-
Fajar Hidayat Budi Santosa, dkk. ISSN 0216 - 312849-
STUD I SIMULASI UNTUK EVALUASI GEOMETRI PAD ARUANG IONISASI
SUMBER ION SIKLOTRON
Fajar Hidayat Budi SantosaProgram Pasca Sarjana Universitas
Gadjah Madae-mail: [email protected] Sa ins dan
Teknologi Akselerator BATAN
ABSTRAK
STUD! SIMULASl UNTUK EVALUASI GEOMETRI PADA RUANG /ONlSASl
SUMBER /ON
SIKLOTRON. Ruang ionisasi dalam suatu sumber ion merupakan ruang
yang di dalamnya molekul atauatom gas diionkan, terdiri atas
housing katoda dan ruang anoda Studi yang dilakukan secara
simulasimenggunakan program komputer berbasis CFD dimaksudkan untuk
menilai kemungkinan melakukanmodifikasi geometri head yang sudah
dibuat untuk mendapatkan unjuk kerja yang lebih baik. Hasil
anaUsismenunjukkan bahwa geometri head dengan panjang housing 42 mm
dan tinggi 16 mm merupakan geometriyang optimum. Dari hasil anaUsis
ditunjukkan juga bahwa perubahan geometri yang simetri dari
ruangantidak mempengaruhi distribusi tekanan gas yang merata di
dalam ruangan terse but.
Kata-kata kunci: siklotron, sumber ion, head ,housing katoda,
evaluasi geometri, tekanan gas.
ABSTRACT
SUMULATION STUDY FOR EVALUATION OF THE GEOMETRY ON THE CYCLOTRON
IONSOURCE IONIZATION CHAMBER. Ionization chamber of an ion source
is a chamber in which themolecules or atoms of gas to be ionized,
consisting of cathode housing and the anode chamber. The study
arecarried out by simulation methode using CFD-based computer
program intended to assess the possibility ofmodifYing the geometry
of the head that was constructed to obtain a better performance.
The results ofanalysis indicate that the geometry of the head that
the length of the housing 42 mm and height 16 mm is theoptimum
geometry. It can be also concluded that the symetry change of the
chamber geometry do not affectsignificantly on the even
distribution of gas pressure in the chamber.
Keywords: cye/otron, ion source, head, cathode housing, geometry
evaluation, gas pressure.
PENDAHULUAN
Sumber ion jenis PIG untuk siklotron DECY 13telah didesain,
dikonstruksi dan diuji fungsinya.Uji cob a sumber ion tersebut
telah dilakukan dan
dihasilkan arus ion H' sebesar 35yA pada
kondisiparameter-parameter pengujian, artinya bukan padaparameter
operasi siklotron[1]. Untuk keperluanpengembangan lebih lanjut,
masih diperlukanbeberapa inforrnasi mengenai karakteristik
darisumber ion tersebut, salah satunya adalah untukmenjawab
pertanyaan apakah geometri head sudahcukup optimum dalam
pembentukan ion-ion,
Ruang head pada sumber ion jenis PIG terdiriatas housing katoda
(cathode housing) dan ruanganoda (anode chamber), dan produksi
ion-ion atauplasma terjadi pad a ruang anoda. Dalampembentukan
ion-ion tersebut, faktor tekanan gasmemegang peran yang penting.
Tekanan gas yangkurang akan menyebabkan sulit terbentuknya
plasma,dan tekanan yang terlampau tinggi akanmenimbulkan tegangan
dadal yaitu terjadi jatuh
tegangan di antara anoda dan katoda di dalam headsumber ion.
Kondisi yang diinginkan adalahterjadinya plasma di ruang anoda yang
disebabkanproses glow discharge (lucutan nyala) yang
lazimnyaterjadi pada tekanan minimum 10,4 Torr danmaksimum pada
tekanan 10-1 Torr [2].
Pad a makalah ini disajikan tentang hasil-hasilsimulasi dari
pengaruh variasi geometri housingkatoda terhadap distribusi tekanan
gas di dalam ruanghead sumber ion. Karena di dalam ruang anoda
darisumber ion terse but merupakan tempat terbentuknyaplasma, maka
pengamatan distribusi tekanan di ruangini lebih ditekankan.
