ANALISIS PROBLEM ELEKTROSTATIK PADA SUMBER
ION MULTICUSP MENGGUNAKAN PROGRAM
SUPERFISH 7
Silakhuddin
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan
ABSTRAK
ANALISIS PROBLEM ELEKTROSTATIK PADA SUMBER ION MULTICUSP MENGGUNAKAN PROGRAM SUPERFISH 7. Problem elektrostatik pada sumber ion jenis multicusp yang meliputi geometri dan tegangan filamen-anoda telah dianalisis menggunakan program Superfish. Tiga bentuk filamen yaitu melengkung, meruncing dan lurus telah diperbandingkan satu sama lain. Ditinjau dari kebolehjadian ionisasi oleh elektron, baik secara kualitatif maupun kuantitatif menunjukkan bahwa filamen berbentuk melengkung dan meruncing mempunyai unjuk kerja yang lebih baik dari pada bentuk datar. Pada filamen bentuk melengkung, tegangan filamen sekitar 250-300 V menunjukkan kebolehjadian ionisasi yang lebih tinggi dibanding tegangan di bawahnya.
Kata kunci: program Superfish, desain sumber ion.
ABSTRACT
THE ANALYSIS OF ELECTROSTATIC PROBLEM ON THE MULTICUSP ION SOURCE USING SUPERFISH PROGRAM. The electrostatic problem of the multicusp ion source in this case geometry and potential of filament-anode have been analyzed using Superfish program. Three forms of filament namely curve, sharp and stright have been compared each other. In the ionization probability aspect, either qualitatively or quantitatively show that curve and sharp forms of filament have better performance than stright form. At the curve form, filament potential on the range of 250-300 V have higher ionization probabilty than on the potentials under it.
Key words: Superfish program, ion source design.
PENDAHULUAN
aat ini sedang dikembangkan sumber ion jenis
multicusp untuk fasilitas generator neutron.
Untuk mengevaluasi desain yang ada maka perlu dilakukan analisis tentang geometri dan besaran-besaran sumber ion tersebut. Perbedaan yang nyata di antara jenis-jenis sumber ion adalah terutama pada proses ionisasi dan untuk beberapa kasus pada ekstraksi berkas ion. Problem di dalam proses ionisasi menyangkut problem elektrostatik, interaksi dengan medan magnet pengungkung dan lucutan elektron dari atom-atom netral. Dalam kasus sumber ion multicusp problem elektrostatik menyangkut masalah pola medan listrik dan distribusi potensial di antara filamen dan anoda yang berbentuk tabung. Dengan mengetahui pola dan distribusi tersebut selanjutnya dapat diperkirakan geometri dan besaran-besaran komponen sumber ion yang lebih tepat.
Pemakaian program Superfish dalam problem elektrostatik dapat dipakai untuk membuat pola medan listrik dan distribusi potensial dalam problem yang dibentuk di antara dua benda yang berbeda potensial. Problem-problem magnetostatik
dan elektromagnet juga mampu disimulasikan dengan program ini.
Program Poisson Superfish versi 7 adalah kumpulan program-program untuk menghitung medan-medan magnetostatik dan elektrostatik dan medan-medan rf elektromagnetik baik dalam koordinat kartesian 2 dimensi atau silinder simetri aksial [1]. Program-program tersebut adalah: Autofish, Automesh, Fish, CFish, Poisson, dan Pandira. Versi ini dioperasikan dalam Windows NT, Windows 2000 dan Windows XP. Pengguna dapat melakukan download dari situs LANL tetapi hanya dalam bentuk program yang dapat dieksekusi dan tak dapat diperoleh dalam bentuk source code.
Program ini sudah diuji melalui
benchmarking oleh beberapa institusi tingkat
internasional[2,3]. Beberapa perancang sistem akselerator telah menggunakan program Superfish. Di antaranya adalah untuk merancang struktur pemercepatan linac[4], dan untuk merancang sumber ion jenis ECR[5]. Dengan demikian program ini sudah teruji dan diakui secara internasional dalam penggunaannya di bidang teknologi rancang bangun akselerator.
