ABSTRAK - ansn.bapeten.go.idansn.bapeten.go.id/files/43301/1550.pdf · karena itu dalam makalah ini dibahas tentang ... Cockcroft-Walton terdiri dari dua batis kapasitor tegangan

Volume 1 Nomor 1 Juli 1999 ISSN 1411-1349

PERANCANGAN ~IESIN BERKAS ELEKTRON 500 keY/tO mA

Sudjatmoko, Sutadji Sugiarto, Darsono, SudiyantoPP.VY-BATAN. JL Bohanari Po. Box 1008 YogyaJ:arta jj010

ABSTRAK

PERANCANGAN MESIN BERKAS ELEKlRON 500 Iav/JO mA. Telah dirancang satu unit MBE(}Jesin Berkas Ele/aron) energi rendoh 500 keV/10 mAyang Iwmponen-lromponenutamanya terdiri dorisumber elektron, sistem pemfokus berkas e/ektron. sumber tegangan tinggi. tabung akselerator, pemayarberkas elektron don sistem hampo. Sumber elektron berupo jenis katoda panas dori tungsten berbentukspiral yang mampu menghasi/kan arus berkas elektron minimal 10 mA. Sistem pemfOkus berkas elektronberupa lensa magnet. terdiri dari sistem pemfokus I yang berfimgsi memfOkusl«m berkas elelaron setelahke/uar don sumber elektron don pemfokus II berjUngsi memfokusl«m berkas elelaron setelah keluar dari

tabung akselerator. Sumber tegangan tinggi pemercepat berkas elektron dipi/ih jenis generatorCocla:roft-Waltondmganjumlah 20 tingkatpe/ipat teganganyang mampu menghasill«m tegangan tinggi500 kV/20 mA. Tabung akselerator terdiri dari tabung isolator gelas pyrex don elelarodayang terbuatdori bahan stainless-steel, jumlah elektroda 34 buah sehingga masing-masing elektroda mendopatkandistribusi tegangan tidak lebih don 15 kv. Sistem pemayaran berkas elelaron berupa medan magnetbolak-halik dengan sut/ut pembelokan sebesar 2d' donjumlah liliran elektromagnet sekitar 920 Ii/irandengan medon magnet sekitar 0,012 weber/m2. Sistem hampaMBE 500 keV/10 mAyang dirancang terdiridori pompa rotari duo tingkat dengan laju pemompaan sekitar 14,6 m3;jam don pompa turbomo/ekuldengan pemompaan sekitar 280 liter/detik, yang mampu mencapai tingkat kehampaan sampai Iff> torr.

ABSTRA crDESIGN OF 500 keV/ 10 mA ELEKTRON BEAM MACmNE. A 500 keV/ 10 mA Ion Energy

Electron Beam Machine Unit was designed whict its components consisted of: electron source, electronbeamfocusing system.,high voltage supply, accelerator tube, electron beam scanning system and vacuumsystem. Theelectron source was a hot chatode type made of spiral tungsten wire that capabled toproauceat least 10 mA electron beam current. The electron beamfocussing system was a magnetic lens consistedofa.firstfocussing synem used to.focuselectron beam comingfrom electronsource. and a secondfocussingsystem used tofocus electron beam comingfTOn accelerator tube. The high voltage supply for electronbeam acceleration was a cockroff-Walton generator type having 20 step voltage multi.fiercapabled toproduce 500 keV/20 mA output. Theaccelerator tube consisted ofpyrex glass insulator tubes and sainlesssteel eleGJmdes.the electrodes were 34plates so that each electrode was given a voltage distribution notmore than 15 kv. The electron beam scaning system was an altemating magnetic .field having 2d'deflection angle. 920 coil tum and 0.012 W/m2magnetic.field intensity. The vacuum systemfOr this 500ke V/ 10mA EBM was designed to be a two step rotarypump of 14.6m3/hour and a turbo molecularpumpof 280 IIminute. to achieve a vacuum of 1ff> torr

PEND AHUL UAN

Pada tabun-tahun terakhir ini akseleratorpartikelbermuatan telah berkembang sangat pesat, baik

pemakaiannya di dalam bidang penelitian,kedokteran maupun industri. Dalam waktu yangrelatif singkat, energi partikel bermuatan yangdipercepat telah dapat mencapai orde sampaipuluhan MeV (1,2).Sampai dengan tabun 1992 diJepang telah banyak MBE (Mesin BerkasElektron) yang digunakan dalam berbagai bidang,dalam bidang "curing of coating" sebanyak lebihdari 23 buah, dalam bidang "cross-linking of wireinsulations" berjumlah 41 buah, dalam bidang"foamed polyolefin" telah terpasang 13 buah clanuntuk riset clanpengembangan sebanyak 45 buah

atau lebih (I).Partikel bermuatan yang dipercepat daJam

suatu akselerator partikel bisa ion atau elektron danpada MBE partikel bermuatan yang dipercepatadalah elektron yang dihasilkan oleh suatu sumberelektron (electron gun). MBE berbeda denganakselerator ion positif hanya pada terminaltegangannya yang dipasang pada tegangan negatifdan katoda termionik menggantikan sistem sumberion. Karena katoda termionik tidak melibatkanpemakaian gas, maka permasalahan sistem vakumlebih sederhana dan diameter tabung akseleratordapat dibuat lebih keci!.Karena tabung akseleratorbentuknya lebih kecil clan konstruksinya lebihsederhana. maka MBE dapat lebih kompak atauringkas konstruksinya dibandingkan dengan

I

1PERANCANGANMESINBERKAS-ELEKTRON500 keV/10 mA(Sudjatm'oko.dkk.)