Pengaruh dari laju alir gasterhadap tekanan di ruang anoda juga
disimulasikan.Simulasi menggunakan perangkat lunak yangberbasis
Computational Fluid Dinamics (CFD). Darihasil-hasil tersebut akan
dapat dinilai apakahgeometri head yang sekarang ini telah dibuat
masihdiperlukan perubahan untuk optimasi. Kriteria yangdipakai
untuk menentukan optimasi adalah nilaitekanan gas dan distribusi
nilai tekanan di dalamruang plasma.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah - Penelitian Dasar
Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2014Pusat Sains dan Teknologi
Akselerator - BATAN
Yogyakarta,10-11juni2014
-
50 ISSN 0216 - 3128 Fajar Hidayat Budi Santosa, dkk.
(1)
TEORI
Pengaruh Tekanan Gas Terhadap LajuIonisasi
Untuk sumber ion jenis PIG, Je dapat diambil darirapat arus
lucutan elektron antara katoda dan anoda. Vadalah bagian volume
dimana atom-atom gasterionisasi, yang tidak harus sarna dengan
volumeruang ionisasi.
Nilai na dapat dihitung dari persamaan:
yang memungkinkan untuk mempelajari dinamikadari benda-bend a
atau zat-zat yang mengalir.
Secara definisi, CFD adalah ilmu yangmempelajari cara
memprediksi aliran fluida,perpindahan panas, reaksi kimia, dan
fenomenalainnya dengan menyelesaikan persamaan-persamaanmatematika
(model matematika). Pada dasarnya,persamaan-persamaan pada fluida
dibangun dandianalisis berdasarkan persamaan diferensial
parsial(PDE = Partial Differential Equation) yang
me-representasikan hukum-hukum konservasi massa,momentum, dan
energi [4].
CFD sebenarnya mengganti persamaan-persamaan diferensial parsial
dari kontinuitas,momentum, dan energi dengan
persarnaan-persamaanaljabar. CFD merupakan pendekatan dari
persoalanyang asalnya kontinum (memiliki jumlah sel takterhingga)
menjadi model yang diskrit Uumlah selterhingga).
Perhitungan/komputasi aljabar untuk memecah-kan
persamaan-persamaan diferensial parsial ini adabeberapa metode
(metode diskritisasi), diantaranyaadalah:
a. Metode beda hingga (finite difference method)b. Metode elemen
hingga (finite elements method)c. Metode volume hingga (finite
volume method)d. Metode elemen batas (boundary element method)e.
Metode skema resolusi tinggi (high resolution
scheme method).
Metode diskritisasi yang dipilih umumnya menen-tukan kestabilan
dari program numerik/CFD yangdibuat atau program software yang ada.
Olehkarenanya diperlukan kehati-hatian dalam caramendiskritkan
model khususnya cara mengatasibagian yang kosong atau diskontinyu.
Fluent sendirimenggunakan metode volume hingga.
(2)P
kT
Dalam sumber ion jenis PIG (PenningIonization Gauge) dimana
ionisasi terbentuk karena
tumbukan elektron, jumlah atom atau molekul tangdiionisasi
tergantung pada parameter-parameter[3 :1. Rapat arus elektron
(Ampere/m2), (Ie)2. Volume efektifionisasi (V)3. Jumlah
atom/molekul per satuan volume ruang
ionisasi (na)4. Tampang lintang ionisasi (0";)
Laju pembentukan ion dalam ruang ionisasi:
dengan P adalah tekanan gas, k tetapan Boltzmann =1,38.10'23 J/K
dan Tsuhu plasma dalam K.
Dari persarnaan (1) dan (2) tersebut terlihat bahwalaju ionisasi
dalam sumber ion dipengaruhi olehtekanan gas di dalam ruang
ionisasi atau ruangplasma. Dan tekanan dari gas dipengaruhi
olehgeometri dari ruang ionisasi.
Computational Fluid Dynamics (CFD)Metode perhitungan untuk
menghitung
besarnya tekanan gas di dalam ruang head secaraanalitik tidak
mudah, bahkan mungkin tidak dapatdilakukan mengingat bentuknya yang
tidaksederhana. Oleh karena itu untuk menentukanhubungan antara
geometri dari ruang head sumberion dengan tekanan gas digunakan
perangkat lunakkomputer yang berbasis metode ComputationalFluid
Dynamics (CFD).
CFD dapat didefinisikan menjadi dua kata yaitucomputational dan
fluid dynamics. Computationaladalah segal a sesuatu yang
berhubungan denganmatematika dan metode numerik atau
komputasi,sedangkan fluid dynamics adalah dinamika darisegala
sesuatu yang mengalir. Ditinjau dari istilah diatas, CFD bisa
berarti suatu teknologi komputasi
METODE PENELITIAN
Konstruksi Head Sumber Ion
Komponen head adalah komponen inti sumberion karena disini
proses pembentukan ion terjadi,terdiri atas ruang anoda, katoda dan
housing katoda.Gambar konstruksinya seperti pada Gambar 1.
