukup untuk menempatkan katode.
Penentuan
flange sumber elektron disesuaikan dengan flange
tabung akselerator untuk memudahkan pemasangannya.
Geometri perisai radiasi termal ditentukan
berdasarkan persamaan (7) untuk meminimalkan laju
perpindahan panas radiasi sehingga kenaikan suhu
tabung akselerator dapat diminimalkan untuk mencegah terjadinya keretakan.
Dari hasH rancangan
tersebut dilanjutkan pembuatan komponen-komponennya dan konstruksi lengkap dengan sistem
pengujiannya. Konstruksi sumber elektron lengkap
dengan sistem pengujiannya
ditunjukkan
pada
Gambar 2.
(4)
dan
Data romber eJektmn~
•
•
7
diperluJian
Arns btd<u
Profilbtd<u
(5)
Rm.<anpn
Persamaan (4) dan (5) dapat digunakan untuk
menghitung besamya potensial yang harus dipasang
pada elektrode Pierce dengan sudut elektrode
pemfokus 67,5° agar didapatkan lintasan berkas
elektron yang mendekati lurus sejajar sumbu berkas.
pamm rnmbt£ .wdron J!Utiptdi:
•
B<lI!JJl<kllDdo
•
•
B<lI!JJl< d.ktrodo
B<lI!JJl< "",do
•
TmWntl C&!Ildql
•
!IaIgt
<1m romah
pomfukus
rumbor .lektron
Pembuatan komponen-Jamlponen
ranc~an
dan konstruJcsi Ie~ap
sesu.ai
de~an
de~an
basil
sistern pe~jianrty4
TAT A KERJA
Rtlllcallgall dall KOllstruksi
Rancangan dan konstruksi sumber elektron
meliputi: pemilihan bahan dan perhitungan katode,
penentuan geometri dan pembuatan komponenkomponen serta pengkonstruksian dan pengujian
sumber elektron.
Penentuan geometri komponenkomponen sumber elektron berkaitan dengan catu
daya (tegangan dan arus listrik) untuk mencatu
sumber elektron tersebut. Adapun langkah-langkah
rancangan, konstruksi dan pengujiannya ditunjukkan
pada diagram alir (Gambar I). Untuk menentukan
geometri katode dilakukan perhitungan dengan
persamaan (I) agar dapat menghasilkan arus berkas
<tW.u surnber eleJctron rneliputi kw<1kurnan
Pe~jian
dan .uus berhs eleJctDn yang dilwilkan
Gambar
1. Diagram alir rancangan
struksi sumber elektron.
Prosiding PPI - PDIPTN 2006
Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 10 Juli 2006,
dan kon-
sai radiasi
termal
nge
ktrode
pemfokus
358
ISSN 0216 - 3128
Suprapto, dkk.
b. Konstruksi sumber elektron pada tabung akscIcrator
Keterangan
I. Sumber Elektron
3. Penyangga
5. Dudukan
7. T-Piece
2. Tabung Akselerator
4. T-Piece
6. Pompa Difusi
8. Kerangka Pengujian
9. Roda
a. Konstruksi pengujian sumber elektron
Gambar 2. Konstruksi
sumber elektron dan sistem pengujiannya.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Oalam konstruksi mesin berkas elektron,
berkas elektron yang dihasilkan oleh sumber elektron langsung dipercepat di dalam tabung akselerator
sehingga sumber elektron dipasang langsung pada
tabung akselerator.
Karena itu rancangan flange
dudukan elektrode pemfokus yang sekaligus sebagai
flange sumber elektron hams sesuai dengan flange
Tabel1.
tabung akselerator untuk memudahkan pemasangan.
Tabung akselerator yang digunakan adalah buatan
NEC - USA jenis 2 JA 004] 50 (NEC Flange).
Flange pada tabung akselerator ini sesuai dengan
flange untuk standar vakum ON 160 CF sehingga
flange sumber elektron dirancang dengan standar
flange ON 160 CF dan disesuaikan dengan flange
tabung akselerator Gambar 2b.
Spesifikasi teknis sumber elektron hasil rancangan.