Volume 1 Nomor 1 Juli 1999 ISSN 1411-1349

akselerator ion untuk kelas tegangan yang sarna (2)

Proses radiasi menggunakan akseleratorelektron atau MBE sebagai sumber radiasi adalahsuatu jenis teknologi barn yang dikembangkansekitar dua dekade yang laID.Aplikasinya dalamduma industri berkembang sangat cepat, terutamadalam bidang ikatan-silang plastik, curing ofcoating, sterilisasi peralatan medis, modifikasi

tekstil clan -graft polymerization-j j3engawetanbahan makanan clan lain-laiMya ( . ~). Apabiladibandingkan dengan proses termal konvensionalatau proses kimia, maka proses radiasi elektronmempunyai beberapa keuntungan (3)I. menghasilkan kualitas produksi yang tinggi2. tidak menimbulkan polusi pactalinglcungan3. hemal energi4. reaksi-reaksi kimia tetjadi pactasuhu kamar5. mudah dikontrol6. biaya operasi lebih rendah untuk produksi

masal.Karena penetrasi dari elektron-elektron

energi rendah tidak cukup atau kurang memadaiuntuk pemrosesan bahan-bahan padat clanelektron-elektron energi tinggi dapatmengakibatkan radioaktivitas dalam bahan yangdiiradiasi, makajangkau energi elektron dari MBEuntuk proses radiasi adalah 0,15 sarnpai dengan 1OMeV. Pactaumumnya MBE string diklasifikasikansesuai dengan energinya yaitu energi rendah(kurang dari 0,5 MeV), energi medium (0,5 sampat3 MeV) dan energi tinggi (di atas 3 MeV).

Berdasarkan pactaJatarbelakang tersebut diatas maka dalam perancangan MBE 500 keV/IOmA Adabeberapa pertimbangan yang mendasarikonsep perancangan. Beberapa pertimbangantersebut adalah kemampuan SDM (Sumber DayaManusia) yang mempunyai keahlian dalamteknologi akseleratoryang tersedia balk dari PPNYmaupun dari luar PPNY, pemilihanjangkau energidan arus berkas elektron dari MBE, serta aplikasidari MBE. Pemilihan jangkau energi elektronsangat diperlukan karena mempengaruhikedalaman penetrasi elelctron, sedangkan arusberlcaselektron akan menentukan dosis radiasi clankuantitas radiasi yang terserap oleh bahan. Olehkarena itu dalam makalah ini dibahas tentangkonsep dasar perancangan MBE, spesifikasi telenisdari masing-masing komponen utama MBE clankemungkinan aplikasinya dalam bidang industri.Tujuan dari penelitian tnt, berdasarkan basilpembahasan seperti tersebut di atas, adalah dapatdihasilkan suatu konsep rancangan Mesin BerkasElektron energi rendah 500 keV dengan aruselektron 10 mA yang nandnya dapat digunakansebagai dasar untuk pembuatan satu unit Mesin

Berkas Elektron 500 keV/I0 mA.

KONSEP DASAR PERANCANGANl\-IESINBERKAS ELEKTRON

Dalam perancangan sebuah MBE Adasuatukonsep dasar yang harus diperhitungkan secaraseksama, yaitu meliputi pertimbangan clanperhitungan kedalaman penetrasi elektron, arusclan day a berkas elektron, ukuran medaniradiasi clan keandalan MBE.

Kedalaman Penetrasi Elektron

Berkas elektron setelah mengalamipercepatan di dalam taboos akselerator akanmemiliki energi tertentu yang besarnya sebandingdengan tegangan tinggi pada tabung akseleratortersebut. Besar energi elektron sangat menentukankedalaman penetrasi elektron dalam permukaanbahan yang diradiasi. Kedalaman penetrasi tersebutdapat ditentukan berdasarkan rumusan (1,2)

d = 0,33 (£Ip) dan d = 0,8 (£Ip) (I)

dimana d adalah kedalaman penetrasi (em), Eadalah energi elektron (MeV), clan p adalahkerapatan bahan yang diradiasi (gIcm2).Persamaan(I) tersebut masing-masing untuk iradiasi pactasisi-satu clansisi-ganda.Arus Berkas Elektron

Dalam perancangan MBE besarnya arusberkas elektron pealing untuk dipertimbangkan.Arus berkas elektron tersebut menentukan dosisscrap yang besarnya dapat ditentukan dartpersamaan (1,2)

D = (oE/oR) [ 100 TI/lv W] (2)

dimana D adalah dosis scrap (Mrad), I adalah arusberkas elektron (mA), TI adalah -utilizationcoefficient dari arus berkas elektron (0,3 -0,9), vadalah kelajuan bahan yang diradiasi{cmldetik), Wadalah adalah lebar pemayaran (em) dan oEloRadalah energi yang bilans sesuai denganpemercepat.