Ruang head terdiri atas housing katoda(selanjutnya disebut
housing saja) dan ruang anodaatau kolom plasma. Lobang gas yang
akandimasukkan terletak pada sisi housing. Katodabertegangan
positif 2 kV terhadap housing dananoda. Tegangan tersebut
menyebabkan lucutanatom-atom gas dan terbentuk plasma pada
ruanganoda.
Ukuran detil acuan housing dan anoda padahead sumber ion
ditunjukkan pada Garnbar 2 [5].
Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah- Penelitian Dasar
IImuPengetahuan dan Teknologi Nuklir 2014Pusat Sains dan
TeknologiAkselerator - BATAN
Yogyakarta,10-11 juni 2014
-
Fajar Hidayal Budi Santosa, dkk.
Keter"n9·m:1, Housing k
-
52 TSSN 0216 - 3128Fajar Hidayat Budi Santosa, dkk.
nya eukup diambil setengah bagian. Demikian jugakarena sifat
simetri azimutal, maka pemodelannyadilakukan pada Gambar 2 dimensi.
Setelah selesaidibuat model kemudian dilakukan meshing yaitudibuat
elemen-elemen kecil yang berguna dalamproses perhitungan. Gambar
model dan hasilmeshing ditunjukkan pada Gambar 3.
Gambar 3. Model rongga rongga head danmeshing.
Dalam model tersebut, gas dimasukkan melaluilubang I (inlet)
yang berdiameter 1 mm dan gaskeluar melalui lubang 0 (outlet) yang
berdiameter1,2 mm. Untuk georrietri aeuan mempunyai ukuranp=42 mm
dan t=16 mm.
Proses Perhitungan
Dengan program solver dihitung distribusitekanan di sepanjang
sumbu rongga anoda berdasarnilai-nilai parameter tetap yaitu besar
aliran gasmasuk dan tekanan di aliran keluar. Perhitungandilakukan
dengan memvariasi variabel bebas yaitugeometri housing, dengan
hasil yang diamati(variabel terkait) adalah tekanan gas pada
kolomplasma. Setiap perubahan geometri diulangi lagiprosedur
pertama di atas.
Variasi geometri housing yang mempengaruhitekanan gas seeara
sederhana dapat memperbesaratau memperkecil panjang dan tinggi
rongga housing.Untuk memperbesar panjang tidak dimungkinkankarena
akan menghalangi putaran awal berkas ion.Sebaliknya untuk
memperkeeil tinggi housing tidakdimungkinkan karena akan menjadikan
jarak antarakatoda yang bertegangan tinggi dengan dindinghousing
menjadi terlalu' dekat. Jadi yangdimungkinkan adalah memvariasi
panjang menjadilebih kecil dan memvariasi tinggi housing
menjadilebih besar.
Parameter tetap yang diberlakukan dalamsimulasi ini adalah:
1. Keeepatan aliran masuk dari gas (VinJel = 0,105m/s)
2. Tekanan vakum di keluaran gas (POll/PilI = 0,105m/s)
3. Diameter masukan gas 0,00] m4. Diameter keluaran gas 0,00]2
m
Parameter pertama ditentukan berdasarkan simulasipendahuluan
bahwa nilai keeepatan tersebutmerupakan nilai minimum terbentuknya
plasma padasumber ion yaitu pada kira-kira ]0.4 Torr.
Parameterkedua ditentukan berdasar operasi yang urnurn
padasiklotron pemereepat ion negatif. Parameter ketigadan keempat
adalah berdasar desain aeuan yang ada.
Langkah-Iangkah variasi geometrinya adalah:
I. Dengan tinggi housing awal ]6 mm, divariasipanjangnya mulai
dari panjang aeuan sebesar 42mm diperkeeil menjadi 35 em, 30 em, 25
em dan20 em. Setiap ukuran panjang dilihat distribusitekanan di
sepanjang sumbu aksial ruang anoda,dengan mengambi] 4 titik yaitu
titik - titikA,B,C,D dan E seperti tertera pada Gambar 3.