ON 160kerueut
silinder,
CF, tebal20
bahanmm,
stainless
bahan
stainless
steel,berdiameter
diameter
steel sudut
luar
mm
dan diameter
0,panjang
diameter
Bentuk
spiral,
bahan
(corong),
kawat
bahan
tungsten
stainless
steel,
0,5 60
67,5
mm,
20 luar
em
Katode
lubang
62
mm
dan
diameter
spiral
(lilitan)
23
mm
40 mm, diameter lubang 25 mm
Prosiding PPI • PDIPTN 2006
Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 10 Juli 2006
ISSN 0216 - 3128
Suprapto, dkk.
dengan dinding isolator. Untuk meminimalkan radiasi panas yang terjadi dipasang perisai radiasi termal
untuk memantulkan kembali panas dari elektrode
pemfokus,
sehingga
jumlah
panas
yang
ditransmisikan ke tabung akselerator dan menyebabkan kenaikan suhu sangat rendah. Rancangan
perisai radiasi termal ini didasarkan persamaan (7)
dengan geometri menyesuaikan geometri katode dan
tabung akselerator.
Bahan perisai radiasi termal
dipilih dari stainless steel karena mempunyai kemampuan memancarkan kembali panas yang datang
cukup besar sehingga panas yang ditransmisi-kan
rendah. Jika panas yang ditransmisikan rendah, maka laju perpindahan panas dari katode ke rumah
sumber elektron atau dinding tabung akselerator
rendah dan tidak memberikan kenaikkan suhu yang
berarti.
Rancangan sumber elektron dengan elektrode
Pierce sangat penting untuk mendapatkan susunan
elektrode yang tegar (rigid) dan pemasangan catu
daya baik catu daya filamen (katode) maupun catu
daya anode. Yang dimaksud susunan elektrode yang
tegar adalah apabila sumber elektron tersebut
dioperasikan atau dipasang pada mesin berkas
clektron tidak tcrjadi perubahan bentuk baik pad a
elektrode maupun katode akibat pengaruh panas dari
katode. Apabila susunan elektrode tidak tegar dan
terjadi perubahan bentuk atau posisi, maka menyebabkan lintasan berkas elektron yang dihasilkan
tidak sejajar dengan sumbu dan pemfokusannya
tidak tepat sebagai masukan pada sistem pemercepat
(tabung akselerator).
Oi samping itu, untuk
mencegah terjadinya loncatan listrik (discharge)
maka bentuk katode, anode dan elektrode pemfokus
dihindarkan dari bentuk ujungltepi yang runcing dan
harus dibuat dalam bentuk bulat. Hal ini disebabkan
karena ujung-ujung yang runcing mengakibatkan
timbulnya medan listrik yang besar dan apabila
isolasi di antara katode, anode dan elektrode
pemfokus tidak tahan terhadap medan listrik yang
terpasang akan terjadi loncatan listrik (discharge).
Perhitungan
u ••
..
/'.-/ V
/'
"'7
u'
/
...
........
Katode
Oalam rancangan
sumber
elektron
ini
digunakan bahan katode dari tungsten (W). Untuk
memprediksi suhu operasi dengan menghitung emisi
elektron dari katode (emitor) sebagai fungsi suhu.
Suhu operasi sangat berkaitan dengan sifat-sifat
bahan pada saat dioperasikan.
Satu diantara sifat
yang paling penting berkaitan dengan suhu operasi
katode adalah titik leleh (melting point).
Oalam
pengoperasian sumber elektron, suhu katode tidak
boleh lebih tinggi dari pada titik leleh bahan katode.
Hasil perhitungan untuk memprediksi suhu operasi
katode
dengan
menggunakan
persamaan
(1 )
ditunjukkan pada Gambar 3. Gambar 3a menunjukkan hasil perhitungan hubungan antara rapat arus
jenuh emisi elektron oleh katode sebagai fungsi
suhu, sedangkan Gambar 3b menunjukkan besamya
emisi arus elektron yang dihasilkan sebagai fungsi
suhu.
Berdasarkan persamaan (1) menunjukkan
bahwa arus jenuh emisi elektron ditentukan oleh
suhu katode. Makin tinggi suhu katode, makin besar
arusemisi elektron.
Ada tiga komponen penting yaitu katode,
elektrode pemfokus dan perisai radiasi termal.
Katode berfungsi untuk mengemisikan (memancarkan) elektron, elektron yang diemisikan katode
selanjutnya difokuskan dan didorong keluar dari
sumber elektron oleh elektrode pemfokus.
Agar
dapat mengemisikan elektron, katode harus dipanaskan dengan dialiri arus listrik sehingga mempunyai
suhu yang cukup yaitu di daerah suhu operasi
katode.
Karena suhu katode ini, maka elektrode
pemfokus menjadi panas yang disebabkan adanya
radiasi panas dari katode.
