92 ISSN 0216 - 3128

KONSTRUKSI DAN KARAKTERISASI UNJUKPERANGKAT UJI SUMBER ION SIKLOTRON

Silakhuddin, Sunarto dan SukidiPusat Sains dan Tekn%gi Akse/erator SA TAN

Email: silakh@batango.id

ABSTRAK

Si/akhuddin, dkk.

KERJA

KONSTRUKS/ DAN KARAKTERISASI UNJUK KERJA PERANGKA T WI SUMBER ION

SIKLOTRON. Pembuatan sualu perongkal untuk menguji suolu sumber ion bualan sendiri lelah dilakukan,dan eksperimen unluk mengamali karaklerislik perangkatlersebul juga sudah dikeljakal1. Eksperimen inidimaksudkan unluk mengelahui apakah sistem perangkal pengujian lersebut le/ah siap digunakan unlukpenenluan parameler-parameler operasi sumber ion yang oplimum. Pengamalan lelah dilakukan lerhadapunjuk kerja komponen per komponen dan juga pengamalan unjuk kerja dari sislem perangkat. Hasi/pengujian menunjukkan bahwa perangkal lersebul mampu unluk menguji sumber ion dengan kondisikevakuman 5 :.00-6 Torr, pendaran plasma ionisasi dapal leramali, medan magnel maksimum di pusalionisasi sebesar 1000 gauss. Unil calu gas mempunyai abnormalitas dalam ni/ai bukaannya un/uk memulaiadanya aliran gas, lelapi unjuk kerjanya konsislen Dengan dala-dala tersebut dapat disimpu/kan bahwaperangkat siap untuk eksperimen dasar da/am rangka menentukan parameter-parameter operasi yangoptimum dari sumber ion

Kala kunci: sik/otron, sumber ion, perangkat uji, karakterisasi

ABSTRACT

CONSTRUCTION AND PERFORMANCE CHARACTERIZATION OF THE CYCLOTRON IONSOURCE TESTING DEVICE. A device to test a homemade ion source has been constructed, and the

experiments have been conducted to observe the characteristics of the device. The experiments are intendedto determine whether the system was ready for tesling to determine the optimum operaling parameters of theion source. Observations have been made 10 the pelformonce of a compollent by component and also to theperformance of device system. The lesl resulls illdicate Ihat the device is able to lest the ion source with thevacuum condition of 5 x 10.6 Torr. the plasma iOllizolioll lumillescellce call be observed. the ma~imummagnetic field at the center of the ionizolioll of /000 gauss. Gas SIIpp~v III/it has obllorll/alil)' ill its openingvalue 10 start the jlow of gas, but the performollce sti// be cOllsistellt. With these data it can be concluded that

the device is ready for basic experimellts in order to determille the optimum parameters of operation of theion source.

Keywords: cyclotron, ion source, tesling device, characterizalion

PENDAHULUAN

Suatu sumber ion untuk siklotron yang dibuatterlebih dahulu perlu diuji dalam perangkat ujiyang parameter-parameter operasi mendekati ataupada nilai yang dapat diekstrapolasi kepada nilai­nilai parameter operasi sumber ion di fasilitassiklotron. Untuk maksud itu, telah dibuat suatuperangkat yang akan dipakai untuk menentukan nilaiparameter-parameter operasi yang optimum darisumber ion untuk siklotron melalui eksperimen­eksperimen yang akan dilakukan. Kegiatan pengujianterhadap perangkat tersebut sudah dilakukan yangdimaksudkan untuk mengetahui kesiapan perangkattersebut dalam eksperimen uji kine~ia sumber ion.

Sebagaimana sudah disajikan pada makalahsebelum ini, untuk keperluan pembuatan perangkat

ini telah dilakukan penentuan nilai parameter­parameter dari perangkat tersebut adalah catu gashidrogen 0-50 cc/menit, tegangan puller hingga 10kV dan medan magnet hingga 1000 gauss [1J.

