12. PENENTUAN KRITERIA DESAIN KOMPONEN UTAMA

Penentuan kriteria desain komponen utama siklotron 13 Mev (Drs. Silakhuddin, M. Si.)
PENENTUAN KRITERIA DESAIN
KOMPONEN UTAMA SIKLOTRON 13 MeV
Silakhuddin
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan, BAT AN , Yogyakarta
e-mail: [email protected]
ABSTRAK
PENENTUAN
KRITERIA DESAIN KOMPONEN
UT AMA SIKLOTRON
13 MeV. Suatu
bahasan untuk menentukan kriteria-kriteria desain dari komponen-komponen
utama siklotron 13 MeV
untuk fasilitas PET (Positron Emission Tomography) telah dilakukan. Oari studi terhadap reaksi-reaksi
untuk menghasilkan radioisotop PET termasuk data tam pang lintang reaksinya dan contoh desain yang
ada di dunia maka ditetapkan siklotron yang menghasilkan proton dengan energi 13 MeV. Kriteria
desain untuk komponen-komponen
utama dibahas menggunakan metode empirik dan semiteoritik serta
acuan-acuan dari desain siklotron PET. Metode empirik dilakukan dengan mengambil data-data dan
pengalaman operasi siklotron SATAN di Serpong. Metode semiteoritik mengacu pada dasar-dasar teori
siklotron dengan cara langsung menggunakan
formula-formula
yang sudah lazim. Komponenkomponen yang dibahas meliputi: sumber ion, sistem rf dee, sistem magnet dan ekstraktor. Hasil
bahasan menunjuk pad a pilihan siklotron pemercepat ion negatif dengan sumber ion internal. Medan
magnetnya harus mengikuti pola relativistik dengan kutubnya berbentuk sektor-sektor.
Oari hasil
perhitungan diperoleh kuat medan magnet pada radius ekstraksi sebesar 12,745 kG dan di pusat
magnet sebesar 12,571 kG. Suatu mapping medan magnet diperlukan untuk menentukan nilai indeks
medan magnet guna mencegah te~adinya resonansi osilasi vertikal dan horizontal. Jumlah sektor pada
kutub magnet sebanyak 4 buah akan cukup leluasa untuk penempatan komponen-komponen
seperti
dua dee, sumber ion, ekstraktor dan beam probe. Konsekuensinya sudut dee sebesar 45° dengan
angka harmonik ke 4 dengan frekuensi operasi 78 MHz. Ekstraktor dengan multifoil dipilih untuk
mendapatkan efisiensi operasi.
Kata kunci: siklotron, PET, ion negatif, sumber ion, sistem rf dee, sistem magnet, ekstraktor multifoil.
ABSTRACT
THE DETERMINATION
OF DESIGN CRITERIA FOR A CYCLOTRON
13 MeV MAIN
COMPONENTS.
The determination of design criteria for a proton cyclotron 13 MeV is discussed. From
the result of study on reactions of PET (Positron Emission Tomography) radioisotopes production,
reactions cross-section and some design references, a design on proton cyclotron 13 MeV was decided.
The design criteria of main components has been discussed using empirical and semitheoretical
methodes, as well as some references of cyclotron for PET production. The empirical methode has
been carried out by using some data from operational experiences of SATAN Cyclotron at Serpong.
Semitheoretical methode was carried out by using the common used formulas of cyclotron basic theory.
The main components discussed are: ion source, rf dee, magnet, extractor and general layout of
components.
The result of discussion guides to a choice on a negative ion acceleration cyclotron with
internal ion source. The magnetic field must follow relativistic mode with sectors on the pole. From the
calculation it was obtained that magnetic field intensity at radius extraction is 12.745 kG and in the
innermost radius is 12.571 kG. A magnetic field mapping is required to determine the value of magnetic
field index, so as to a resonance between vertical and horizontal oscillation can be avoided. The magnet
pole consists of 4 sectors to make adequate space for components placement such for dees, ion
source, extractor and beam probe. Therefore the dee angle is 45°, using 4th harmonic number and
frequency of 78 MHz. A multifoil extractor is chosen to obtain an efficient operation.
Key words:
Cyclotron, PET, negative ion, ion source, rf dee system, magnet system, multifoil extractor.
331
Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi IImiah Jabatan Peneliti
BABJ
ISSN 2087-8079
PENDAHULUAN
Penggunaan siklotron untuk memproduksi radioisotop secara komersial telah
mengalami beberapa tahapan generasi. Siklotron komersial generasi pertama sangat serupa
dengan siklotron-siklotron untuk riset. Generasi ini ditandai dengan pemercepatan ion positif
dan penempatan target di dalam tangki siklotron secara langsung, bahkan di daerah magnet
di mana berkas partikel dipercepat tanpa melalui proses ekstraksi keluar dari orbit. Pada
sistem seperti ini terjadi sering dibukanya tangki siklotron untuk menpambil dan memasang
kembali target dan radiasi yang ekstra tinggi di dalam tangki siklotron [ ,2J.
Generasi berikutnya ditandai dengan dilakukannya proses ekstraksi berkas partikel
ke luar orbit dan diarahkan ke target, baik target ditempatkan pada tepi tangki vakum maupun
diteruskan ke saluran berkas. Proses ekstraksinya menggunakan deflektor elektrostatik pada
ion positif yang dipercepat. Pada sistem ini masih terjadi cukup tinggi radiasi residu yang
terjadi di dalam tangki siklotron karena proses ekstraksi yang tidak sempurna.
Perkembangan yang merupakan langkah agak maju dan langkah antara ke generasi
ketiga adalah digunakannya ion negatif untuk dipercepat dan proses ekstraksi dilakukan
dengan proses stripping ion negatif pada foil karbon. Keunggulan relatif pada sistem ini
adalah radiasi residu di dalam tangki siklotron sudah banyak dikurangi karena proses
ekstraksi menggunakan foil dapat mendekati 100%. Sampai batas perkembangan ini,
geometri siklotron masih agak besar karena susunan komponen yang belum kompak.
Siklotron CS30 BATAN di Serpong buatan CTI adalah salah satu contoh dari generasi ini.
Siklotron komersial generasi ketiga dimulai pada pertengahan tahun
sembilanpuluhan, dengan menawarkan sistem yang lebih kompak dan radiasi residu lebih
rendah yang secara ekonomik akan mengurangi biaya-biaya instalasi dan proteksi radiasi
yang cukup berarti. Aplikasi dari siklotron generasi ini dimaksudkan untuk memproduksi
radioisotop-radioisotop berumur sangat pendek yang harus ditempatkan secara in situ di
tempat-tempat fasilitas diagnostik, misalnya untuk fasilitas teknik PET (Positron Emission
Tomography).
Perkembangan terbaru dari generasi ini belum luas digunakan adalah
kembalinya pada pemercepatan ion positif dan penggunaan proses self extraction pada
proses ekstraksi. Pengembangan ini didasarkan pada kenyataan bahwa produksi berkas ion
positif jauh lebih besar dibandingkan berkas ion negatif di dalam sumber ion. Desain terakhir
ini memungkinkan intensitas berkas ion yang diekstraksi akan cukup besar sehingga akan
memberikan dampak komersial yang lebih unggul. Perusahaan IBA Belgia merupakan salah
satu pelopor dalam desain terbaru ini [1].
Studi desain siklotron di PTAPB BATAN mulai dilakukan untuk menanggapi
kecenderungan pemakaian siklotron dalam fasilitas diagnosis dengan teknik PET di rumah
sakit di Indonesia. Suatu kelompok kegiatan telah dibentuk untuk dapat membuat suatu
dokumen BEDP (Basic Engineering Design Package) Siklotron 13 MeV untuk PET yang
dimulai awal tahun 2009 dan direncanakan selesai pada tahun 2014. Penentuan kriteria
desain ini adalah merupakan tahapan awal dari kegiatan tersebut. Hasil dari penentuan
kriteria desain ini merupakan hasil iterasi pertama dan dapat berkemban~ di waktu kemudian.
Ada empat radioisotop penting yang digunakan dalam teknik PET yaitu 1c,150, 13Ndan 18F.
Untuk maksud ini, dengan digunakan target-target yang diperkaya 180, 15Ndan 13Cyang
dapat diperoleh secara komersial [3].
Pembahasan untuk menentukan kriteria desain menggunakan metode empirik yaitu
berdasar atas pengalaman operasi siklotron BATAN Serpong dan acuan-acuan desain di
dunia, dan metode teoritik yaitu menggunakan secara langsung formula-formula dasar yang
lazim digunakan dalam siklotron. Tujuan dari pembahasan ini adalah dapat diperoleh suatu
acuan awal untuk pembuatan desain dasar (basic design) dari sikloron untuk fasilitas PET,
dengan sasarannya adalah diperoleh data tentang jenis dan spesifikasi umum dari
komponen-komponen utama siklotron.