Pada makalah ini disajikan tentang hasil-hasil simulasi dari program Superfish pada problem elektrostatik yang menyangkut distribusi potensial dalam ruang sumber ion. Efek dari distribusi potensial tersebut kemudian dikaitkan dengan distribusi kebolehjadian ionisasi gas hidrogen oleh elektron yang dilepaskan dari filamen sumber ion. Sebagai obyek analisis adalah desain standar dari sumber ion multicusp yang digerakkan dengan filamen (filament driven). Hasil-hasil dari simulasi program ini dipakai untuk mengevaluasi desain sumber ion yang sedang dikembangkan. Kemampuan yang mendalam dalam penggunaan program juga diharapkan dapat dipakai untuk penggunaan yang lebih luas pada desain-desain komponen akselerator. Hal ini karena program ini dapat mensimulasikan bukan saja masalah elektrostatik tetapi juga magnetostatik dan elektromagnet.
TATA KERJA
1. Pemodelan filamen-anoda dalam sumber ion Akan ditinjau 3 bentuk geometri filamen yaitu bentuk melengkung, meruncing dan lurus yang pemodelannya seperti Gambar-gambar 1a, 1b dan 1c. Filamen dengan ketebalan 1 mm dan di kedua ujungnya dihubungkan dengan batangan
feedthrough untuk penyaluran daya listrik. Baik
filamen maupun feedthrough sebenarnya berbentuk silindris tetapi karena anoda berbentuk simetri tabung sehingga akan ditinjau dua dimensi (arah x
dan y). Untuk penyederhanaan dalam pembuatan
input file, ujung feedthrough tidak menembus keluar
tetapi berhenti pada jarak 0,1 cm dari ujung kiri anoda. Di antara filamen dan anoda diberi beda potensial sebesar 300 V, yang merupakan tegangan operasi standar untuk sumber ion multicusp [6]. Gambar pemodelan dari ketiga bentuk filamen langsung ditunjukkan pada Gambar 1a, 1b dan 1c. 2. Pembuatan Input File
Ada 2 input file yang disiapkan yaitu
Plate.am dan Plate.IN7. Di dalam file pertama
ditetapkan batasan-batasan geometri dari komponen, jenis material dan tegangan listrik pada komponen (filamen dan anoda). Batasan-batasan geometri mengacu pada model seperti pada Gambar 1a, 1b dan 1c. Dalam file kedua ditentukan posisi-posisi di mana hendak dilihat nilai-nilai medan listrik dan potensialnya. Dalam pekerjaan ini diambil posisi suatu garis mulai dari titik awal lengkungan (untuk filamen lengkung) atau titik awal meruncing (untuk filamen meruncing) hingga 4 cm sebelum ujung kanan anoda.
Posisi ini diambil dengan asumsi bahwa garis tersebut merupakan batas plasma yang terbentuk. Pada daerah yang lebih jauh dari itu diperkirakan energi elekron sudah terdegradasi oleh tumbukan dengan molekul-molekul gas hidrogen. Secara numerik koordinat posisi garis pertama adalah di antara x=5 cm hingga x=10 cm dan y=7 cm, selanjutnya garis ini disebut garis pengamatan. 3. Running Program dan Output File
Selesai pembuatan file input dilakukan running program dengan RUNPLATE.BAT, Hasilnya ditampilkan dalam file PLATE.T35 yang menampilkan pola-pola garis ekuipotensialdi antara filamen dan anoda. Besaran numerik dari medan listrik dan potensial di semua titik dapat terbaca dengan menggerakkan cursor dan ditampilkan pada
window yang disebut ”cursor location and field.”
Output file lainnya adalah OUTSFT7.TXT yang
menyajikan data numerik dari medan listrik dan potensial sepanjang garis pengamatan yang sudah ditentukan oleh input filePlate.IN7.
4. Pengolahan Hasil
Data-data potensial di 7 titik sepanjang garis pengamatan yang terdapat pada output file
OUTSFT7.TXT mempresentasikan energi elektron
yang melintas garis tersebut. Selanjutnya ditentukan kebolehjadian ionisasi gas hidrogen oleh tumbukan elektron pada ke tujuh titik tersebut. Acuan yang dipakai untuk menentukan kebolehjadian ionisasi adalah data kebolehjadian ionisasi elektron pada atom hidrogen hasil publikasi oleh Kim dan Rudd
[7]
. Untuk menyederhanakan penyajian, data kebolehjadian ionisasi disajikan dalam nilai relatifnya terhadap kebolehjadian maksimum yang dicapai pada energi elektron 60,1 eV yaitu sebesar 0,6603.10-16 cm2.