Perangkat ini juga dilengkapi dengan jendela untukmelihat pendaran di ruang plasma sumber ion.Berdasar penentuan tersebut sekarang sudah diwu­judkan pembuatan komponen-komponen penyusundari perangkat terse but dan sudah diintegrasikandalam suatu sistem perangkat uji. Pada makalah inidisajikan realisasi hasil pembuatan dan pengujiankomponen-komponen dari pcrangkat tersebut sertapcngujian sistcm pcrangkat. Tidak dibahas disinitcntang subperangkat bantu misalnya subperangkatvakum, subperangkat pendinginan air dan subperang­kat catu tegangan katoda karena jenis subperangkatini bukan hal yang spesifik.

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah - Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2014Pusat Sains dan Teknologi Akselerator - BATAN

Yogyakarta, 10-11 Juni 2014

Silakhuddin, dkk

TATA KERJA

ISSN 0216 - 3128 93

Komponen-komponenPembuatan komponen mengacu pada rancangan

yang sudah ditentukan dalam tahap penentuanparameter komponen yaitu [II:1. Subperangkat tabung wadah sumber ion dengan

ruang vakum di dalamnya, ukurannya dapatmewadahi sumber ion (SI), dilengkapi denganviewer untuk memonitor pendaran ionisasi dihead sumber ion. Subperangkat ini jugadilengkapi komponen mekanik interface vakumyang memungkinkan sumber ion dapatdigerakkan tetapi tetap terjaga kevakumannya.

2. Magnet-elektro yang ukuran fisiknya sudahditentukan sesuai dengan ukuran tabung ruangvakum

3. Suatu subperangkat catu gas yang dapat diaturlaju alir gas dan mencatu gas hidrogen dalamdaerah laju alir sekitar lO cc/menit.

Tahapan Pembuatan

I. Pembuatan tabung wadah sumber ion yangdihubungkan dengan sistem vakum danpembuatan komponen mekanik intelface vakumdan instalasinya pad a tabung wadah.

2. Pembuatan magnet elektro untuk membangkitkanmagnet di head SI.

3. Instalasi komponen-komponen subperangkat catugas yang terdiri atas tabung penyedia gas,pengatur aliran dan pengukur catu gas.

Tahapan Pengujian

1. Pengujian tabung ruang vakum dan komponenmekanik interface vakum untuk menilaikemampuan kevakuman.

2. Pengujian magnet-elektro terhadap kemampuanpembangkitan medan magnet.

3. Pengujian subperangkat catu gas dalampengaturan aliran dan monitoring besarnya lajugas.

4. Pengujian kinerja sistem perangkat diuji dalampembangkitan plasma dan fungsi dalam produksiberkas ion. Pengujian fungsi secara kualitatifyaitu terdeteksinya secara visual adanya plasmamelalui viewer dan secara kuantitatif terukurnyaarus berkas pada penangkap berkas.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Konstruksi Perangkat KeseluruhanSesuai dengan data desain, tetah dibuat

komponen-komponen dan dikonstruksi perangkatuntuk optimasi parameter operasi SI sepertiditunjukkan pada Gambar I. Deskripsi dari kom­ponen-komponen serta fungsinya diuraikan sebagaiberikut:

Gambar I. Foto perangkat uji sumber ion (tidakterlihat dalam foto adalah perangkat catugas)

Pada perangkat ini, sumber ion (SI) yanghendak diuji parameter-parameter optimumnyaditempatkan pad a tabung wadah SI dalam kondisikevakuman hingga tingkat 10'6 Torr oleh operasipompa vakum turbomolekul dan pompa vakummekanik. CalU tegangan katoda mencatu teganganhingga minimum 2 kV terhadap anoda (yangbertegangan tanah) pada katoda SI yang berada dihead nya. Subperangkat catu gas mengalirkan gas H2

ke ruang ionisasi yaitu di rongga anoda pada head SI.Dalam subperangkat ini terdapat variable valve yangmengendalikan laju aliran gas secara halus danbesarnya laju aliran dimonitor melalui suatuflowmeter Kombinasi antara tegangan katoda-anodadan medan magnet yang ditimbulkan oleh magnet­elektro akan timbul ionisasi atom hidrogen di ronggaanoda yang kemudian terbentuk ion H' dan W.Tegangan puller hingga hingga 10 kV akan menarikion-ion H' keluar dari rongga anoda dan ditangkapoleh pengukur arus ion. Dengan perangkat iniparameter-parameter operasi yaitu debit gas, tegang­an katoda, kuat medan magnet dan tegangan antarapuller-anoda dapat divariasi untuk mendapatkannilai-nilai optimumnya.