Kriteria desain yang akan dibahas meliputi komponen-komponen utama dan spesifik
untuk siklotron yaitu sumber ion, magnet, sistem rf dee dan ekstraktor. Tidak dibahas di sini
sistem vakum yang merupakan sistem yang umum walaupun memegang peran yang sangat
penting. Pembahasannya juga tidak sampai pada masalah-masalah desain teknis dan
material. HasHdari pembahasan ini diharapkan dapat dimanfaatkan bagi penyusunan dasardasar desain yang lebih rind.
332
Penentuan kriteria desain komponen utama siklotron 13 Mev (Drs. Silakhuddin, M.Si.)
BAB II DASAR-DASAR
2.1.
TEORI SIKLOTRON
Prinsip Dasar Pemercepatan
Dalam Siklotron
[4]
Siklotron beroperasi berdasarkan pemercepatan partikel bermuatan pada daerah gap
potensial di antara dua elektroda dee yang berlangsung berkali-kali karena dua elektroda
tersebut
mempunyai
potensial
yang
senantiasa
berlawanan
dalam frekuensi
rf
(radiofrequency).
Prinsip operasi siklotron ditunjukkan pada Gambar 1.
Top View
edan magettegak
urus
r = (mv)/ (qB)
osilator
rf
Gambar 1. Skema pemercepatan partikel di dalam siklotron
Pada arah tegak lurus bidang pemercepatan dipasang medan magnet sehingga
membuat gerak bolak-balik tersebut berbentuk lingkaran dengan radius r = mv/qB dengan m
massa partikel, v kecepatan partikel, q muatan partikel dan B kuat medan magnet. Karena
setiap kali setelah partikel melintas di antara 2 dee kecepatannya bertambah sehingga
radiusnya juga bertambah dan gerakan partikel akan berbentuk spiral. Semakin besar radius
partikel energinya juga semakin besar dan akan mencapai maksimumnya pad a radius
maksimum dari dee, yang kemudian diekstraksi keluar dari orbit.
Agar terjadi pemercepatan siklik secara stabil di dalam siklotron, harus dipenuhi
adanya sinkkronisasi antara frekuensi pemercepat rf dari dee dengan gerakan revolusi
partikel bermuatan dalam medan magnet yang dinyatakan dalam formulasi
f=-
qB
(1)
2rrm
dengan ffrekuensi rf dari dee (yang sama dengan frekuensi revolusi partikel), q muatan listrik
partikel, B kuat medan magnet dan m massa partikel. Untuk proton, dengan memasukkan
muatan dan massa proton, formula (1) menjadi
fp = 1,53 B
(2)
dengan fp dalam satuan MHz dan B dalam satuan kG. Untuk siklotron
pemercepatan maksimum R, energi maksimum yang dicapai adalah
E
q2 B2 R2
= -'---2m
dengan radius
(3)
untuk proton formula (3) memberikan
El'
=
04882
J
R2
(4)
dengan Epdalam satuan MeV, B dalam satuan kG dan R dalam satuan meter.
Kenaikan energi partikel pada radius yang lebih tinggi menyebabkan kenaikan massa
relativistik, maka agar tetap terjaga sinkronisasi antara frekuensi revolusi partikel dengan
frekuensi rf dari dee maka nilai f harus dibuat tetap, konsekuensinya nilai B pad a persamaan
333
Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi IImiah Jabatan Peneliti
ISSN 2087-8079
(1) harus ikut naik seiring naiknya nilai m yang sesuai dengan kenaikan radius revolusi. Jika
mo adalah massa awal (= massa rehat) partikel berubah menjadi massa relativistik m" Bo
akan berubah menjadi B(r), dan harus berlaku hubungan
moc:+ E(r)
moc2
B(r)
=
(5)
Bo
di mana E(r) energi kinetik pada radius r, Bo., medan magnet di r = 0 (pusat magnet) dan c
kecepatan cahaya. Dengan menuliskan moc-= Eo, formula (5) ditulis
=
BeT)
BC)
(1 +
E(r))
Eo
(6)
Kuat medan magnet dalam siklotron dibuat semakin besar dengan bertambahnya radius
sesuai dengan kenaikan massa relativistik dari partikel yang dipercepat.
Kondisi ini
dimaksudkan agar tetap sinkronnya revolusi gerak partikel dengan perubahan fase tegangan
dee atau sistem rf, dan pola medan magnet yang demikian disebut isokronus (isochronous).
Formulasi lain dari medan magnet isokronus B(r) sebagai fungsi radius r adalah
BeT)
dengan ffrekuensi
2.2.
= ,
4~
pr7
(7)
----c::-
rf dari dee.
Optika Dalam Medan Magnet
[5]
Medan magnet isokronus tidak lagi seragam tetapi terjadi gradiensi dalam arah radial
baik besar maupun arahnya. Jarak kedua kutub atas dan bawah semakin dekat untuk radius
yang semakin besar dan gradiensi dalam arah menimbulkan komponen radial. Interaksi gaya
Lorentz komponen radial medan magnet (B,) dengan kecepatan partikel bermuatan q dalam
arah tangensial (v) mengakibatkan terdorongnya partikel dalam arah vertikal (z). Gaya dorong
tersebut menimbulkan gerakan partikel dalam arah vertikal yang dapat dinyatakan dalam
persamaan
(8)
dengan
(9)
Jika n positif maka partikel akan mengalami gerak osilasi secara vertikal dengan frekuensi
sudut Wz = w-/n dan akan mengalami gerakan eksponensial naik atau keluar jika
Jadi syarat terjadinya kestabilan dinamik dari orbit secara aksial atau vertikal adalah
n>O
(10)
Didefinisikan suatu parameter yang merupakan perbandingan
dengan frekuensi orbit
n negatif.
antara frekuensi osilasi vertikal
Uz = Wz
= ...fir.
W
Gradiensi besarnya medan magnet aksial ke arah radial menimbulkan
partikel dalam arah radial yang persamaan geraknya dinyatakan sebagai
gerakan
(11 )
Bila n < 1 maka partikel akan berosilasi radial dengan frekuensi W,= WV 1 - n dan jika n>
1 partikel akan bergerak secara eksponensial. Agar terjadi kesetimbangan yaitu tidak terjadi
gerakan eksponensial naik maka syarat yang harus dipenuhi adalah
n<1
(12 )
Jadi dari persamaan (10) dan (12) dapat diperoleh bahwa agar terjadi kesetimbangan
dalam arah aksial dan radial adalah:
334
Penentuan kriteria desain komponen utama siklotron 13 Mev (Drs. Silakhuddin, M.Si.)
O<n<1
(13)
Perbandingan antara frekuensi osilasi radial dengan frekuensi orbit: u,= w"
= ...;1 w
2.3.
n.
Medan Magnet Bervariasi Secara Azimut
cB
Pad a medan magnet isokronus di mana gradien pada arah radial r yaitu a: bernilai
positif, maka n yang pada persamaan (11) bernilai negatif, yang berarti berkas mengalami
penyebaran secara eksponensial.
Kondisi demikian tidak dikehendaki supaya berkas tetap
terkungkung selama pemercepatan. Untuk mencegah penyebaran berkas partikel pada
medan magnet isokhronus murni maka diperkenalkan medan magnet yang intensitasnya
bervariasi secara periodik dalam arah azimut atau yang disebut Azimuthally Varying Field
(AVF).
Siklotron yang sekarang banyak digunakan adalah tipe siklotron dengan medan
magnet yang bervariasi periodik sepanjang arah azimut. Berbeda dengan siklotron pada
generasi awal di mana medan magnetnya seragam, siklotron AVF mempunyai variasi secara
azimut yang merupakan peningkatan yang menonjol atas siklotron medan magnet seragam.
Variasi tersebut ditambahkan pada medan magnet dengan melekatkan sisipan berbentuk
irisan juring pada posisi azimutal periodik pada kutub magnet. Bagian sisipan dinamakan hill
(bukit) yang bermedan magnet lebih kuat dan sisanya disebut valley (Iembah) yang
bermedan magnet lebih lemah. Tujuan variasi medan magnet seperti ini adalah untuk
menjaga terkungkungnya berkas ion yang dipercepat di sekitar median plane pemercepatan.
Skema dari kutub magnet model AVF diperlihatkan pada Gambar 2 [6J •
Kutub
, ./ magnet
Gambar 2. Penampang kutub magnet model A VF
Komponen medan magnet horizontal memberikan pemokusan vertikal. Hal ini dimungkinkan
untuk mengkompensasi indeks medan negatif rata-rata akibat kenaikan medan magnet
dengan naiknya radius. Dengan pemilihan unsur pemokusan dan variasi indeks medan,
variasi medan magnet mengimbangi kenaikan mass a relativistik dan menghasilkan frekuensi
revolusi yang konstan. Suatu siklotron AVF dengan kelakuan seperti ini dinamakan siklotron
isokronus. Keuntungan tambahan dari siklotron AVF adalah pemokusan vertikal yang lebih
kuat memungkinkan intensitas berkas yang lebih tinggi.