Selanjutnya panas ini
akan diradiasikan ke dinding tabung akselerator
sehingga menyebabkan
kenaikan suhu dinding
tersebut. Kenaikan suhu dinding tabung akselerator
dapat menyebabkan kerusakan yaitu keretakaan pad a
sambungan antara elektrode tabung akselerator
1000
359
:..:. <0
'0
~
c2
.§.,
100
1000
10
<\)
:<
100
./
/'
/
10
I
I
2000
2100
2200
2300
2400
2500
2000
2100
Suhu katode (K)
2300
2400
2500
(b)
(a)
Gambar
2200
Suhu katode (K)
3. Kurva emisi elektron sebagai fungsi suhu katode. a. Rapat arus jenuh emisi elektron
sebagai fungsi suhu dan b. Emisi arus elektron sebagai fungsi suhu.
Prosiding PPI - PDIPTN 2006
Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 10 Juli 2006
360
ISSN 0216 - 3128
Hal
ini
berkaitan
dengan
energi
yang
diberikan pada elektron untuk rnelepaskan dari
ikatannya. Makin tinggi suhu katode, berarti makin
besar energi yang diberikan kepada elektron
sehingga elektron tersebut makin mudah melepaskan
diri dari permukaan katode dan akibatnya makin
ban yak elektron yang diemisikan.
Akibat makin
banyak elektron yang diemisikan, maka rapat emisi
elektron makin besar.
Arus emisi elektron
merupakan perkalian antara rapat emisi elektron
dengan luas permukaan katode: Jadi arus jenuh
ernisi elektron akan makin besar jika rapat emisi
elektron makin besar akibat dari makin tingginya
suhu katode. Suhu operasi katode dibatasi oleh titik
leleh dari bahan katode. Titik leleh bahan katode ini
ditentukan pada kondisi operasi yaitu pada kondisi
vakum yang cukup tinggi. Kevakuman untuk mesin
berkas elektron pad a umumnya berkisar di antara 10'
2 Pa sid. 10-4 Pa (10-4 mbar sid. 10-6mbar) atau lebih
tinggj,[8] Makin tinggi tingkat kevakumannya, makin
baik untuk kondisi operasi mesin berkas elektron.
Karena pad a tingkat kevakuman yang makin tinggi
gangguan pad a Iintasan berkas elektron dan efek
sputtering yang terjadi lebih keci!.
Tingkat
kevakuman sumber elektron sarna dengan tingkat
kevakuman mesin berkas elektron, maka titik leleh
katode ditentukan pada tingkat kevakuman ini. Titik
leleh katode dari bahan tungsten adalah 3.050 K
untuk kevakuman
I. 10-4Torr dan 2.700 K untuk
kevakuman I . 10.6 Torr (I Torr sarna dp.ngan 1,33
mbar).(II]
Berdasarkan perhitungan untuk memperkirakan suhu operasi katode didapatkan bahwa
suhu katode sebesar 2.200 K untuk emisi arus
elektron 55,98 mA dan 2.300 K untuk emisi arus
elektron 171,73 mA (Gambar 3b). Jadi dengan suhu
operasi ini, katode dari bahan tungsten untuk sumber
elektron dengan arus berkas sampai dengan 50 mA
diharapkan dapat berfungsi dengan baik. Hal ini
disebabkan karena suhu operasi untuk menghasilkan
emisi arus elektron yang diperlukan masih jauh di
bawah titik leleh pad a kondisi tingkat kevakuman
saat mesin berkas elektron beroperasi yaitu (10-4 sid.
10.6) mbar.
Hasil pengujian awal sumber elektron ini
ditunjukkan pada Gambar 4, Gambar 5 dan Gambar
6.
Pada Gambar 4 ditunjukkan hubungan arus
elektron sebagai fungsi tegangan katode-anode untuk
3 variasi arus filamen.
Berdasarkan pengujian
terse but didapatkan bahwa arus berkas elektron 9,5
mA untuk arus filarnen 15 A, arus berkas elektron
22,5 mA untuk arus filamen 16 A dan arus berkas
elektron 27 mA untuk arus filamen 17 A.
Penambahan arus filamen menyebabkan kenaikan
suhu filamen (katode) sehingga meningkatkan emisi
elektron dari permukaan katode.