Konstruksi dan Pengujian Komponen

I. Komponen tabung wadah sumber ionTabung wadah Sl berbentuk silinder terbuat

dari stainless-steel, seperti ditunjukkan pada Gambar2.

Untuk mewadahi sumber ion yang berukuran panjang70 cm dan diameter 8 cm maka tabung ini dibuatberukuran lebih besar dari ukuran tersebut yaitupanjang /=90 cm dan berbentuk silinder berdiameterd= 10 em dari bahan stainless steel.

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah - Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2014Pusat Sains dan Teknologi Akselerator - BATAN

Yogyakarta, 10-11 juni 2014

94 ISSN 0216 - 3128 Silakhuddin, dkk.

head sumber ion tabung wadah.j..

__i_oj s"aluran air

komponenimertace

viewer

pompeturbomolekul

Gambar 2. Tabung wadah sumber ion, komponeninterface, viewer dan pompa turbomolckul

Pada bagian pangkal kanan tempat sumber iondimasukkan dan pada bagian ujung kiri dipasang dua

feedthrough untuk tegangan puller dan pengukur arusion. Di bagian arah sisi dari head sumber iondipasang suatu viewer dari gelas pleksi untuk melihatpendaran pada slit anoda sebagai indikator bahwaplasma terbentuk di dalam rongga anoda sumber ion.Tabung wadah SI ini divakumkan oleh pompa vakumturbomolekul dan yang di back-up oleh pompamekanik.

Pengujian telah dilakukan untuk memeriksa

kesiapan sistem vakum pada perangkat uji sumberion dalarn eksperimen optimasi sumber ion. Denganmengoperasikan sistem vakum tinggi pada sistemperangklat uji sumber ion, diperoleh kondisi vakumseperti ditunjukkan pada Garnbar 3.

45

40

tidak ada kebocoran pendingin air atau efekpengembunan pada ruang vakum .

3. Diperlukan waktu kurang lebih 3 jarn untukuntuk mencapai kevakuman maksimum5x 10.6 mbar. Dalarn operasi siklotron pe­mercepat ion negatif diperlukan kevakumandalam daerah 10.7 mbar sebelum gas hidro­gen dimasukkan. lni berarti tingkat keva­kuman perangkat pengujian ini masih perluditingkatkan jika diinginkan eksperimen ujisumber ion yang sarna dengan kondisi keva­kuman pada siklotron. Peningkatan keva­kuman dapat dilakukan dengan menambahsatu unit vakum tinggi yang paralel denganpompa turbo molekul yang sudah terpasang.

2. Magnet-elektroDengan mempertimbangkan ukuran-ukuran

head sumber ion dan tabung wadah sumber ion disekitar head serta dengan melihat ukuran plat besiuntuk inti magnet, maka dibuatlah ukuran intimagnet-elektro seperti pada ditunjukkan Gambar 4.

Waktu pemv akuman, m enit

Garnbar 3. Lama pemvakuman kevakuman daritabung wadah sumber ion

Dari data pengujian dapat diperoleh datakarakteristik tabung wadah tersebut yaitu

1. Kevakuman mencapai 5 x 10.6 mbar, iniberarti bahwa tidak ada kebocoran yangsignificant

2. Setelah pendingin air dijalankan kevakumantidak mengalami penurunan yang berarti

\..------- ..•-..--.-.--

(1)

35

ro

~ 30E

oI?C) 25xc;- 20roc:ro:x. 15OJI-

10

50 100 150 200 250 300

Gambar 4. Magnet-elektro (ukuran dalam mm)

Inti magnet disusun dari besi-besi trafo dalamkonfigurasi rongga bentuk H penuh dengan kutubmagnet ada di tengah yang dikelilingi oleh koil untukaliran arus listrik. Penyusun inti magnet adalah plat­plat besi trafo berketebalan 0,5 mm dan koil terdiri750 Iilitan dari kawat tembaga berdiarneter I mm.