Daya Berkas EJektron

Daya berkas elektron menentukan KuantitasIradiasi M yang dapat ditentukan dengan rumusan(1,2)

M = 360 (TIP/D) (3)

dimana M adalah kuandtas iradiasi (kgljam), Padalah daya berbs elektron (kW) yaitu teganganpemercepat dikalikan dengan besamya arus berkaselektron dan D adalah dosis scrap.Ukuran Medan Iradiasi

Parameter lain yang cukup penting dalamperancangan MBE adalah ukuran medan iradiasi

Presiding Pertemuan dan Presentasi IImiahTeknologiAkselerator dan Aplikasinya.. . ... ~'" ~--- ~ -

2

Volume 1 Nomor1 Juri 1999

atau sering disebut lebar pemayaran (width ofscanning). Ketidakseragaman rapat arus berkaselektron yang diberikan akan menentukan panjangzona iradiasi. Ukuran MedIn iradiasi inimenentukan besarnya kuantitas iradiasi (untuk

. iradiasi permukaan bahan berupa lembaran),dimana kuantitas iradiasi S ini dapat ditentukan darirumusan (1,2) .

S =O,OO6vW = (oE/oR)[O,6t11/D):4)

dimana S adalah kuantitas iradiasi (em2/detik), vadalah kelajuan bahan yang diradiasi (c:mIdetik)clanW adalah ukuran medan iradiasi (em).Keandalan Mesin Serbs Elektron

Karakteristik yang paling penting bagipemakai MBE adalah keandalan mesin. Keandalanini ditandai dengan suatu koefisien yang disebutkoefisien penggunaan iradiasi, yang nilainya bisamencapai 0,95 atau 95% untuk instaIasiMBE yangbaik. Hal ini berarti bahwa hanya 5% dati waktupemeliharaan total digunakan untuk perbaikanMBE, kesa1ahandeteksi dan pemeliharaan.

Parameter lain yang mencirikan keandalanoperasi MBE adalah waktu operasi rata-rata tanpakesalahan Tm.Berdasarkan pengalamanyang telahada. yaitu pengoperasian MBE dapat disimpuIkanbahwa Tm = 200jamdaDt1 =0,85 (6).

DESKRIPSI MESIN BERKAS ELEK-TRON

Pada umurnnya sebuah MBE terdiri daribeberapa komponen utama yaitu sumber tegangantinggi, sumber elektron, pernfokus berkas elektron,tabung akselerator, sistem pemayar, sistem hampadan sistem conveyor.

Somber Tegangan Tinggi

Ada beberapajenis somber tegangan tinggiyang dipakai dalam MBE, salah satu diantaranyaadalah generator tegangan tinggiCockcroft-Walton. Dengan generator ini dapatdihasilkan energi elektron medium dIn arus berkasmencapai orde puluhan IDA. GeneratorCockcroft-Walton terdiri dari dua batis kapasitortegangan ringgi, yaitu baris kiri dIn baris kananyang masing-masing dihubungkan olehdioda-dioda tegangan tinggi. Pada waktu sesaatsemua kapasitor diisi terjadi hubungan paraIel danpada waktu sesaat lainnya terjadi hubungan serioDengan demikian jika besar tegangan rnasukanbesarnya adalah V danbanyaknya tingkat kapasitoradalah N, maka akan terjadi peningkatan tegangansebesar 2NV.

Apabila puncak tegangan masukan adalahVi, yaitu tegangan keluaran dati generator pulsa,

ISSN 1411-1349

frekuensi generator pulsa adalah f, kapasitansimasing-masing kapasitor sarna dengan C dan arusyang mengalir pada beban adalah I, maka tegangankeluaran maksimum yang dapat dicapai olehgenerator Cockcroft-Walton adalah

I 2 3 1 2 1 (5)Vmab= 2NV;- fC [3n +3n - 6nj

Sedangkan tegangan ripple dapatditentukanberdasarkan rurnusan

oV=(l/fC)N(N+l) (6)

Dati persarnaan di atas jellS terlihat bahwafrekuensi generator pulsa yang tinggi sangatmenguntungkan sehingga meminimalkan teganganripple dan memperkecil ukuran kapasitor.Somber Elektron

Arus berkas elektron dalam MBE biasanyadihasilkan dari sebuah sumber elektron (electrongun), dimana elektron dihasilkan dati katoda yangdipanaskan. Keuntungan secara langsung darikatoda yang dipanaskan adalah kesederhanaan darisegi perancangan dan mempunyai nilai ekonornisyang relatifringgi (2).