Gerak partikel pada daerah hill akan mempunyai radius gerakan yang lebih kecil dan
akan lebih besar pada daerah valley, sehingga gerakan satu siklus akan berbentuk poligon
seperti ditunjukkan pada Gambar 3 dan pada Gambar 4 ditunjukkan bentangan dari hill dan
valley [5] .
335
Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi IImiah Jabatan Peneliti
ISSN 2087-8079
Valley
v
~I
Rfl
I
II
~ - -!...
2 -
2N
i
H
Gambar 3. Gerakan partikel dalam hill dan valley
Bo
o
8
11'
Gambar 4. Bentangan hill dan valley
Sistem hill dan valley ini dalam siklotron berfungsi untuk menjaga agar berkas tetap
terfokus secara vertikal di sekitar orbit kesetimbangan melalui proses pemfokusan kuat yang
disebut Thomas focussing.
2.4.
Pemercepatan Oleh Sistem RF Dee
Oalam siklotron dengan 2 dee bersudut 180°, energi tambahan (gain energy) proton
per putaran adalah
b..E=4
(14)
Vdeecoscp
dengan L1E energi tambahan dalam eV, Vdee adalah tegangan puncak dee dalam volt dan cp
adalah bed a fase terhadap fase puncak dari tegangan dee sewaktu partikel berada pada tepi
masuk ke dee atau keluar dari dee.
Bentuk dari dee pada siklotron modern tidak lagi bersudut 1800 tetapi kurang dari 900
untuk penempatan komponen-komponen secara leluasa. Lebih lanjut untuk mengurangi jarak
antar kutub magnet, penempatan dee berada pada posisi valley dari sektor magnet, dan
besar sudutnya kira-kira sama dengan sudut dari valley. Bila sudut dari dee sebesar e,
medan listrik di antara tepi dee tidak lagi lurus melainkan membentuk sudut dari arah semula
sebesar (1800 - 8)/2 = (900 - el2), dan formula pad a persamaan (14) menjadi
b..E
=4
Vdee
sin (el2) cos
cp
(15)
Untuk mengefisienkan pemercepatan dalam hal ini mempertinggi b..E tanpa memperpesar
Vdee maka nilai (e/2) dinaikkan dengan mengalikan bilangan bulat h sedemikian sehingga
nilainya menjadi mendekati 90°. Secara umum untuk sudut dee e, formula (14) ditulis [7,8]
336
Penentuan kriteria desain komponen utama siklotron 13 Mev (Ors. Silakhuddin, M. Si.)
~E
=
4 Vdss sin (h X
e /2) cos
i.p
(16)
Untuk menerapkan formula terse but, frekuensi dari tegangan dee dibuat h kali frekuensi
revolusi partikel. Nilai h disebut sebagai angka harmonik dari rf.
BAB III PENENTUAN
KRITERIA DESAIN
3.1.
PersyaratanDesain
3.1.1.
Oesain penggunaan
Oalam dokumen Safety Reports Series No. 58 yang dikeluarkan oleh IAEA
disebutkan tentang jenis radioisotop utama yang digunakan dalam pencitraan dengan teknik
PET seperti diperlihatkan pada Tabel1.
Tabel1.
Radioisotop utama untuk pencitraan teknik PET
Radioisotop
0,959
1,194
1,738
0,633
Waktu
paro, gamma,
menit
MeV
20,4
9,96
109,8
2,04Energi
Karena waktu paronya yang tidak terlalu singkat dan energi sinar gammanya yang
paling rendah maka radioisotop 18F yang paling banyak penggunaannnya dalam bentuk
senyawa radiofarmaka yang disebut FOG (fluoro deoxy glucose). Oalam dokumen tersebut
juga disebut kelaziman kuantitas FOG yang diinjeksikan kedalam pasien sebesar 185-555
MBq (5-15 mCi) untuk pencitraan seluruh tubuh (whole body imaging).
Menurut
IAEA-Tecdoc-1605
(October 2008), radiosotop-radioisotop
pemancar
positron tersebut dihasilkan melalui penembakan berkas partikel bermuatan pada target yang
sesuai. Partikel-partikel tersebut dipercepat dengan suatu linear accelerator (linac) ataupun
siklotron ukuran kecil (baby cyclotron). Siklotron dapat berupa fasilitas yang seflshielded
ataupun fasilitas masif dalam suatu ruangan yang diperisai.
3.1.2.
Persyaratan jenis, energi dan arus berkas partikel
Pemancaran positron terjadi karena pada intinya terjadi reaksi peluruhan positron,
yaitu perubahan proton menjadi neutron disertai pemancaran positron dan neutrino. Proses
demikian terjadi pada inti-inti yang tidak stabil karena jumlah proton di dalam inti tersebut
yang masih melebihi jumlah neutronnya, sehingga memerlukan perubahan proton menjadi
neutron. Sehingga untuk membuat inti tidak stabil tersebut, pad a partikel stabil ditembaki
dengan proton.
Pad a Tabel 2 dapat terlihat tentang keperluan reaksi nuklir dan arus berkas dan yield
radioisotop untuk keperluan teknik PET yang dirancang oleh TRIUMF Vancouver Canada [3].
Tabel 2. Keperluan arus berkas proton untuk produksi pemancar positron
Reaksi
AktivitasArus Berkas
IJA
30
IJA =11 MeV)
25
158
IJA
(Ep
500
mCi
(T1/2=2
men
it)
200
11 Ci
Ci
mCi
(T
(T1/2=110
1/2
(T1/2=10
=20 men
menit)
menit)
it)IJA
Siklotron KIRAMS 13 dari Korean Insitute of Radiolo~ical and Medical Science
beroperasi dengan energi proton 13 MeV dan arusnya 20 IJA J. Rumah sa kit pertama di
337
Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi IImiah Jabatan Peneliti
ISSN 2087-8079
Indonesia yang memasang fasilitas siklotron untuk PET yaitu RS Gading Pluit, siklotronnya
beroperasi dengan energi proton 9,6 MeV dan arusnya 50 IJA [9]. Pengamatan pada data
tampang lintang reaksi seperti pada Lampiran 1, 2 dan 3 dapat terlihat bahwa dengan berkas
proton berenergi 13 MeV eukup untuk mendapatkan integrasi energi yang eukup besar. Hal
ini karena pada proses produksi radioisotop berlaku rumusan thick target yield di mana
semakin luas daerah integrasi ener~i yang dapat dijangkau akan menghasilkan yield yang
lebih besar. Khusus untuk produksi 8F, pada energi di atas 13 MeV kurva tampang lintang
reaksinya sudah eukup turun sehingga hasil integrasinya tidak terlalu memberikan kontribusi.
Atas dasar aeuan-aeuan tersebut dan didukung pengamatan pada kurva tampang
lintang reaksi maka penetapan energi berkas proton 13 MeV dengan arus 50 IJA adalah
eukup memadai. Dengan demikian kriteria dasar dari komponen utama siklotron adalah
1. Partikel yang dipereepat
: proton
2. Energi proton
: 13 MeV
3. Arus berkas proton terekstraksi : 50 IJA
3.1.3.
Persyaratan keselamatan
Reaksi dari partikel proton yang dipereepat dengan medium atau material di fasilitas
siklotron akan menimbulkan radiasi khususnya sinar gamma. Fasilitas siklotron medik
umumnya diklasifikasikan pada yang self-shielded dan non self-shielded. Pad a jenis pertama,
pada siklotron disertakan perisai berat di sekelilingnya. Dengan mengaeu pada dokumen
Radiation Protection in PET/CT yang dikeluarkan oleh IAEA, perisai tersebut berupa magnet
baja silinder setebal 15 em atau dari air yang didoping boron (boron-doped water) setebal 68
em. Pada jenis kedua di mana siklotron ditempatkan pada suatu ruangan, dinding ruangan
dari beton setebal 60 em.
Konstruksi komponen-komponen di dalam siklotron dibuat sedemikian hingga dapat
diminimalkan timbulnya paparan radiasi residu. Pemilihan material juga didasarkan pada
sifatnya yang mempunyai tampang lintang reaksi dengan proton yang relatif lebih ked!.
3.2.