Langkah-langkah tersebut dilakukan untuk 3 bentuk filamen: melengkung, meruncing dan lurus. Hasil-hasil ketiga bentuk filamen akan saling diperbandingkan untuk menentukan bentuk mana yang terbaik yaitu yang mempunyai rata-rata kebolehjadian ionisasi tertinggi. Akan ditentukan juga tegangan filamen optimum yang memberikan kebolehjadian ionisasi tertinggi.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil pengoperasian program menghasilkan
file PLATE.T35 yang memperlihatkan pola medan
listrik untuk filamen melengkung, meruncing dan lurus ditunjukkan berturut-turut pada Gambar 1a, 1b dan 1c.
Gambar 1a. Pola garis ekuipotensial untuk filamen melengkung; arah elektron tegak lurus terhadap garis ekuipotensial
Gambar 1b. Pola garis ekuipotensial untuk filamen meruncing; arah elektron tegak lurus terhadap garis ekuipotensial (Penamaan dan ukuran komponen-komponennya sama seperti pada Gambar 1a)
Gambar 1c. Pola garis ekuipotensial untuk filamen lurus; arah elektron tegak lurus terhadap garis ekuipotensial (Penamaan dan ukuran komponen-komponennya sama seperti pada Gambar 1a)
Pola garis-garis ekuipotensial memperlihat-kan pola yang hampir sama antara bentuk filamen melengkung (Gambar 1a) dan meruncing (Gambar 1b). Pada kedua pola tersebut terlihat bahwa arah elektron (tegak lurus garis ekuipotensial) sebagian besar akan bergerak menuju dinding samping atau sisi tabung anoda dan sebagian kecil akan bergerak lurus ke arah depan. Arah gerakan ini adalah yang dikehendaki karena pada sumber ion multicusp pada sisisinya dibangkitkan garis-garis medan magnet yang berbentuk jaring-jaring (cusp) yang berfungsi untuk melipatgandakan ionisasi oleh elektron pada atom-atom gas.
Pola yang agak berbeda pada bentuk filamen lurus (Gambar 1c) dimana garis-garis ekuipotensial di depan filamen cukup banyak yang tegak lurus, ini berarti jumlah elektron yang bergerak menyamping lebih sedikit dibandingkan dengan pola-pola dari filamen melengkung dan meruncing. Jadi secara kualitatif dapat dikatakan bahwa bentuk filamen lurus mempunyai tingkat ionisasi yang lebih kecil dibanding bentuk melengkung dan meruncing.
Data-data numerik hasil perhitungan potensial listrik sepanjang garis pengamatan terdapat pada fileOUTSFT7.TX. Potensial listrik di suatu titik akan menggambarkan energi elektron di titik tersebut. Selanjutnya dengan menggunakan data kebolehjadian ionisasi vs energi elektron seperti pada Gambar 3 ( data numeriknya ada tetapi tidak ditampilkan dalam makalah), kemudian ditentukan nilai kebolehjadian ionisasinya. Data-data potensial listrik dan nilai kebolehjadian ionisasi pada titik-titik sepanjang garis pengamatan ditampilkan pada Tabel 1a, 1b dan 1c berturut-turut
untuk bentuk filamen melengkung, meruncing dan lurus. Dalam tabel tersebut yang dimaksud kebolehjadian ionisasi relatif adalah nilai relatifnya terhadap kebolehjadian maksimum yang dicapai pada energi elektron 60,1 eV yaitu sebesar 0,6603.10-16 cm2.
Gambar 3. Kurva kebolehjadian ionisasi elektron pada hidrogen sebagai fungsi energi elektron [7]
Dari ketiga tabel tersebut terlihat bahwa tidak terdapat perbedaan pada kebolehjadian ionisasi untuk bentuk filamen melengkung maupun meruncing, sedangkan bentuk filamen lurus relatif jauh lebih kecil nilai kebolehjadiannya dibanding dua bentuk lainnya. Selanjutnya akan dilihat bagaimana pengaruh tegangan filamen pada kebolehjadian ionisasi yang terjadi. Dengan cara pengolahan data yang seperti yang dihasilkan pada Tabel 1, data dari pengaruh tegangan terhadap kebolehjadian ionisasi diperlihatkan pada Tabel 2.