Hal ini sesuai
dengan persamaan (1) yaitu dengan bertambahnya
Suprapto, dkk.
suhu katode makin besar emisi elektron
dihasilkan per satuan luas permukaan.
yang
Besar arus berkas elektron yang dihasilkan
oleh sumber elektron, disamping dipengaruhi oleh
arus filamen juga dipengaruhi
oleh tegangan
elektrode pemfokus-anode atau tegangan katodeanode sesuai dengan persamaan (2) dan persamaan
(4). Berdasarkan pengamatan menunjukkan bahwa
walaupun arus filamen dinaikkan sampai 17 A
sehingga suhu katode sekitar 2160 K, j ika tegangan
katode-anode
belum
dinaikkan
maka
belum
terbentuk arus berkas elektron atau arus berkas
elektron belum terukur.
Hal ini disebabkan pada
kondisi tegangan katode-anode nol belum terjadi
ekstraksi berkas elektron dari permukaan katode
sehingga belum ada elektron yang keluar dari
sumber elektron.
Pad a kondisi ini elektron yang
diemisikan oleh katode membentuk awan elektron di
sekitar permukaan katode dan membentuk muatan
ruang. Dengan demikian emisi elektron oleh katode
dibatasi oleh muatan ruang dari awan elektron di
sekitar permukaan katode. Jika tegangan katodeanode dinaikkan maka akan terjadi ekstraksi
elektron dan terbentuk berkas elektron keluar dari
sumber elektron. Karena elektron di sekitar katode
terekstraksi, maka awan elektron di sekitar katode
berkurang dan terjadi emisi elektron sesuai dengan
jumlah elektron yang terekstraksi.
Jika tegangan
katode-anode dinaikkan sampai pada batas tertentu
maka semua elektron yang diemisikan oleh katode
akan terekstraksi dan dibentuk menjadi berkas
elektron yang dikeluarkan dari sumber elektron
melalui celah anode. Pada kondisi ini emisi elektron
terjadi secara maksimum sesuai dengan kondisi SUhll
operasi katode tersebut dan tidak terbentuk awan
elektron di sekitar katode yang membatasi emisi
elektron.
Berdasarkan perhitungan dengan persamaan
(4) dan persamaan (5), untuk mengekstraksi berkas
elektron ini didapatkan tegangan katode-anode
sebesar 1,9 kV untuk arus berkas elektron 9,5 mA
dan 3,38 kV untuk arus berkas elektron 22,5 mA
serta 3,87 kV untuk arus berkas elektron 27,5 mA.
Hasil perhitungan tegangan katode-anode lebih kecil
dibandingkan
dengan
tegangan
katode-anode
terpasang dalam pengujian, hal ini dimungkinkan
karena arus berkas elektron yang terekstraksi
sesungguhnya lebih besar dari pada yang terllkllr.
Perbedaan arus berkas yang terekstraksi dengan arllS
berkas yang terukur disebabkan karena adanya
kehilangan arus berkas elektron yang bertumbllkan
dengan atom-atom gas di sepanjang lintasannya dan
karena adanya berkas elektron yang menyebar
hingga menumbuk dinding tabung hanyut (drift
tube).
Prosldlng PPI - PDIPTN 2006
Pustek Akselerator dan Proses Bahan.- BATAN
Yogyakarta, 10 Juli 2006
ISSN 0216-3128
Suprapto, dkk.
361
30
25
__ Ifilamen15A
-o-Ifilamen 16A
-0-1 filamen17A
~
E 20
5 o
2
o
Garnbar
4.
5
(kV)
Hubungan arus berkas elektron sebagai
katode-anode untuk variasi arus filarnen.
Pada Gambar 5 dan Gambar 6 ditunjukkan
hasil pengujian sumber elektron yang dikombinasikan dengan tegangan pemercepat yaitu untuk
mengetahui pengaruh tegangan pemercepat terhadap
bcsar arus bcrkas elektron yang dihasilkan.
Pad a
Gambar 5 ditunjukkan hasH pengujian hubungan
arlls berkas elektron sebagai fungsi tegangan
pemercepat untuk variasi arus fila men pad a tegangan
katode-anode 2 kV. HasH pengujian tersebut mel1unjukkan bahwa pengaruh tegangan pemercepat
cukup signifikan terbukti dengan naiknya tegangan
4
3
V katode-anode
fungsi tegangan
pemercepat diikuti dengan kenaikan arus berkas
elektron.