Basis Desain
Hingga sa at ini belum ada pembakuan mengenai desain komponen-komponen
siklotron. Kriteria desain yang disusun ini mengaeu pad a desain siklotron jenis KIRAMS (the
Korea Istitute of Radiological and Medical Sciences), hal ini karena dokumen-dokumen yang
memuat informasi tekniknya relatif lebih banyak dibandingkan jenis yang lain. Fasilitas
siklotron KIRAMS juga sudah masuk dalam dokumen Directory of "Cyclotrons Used for
Radionuclide Production in Member States, 2006 Update" yang dikeluarkan IAEA dalam
tahun 2007. Adapun pokok-pokok desain dari siklotron jenis KIRAMS adalah [7.8.10]
a. Pemereepatan ion negatif
b. Sumber ion internal
e. Jumlah dee 2 buah, angka harmonik 4
d. Sektor magnet berjumlah 4 (simetri 4).
3.3.
Metodologi
1.
2.
3.
Metode empirik, berdasar pengalaman operasi siklotron CS-30 BAT AN dan
informasi-informasi yang diperoleh dari pustaka tentang operasi fasilitas siklotron
lainnya serta hasil komunikasi pribadi dengan tenaga ahli dalam teknologi
siklotron
Metode semiteoritik, tidak dianalisis berdasar teori fisika siklotron akan tetapi
berdasar formula-formula yang lazimnya dipakai dalam desain siklotron
Metode simulasi, menggunakan computer code dalam hal ini program PoissonSuperfish untuk menentukan distribusi medan magnet dan medan listrik.
3.4.
PenentuanSpesifikasi
3.4.1.
Jenis pemercepat
Untuk menghasilkan
proton dari suatu siklotron,
dapat digunakan
siklotron
pemereepat ion positif (selanjutnya disingkat SPIP) dan siklotron pemereepat ion negatif
338
Penentuan kriteria desain komponen utama siklotron
(disingkat
SPIN.
SPIN). Pada Tabel 3 diperlihatkan
perbandingan
13 Mev
(Ors. Silakhuddin, M.Si.)
karakteristik
antara SPIP dan
Tabel 3. Karakteristik kualitatif SPIP dan SPIN
Kestabilan
Efisiensi
SPIN
baik residu tinggi
rendah
SPIP
lebih
rendah
rendah
Keperluanekstraksi
kevakuman
Paparan
radiasi
tinggi
kurang
Parameter
Karena ada 3 keunggulan yang dimiliki pad a SPIN yaitu dari segi kestabilan, efiseiensi
ekstraksi dan paparan radiasi radiasi residu, maka SPIN menjadi pilihan yang ditetapkan.
3.4.2.
Sumber Ion
3.4.2.1. Sistem internal dan eksternal
Dua metode untuk menginjeksikan ion ke dalam ruang pemercepatan adalah secara
internal dan eksternal. Sumber ion internal ditempatkan di dalam tangki vakum dan
komponen utamanya yaitu ruang ionisasi (ruang plasma) pada bagian pusat pemercepatan.
Komponen ini ditopang oleh holder yang menghubungkan dengan komponen penggerak
posisi yang berada di luar tangki vakum. Saluran injeksi gas ke dalam ruang ionisasi dan
saluran air pendingin dilekatkan pada holder ini.
Pada sumber ion eksternal, seluruh komponen sumber ion berada di luar tangki
vakum.
Berkas ion yang dihasilkan kemudian diinjeksikan dengan permercepatan awal
hingga beberapa puluh kV melalui komponen inflektor ke dalam ruang pemercepatan.
Inflektor berfungsi untuk mengubah arah injeksi yang vertikal menjadi arah gerakan horizontal
setelah berada di dalam ruang siklotron.
Pada Tabel 4 ditunjukkan perbandingan kualitatif antara sistem sumber ion internal
dan eksternal.
Tabel 4. Perbandingan kualitatif sistem sumber ion internal dan eksternal
Parameter
rendah
rumit
rendah
lebih
b
llebih
kedl
ebih
esar
Sistem
sederhana
Eksternal
Internal
tinggi
lebih Sistem
tinggi
lebih
tinggi
Dengan pertimbangan keunggulan yang lebih dalam hal konstruksi sederhana, efisiensi
berkas ion yang tinggi dan biaya, biaya investasi dan perawatan yang lebih rendah, maka
sistem internal merupakan spesifikasi yang dipilih.
3.4.2.2. Jenis sumber ion
Beberapa tipe sumber ion mempunyai intensitas tinggi untuk menghasilkan H- yang
dapat digunakan secara eksternal, seperti jenis duoplasmatron, sumber Ehlers, PIG (Penning
Ion Gauge) katode dingin dan multicusp. Opsi untuk tipe internal terbatas pada PIG katoda
dingin dan jenis Ehlers. Cara kerja kedua jenis sumber ion hampir sama, perbedaannya
adalah diperlukan katoda panas pada jenis Ehlers.
Jenis sumber ion jenis PIG lebih sederhana dibanding jenis Ehlers, sehingga secara
sederhana dapat diperkirakan bahwa biaya yang diperlukan untuk jenis PIG akan lebih kedl.
Jenis PIG dipilih dalam desain ini.
339
Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi IImiah Jabatan Peneliti
ISSN 2087-8079
3.4.2.3. Posisi sumber ion
Oitinjau dari pemasangan sumber ion internal, dapat seeara radial yaitu dari sisi
sam ping tangki siklotron ataupun seeara aksial dari puneak tengah magnet. Atas
pertimbangan kemudahan dalam perawatan maka dipilih pemasangan seeara radial.
3.4.2.4. Keluaran arus berkas sumber ion
Oalam proses pemereepatan siklik pad a tangki siklotron, sebagian berkas akan
hilang dalam perjalanan akibat tumbukan dengan molekul-molekul
gas sisa, proses ini
dikenal dengan stripping lost. Besar stripping lost untuk beda radius tertentu ditentukan oleh
kerapatan molekul gas sisa yang berarti ditentukan oleh tingkat kevakuman pada tangki
siklotron (P). Tingkat kevakuman pada siklotron untuk fasilitas PET umumnya berkisar pada
10.6 Torr. Beberapa
eontoh, fasilitas-fasilitas
berikut beroperasi
dengan kevakuman:
~
~
~
PETraee 5 x 10
Torr, MiniTraee 5 x 10 Torr, ROS-111 3 x 10
Torr dan Cyclone 10/53
x
10.6 Torr [11]. Parameter-parameter
lain yang menentukan adalah besar gain energy (t.Vo)
yaitu besarnya tambahan energi pada partikel untuk satu kali periode putaran partikel pada
siklotron. Jika arus berkas ion terekstraksi yang diperlukan minimal sebesar 'eks pada radius
Reks, maka arus berkas minimal keluaran dari sumber ion pada puller dari dee '1 pada radius
R1 dapat dihitung dengan rumus [12.13]
Iskz = I1 e
.dV 0
(1 7)
dengan P kevakuman dalam satuan 10.6 Torr dan t. Vo tambahan energi berkas per satu
siklus pemereepatan dalam satuan MeV dan Reks dan R1 dalam meter. Oengan arus berkas
terekstraksi 'eks = 50 !-lA, di anggap P = 1. 10.6 Torr, R1 = 0,015 m dan perkiraan Reks dan t. Va
masing-masing 0,41 m dan 0,16 MeV, maka besar minimum dari arus berkas ion yang keluar
dari sumber ion 11 adalah
SO
I1
= e-O,02074
1=---50
1
0,97947
11
= 51,048 ItA
Jadi untuk mendapatkan arus terekstraksi 50 !-IA eukup diperlukan arus keluaran sumber ion
51,05 !-lA, dengan eatatan bahwa pemereepatannya sempurna.
3.4.3.
Magnet
3.4.3.1. Kuat medan magnet
Untuk menentukan kuat medan magnet didasarkan pada formula (2) dengan
menentukan dulu nilai f yaitu frekuensi dari sistem rf. Oi pasaran suatu tabung rf yang
beroperasi pada daerah 100 MHz dapat diperoleh, tetapi penetapan f dihindari dari daerah
frekuensi komunikasi radio siaran untuk menghindari keboeoran yang dapat mengganggu
penggunaan komunikasi publik. Jika diambil frekuensi rf pada frekuensi dasar f = 19,5 MHz,
maka berdasar formula (2) nilai kuat medan magnet
B
19,5
= -= 12 745 kG.
1,53
'
Jika Bmaks=12, 745 kG ditetapkan sebagai medan magnet rata-rata pada radius terluar (radius
ekstraksi berkas partikel) dan pada radius ini diharapkan energi proton sebesar 13 MeV,
maka berdasarkan persamaan (4) radius ekstraksi sebesar
R = 40,8 em.
340
Penentuan kriteria desain komponen utama siklotron 13 Mev (Ors. Silakhuddin, M.Si.)
Untuk Biso = Bmaks = 12,745 kG yang bersesuaian dengan energi kinetik maksimum
= 13 MeV, dan dengan memasukkan massa rehat proton
E(rmaksJ
Eo = 938,256 MeV, maka dengan menggunakan
pusat akan sama dengan
formula (6) kuat medan magnet di daerah
Be= 12,571 kG.