Kemampuan somber elektron untukmenghasilkan berkas elektron bergantung padadaya pernanas, bahan filamen dan konstruksinya.Sebagai pemancar elektron dalam sistern sumberelektron dengan menggunakan katoda yangdipanaskan, rapat arus ernisi jeT katoda tersebutbesarnya mengikuti persamaan RichardsonDushrnan(7)

JeT =A T-exp(-e Ua/kT) (7)dimana A adalah konstanta Richardson, U. adalahtegangan anoda, k adalah konstante Boltzmann danT adalah suhu pemanasan. Nilai A tersebutbergantung pada jenis bahan yang digunakansebagai katoda.

Tabung Akselerator

Tabung akselerator adalah suatu tabungdengan medan listrik konstan untuk mempercepatpartikel-partikel berrnuatan, baik elektron ataupunion. Pada umumnya taboos akseleratordikonstruksi dari bahan isolator, biasanya berupasilinder seils atau porselin yang panjangnyabeberapa inchi dengan diameter yang cukup besardengan elektroda-elektroda logam berbentukkerucut yang dipasang antara ruas-ruas tabungisolator tersebut.

Fungsi elektroda adalah untukmenghasilkan medan pemercepat dan pemfokusanberkas elektron. Untuk memberikan distribusitegangan pemercepat yang lebih seragam terhadapelektroda, maka digunakan sistem pembagi

PERANCANGANMESINBERKASELEKTRON500 keV/10 mA(Sudjatrnoko.dkk.)

3

Volume 1 Nomor 1 Juli 1999 ISSN 1411-1349

tegangan yang terdiri dari resistor ohm-tinggi yangdisusun sedemikian rupa sehingga tegangannominal pada tabung akan mengalirkanarus sekitar100 A Nilai ini cukup memberikan keseragamantegangan daD hanya kehilangan daya listrik 100watt per I MY dari tegangan pemereepat (2).Sistem Pem(okus Berkas Elektron

Pemfokusan berkas elektron dapatdilakukan dengan menggunakan lensa magnet,yai1o sebuah solenoid koaksial daD biasanyadibungkus dengan besi untuk mengurangipemencaran medan magnet yang dihasilkan.

Panjang fokus dari sua1o lensa magnetpendek dapat diperoleh jika diandaikan bahwarapat fluks magnet B =Bo konstan pada jarak d ditengah lensa daDDolditempat lain. Panjang fokusdari lensa magnet tersebut adaJah

f= (8m T)/(eBo2 d) (8)

dimana T adalah energi kinetik dari partikel dalameV. Jika kumparan terdiri dari NI ampere-lilitan,dan karena Bod= J.IoNimaka panjang fokus

f= 8m Tde JJo2 N2 i

Sistem Pemayaran Berkas Elektron

Sistem pemayaran merupakan salah sa1okomponen utama dari MBE yang biasanyadigunakan dalam industri. Dengan sistem inimemungkinkan untuk iradiasi bahan denganperrnukaan yang luas dengan berkas elektron diudara luar daD memberikan medan iradiasi yangcukup lebar dengan dosis iradiasi yang seragam. .

Prinsip operasi dari sistem tersebut adaJahmembelokkan berkas elektron dari arabnya semuladengan menggu.nakan dua medan magnet yangdipasang saling tegalelurus (BI dan B2)daDdenganfrekuensi yang cukup tinggi untuk memberikaniradiasi yang seragam pada obyek yang bergeraklurus pada arab berkas elektron. Sudol pembelokanmaksimum berkas elektron dalam sistempemayaran biasanya tidak lebih besar dari 200 -300,karena pada sudOlyang lebih besar energi elektronberkurang cukup besar dan kedalaman penetrasielektron ke dalam obyek juga akan berkurang.Frekuensi pemayaran berkas elektron dalam arabregale lurus pada gerakan obyek yang diradiasiditentukan oleh persamaan (2)

f=v/(edej) (10)

dimana v adalah keeepatan gerakan obyek(cmldetik), clecadalah diameter efektif dari berkaselektron daD adalah penggeseran obyek selamasatu perioda pemayaran. Telah diketahui bahwaun1ok e ~ 0,8 ketidak seragaman iradiasi pada

(9)

obyek tidak lebih besar dari 5% (2).Berkas elektron yang melewati medan

magnet bolak-balik dengan besar medan magnetmaksimum Bo akan dibelokkan secara bolak-balik.Panjang pembelokan maksimum

d, = /00 L I Bo[-q/(2mVsJif2 (11)

dimana d, adalah jarak pembelokan maksimum(em), L adaJahjarak dari pusat magnet ke suatu titikpengamatan (em), I adalah panjang sumbu magnet(em), q adalah muatan elektron (coulomb), madaJahMassa elektron (kg) dan Va adaJahtegangantinggi pemereepat elektron sebelum dibelokkan.