2. Dengan mengambil nilai panjang housing yangdistribusinya
terbaik, nilai tinggi housingdiperbesar dari nilai aeuan ]6 mm
menjadiberturut-turut 20 mm, 25 mm dan 30 mm. Dalamhal ini juga
akan diambil distribusi tekanan yangpaling rata.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Untuk mengetahui bahwa simulasi berprosesdengan benar maka
terlebih dahulu disimulasikanvektor keeepatan dari aliran gas di
dalam housingdan ruang anoda, hasilnya ditunjukkan pada
Gambar4.
Dari gambar tersebut terlihat bahwa aliran gasyang masuk
mengarah ke ruang anoda dan keluarmelalui lubang aliran keluar.
Mula-mula konsentrasialiran keeil dengan keeepatan tinggi
kemudiankonsentrasinya membesar dengan keeepatanmenurun dan kembali
konsentrasinya mengeeildengan keeepatan yang naik pada bagian
lubangkeluar. Besar keeepatan di housing tampak hampirnol. Dengan
fenomena seperti itu dapat dikatakanbahwa simulasi berproses dengan
benar.
Variasi Panjang HousingData-data kuantitatif dari distribusi
tekanan
sepanjang sumbu ruang anoda ditunjukkan padaTabel ].
Prosiding Pertemuan dan Presentasi I1miah- Penelitian Dasar
I1muPengetahuan dan Teknologi Nuklir 2014Pusat Sains dan
TeknologiAkselerator - BATAN
Yogyakarta,10-11juni 2014
-
Fajar Hidayat Budi Santosa, dkk. ISSN 0216 - 3128 53
Gambar 4. Hasil simulasi vektor kecepatan aliran gas.
Tabel 1. Data kuantitatif distribusi tekanan gassepanjang sumbu
ruang anoda dalamsatuan pascal, dengan variasi panjanghousing.
Panjang Tekanan gas (Pa) pada titik-titik:housing, nun
ABCDE
20
1,23 x 10"1,23 xIO"I ,23 X 10"1,23 xIO"1,23 x 10-'
25
1,17xIO"1,17xlO"1,17xIO·21,17xIO':I,J7xIO"
30
1.22x 10.01.22x 10-21,22xIO-21.22xl0·~1,22xIO-2
35
1,23x10'01,23xIO"1,23xlO':l.Z3xIO':1,::?:3xIO·2
42
U6XIO"1,36xI0"1.36xlO·21,36xI0':1,36xI0"
Dari data-data pada Tabel I tersebut terlihat bahwapada variasi
panjang hOl/sing antara 20 hingga 40mm menghasilkan distribusi
tekanan gas yang sarnadi sepanjang sumbu rongga anoda. Dengan kata
lainperubahan panjang hOl/sing tidak berpengaruh padadistribusi
yang merata dari tekanan di rongga anoda.Jika diamati secara
kuantitatif, pada panjang 42 mmmemberikan tekanan yang relatif
lebih besardibandingkan panjang hOl/sing yang lebih pendek.Karena
tekanan yang lebih besar dari I x 10'4 Torrhingga tekanan I x 10-1
Torr akan menghasilkanintensitas plasma yang lebih baik
dibandingkantekanan di bawahnya, maka disini dapat dikatakanbahwa
untuk ukuran panjang hOl/sing 42 mmmerupakan ukuran yang tepat
untuk desain headsekarang ini. Pengamatan terhadap kelima
hasilvariasi panjang dapat dikatakan bahwa distribusitekanan di
hOl/sing juga cukup merata, kecuali padaukuran panjang 20 mm,
tetapi perbedaan itu kira-kirahanya 50%.
Variasi Tinggi Housing
Hasil-hasil simulasi untuk ukuran tinggihOl/sing 16 mm dan 30 mm
dari distribusi tekanansepanjang sumbu ruang anoda ditunjukkan
padaTabel 2.
Tabel 2. Data kuantitatif distribusi tekanan gassepanjang sumbu
ruang anoda dalamsatuan pascal, dengan variasi tinggihousing.
Tinggi Tekanan gas (dalanl Pa) pada litik-titik:
hOllsmg,
ABCDE
rom 16
1.36 x 10"1,36 xlO"1,36 xIO,'1,36 xlO"1.36 xlo-'
20
l.27xl0·'1.27xI0"l.27xI0,'1,27xlO"1,44xl0"
25
l,56xIO"1,56xlO"1,56 x10·21,56XIO"1,56xlO"
30
l.27xI0·'1,27xI0-'1,27xlo-'1,27xlo-'I,4Sxlo-'
Dari data-data pada Tabel 2 tersebut terlihat bahwapada variasi
tinggi housing antara 16 hingga 30 mmjuga menghasilkan distribusi
tekanan gas yang sarnadi sepanjang sumbu rongga anoda,
sebagaimanadiperoleh pada variasi panjang housing. Memangpada
tinggi 30 mm tekanan pada titik E berbedadengan titik-titik yang
lain, tetapi perbedaan tersebutkira-kira hanya 10%.