Kuat medan harus mengikuti pola kenaikan massa relativistik sebagai fungsi radius
yang mengikuti persamaan (7) dengan intensitas awal Bo = Be dan intensitas maksimum dari
Br sebesar Bmaks.
3.4.3.2. Simulasi menggunakan Superfish
Sebelum ini sudah ditetapkan radius ekstraksi yaitu sebesar 40,8 em dan ini adalah
batas di mana medan magnet masih sedapat mungkin relatif homogen.
Kutub magnet
sesungguhnya harus dibuat lebih besar dari radius ekstraksi. Titik batas homogenitas medan
magnet sangat ditentukan oleh gap di antara permukaan kutub. Dengan menggunakan gap
sebesar 6 em, hasil dari analisis Superfish menunjukkan bahwa jika diinginkan pada radius
ekstraksi 40,8 em merupakan batas homogenitas medan magnet, maka radius kutub magnet
harus dibuat sebesar 45 em. Hasil simulasi ditunjukkan pada Gambar 5.
-------------- - ~-~::-
IB-I~
'-, "
I:
'~/
/
~
-
~'/' ./~:.<:::~/'~:-~
~,~,.,"
.~~~~~.
'.,~/';/~~:,~~~~~:~
~~ .'
I ,-~~.~.\" I~£o
._-u---/ / _~_
/,. ~~-~<~>.~~,
~~~~
~:~~~
....
%'-,",,§E
••_::-\'<..
': ~
~
"-.',",'
\
..-
\
180
10
["
-10
-10
-10
-10
-aD
Gambar
-£0
-10
-18
10
10
80
100
5. HasH simulasi dengan program Superfish pada magnet model H siklotron
3.4.3.3. Sektor-sektor magnet
Intensitas medan magnet yang sudah dihitung di atas masih merupakan medan
magnet isokhronus rata-rata. Agar terjaganya stabilitas berkas selama pemereepatan,
magnet dibuat sektor-sektor. Dengan adanya sektor-sektor maka berkas partikel senantiasa
terjaga diameternya di sekitar orbit kesetimbangan. Semakin besar bed a medan magnet
antara hill dan valleyakan semakin besar komponen medan magnet tangensial Be. Semakin
kuat bedan medan tersebut maka semakin besar sudut yang terbentuk antara arah orbit real
dan orbit kesetimbangan ketika berkas melewati batas hill dan valley, yang berarti semakin
besar komponen keeepatan ke arah radial vr. Dan akhirnya gaya Lorentz yang mengungkung
partikel di sekitar orbit kesetimbangan semakin kuat.
Jumlah sektor ditentukan dengan mempertimbangkan
penempatan komponenkomponen: 2 buah dee, sumber ion, ekstraktor dan beam probe. Dua buah dee memerlukan
ruang pada 2 valley. Ekstraktor yang mengekstraksi
berkas ke arah 3 buah target
memerlukan gerak azimut seeara leluasa sehingga memerlukan ruang pad a valley tersendiri.
Kemudian sumber ion dan beam probe dapat menempati satu valley. Sehingga diperlukan 4
valley di dalam kutub magnet. Dengan empat sektor (N = 4) yang simetri, sehingga masing-
341
Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi I/miah Jabatan Peneliti
ISSN 2087-8079
masing hill dan valley bersudut 45°, Tetapi agar ruang valley dapat dimasuki
dee seeara
penuh, maka sudut valley dibuat sedikit lebih besar yaitu 46,5° dan sudut hill 43,5°.
Jarak antara hill ditetapkan berdasarkan pertimbangan bahwa jaraknya sedekat
mungkin untuk mendapatkan kuat medan magnet yang besar tetapi masih harus lebih besar
dari 2 kali amplitudo osilasi berkas partikel yang berdasarkan aeuan adalah 3 em. Untuk itu
di sini ditetapkan jarak antara hill adalah dh = 4 em. Hubungan medan magnet rata-rata Bo
dengan medan magnet di pusat hill Bh dan medan magnet di pusat valley Bv dinyatakan
dalam formula [7J:
- .
----T-Zn
N8h
N8v
Bo
Bh
Bv
(18)
di mana Bh dan Bv masing-masing adalah sudut pelengkungan partikel pada hill dan valley.
Untuk mengetahui besarnya Bh dan Bv diperlukan formulasi yang eukup rumit, dan untuk
pendekatan Bh dan Bvdianggap sama dengan sudut hill dan valley. Medan magnet rata-rata
(Bo)
pada radius terluar
yaitu
sebesar Bmaks = 12,745 kG, maka dari persamaan di
atas didapat:
yaitu:
0,157 =
0,967
Br..
--I l,a:a:a
I
~,
Nilai Bh ditetapkan sebesar 19,9 kG (yang masih di bawah nilai kejenuhan pad a 21
kG), maka nilai Bv menjadi sebesar 9,3 kG. Selanjutnya berdasarkan kesebandingan:
B.jBh= dtldv
(19)
maka diperoleh jarak antara valley sebesar dv= 8,5 em.
3.4.4.
Sistem RF dee
3.4.4.1. Geometri dee, angka harmonik dan frekuensi operasi
Geometri di sini adalah sudut dan radius dee. Besar sudut dari dee mengikuti besar
sudut valley. Bila diambil konstruksi simetri 4 di mana ada 4 hill dan 4 valley, 2 dee dapat
dipasang di 2 valley dan 2 valley yang lain dapat dipasang sumber ion dan beam probe.
Sudut valley tersebut ditentukan 46,5° dan juga sudut dee (B) dibuat kurang sedikit yaitu
sebesar 45°, maka berdasar formula (16) di atas di mana diperlukan
sudut (h
x
B/2) sebesar
90° untuk kondisi paling efisien, maka angka harmoniknya h = 4. Frekuensi revolusi partikel
yang telah dipilih pada sistem magnet adalah sebesar 19,5 MHz, berarti operasi rf dari
tegangan dee adalah 4 x 19,5 MHz = 78 MHz.
Radius dee menentukan energi maksimum dari proton yaitu sebesar 13 MeV yaitu
dieapai pada radius 40,8 em, dan radius dari dee dibuat sedikit lebih besar yaitu 42 em.
Besarnya gap Uarak permukaan atas dan bawah dari dee) ditentukan sebesar 3,5 em, yaitu
sedikit lebih besar dari 2 kali amplitudo dari osilasi vertikal dari berkas partikel yang
berdasarkan aeuan sekitar 3 em. Dengan memperhitungkan
ketebalan bahan dee dan
saluran pipa pendingin air sebesar kira-kira 0,75 em, ketebalan total dee menjadi 5,5 em.
Mengingat gap pada valley magnet sudah ditetapkan sebesar 8,5 em, maka jarak antara
permukaan dee dengan permukaan valleyadalah sebesar 1,5 em.
3.4.4.2. Tegangan dee
Tegangan dee akan menentukan seberapa banyak revolusi partikel hingga meneapai
energi maksimum. Semakin keeil tegangan dee akan semakin banyak jumlah putaran dan
berkonsekuensi rapatnya jarak antar putaran yang bertetangga menu rut hubungan [14,15]
b.R '" (M)
(2q Vo sin 'Ps IE)
342
Penentuan kriteria desain komponen utama siklotron 13 Mev (Ors. Silakhuddin, M. Si.)
dengan f1R jarak pisah pada radius R, q muatan ion, CPs adalah lebar fase partikel relatif
terhadap fase rf, Va tegangan puneak dee dan E energi partikei. Oari formula terse but, jarak
pisah berbanding lurus dengan radius dan berbanding terbalik dengan energi, tetapi karena
energi berbanding kuadrat dengan radius maka sebagai hasH akhir jarak pisah berbanding
terbalik dengan radius. Ini berarti pada energi maksimum yang dieapai pad a radius
maksimum, daya pisah akan paling keeil pada energi maksimum.
Seeara teori tegangan dee yang tinggi menjadi pilihan, akan tetapi tegangan tinggi dee
dipengaruhi oleh seberapa jarak antara permukaan dee dengan valley untuk menjaga tidak
adanya loneatan listrik di antara kedua permukaan. Pengalaman operasi di Siklotron CS 30
BAT AN , dengan jarak sebesar 1 em, tegangan normal untuk tidak terjadinya loneatan listrik
adalah sebesar 22 kV atau maksimum sebesar 25 kV. Maka untuk desain ini di mana jarak
yang sudah ditentukan adalah 1,5 em, maka ditetapkan tegangan dee yang aman adalah
sebesar 30 kV.
3.4.5.