Pengujian telah dilakukan untuk memeriksa

kesiapan komponen magnet-elektro dalarn membang­kitkan medan magnet pada perangkat uji sumber ion.Dengan mencatu arus listrik pada koil magnet-elektrodiperoleh data-data pengukuran kuat medan magnetdi titik pusat gap (yang nantinya sarna dengan titikpusat rongga anoda). Hasil pengukuran dibandingkandengan formulasi [2J

B = 1,0N!9

dengan B medan magnet dalam Tesla, fJn

pcrmcabilitas ruang hampa = 4rrx 10.7, N jumlah

Prosiding Pertemuan dan Presentasi I1miah - Penelitian Dasar !lmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2014Pusat Sains dan Teknologi Akselerator - BATAN

Yogyakarta, 10-11 luni 2014

Silakhuddin, dkk ISSN 0216 - 3128 95

ilHmel kendilli1:..--__ ,

3. Unit catu gasRangkaian unit catu gas diperlihatkan pada

Gambar 6.

Gambar 6. Unit catu gas

Komponen-komponen penting di dalam dalan1 unitini adalah variable valve dan flow meler. Variable

lilitan koil magnet-elektro, I arus pembangkitandalam Ampere dan g lebar celah di antara dua kutubmagnet.Data pengukuran dan perhitungan ditunjukkan padaGambar 5.

.

J

)•.•.•.•.•.•.•.•.•.•.• '•.• '•.•.•.•.•.•.• "ralo

\0

t ~ _

1'~ -

~z ~ I I I I I Io ~ '0 1$ ZO 2S

Gambar 7. Karakteristik laju alir fungsi prosentasebukaan valve

Dari kurva terse but terlihat bahwa bukaan valve tidak

segera berakibat adanya penunjukan aliran gas padaGFM setelah nilai bukaan valve di atas 20% terjadiindikasi adanya aliran gas. Kemungkinan pertamaadalah sensivitas dari GFM yang kurang pada aliranyang masih sangat kecil, atau kemungkinan keduaadalah prosentase bukaan valve PSV yang karenakonstruksi mekaniknya memang belum memungkin­kan adanya aliran gas yang lewat. Untuk mengujikemungkinan pertama tidak mudah karena berartiharus disediakan flow meter pembanding yang lebihsensitif. Kemungkinan kedua dapat diuji denganmelihat efek bukaan valve PSV terhadap kevakumanpada ruang vakum tabung pengujian sumber ion.Pada Gambar 8 ditunjukkan hasil pengujian darikemungkinan kedua tersebut.

Dari Gambar 8 terlihat bahwa tekanan mulai

naik atau kevakuman mulai turun ketika prosentasebukaan valve pada nilai 20, yang ini persis samadengan pengaruhnya pada nilai laju alir gas. Jadidapat disimpulkan bahwa valve PSV dan pipa salurangas dari valve hingga ke msm mulai berfungsi ketikanilai bukaannya minimum sebesar 20%.

valve tipe proportionating solenoid valve (PSV)buatan Aalborg telah dipilih dalam konstruksi ini.Dalam operasi catu gas menggunakan botolpersediaan gas bertekanan 2000 psi dan laju alirbekerja pada kira-kira 10 cc/menit, sehingga laju alirper tekanan adalah sebesar 0,005. Dalam konstruksiini digunakan PSVI yang mempunyai koefisien lajualir 0,009 [3]. Untukflow meter digunakan gas flowmeter (GFM) juga buatan Aaalborg, dan telah dipilihGFM 17 yang mempunyai daerah operasi laju alir 0­50 cc/menit [4], yang ini sesuai kebutuhan untuk lajualir operasi sumber ion kira-kira 10 cc/menit.