Sistem Hampa

Dalam MBE sistem hampa biasanya terdiridari pompa depan (fore-pump),pompa utama (mainpump), katup dan pipa-pipa hampa dan detektorkehampaan (gauge) serra sistem deteksikehampaan.

Masing-masing jenis pompa bergantungpada fisis pemompaan, yai1o sua1o kehampaanminimum yang dapat dieapai yang disebutkehampaan akhir (ultimate vacuum). Kehampaanakhir dari seluruh sistem hampa juga bergantungpada beberapa parameter antara lain jumlah gas,jenis gas atau kombinasinya daDlaju pemompaandari pompa.

Suatu sistem hampa mengandung duamacam sumber gas, yaitu gas yang dilepaskan olehsuatu proses selama pelaksanaan eksperimen didaJam sistem dan produksi gas yang diakibatkanoleh desorpsi dari permukaan bejana daJam roanghampa dan komponen- komponen yang terdapat didaJam ruang sistem hampa. Oleh karena itu daJammeraneang suatu sistem hampa, kedua macamsomber gas tersebut harus diperhatikan.

BASIL DAN PEMBABASAN

Berdasarkan konsep dasar peraneanganMBE daD deskripsi komponen-komponen utamaMBE seperti yang diuraikan di atas mw pada babini akan dibahas peraneangan masing-masingkomponen utama MBE daDspesifikasi teknis darikomponen-komponen utama tersebut.

Somber Tegangan Tinggi

Energi elektron setelah keluar dari tabungakselerator berbanding langsung dengan tegangantinggi yang terpasang, sesuai dengan persamaan (I)di alas, energi elektron akan mempengaruhikedalaman penetrasi elektron pada bahan yangdiradiasi. Tegangan tinggi pemereepat berkaselektron selain mempengaruhi besarnya energielektronjuga menentukan aplikasi dariMBE dalamberbagai bidang. Menurut SUZUKI [1], tegangantinggi sekitar 150kV -350 kV sesuai untukaplikasi

Presiding Pertemuan dan Presentasi IImiahTeknologi Akselerator dan Aplikasinya\I_' . ",- . '..1: of"'nt'hof-a

4

Volume 1 Nomor 1 Juri 1999 ISSN 1411-1349

MBE dalam bidang "curing (coating/lamination/printing)", tegangan tinggi 200 kV -3000 kV sesuai untuk "heat shrinkable tubing",tegangan tinggi 300 kV -5000 kV sesuai untuksterilisasi, tegangan tinggi 300 kV -1000kV sesuaiuntuk "foamed PE plastics, rubber tire, daDDe-NOxIDe-SOx of Exhaust gas" (Gambar 1).

kaI8II8.,.. ,.........

...t J -y:.:. ',:,;; 0;.;= -- -- .

IJ

j;--~-

I

II11D--!-~ -..-j

I

1Heal $I\ri- Tubing

~Tir8f<8ned p £. Pl8SIics--------------------

Slelilization

---------------------.

W.. &C&bI8

~.otExIl8uIlGa8

2!11--c..;ng~n~tiO,!1___.

-- -- - - --- iPrinting)

111-1- - -- -- -- -. - --- -- -- - - - - - - - --.

Gambar 1. Tegangan TInggi Pemercepat vs Aplikasi

Dengan mempertimbangkan kemampuanpenetrasi berkas elektron ke dalam permukaanbahan padatdaDaplikasidari MBE yang dirancang,mw ditentukan besarnya tegangan tinggi yangharus dihasilkan oleh generator tegangan tinggiCockcroft-Walton dapat mencapai tegangan 500kV. Dengan demikian diharapkan MBE yang akandikonstruksi dapat diaplikasikan untuk1) iradiasi bahan padat berupa lembaran2) curing (coatingllamination/printing)3) steriIisasi4) foamed PE/PVC tape.

Sistem Somber Elektron

Elektron bebas dapat diperoleh dari bahangas atau daribahan padat, sehingga sumber elektronsebagai penghasil elektron dapat berupa bahan gasatau padat. Dalam suatu MBE sumber elektronyang banyak digunakan adalah dari bahan padatyang dipanaskan,yang disebut katoda panas.Bahankatoda yang sering digunakanada tiga macam yaitu

tantalum, tungsten daD LaB6. Sesuai denganpersamaan (7) besarnya arus berkas elektron selainditentukan oleh bahan katoda daDtegangan anodajuga bergantung pada suhu pemanasan dan bentukkatoda, antara bentuk kawat, spiral atau bentukkeping.