Ekstraktor
3.4.5.1. Posisi ekstraktor
Oi dalam siklotron isokronus, medan magnet bertambah dengan kenaikan radius
guna mengkompensasi kenaikan massa relativistik. Oi dekat pinggir kutub magnet, medan
magnet yang real menyimpang jauh dari medan magnet ideal, mula-mula naik meneapai
maksimum dan mulai menurun tajam menuju nolo Ketika medan real mulai turun
meninggalkan
medan ideal, fase partikel mulai ketinggalan terhadap fase tegangan
pemereepat dee. Ketika ketinggalan fase meneapai 90°, pemereepatan berhenti, titik ini
dinamakan batas pemereepatan. Pada radius lebih besar, indeks medan n = - RIB dB/dR
meneapai nilai 1. Titik ini adalah batas pemokusan radial sebagaimana disyaratkan pada
persamaan (13). Lewat titik ini, medan magnet tak dapat lagi menjaga berkas partikel dan
berkas partikel lepas dari pengaruh medan magnet. Radius di mana n meneapai nilai 1
disebut batas ekstraksi mandiri. Jika gap kutub magnet eukup besar, seperti umumnya
ditemui pada siklotron saat ini, turunnya medan sangat pelan, dan batas pemereepatan terjadi
pada radius yang seeara lebih kedl dari batas ekstraksi mandiri. Oi antara radius batas
pemereepatan dan radius ekstraksi mandiri inilah proses ekstraksi dilakukan, dan daerah
tersebut adalah posisi di mana foil ekstraktor ditempatkan.
3.4.5.2. Model ekstraktor
Ketika berkas menumbuk foil karbon, panas yang tinggi terjadi pada foil tersebut.
Panas ini, kombinasi dengan tumbukan proton, akhirnya mengubah struktur dari foil karbon.
Oleh karena itu foil karbon akan rusak dan harus sering diganti. Bila hanya ada satu foil
terpasang maka akan sering menarik ekstraktor keluar dari tangki vakum, yang berakibat
kurang efisien operasi dan kemungkinan mengganggu kevakuman. Untuk itu sangat
diperlukan suatu ekstraktor dengan foil ganda (multifoil) yang umumnya berjumlah 4 dan
terpasang melingkar pada suatu carousel yang dapat diputar dari luar, sehingga bila suatu foil
telah tak layak dapat digantikan dengan foil berikutnya tanpa menarik sistem ekstraksi keluar.
Pad a Gambar 6 diperlihatkan model ekstraktor multifoil.
Probe ekstraksi
Gambar 6. Ekstraktor multifoil
343
Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi IImiah Jabatan Peneliti
ISSN 2087-8079
Ekstraktor jenis ini dapat digerakkan secara radial dan azimutal. Gerak radial
diperlukan untuk memvariasi energi partikel, walau dalam variasi yang kecil, sedangkan
gerak azimutal diperlukan semaeam steering dari lintasan ekstraksi agar tepat pada target.
3.4.6.
Stasiun target
Jumlah stasiun target disesuaikan
dengan jumlah jenis isotop PET yang hendak
diproduksi. Untuk isotop-isotop PET seperti tereantum pada Tabel 1, minimal di~erlukan 3
stasiun target. Satu target untuk target gas nitrogen dalam produksi 11C dan 1 O. Tar&et
0
kedua untuk gas CO2 dalam produksi 13N dan dan terakhir untuk air yang mengandung
diperkaya untuk produksi 18F.
3.4.7.
Tata letak komponen-komponen
Dalam desain fasilitas siklotron berupa non self
ruangan berdinding beton setebal 70 em. Dari uraian
komponen utama di atas, dibuat desain awal tata letak
siklotron 13 MeV untuk produksi PET seperti pada Gambar
shielded ditempatkan pada suatu
pembahasan tentang komponenkomponen-komponen
utama dari
7 dan 8 [3].
FOIL
EKSTRAKTOR
V ALLEY
YOKE
HILL
TANGKI V AKUM
DEE
RFINPUT
SUMBER ION
o
L j ....
L..l.L ..L~..L
METER
Gambar 7. Penampang
Tampak Atas Konsep Oesain Siklotron 13 Me V
344
Penentuan kriteria desain komponen utama siklotron 13 Mev (Drs. Silakhuddin, M. Si.)
rYOKE
I
AT AS
/
YOKE BAWAH
"., POI\IPA
VAKUM
METER
Gambar
8. Penampang Tampak Samping Konsep Oesain Siklotron 13 MeV
BAB IV PEMBAHASAN
Kriteria-kriteria desain dari suatu siklotron pemercepat proton sampai energi 13 MeV
untuk fasilitas produksi radioisotop PET telah ditentukan dan dapat dibahas sebagai berikut:
4.1.
Jenis Pemercepat
Telah ditentukan jenis pemercepat adalah siklotron pemercepat
selanjutnya akan dibahas aspek kestabilan dan efisiensinya.
4.1.1.
ion negatif (SPIN),
Tinjauan kestabilan
Kestabilan operasi menjadi hal yang penting bagi suatu siklotron yang dipasang pada
rumah sakit. Pertama karena sumber daya manusia yang menangani akan tersedia dalam
jumlah yang terbatas dan kedua karena kebutuhan untuk memenuhi pelayanan yang prima
dari pasien. Efisiensi dalam menghasilkan arus berkas berarti akan memberikan kontribusi
bagi kelayakan ekonomi bagi fasilitas pelayanan rumah sakit. Dan akhirnya paparan radiasi
yang relatif kedl dibandingkan pemercepat ion positif akanmemenuhi standar fasilitas radiasi
yang berprinsip "as low as reasonably achievable" (ALARA).
Pada SPIP diperlukan waktu tuning pada proses ekstraksi minimal 30 menit. Hal ini
karena sistem ekstraksinya memakai tegangan listrik tinggi yang menyebabkan terjadinya
loncatan (spark) listrik. Loncatan-Ioncatan demikian menyebabkan tegangan ekstraktor sering
jatuh. Posisi ekstraktor yang jauh dari beam port juga menyebabkan pengaturan arah berkas
yang terekstraksi agak sulit. Kedua kondisi tersebut menyebabkan waktu tuning yang lama.
Loncatan-Ioncatan listrik dari ekstraktor ion positif menyebabkan juga ketidakstabilan pada
tegangan dee. Bila intensitasnya tinggi dapat menyebabkan trip yaitu matinya sumber
tegangan tinggi dee. Pengalaman operasi pada SPIP CS 30 menunjukkan bahwa sumber
tegangan tinggi dari sistem rf mati setiap satu jam [16], sehingga sekalipun spesifikasi dari
siklotron tersebut dapat menghasilkan arus proton 60 IJA1 tetapi
tersebut maka arus rata-rata operasi hanya sebesar 33,8 IJA [ 7],
345
karena ketidakstabilan
Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi IImiah Jabatan Peneliti
ISSN 2087-8079
Pada SPIN yang digunakan untuk menghasilkan
proton, ion yang dipercepat adalah
deflektor
elektrostatik melainkan menggunakan foil karbon. Proses ekstraksi pada SPIN sama sekali
tidak menggunakan tegangan tinggi elektrostatik sehingga tidak menimbulkan ganggunan
pada kestabilan karena tegangan tinggi.
H. Proses ekstraksi H untuk keluar dari orbit siklotron tidak lagi menggunakan
4.1.2.
Efisiensi ekstraksi
Proses ekstraksi pad a SPIP menggunakan deflektor yaitu suatu pasangan elektrode
tegangan tinggi (yang biasanya potensial negatif untuk menarik ion positif) dan elektrode
ground. Kedua elektrode terpisah oleh celah selebar kira-kira 3 mm di ujung awal dan kirakira 5 mm diujung akhir. Melalui celah ini berkas dilewatkan untuk diekstraksi ke arah beam
port. Karena melalui celah yang sempit inilah, banyak bagian berkas yang tersangkut di
dinding celah dan mengurangi kuantitas berkas yang terekstraksi. Kerugian dari banyaknya
berkas yang tersangkut adalah rendahnya efisiensi ekstraksi dan tingginya radiasi di dalam
tangki siklotron khususnya di bagian ekstraktor ini. Pengalaman pada fasilitas siklotron CS-30
BATAN menunjukkan bahwa paparan radiasi pada komponen ini hingga 4000 mR. Efisiensi
ekstraksi pada SPIP tidak akan lebih dari 70% dan bahkan untuk fasilitas yang sudah lama
dapat kurang dari 50% [18]. Proses ekstraksi ion positif diperlihatkan pada Gambar 9.
--
berkas
terekstraksi
60 kV
Deflektor
Gambar 9. Proses ektraksi ion positif dengan deflektor.