Pengamatan terhadap kelima hasil variasi tinggimenghasilkan
suatu data secara visual bahwadistribusi tekanan di housing juga
cukup merata.Hasil ini sarna seperti yang diamati pada
variasipanjang.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah- Penelitian Dasar IImu
pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2014Pusat Sains dan
TeknologiAkselerator - BATAN
Yogyakarta,10-11 Juni 2014
-
54 ISSN 0216 - 3128 FajarHidayatBudiSantosa,dkk.
TANYAJAWAB
ISSN 1411-1349,Yogyakarta, 20 I 1.
2. Rovey J.L., Design Parameter Investigationof aCold Cathode
Penning Ion Source for GeneralLaboratory Applications, Journal of
PlasmaScience and Technology, 17(3),2008.
Slamet Santosa
- Apakah sudah dilakukan variasi geometri, isiangas, tegangan
yang dijadikan parameter simulasi?Kalau belum mohon dilakukan dan
diamatipengaruh terhadap ion yang terbentuk (sumberion diinginkan
untuk menghasilkan arus yanglebih besar).
3. Goebel, D.M., Wirz, R.E., & Katz, 1., AnalyticalIon
Thruster Discharge Performance Model,Journal of Propulsion and
Power, 23 (5) (2007) 5.
4. Tuakia, F, Dasar-dasar CFD MenggunakanFLUENT, Informatika,
Bandung, 2008.
5. Silakhuddin, Rancangbangun Prototipe SumberIon Siklotron J 3
Me V Untuk Siklotron ProduksiRadioisotop Untuk Fasilitas
DiagnostikKedokteran Nuklir PET, Laporan ProgramInsentifP! PKPP,
PTAPB BATAN, Yogyakarta,2010.
PTAPB-BATAN,13,
Suatu ruang dari head sumber ion telah diamatipengaruh perubahan
geometri ruangannya terhadapdistribusi tekanan gas di dalamnya.
Dari simulasiyang telah dilakukan pada geometri housing katodadari
sumber ion diperoleh data bahwa variasi panjangdan tinggi housing
tidak berpengaruh secara nyataterhadap distribusi yang merata pada
ruang headtersebut. Geometri head yang sekarang sudah dibuatyaitu
dengan panjang housing katoda 42 mm dantinggi 16 mm merupakan
geometri yang relatifoptimum dibandingkan ukuran-ukuran yang
lain.
KESIMPULAN
UCAP AN TERlMA KASm
Analisis HasH Secara Umum
Jika kasus geometri head sumber ion dipakaiuntuk kasus yang
lebih umum yaitu suatu ruanganyang di dalamnya terdapat sirkulasi
gas, makadistribusi di daJam ruangan tekanan gas tetap
meratasekalipun dilakukan perubahan geometri ruangannya.Tetapi
hasil ini baru dapat dibuktikan untuk kondisi-kondisi:
1. Perubahan geometri yang simetri, dan2. Untuk ruangan yang
ukuran gas masuk dan
keluarnya keci!.3. Sirkulasi gas hanya dalam ukuran beberapa
puluh
cc/menit.
Terima kasih disampaikan kepada Rio SuryaDarmawan yang telah
membuat gambar darigeometeri head sumber ion.
DAFTAR PUST AKA
1. Silakhuddin dan Sunarto, Eksperimen Uji PadaDaya Tinggi Dari
Head Sumber Ion UntukSiklotron, Prosiding Pertemuan dan
PresentasiI1miah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya,
Fajar Hidayat Budi Santosa
Penelitian yang sudah dilakukan saat ini adalahstudi simulasi
untuk evaluasi geometri padaruang ionisasi sumber ion siklotron,
jadi masihdibatasi pada struktur geometrinya saja,sehingga
kedepannya perlu dilakukan penelitianlebih lanjut untuk variasi
tegangan sebagaiparameter simulasi. Jadi dapat diperolehinformasi
mengenai arus yang dihasilkandidalam sumber ion siklotron.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah - Penelitian Dasar
IImu Pengetahuan dan Tekno1ogi Nuklir 2014Pusat Sains dan Teknologi
Akselerator - BATAN
Yogyakarta, 10-11juni 2014