Pemilihan bentuk katoda selain diharapkandapat menghasilkan arus berkas yang cukup besar(orde puluhan mA) juga berdasarkan pad apertimbangan umur pemakaian katoda. Umurpemakaian katoda dibatasi oleh karena efek"sputtering" daD evaporasi (6). Sepanjanglintasannya berkas elektron menghasilkan ion-ionyang bergerak dalam arab berlawanan dengan arabgerak elektron, kemudian dipercepat dalam suatulistrik antara katoda dan anoda menuju ke arabkatoda. Apabila katoda tertumbuk oleh ion-ionenergi tinggi, bahan katoda akan terspuner dengankelajuan yang bergantung pada arus berkas ion dantekanan gas dalam sistem sumber elektron. Untuksebuah sumber elektron dengan arus berkas

mencapai 3 -40 A laju sfuttering mencapai sekitar10"3 - 10-1 mmljam (6. Karena deformasi daripermukaan katodayang disebabkan oleh sputteringion, distrlbusi rapat arusberkas elektron bergantungpada perubahan luasan permukaan emisi akibatefek sputtering. Untuk mengurangi efek sputteringini dapat dilakukan dengan tara memperkeciltekanan gas di dalam sistem sumber elektron, ataumemberi lubang pada pusat katoda yangmemungkinkan sebagai jalan bebas dari sebagianbesar ion yang menuju ke katoda. Oleh karena itudalam perancangan dan pembuatan sistem sumberelektron untuk MBE ini dipiJih bentuk katodaspiral, yang memungkinkan ion-ion yangmenabrak katoda dapat lewat diantara celah-celahspiral sehingga mengurangi terjadinya efeksputtering, serta mampu menghasilkan arus berkaselektron cukup besar dengan orde puluhan mA.

Berdasarkan konsep dasar perancanganMBE, arus berkas elektron menentukan dosis scrapsesuai dengan persamaan (2) tersebut di alas.Menurut SUZUKI [1], dosis yang terserapberkaitan erat dengan aplikasi dari MBE. Untuksterilisasi diperlukan dosis hingga 2,5 Mrad, untukfoamed PE diperlukan dosis 2,5 Mrad -10 Mrad,untuk curing diperlukan dosis 1 Mrad -9 Mrad,sedangkan untukPVC tape diperlukan dosis 1Mrad-6 Mrad (Gambar2). Oleh karena itu sesuai dengankemampuan daD tersedianya bahan/komponenuntuk pembuatan sistem sumber elektron daDrencana aplikasi dari MBE, maka arus berbselektron yang harus dibasilkan oleb sumberelektron dapat mencapai nilai 10 IDA,sehinggadapat diaplikasikan dalam bidangseperti tersebut diatas.

5PERANCANGANMeSINaeRK.A.SELEKTRON500 keV/10 mA(Sudjatmoko.dkk.)

Volume 1 Nomor 1 Juli 1999

...,.a......

~-I-

@~

f

!-----------

~:8 "'.~

UJ

1______-----10--

I3--

fl:~~t2--.§ii..;=

I-I--tjI/) ----------

Gambar 2. Dosis vs Aplikasi

Tabung Akselerator

Berkas elektron yang dihasilkan olehsumber elektron setelah difokuskan oleh sistempemfokus berkas elelctron diarahkan menuju kedalam taboos akselerator. Dalam taboosakselerator yang terdiri dari dua bagian yaituelektroda daDtabung isolator berkas elektron akandifokuskan dan dipercepal'fabung-tabung isolatorberfungsi menggandengkan elektroda-elektrodatabung akselerator sekaligus membentuk dindingtabung hampa dari sistem taboos akslerator, sertabersifat isolator. Berdasarkan fungsi tersebut maleataboog isolator dipilib dari baban gelas pyrex.dimana bahan ini bersifat isolator, mempunyai nilailaju "outgassing" cukup rendah daDtahan terhadappanas.

Elektroda-elektroda yang terpasang dalamtaboos akselerator berfungsi menyalurkanpotensial DC positip terhadap tenninal tegangantinggi yang terpasang pads tingkat pemercepatpertama. Dengan memakai sistem resistor, sO8tubeds potensial alean teljaga tetap antara setiaptingkat pemercepat Pembagian tegangan tinggi inidengan meTals dapat didistribusikan antaramasing-masing tingkat sehingga berkas elektronmenerima dorongan aliran sepanjang taboosdengan energi yang bernilai sarna dengan drop

ISSN 1411-1349

potensial pads setiap tingkat. Setiap elektrodasebaiknya hanya menerlma tidalelebih dari IS kV,maka untuk tegangan tinggi 500 kV diperlukan 34buah elektroda. Pada ujung akhir dari tabung akse-lerator berkas elektron telah memperoleh energiyang nilainya sama dengan drop potensial totalantara tenninal tegangan tinggi dan tanah (ground).Berdasarkan fungsi elektroda tersebut maka dipilihbahan stainless-steel karena mempunyai sifat-sifatsebagai konduktor yang baik, mempunyai laju"outgassing" sangat kecil dan tahan panas.Sistem Pemfokus Berkas Elektron