Proses ekstraksi pada SPIN menggunakan suatu foil karbon yang dilewati oleh
berkas ion negatif. Ion H akan kehilangan semua dari 2 elektron yang dipunyainya dan
berubah menjadi ion rt atau proton yang kemudian akan dibelokkan oleh medan magnet tepi
dari siklotron ke arah beam port. Pengalaman operasi menunjukkan bahwa efisiensi model
ekstraksi ini adalah 100% [19,20]. Efisiensi yang tinggi pada SPIN berdampak pada efisiensi
yang lebih baik dalam proses produksi. Sebagai ilustrasi, fasilitas Cyclone 30 buatan IBA
menghasilkan daya berkas terekstraksi sebesar 15 kW dari konsumsi daya 100 kW [20].
Keuntungan lainnya adalah juga efek paparan radiasi yang lebih kedl bagi personel. Proses
ekstraksi ion positif diperlihatkan pad a Gambar 10.
Gambar 10. Proses ekstraksi ion H negatif dengan foil.
346
Penentuan kriteria desain komponen utama siklotron 13 Mev (Ors. Silakhuddin, M.Si.)
4.2.
Sistem Sumber Ion
4.2.1.
Sistem internal dan eksternal
D Karena sebagian besar komponen sumber ion ini berada di dalam tangki vakum
maka akan memberikan beban pada proses pemvakuman tangki. Gas yang diinjeksikan ke
dalam tangki vakum juga memberikan kontribusi beban kevakuman. Hal-hal inilah yang
merupakan kelemahan dari sistem internal sedangkan keuntungannya adalah efisiensi yang
relatif tinggi dari penggunaan berkas ion yang dihasilkan kemudian dipercepat. Pad a Gambar
11 diperlihatkan pemasangan sumber ion internal [21],
Gambar 11. pemasangan sumber ion internal.
Pada sistem eksternal, bentuk saluran berkas di dalam inflektor cukup rumit
(electrostatic helicoid inflector) dan banyak berkas yang hilang pada proses infleksi ini. Pada
siklotron Cyclone 30 ISA, keluaran dari sumber ion eksternal sebesar 2 mA men~hasilkan
berkas internal 500 IJA, berarti kira-kira 75% berkas hilang pada proses infleksi [2 . Sistem
eksternal memerlukan sistem pemompaan vakum tersendiri. Jadi kelemahan sistem eksternal
adalah efisiensi penggunaan berkas yang dihasilkan rendah. Instrumentasi sistem eksternal
lebih rumit karena diperlukan komponen pemercepat awal, sistem inflektor dan sistem
pemompaan vakum ini memerlukan biaya tambahan pada sistem akselerator. Pada Gambar
12 diperlihatkan injeksi berkas dari sumber ion eksternal ke dalam siklotron melalui
inflektor [21].
Gambar 12. Injeksi berkas dari sumber ion eksternal
347
Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi IImiah Jabatan Peneliti
ISSN 2087-8079
Keunggulan dari sistem eksternal adalah tidak ada beban gas pada tangki siklotron
oleh sistem sumber ion. Sistem eksternal juga memungkinkan dilakukannya perawatan dan
pengujian tersendiri tanpa mengganggu sistem tangki siklotron. Dengan sistem eksternal
dimungkinkan juga untuk menempatkan beberapa sumber ion. Jadi 2 sistem yaitu internal
dan eksternal mempunyai keuntungan dan kelemahan tergantung dari sisi mana ditinjau.
Pada sistem internal, untuk menopang beban kevakuman yang tinggi mutlak
diperlukan sistem pompa vakum pada tangki siklotron yang lebih tinggi kecepatan
pemvakumannya dibandingkan pad a sistem eksternal. Jadi kalau ditinjau hanya sistem tangki
vakum akan diperlukan biaya yang lebih pada sistem internal. Akan tetapi pada sistem
eksternal juga diperlukan sistem pompa vakum untuk sumber ion dan saluran injektor ke
siklotron, juga diperlukan biaya yang lebih dari sekedar biaya sistem vakum pada tangki
siklotron. Efisiensi penggunaan berkas pada sistem internal lebih baik dari pada sistem
eksternal. Adanya sistem injektor dan inflektor pada sistem eksternal, yang tidak ditemukan
pada sistem internal, menambah keunggulan sistem internal. Ringkasnya, jika biaya dan
kesederhanaan instrumentasi maka sistem internal akan lebih menjadi pilihan dibandingkan
sistem eksternal.
4.2.2.
Sumber ion jenis Penning dan pemasangan secara radial
Kerugian sumber ion jenis Penning adalah umur dari katodenya yang lebih pendek
sehingga frekuensi perbaikannya juga lebih sering. Tetapi harga bahan katoda tidaklah
terlampau mahal sekalipun dari bahan tantalum, bahkan bahan dari aluminiumpun dapat
digunakan walau unjuk kerjanya tidak sebagus tantalum. Jadi jenis sumber ion Penning
menjadi pilihan yang layak. Pada Gambar 13 diperlihatkan skema sumber ion Penning.
~
Icatoda atas
gas
w
• H+
!
Icatoda bawah
B
Gambar 13. Skema Sumber Ion jenis Penning
Pemasangan sumber ion secara aksial adalah tidak memerlukan tempat yang khusus
bidang horizontal. Keuntungan lainnya adalah terhindarnya tangkai (holder) sumber ion dari
paparan radiasi akibat tembakan berkas partikel pada energi yang lebih tinggi. Pemasangan
secara radial memerlukan tempat secara horizontal yang sejajar dengan penempatan dee.
Tetapi dengan membuat sudut dee yang 90° atau bahkan kurang, masalah tempat tidak
menjadi kendala. Jadi pemasangan secara radial akan menjadi pilihan yang lebih baik. Efek
paparan radiasi dikurangi dengan membuat tangkai terdiri atas dua batang atas dan bawah,
dan memungkinkan berkas lewat di antara dua batang. Pemasangan secara radial akan juga
lebih mudah dalam pelepasan dan pemasangan sewaktu perawatan atau perbaikan.
Pemasangan sumber ion secara radial seperti diperlihatkan pada Gambar 11.
4.2.3.
Penentuan arus berkas
Dari hasil perhitungan efek stripping lost pad a tangki siklotron diperlukan keluaran
arus berkas dari sumber ion sebesar 51 IJA untuk dapat terekstraksi arus berkas proton
348
Penentuan kriteria desain komponen utama siklotron 13 Mev (Ors. Silakhuddin, M. Si.)
sebesar 50 IJA. Dalam perhitungan yang dibuat oleh Schneider et al [3J diperoleh hasil bahwa
berkas ff yang hilang selama pemercepatan sebesar 5% pada kondisi vakum 1x1 0-5 Torr.
Akan tetapi berdasarkan pengalaman operasi Siklotron BATAN Serpong, kehilangan berkas
ion tersebut dapat mencapai 30% pada kevakuman 2,1 x1 0-6 torr [22]. Jadi secara faktual
bahwa untuk memperhitungkan keluaran berkas minimal yang harus keluar dari sumber ion
tidak dapat hanya memperhitungkan efek berkas hilang karena stripping lost saja. Sebab
kehilangan yang lain dapat diakibatkan dari menabraknya berkas ion pada dinding atas dan
bawah dee.
4.3.
Sistem Magnet
Hasil perhitungan medan magnet yang didasarkan pada kisaran frekuensi sistem
pembangkit rf yang ada di pasaran diperoleh nilai sebesar 12.745 kG pada radius ekstraksi.
Dengan kuat medan magnet sebesar itu, untuk menghasilkan proton 13 MeV diperlukan
radius ekstraksi sebesar 40,8 em.
Medan magnet untuk siklotron adalah jenis elektromagnet sehingga akan dapat
dilakukan tuning untuk sinkronisasi dengan frekuensi rf dee. Untuk dapat melakukan tuning
secara halus (fine tuning), kuat medan magnet ini juga bekerja pada daerah di mana medan
magnet tidak sangat terpengaruh oleh perubahan arus listrik pembangkit. Untuk material besi
lunak, kurva hubungan antara kuat medan magnet dan arus listrik berbentuk linear hingga
10 kG, dan mulai agak datar di atas 10 kG menuju ke daerah jenuh [41. Penetapan medan
magnet juga tidak di daerah jenuh karena sulit dilakukan tuning, karena di dareah jenuh
berarti besar medan magnet tidak dapat dikendalikan dengan pengaturan arus listrik
pembangkit magnet. Dari segi ekonomis, semakin besar medan magnet berarti diperlukan
biaya yang lebih tinggi untuk kumparan dan arus listrik, sehingga penetapan medan magnet
ditentukan di daerah sedikit lebih besar dari batas linearitas. Dengan demikian dengan nilai
B
12,745 kG sudah memenuhi kriteria teknis maupun ekonomis. Selanjutnya, efek
remanensi medan magnet akibat titik operasi melewati daerah linear dapat diatasi dengan
membalik arus listrik pembangkit medan magnet sedemikian hingga medan magnet menjadi
nol.