Hasil pengujian unjuk kerja dari PSV ditunjuk­kan pada Gambar 7.

P,osentase bukaa /'I vallfe

16

T

14T

12T

10

Arus listrik, amper

1200

1000~

:J800'" C)

of 000c C)'"Ec

41)0'" u(l)

200 1::; l1

o~ I

Gambar 5. Medan magnet dari magnet-elektronsebagai fungsi arus listrik pembangkitan,

-.- hasil pengukuran dan -.- hasilperhitungan formulasi (I)

Hasil perhitungan sedikit di atas hasil pengukuran,dan ini normal terjadi. Pertama adanya efekjringingfield yang menyebabkan pengurangan medan magnetdi tengah. Kedua karena sebenarnya pada formulasi(I) ada penyederhanaan pada penyebutnya yangmestinya bukan saja g tetapi g + IIIl di mana Ipanjang lintasan garis gay a magnet mengelilingicelah-kutub magnet - inti magnet, dan Ilpermeabilitas besi yang nilainya besar sekalisehingga faktor lill menjadi keci!. Secara umumdapat dikatakan bahwa pola kenaikan medan magnethasil pengukuran yang mengikuti pola hasilperhitungan menunjukkan bahwu desain magnetelektro sudah benar.

regulato, ~g~~~ ~ ~ .. sO/ellft valve

~I v,,(ve • slImber iOIl8 ".~

~Ii

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah - Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2014Pusat Sains dan Teknologi Akselerator - SATAN

Yogyakarta, 10-11 Juni 2014

96 ISSN 0216 - 3128 Silakhuddin, dkk.

j//

~~.~~~-.-.-.-.....~~--.~~~~-.

~ 2~E

., 20C>xE ,..£>'"c 102'"

"C:1 015

:iiti 0•.... I • I , , •

10 1~ 20

ProsentasB bukaa n valve

Gambar 8. Pengaruh bukaan valve terhadap tekananruang vakum

4. Pengujian Sistem Perangkat

Pengujian fungsi dalam pembentukanplasma

Setelah aliran gas dinaikkan hingga 2 cc/mcniLkevakuman tumn dari semula 5 x 10'6 Torr mcnjadi 3x 10'5 Torr. Setelah tegangan katoda din~ikkanhingga 1890 Y, arus listrik magnet-elektro dinaikkan,teramati timbulnya pendaran yang terlihat pada slitanoda sebagai tanda terjadinya ionisasi di ronggaanoda pada nilai arus lOA, yang berdasarkan pengu­kuran dengan gaussmeter setara dengan 465 gauss.Terjadinya ionisasi juga diyakinkan dengan aruskatoda sebesar 5 mA.

Pengujian fungsi dalam pembentukan arusberkas ion

Pengujian ditunjukkan pada Gambar 9, yangmerupakan bentuk skematik dari Gambar I.

pi;]! magne-tofllktro

pengulrul [g]arusion katoda rumahkatoda\ \ }

air

lsunloet

11'1gangal'1

'pl1l\er

'-~3S T$umber«, +d'y'(,.., katoda

Gambar 9. Skema pengujian sistem sumber ion

Pembentukan arus berkas ion teI:iadi bila diberitegangan puller untuk menarik ion-ion dari ruanganoda. Untuk pengujian dalam pembentukan berkasion, sistem perangkat dilengkapi dengan pullerbertegangan hingga 10 kY untuk menarik berkas iondari head dan sepotong plat yang terisolasi untukmengukur arus berkas ion. Pada nilai parametersewaktu pengujian pembentukan plasma seperti

lcrsebul di alas, tcgangan puller dinaikkan secaraberlahap, hasilnya dilunjukkan pada Gambar 10.

3.

30

T egangan pullor, kV

GambaI' 10. Artis ion sebagai fungsi tegangan puller.