Sesuai dengan persamaan (9) di alas,panjang foleus sebagai fungsi dari energi elektrondan besarnya medan magnet dari solenoid. Untukpemfokusan berkas elektron, jika massa elektron9,107 x 10-31kg daDmuatan elektron adalab 1,602x 10-19C maka persamaan (9) ootuk elektron dapatdituliskan

f = 30 Td/(Nl;2Dalam MBE yang dirancang terdapat dO8

buah sistem pemfokus berkas elektron, pemfokuspertama berfungsi memfokuskan berkas elektronsetelab keluar dari sistem sumber elektron. Untukpanjang fokus f = 1 m, medan magnetdipertahankan seragam pads jarak d = 3 emsepanjang sumbu, dan elekiron yang difokuskansetelab keluar dari sistem sumber elektron T = 5keY, maka lensa magnet dari sistem pemfokuspertama memerlukan 67 ampere-lilitan untukmempertahankan rapat flub sekitar 0,28 xl 0-2weber1m2atau 28 gauss. Sistem pemfokus kedO8berfungsi memfokuskan berkas elektron setelabkeluar dari tabung akselerator dimana T =500 keY.Lensa magnet dari sistem pemfokus kedO8 inimemerlukan 670 ampere-lilitan untukmempertahankan rapat fluks sekitar 2,8 x 10-2weber/m2 atau 280 gauss.

Sistem Pemayaran Berkas ElektroD

Dalam perancangan sistem pemayaranberkas elektron hanya digunakan satu buah medanmagnet pembelok karena konstruksi lebihsederhana dibandingkan dengan sistem pemayaranmenggunakan dO8buah medan magnet yang salingtegale lurus. Frekuensi pemayaran berkas elektrondalam arab tegale lurus terhadap gerakan babanyang diradiasi ditentukan dengan menggunakanpersamaan (10) di atas. Jika kecepatan bahan yangdiradiasi v = 10 mll1.1enit.diameter efektif berkaselektron clef= 4 mm daD = 0,8 (memberikanketakseragaman dosis tidale lebih dari 5%), makabesamya frekuensi pemayaran sekitar SOHz

Sudut pembelokan maksimum berkaselektron dipilih tidale lebih besar dari 200 karenapads sudol yang lebih besar,. energi elektron

Prosiding Pertemuan dan PresentasilimiahTeknologiAkselerator dan AplikasinyaVol.1 No.1 Juli 1999: 1-8

6

Volume 1 Nomor 1 Juli 1999 ISSN 1411-1349

berkurang cukup besar yang akan menyebabkankedalaman penetrasi elektron ke dalam permukaanbahan akan berkurang dan ketidak seragaman dosismenjadi besar. Berkas elektron yang melewatimedan magnet bolak-balik dengan medan magnetmaksimum Bo yang besarnya ditentukan denganpersamaan (11), dimana besarnya Bo tersebutterutama ditentukan oleh tegangan pemercepatberkas elektron danjarak pembelokan maksimum.Jika jarak pemayar dengan jendela 160 em. jarakpenyimpangan 60 em. maka jumlah lilitan sekitar920 liIitan untuk mempertahankan medan magnet0,012 weber/m2 (untuk arus 1ampere).

Sistem Hampa

Sistem hampa dirancang terdiri dari pompadepan berupa pompa rotari clan pompa utamaberupa pompa turbomolekul, yang dilengkapidengan katup-katup hampa, Pirani gauge. Penning

. gaugeclanmeterhampa.Sistem hampa untuk MBE 500 keVII0 mA

dirancang mampu mencapai tingkat kehampaansampai dengan 10-6torr. untuk itu diperlukan satu

bulb pompa rotari dua tingkat rang mempunyailaju pemompaan sekitar 14,6 m /jam. Sedangkanuntuk pompa utama dipilih jenis pompaturbomolekul yang mempunyai laju pemompaansekitar 280 liter/detik.

KESIMPULAN

Berdasarkan perancangan MBE yang telahdibahas di atas dapat diambil beberapa kesimpulansebagai berikul1. Sistem sumber elektron dirancang berupa

jenis katoda yang dipanaskan, bahan katodaadalah tungsten berbentuk spiral. Dipilihbahan tungsten walaupun orde pemanasantinggi. tetapi dapat menghasilkan arus berkaselektron cukup besar daD mudah diperolehdipasaran. Dipilih bentuk spiral karena untukmenghindari tetjadinya efek sputtering.

2. Sistem tegangan pemercepat berkas elektrondipilih jenis generator Cockcroft-Waltonkarena mampu menghasilkan tegangan yangcukup tinggi (orde ratusan kV) dengan arushingga mencapai orde puluhan IDA.

J. Sistem pemfokus berkas elektron terdiri dartdua bulb sistem.pemfokus pertama berfungsiuntuk memfokuskan berkas elektton yangkeluar dari sistem sumber elektron danpemfokus kedua memfokuskan berkaselektron setelah keluar dari tabungakselerator.