Pembentukan pol a medan magnet akan menentukan besarnya n yang menentukan
terjadinya osilasi partikel di sekitar lintasan orbit. baik arah vertikal maupun radial. Pada
frekuensi-frekuensi
tertentu dapat terjadi coupling kedua osilasi (vertikal dan radial) dan
menyebabkan resonansi. Kondisi resonansi harus dicegah karena amplitudo gerak partikel
dapat melampaui batasan-batasan rongga dari dee. Jadi walaupun nilai n sudah dibatasi
seperti pada persamaan (13) yaitu 0< n < 1, masih terdapat nilai-nilai n yang harus dihindari.
=
Dengan
adalah:
nilai-nilai
Wz
= cu,j"ii
1.
w, =
2.
w, = 2wz yang terjadi bila ...;
3.
Wz =
4.
w, = 3wz yang terjadi bila
5.
Wz =
Wz
yang terjadi bila
dan w, = w-...l1 - n., kondisi-kondisi
-...11 -
n = ....;n.
atau
1- n = 2..[ii.
2w,yang terjadi bila
3w, yang terjadi bila
,/n =
'Ii
2-...11 -
....;n
11.
= 3-../1
-
n = 0,5.
atau n = 0,2
n. atau
1- = 3....;n,
yang harus dihindari
n
= 0,8
atau n = 0.1
n, atau n
= 0,9.
Suatu data pemetaan medan magnet secara radial dan azimutal perlu diperoleh
untuk memastikan nilai-nilai indeks magnet yaitu besaran yang menggambarkan gradiensi
medan magnet pada suatu radius, pada nilai-nilai 0.5; 0,2; 0.8; 0.1 dan 0,9 tidak terjadi.
Bentuk sektor-sektor magnet simetri 4 yang terdiri atas 4 hill dan valley akan
membuat pemokusan berkas partikel. Dengan simetri 4 tersebut, dee mempunyai sudut 45°
dengan frekuensi operasi 78 MHz pada harmonik ke 4.
4.4.
Sistem RF Dee
Tegangan yang telah ditetapkan sebesar 30 kV. Sedangkan pada siklotron untuk
PET yang komersial tercantum spesifikasi dari operasi tegangan dee paling kecil sebesar 40
kV (dengan geometri sistem dee yang hampir sama), yang sudah tentu dengan penjagaan
kebersihan dan kelembaban standar di negara maju. Dengan tegangan yang tinggi maka
perhatian perlu diberikan untuk menjaga kebersihan dan kelembaban agar tidak sering terjadi
349
Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi IImiah Jabatan Peneliti
ISSN 2087-8079
loncatan-Ioncatan arus listrik dari dee ke ground. Jadi penentuan tegangan dee harus
mempertimbangkan
kondisi manajemen pengoperasian dan perawatan. Dari pengalaman
operasi pad a siklotron CS 30 BATAN, memberi pelajaran bahwa infrastruktur dan manajemen
lokal belum dapat tepat sama untuk menyamai kondisi operasi di negara maju. Dalam desain
ini, dengan mempertimbangkan
kondisi infrastruktur yang belum canggih maka penetapan
nilai tegangan dee sebesar 30 kV merupakan nilai yang moderat.
BAB V KESIMPULAN
Kriteria-kriteria desain dari komponen-komponen suatu siklotron pemercepat berkas
proton energi 13 MeV dan arus sebesar 50 IJA untuk fasilitas produksi radioisotop PET telah
ditentukan berdasarkan formula-formula dasar teori siklotron dan secara teknis mengacu
pada desain siklotron di luar negeri khususnya dari siklotron KIRAMS Korea serta
pengalaman dalam penanganan operasi Siklotron CS 30 BATAN. Komponen-komponen yang
sudah ditentukan kriterianya baru komponen utama jadi belum termasuk komponenkomponen bantu seperti sistem vakum, perisai, sumber-sumber
daya dan infrastruktur.
Dengan pertimbangan kestabilan operasi, efisiensi dalam menghasilkan berkas ion dan
kemudahan dalam perawatan, sistem siklotron pemercepat ion negatif dengan sumber ion
internal jenis PIG dan dipasang secara radial menjadi kriteria yang ditetapkan.
Kriteria
desain untuk magnet dan sistem rf dee adalah sistem 4 sektor dengan dee sepenuhnya ada
di daerah valley. Untuk mendapatkan energi proton 13 MeV, kuat medan magnetnnya
sebesar 12,745 kG pada radius ekstraksi 40,8 cm dan sistem rf dee beroperasi pada
frekuensi 78 MHz harmonik ke-4. Hasil-hasil penentuan kriteria desain ini dan dengan
dilakukan
pengembangan-pengembangan
lebih lanjut dapat dipakai sebagai acuan
penyusunan desain dasar fasilitas siklotron untuk fasilitas PET.
DAFT AR PUST AKA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
W. KLEEVEN et ai, "Self-Extraction in a Compact High-Intensity H+ Cyclotron at IBA",
Proceedings of EPAC 2000, Vienna, Austria, p 2530-2532
http://www.epaper.kek.jp/p95/ARTICLES/FAG/FAG07.PDF:
BF. MILTON
and N.R.
STEVENSON, "Cyclotrons for Isotope Production", 25 Mei 2009
H.R. SCHNEIDER et aI., " Design Note of A Compact H- Cyclotron for PET Isotope
Production", TRIUMF, Vancouver, Canada November 1986 p 1
J.J. LIVINGOOD, "Principles of Cyclic Particle Accelerators", D. Van Nostrand Company,
Inc, New York, 1961
H. WIEDERMANN, "Particle Accelerator Physics", Springer-Verlag Heidelberg, 1993, p
58-60
S. HUMPHRIES, Jr, "Particle Acceleration", John Wiley and Sons, 1999 p 514-516
http://www.accelconf.web.cern.ch/Accel
Conf/a981 AP AC98/6D051 .PDF:
a. S. OH et ai, " Initial Design of a 13 MeV Cyclotron for Positron Emission
b. Tomography: Design of The Dee System", 25 Mei 2009
W.Y. YANG and M. YOON, " Magnetic Field Calculation For A 13 MeV PET Cyclotron",
Proceeding of the 1999 Particle Accelerator Conference, New York, 1999
Lembar informasi dari Fasilitas PET -CT Dan Cyclotron RS Gading Pluit, 2009
J.S. CHAI et ai, "New Design and Development of 13 MeV PET Cyclotron in Korea",
Proceedings of the Particle Accelerator Conference, New York, 1999
D. SCHL YER, "Cyclotron Comparison", Bahan Kuliah Batan Accelerator School 2008,
PTAPB BATAN.
M.L. MALLORY et ai, "Cyclotron Internal Ion Source with DC Extraction", 1973 IEEE
p147
H. SURY ANTO dan SILAKHUDDIN, "Pengaruh Tingkat Kevakuman Terhadap Stripping
Loss ion H- ", Jurnal Fisika HFI vol. 2 no. 4 hal 62-68 (Desember 1999)
S. HUMPHRIES, Jr, "Particle Acceleration", John Wiley and Sons, 1999 p509
350
Penentuan kriteria desain komponen utama siklotron 13 Mev (Drs. Silakhuddin, M. Si.)
[15] J.M. van NIEWLAND, " Extraction of Particles from a Compact Isochronous Cyclotron",
De Technische Hogeshool Eindhoven, Nederland, 1972, p 34.
[16] Buku Laporan Tahunan Proyek Pengembangan Teknologi Produksi Radioisotop dan
Radiofarmaka Tahun 1995/1996, Pusat Produksi Radioisotop BAT AN , hal. 131
[17] SILAKHUDDIN,
"Evaluasi Operasi Siklotron BATAN Pada Tahun Pertama Pasca
Komisioning", Bulletin BATANTahun XIII No.3, Juli 1992
[18] Log Book Operasi Siklotron CS 30 BATAN Tahun 1990-1994, Instalasi Siklotron, Pusat
Produksi Radioisotop BATAN
[19] SILAKHUDDIN
dan T. HERYANTO,
"Status Operasi Siklotron
BATAN Pasca
Modifikasi", Prosiding PPI Teknologi Akselerator dan Aplikasinya, P3TM BAT AN ,
Yogyakarta (1998)
[20] http://www.accelconf.web.cern.ch/accelconf/eOO/PAPERS/WEP48B18.pdf:
P. COHILIS
and Y. JONGEN, " High Beam Intensities for Cyclotron - Based Radioisotope
Production", 26 Mei 2009
[21] www.accelconf.web.cern.ch/accelconf/c04/data/CYC2004
.../20A3.pdf:
Y. JONGEN,
"New Cyclotron Developments at IBA", 27 Mei 2009
[22] SILAKHUDDIN
dan T. HERYANTO,
"Status
Operasi Siklotron BAT AN Pasca
Modifikasi", Prosiding PPI Teknologi Akselerator dan Aplikasinya, P3TM BATAN,
Yogyakarta (1998)
351