Pada pcngujian-pengujian selanjutnya yang dilaku­kan adalah membuat salah satu dari parameteroperasi secara bergantian dinaikturunkan, hasilnyaadalah arus ion juga mengalami naik turun secarakonsisten.Demikian juga apabila salah satu parameterdibuat nol maka arus ion juga menjadi nol. Dari dataeksperimen-eksperimen tersebut ditunjukkan bahwaperangkat uji sudah terbukti dapat digunakan untukmenguji kemampuan sumber ion dalam menghasil­kan arus berkas ion.

KESIMPULAN

Pengujian terhadap perangkat uji sumber ionbaik pengujian masing-masing komponen maupunsecara sistem telah dilakukan. Komponen tabungwadah sumber ion telah menunjukan kevakumanpada batas minimum untuk pengujian dan peman­tauan pendaran pada ruang ionisasi telah berfungsi.Akan tetapi untuk standard pengujian seperti padasistem siklotron. komponen ini masih perlu penam­bahan unit pompa vakum tinggi. Karakteristikmagnet-elektro sesuai dengan desain. Unit catu gassedikit l1lenunjukkan abnormalitas yaitu gas mengalirsetelah nilai bukaannnya sudah l1lencapai 20%, walaudemikian karakteristiknya menunjukkan konsistensisehingga tidak akan mengganggu operasional pengu­jian. Pengujian secara keseluruhan sistem perangkatmenunjukkan bahwa untuk maksud pengujian dasar,perangkat ini sudah berfungsi seperti yang diharap­kan.

DAFTAR ACUAN

I. Silakhuddin, Siamet Santosa dan Sunarto,

(2012), Penentuan Parameter KomponenPerangkat Uji Sumber Ion Siklotron, ProsidingPertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ill1liah- Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2014PlIsat Sains dan Teknologi Akselerator - BATAN

Yogyakarta, 10-11jllni 2014

Si/akhuddin, dkk ISSN 0216 - 3128 97

Akselerator dan Aplikasinya, ISSN 1411-1349,Vol 14, PTAPB-BATAN, YogyakartaNopember 2012.

2. Neil Marks, (2006), Conventional Magnets forAccelerators, CERN of Accelerators School,Zakapane Oct 2006,http://cas.web.cern. chi cas/zakopane-2006/PDFs/Marks-Magnets.pdt: diunduh 17April 2014.

3. Aalborg Catalogue 2014, Table 73 - Max FlowRates and Cv Values for PSV, AalborgInstruments, New York USA.

4. Operating Manual GFM Mass Flow Meters2010, Aalborg Instruments, New York USA.

Tri Mardji Atmono

- Hubungan antara arus listrik dengan medanmagnet yang dihasilkan tidak selalu linier tentuada nilai jenuh pada arus tertentu, tergantungbahan magnetSaran untuk grafik I tidak perlu ditampilkan(hubungan antara waktu dengan tekanan vakum)

- Sebaiknya digunakan persamaan (hukum) yangada untuk menentukan terjadinya dischargehingga timbul plasma yang melibatkan tegangan,tekanan gas dan besaran lainnya.

Silakhuddin

Pada pengukuran medaan magnet dari magnetelektro baru sampai arus 15 amper,jadi mungkinmedaan magnetnya belumjenuh.

- Saran akan dipertimbangkan- Deteksi adanya plasma diindikasikan dengan

adanya pendaran pada ruang ionisasi danadanya arus katoda. Studi dengan menggunakanpersamaan yang menyangkut parameter-parame­ter terjadinya plasma akan dikaji lebih lanjut.

Imam Kambali

- Apakah besarnya arus ion akan berubah jikaposisi puller dipindah-pindahkan?

Silakhuddin

Pada perangkat uji sumber ion yang sekarangada, belum dapat dioperasikan sistem penggerakuntuk dapat merubah-rubah posisi head terhadappuller, sehingga belum dapat diketahui perubah­an arus ion akibat perubahan posisi puller.

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah - Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NukJir 2014Pusat Sains dan Teknologi Akselerator - BATAN

Yogyakarta, 10-11 juni 2014