4. Sistem pemayaran berkas elektron berupamedan magnet bolak-balik dan hanya terdiridart satu medan magnet pembelok. Hal ini

dipilih agar supaya dalam konstruksi lebihsederhana tanpa mengurangi fungsinya.

5. Sistemhampa terdiri dart sebuah pompa rotaridaDsebuah pompa turbomolekul. diharapkandengan sistem pompa tersebut dapat dicapaitingkat kehampaan 10-6 torr yang telahmemenuhi persyaratan kehampaan sistemMBE.

DAFfAR PUSTAKA

1. SUZUKI. M. Recent Advances in HighEnergy Electron Beam Machine. Nissin-HighVoltage Co.. Ltd.. Proceedings of TheWorkshops on The Utilization of ElectronBeams. JAERI, (1990). 49-59

2. ALBERTINSKY, B.I.. High VoltageElectron Accelerators for RadiationTechnology. The Main Characteristics. TheDesign of Accelerators and Their Elements.Trainig Course on Low Energy Acceleratorsand Their Applications. Leningrad, USSR,(1988)

3. ZHOU QIZHANG, Electron AcceleratorsManufactured in China, UNDPIIAEAlRCARegional Training Course on EB Irradiation

. Technology. Shanghai Applied RadiationInstitute, Shanghai University of Science andTechnology, Shanghai. CHINA, (1991)

4. MACHI. S.. New Trends in IndustrialApplication ofEIectron Beam Machine. JapanAtomic Energy Research Institute. TakasakiRadiation Chemistry ResearchEstablishment. Proceedings of TheWorkshopson The Utilizationof ElectronBeams.JAERI,(1990).15-23

5. KHAIRUL, Z.. Potential Applications ofElectron Beam Machine in Malaysia,NuclearEnergy Unit, Proceedings of The Workshopson The Utilization of ElectronBeams. JAERI.(1990),24-38

6. SCHILLER, S.. et ai, Electron BeamTechnology. John Wiley & Sons, New York,(1982)

TANYAJAWAB

Purnomo Enuryanto

Perancangan Mesin Berkas E/ektron $00keVI1O mA, lenlu soja le/ah diperlimbangkanlenlang design (rancangan), biaya, wak/u donpenggunaan. Mohon dije/askan penggunaan dariMBE$OOkeVI1OmA, untu/cradiasiapasajasele/ahse/esai dibuat.

7PERANCANGANMESINeERKAS€LEKTRON500 keV/10 mA(Sudjatmoko, dkk.)

Volume 1Nomer 1 Juli 1999 ISSN-1411-1349

Sudjatmoko

Penggunaan utama adalah untuk prosespelapisan clanpengeringan (curing of coatings)

Syarip

1. Berapa kira-kira harga yang telah dirancangtersebut ? (/ebih mudah jika be/i jadi tinggalpakai. atau lebih maha/). Dengan kala lainapakah sudah dilakukan studi ekonomipembuatan MBE tersebut ?

2. Komponen (sub sistem apa dari MBE tersebutyang paling mahal) tinggi biayanya ?

Sudjatmoko

I. Perkiraan harga MBE yang dirancang adalahsekitar empat milyard rupiah, danjika belijadisekitar sepuluh milyard rupiah. Studiekonomi pembuatan MBE secara lengkapbelum dilakukan.

2. Komponen tabung akselerator, sistem somberelektron clansistem vakum.

Sudarti

Sebagai ap/ikasi MBE yang dirancang,belum ada ap/ikasinya untuk /ingkungan, yaitumenekan SO2, Nox dari suatu Cool Fire atau OilPower Plant. Dari sistem tersebut akanmempunyai hasil samping pupuk. Dari IAEAbuletin vol 36 no. 1, 1994, diperlukan danGsebesar $ 500 per kW untuk biaya instalasi danoperasi. Dari sisi ekonomi mungkin terlalu mahaltapi untuk keperluan pengenda/ian dampak/ingkungan, ap/ikasi tersebut perlu dipertim-bangkan, terima kasih.

Sudjatmoko

Aplikasi MBE dirancang hanya untukproses pelapisan clan pengeringan, sedangkanuntuk aplakasi lingkungan diperlukan energielektron lebih besar.

Anung Muharini

1. MBE yang ada di PAIR digunakan untuk apasaja, industri apa saja yang telahmemanfaatkannya ?

2. Selain di PAIR, di Indonesia sekarang siapalagi yang sudah mempunyai MBE

3. Bagaimana prospek ap/ikasi MBE dalambidang kedokteran di Indonesia.

Sudjatmoko

I. Digunakan untuk litbang clanproses pelapisandaD pengeringan; industri yang telahmemanfaatkannya adalah sarong tangan karetclanparkit kayo.

2. Pabrik ban Gajah Tunggal.3. Prospeknya cukup baik, khususnya untuk

sterilisasi peralatan kedokteran.

Prosiding Pertemuan daDPresentasi IImiahTeknologi Akselerator daDAplikasinyaVol. No.1 Juli 1999: 1-8

8