Besar kenaikan arus berkas elektron
adalah dari 5,5 mA menjadi 11,5 mA untuk arus
filamen 15 A, dari 12 mA menjadi 24 mA untuk arus
filamen 16 A dan dari 2\ mA menjadi 30 mA untuk
Kenaikan arus berkas ini
arus filamen 17 A.
disebabkan karena pengaruh tegangan pemercepat
terhadap efek pemfokusan pada daerah masuknya
berkas elektron ke tabung akselerator yaitu antara
anode sumber elektron dan elektrode pertama tabung
akselerator.
35
30
_On'
~ 25
E
';; 20
o
~ 15
Q)
Q)
10 .
5
D-
O
Garnbar
5
10
V pemercepat (kV)
15
20
5. Hubungan arus berkas elektron sebagai fungsi tegangan pernercepat
untuk variasi arus filarnen pada tegangan katode-anode 2 kV.
Prosiding PPI - PDIPTN 2006
Pustek Akselerato'r dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 10 Juli 2006
362
ISSN 0216 - 3128
Suprapto, dkk.
45
40
-Vk-a=2
35
-Vk-a=3 kV ...............................................•..
-0- Vk-a=4kV
:
130
c: 25
e
~ 20
Q)
Q)
kV
.
:::::::: : :::::::::.::.::.::.: ::..::::. :::::.::::.:.::····..1.::.·
.........................
~
-
15
.....................
10
••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••
-
-.--
..
~
::
: .
.
-
-
_u_rJ
-"""' ••••
·.:::···~..··:·_-..::·::~.:.:
--""
••• ~•• ~
·_
J". .......•...................•.
•••••••••
h ••••••••
_ •••••••••••••••••••••••
5
o
12
13
14
15
16
17
18
I filamen (A)
Garnbar
6.
Hubungan arus berkas elektron sebagai fungsi arus filarnen untuk
berbagaitegangan
katode-anode pada tegangan pernercepat 17 kV.
Akibat efek pernfokusan ini harnpir sernua
berkas elektron yang terekstraksi sarnpai pada
target sehingga dapat rneningkatkan arus berkas
elektron yang dihasilkan.
Pada Garnbar 6 ditunjukkan hasil pengujian
hubungan arus berkas elektron sebagai fungsi arus
filarnen untuk variasi tegangan katode-anode pad a
tegangan pernercepat 17 kV.
Dari pengujian didapatkan bahwa pada arus
filamen 17 A dihasilkan arus berkas elektron 30
rnA untuk tegangan katode-anode 2 kV, 35 mA
untuk tegangan katode-anode 3 kV dan 40 rnA
untuk tegangan katode-anode 4 kV. Setiap perubahan baik arus filamen maupun tegangan kat odeanode rnempengaruhi arus berkas elektron yang
dihasilkan. Hal ini disebabkan karena rnakin besar
arus filarnen rnakin tinggi suhu katode sehingga
jurnlah elektron yang diemisikan rnakin banyak
sesuai dengan persarnaan (1) dan rnenyebabkan
arus berkas elektron yang dihasilkan rnakin besar.
Untuk tegangan katode-anode rnernpengaruhi kernarnpuan rnengekstraksi elektron yaitu
rnakin besar tegangan katode-anode rnakin ban yak
jurnlah elektron yang dapat diekstraksi sesuai
dengan persamaan (2) dan persarnaan (3), karena
jurnlah elektron yang dapat diekstraktsi makin
banyak rnaka arus berkas elektron yangdihasilkan
rnakin besar.
Hasil tersebut jika dihubungkan
antara pengujian variasi arus filarnen dan tegangan
katode-anode pad a tegangan pernercepat 17 kV
(Gambar 6) dengan perhitungan ernisi elektron
berdasarkan persamaan (1) didapatkan bahwa pada
arus filarnen 15 A, katode dapat mengemisikan
elektron hingga rnenghasilkan arus berkas elektron
15 rnA pada suhu operasi sekitar 2100 K. Untuk
arus filamen 16 A, katode rnengernisikan elektron
hingga rnenghasilkan arus berkas elektron 27,5 mA
pada 5uhu operasi sekitar 2130 K dan untuk arus
filamen 17 A, katode mengemisikan elektron
hingga rnenghasilkan arus berkas elektron 40 mA
pada suhu operasi sekitar 2160 K. Jadi baik dari
hasil perhitungan maupun pengujian ada beberapa
faktor yang rnernpengaruhi kinerja operasi sumber
elektron.
Faktor-faktor ini adalah arus filamen
rnernpengaruhi suhu katode sehingga menentukan
jumlah elektron yang diernisikan, tegangan katodeanode mempengaruhi kemarnpuan rnengekstraksi
berkas elektron dan tegangan pernercepat memberikan efek pemfokusan pada daerah antara anode
dan elektrode pertarna tabung akselerator.
KESIMPULAN
Dari hasil rancangan dan konstruksi dapat
disimpulkan bahwa surnber elektron menggunakan
elektrode Pierce dengan sudut elektrode pemfokus
67,5°. Untuk rnenghasilkan arus berkas elektron 50
mA, suhu operasi katode sekitar 2200 K dan suhu
operasi ini masih jauh dibawah titik leleh yaitu
2700 K pada kevakurnan I . 10.6 Torr.
Hasil
konstruksi. dan pengujian didapatkan arus berkas
elektron maksirnurn sebesar 40 mA pada arus
filamen 17 A, tegangan katode-anode 4 kV dan
tegangan pemercepat 17 kV.
Dengan hasil ini
Prosiding PPI - PDIPTN 2006
Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 10 Juli 2006
Suprapto, tlkk.
ISSN 0216-3128
diharapkan dapat digunakan pada rnesin berkas
elektron industri lateks khususnya untuk pra
vulkanisasi lateks karet alam, karena arus berkas
elektron yang dihasilkan sudah memenuhi rentang
arus berkas elektron untuk mesin berkas elektron di
industri.
9. FORRESTER, et. al., Large Ion Beams,
Fundamentals of Generation and Propagation,
John Wiley & Sons Inc., New York, 1986.
10. PIERCE, J.R., Theory and Design of Electron
Beams, D. Van Nostrand Company. Inc, New
York, 1954.
] ]. ROTH,
Holland
1979.
DAFT AR PUST AKA
I. QIZHANG, Z., Electron Accelerators Manufactured in China, UNDP/IAEA/RCA Regional Training Course on EB Irradiation
Technology,
Shanghai
Applied
Radiation
Institute, Shanghai University of Science and
Technology, Shanghai, China, 1991.
2. 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-M, 90-194, 1990.
3. YAMAMOTO, S., Crosslinking of Wire and
Cables with Electron Beam, Proceedings of the
Workshops on the Utilization of Electron
Beams, JAERI-M, 90-194, 1990.
4. MAKUUCHI, K., Electron Beam Processing
of Rubbers, Proceedings of the Workshops on
the Utilization of Electron Beams, JAERI-M,
90-194, 1990.
5. MERI SUHARINI, Vulkanisasi Lateks Karet
Alam Secara Batch Dengan Iradiasi Berkas
Elektron,
PPI Aplikasi
Radiasi, P3TIRBA TAN, 2002.
6. SCHRAF, W., WIESZCZYCKA, W., Particle
Accelerators
for
Industrial
Processing,
Warsaw University of Technology, Warsaw,
Poland, 1999.
7. SUPRAPTO, DJOKO SP DAN DJASIMAN,
Peningkatan
Kinerja
Sumber
Elektron
Termionik dengan Elektrode Pierce Untuk
MBE PTAPB-BATAN, Prosiding Pertemuan
dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator
dan Aplikasinya, Puslitbang Teknologi Maju,
BATAN, Yogyakarta, 2002.
8. SCHILLER,
S., et. al., Electron Beam
Technology, John Wiley & Sons Inc., New
York, 1982.
363
A., Vacuum Technology,
NorthPublishing Company, New York,
TANYAJAWAB
Utaja
- Bagaimana menghitung
memancarkan elektron.
luasan
filamen
yang
Suprapto
- Luasan jilamen (katode) yang memancarkan
elektron dihitung dengan persamaan (I) dan
kebuluhan emisi arus elektron yang diperlukan.
Luasan yang memancarkan
elektron adalah
luasan kulil jilamen (katode).
Saefurrochman
- Berapa prosentase elektron yang mencapai target
(%)? Apa terdapat toleransi?
- Apa terjadi muatan ruang?
saja?
Dan dibagian apa
Suprapto
- Prosentase elektron yang mencapai pada largel
belum dihilung.
Perhilungan ini melipuli :
kerugianlkehilangan elektron sepanjang linlasan
yaitu lintasan ruang vakum (dari sumber
eleklron sampai jendela), kehilangan eleklron
pada jendela serta pada celah udara anlara
jendela dan largel.
- Terjadi muatan
berkas elektron.
ruang
disepanjang
linlasan
KE DAFTAR ISI
Prosiding PPI - PDIPTN 2006
Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 10 Juli 2006