Tabel 1a. Data potensial dan kebolehjadian ionisasi pada sepanjang garis pengamatan untuk filamen melengkung
Posisi x (cm) Posisi y (cm) Potensial (volt) Kebolehjadian ionisasi (10-16 cm2) Kebolehjadian ionisasi relatif 5 6 7 8 9 10 7 7 7 7 7 7 -0,01 32,5 93,5 148,2 190,6 222,1 0 0,5517 0,6150 0,5162 0,4572 0,4099 0% 84% 93% 78% 69% 62%
Tabel 1b. Data Potensial dan kebolehjadian ionisasi pada sepanjang garis pengamatan untuk filamen meruncing Posisi x (cm) Posisi y (cm) Potensial (volt) Kebolehjadian ionisasi (10-16 cm2) Kebolehjadian ionisasi relatif 5 6 7 8 9 10 7 7 7 7 7 7 3,6 73,3 124,8 179,0 204,6 231,6 0 0,6511 0,5639 0,4708 0,4444 0,4099 0% 99% 85% 73% 67% 62%
Rata-rata kebolehjadian ionisasi relatif 64%
Tabel 1c. Data Potensial dan kebolehjadian ionisasi pada sepanjang garis pengamatan untuk filamen lurus Posisi x (cm) Posisi y (cm) Potensial (volt) Kebolehjadian ionisasi (10-16 cm2) Kebolehjadian ionisasi relatif 5 6 7 8 9 10 7 7 7 7 7 7 0 108,0 165,2 203,8 230,9 250,2 0 0,5979 0,4851 0,4444 0,4099 0,3897 0% 90% 73% 67% 62% 59%
Rata-rata kebolehjadian ionisasi relatif 58%
Tabel 2. Data kebolehjadian ionisasi relatif pada sepanjang garis pengamatan untuk filamen melengkung untuk berbagai tegangan filamen
Kebolehjadian ionisasi relatif Posisi x (cm) Posisi y (cm) 300 V 250 V 200 V 150 V 5 6 7 8 9 10 7 8 9 10 7 7 7 7 7 7 6,5 6,5 6,5 6,5 0% 84% 93% 78% 69% 62% 100% 85% 71% 65% 0% 71% 97% 85% 76% 69% 98% 91% 78% 71% 0% 48% 100% 91% 83% 78% 91% 96% 86% 81% 0% 17% 98% 98% 93% 88% 74% 100% 95% 91% Rata-rata kebolehjadian ionisasi
Data-data tersebut menunjukkan bahwa tegangan filamen yang terbaik untuk geometri filamen melengkung pada geometri anoda standar (diameter 10 cm) adalah sebesar 250 V. Ini tidak berbeda jauh dari acuan-acuan yang ada yang pada umumnya menyebutkan besar tegangan tersebut antara 150 hingga 300 V [6,8]. Namun demikian bahwa pada jangkau tegangan anoda yang diamati perbedaan kebolehjadian ionisasi tersebut tidak terlalu significant khususnya antara tegangan 300 dan 250 V.
Informasi lain yang terlihat dari data-data itu ialah bahwa pada posisi dekat filamen (misalnya untuk x = 6 cm) untuk tegangan yang lebih tinggi, kebolehjadian ionisasinya lebih tinggi dibandingkan tegangan yang rendah. Ini berarti dapat diprediksikan bahwa kerapatan ionisasi akan terjadi lebih mendekati filamen untuk tegangan yang lebih tinggi. Konsekwensi dari itu adalah diperlukan tegangan ekstraksi yang lebih tinggi untuk mengeluarkan ion-ion dari plasma sumber ion.
KESIMPULAN
Telah dianalisis desain sumber ion jenis
multicusp yang sedang dikembangkan
menggu-nakan program Superfish. Dari analisis yang dilakukan diperoleh informasi bahwa bentuk filamen yang sesuai adalah bentuk melengkung atau meruncing, di mana dalam bentuk-bentuk ini jumlah elektron yang diprediksikan bergerak menyamping seperti yang diharapkan, akan lebih besar dibanding pada bentuk filamen lurus. Perhitungan secara kuantitatif juga menguatkan prediksi ini. Hasil perhitungan secara kuantitatif menunjukkan bahwa pada daerah tegangan filamen disekitar 250-300 V akan memberikan kebolehjadian ionisasi terbesar dibanding pada tegangan di bawahnya.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Manual Poisson Superfish Code, www. laacg1.lanl.gov/laacg/services/download_sf.pht ml
[2] Simulationns and Cold-test Result, www.prst-ab.aps.org
[3] Linac 2006,www.epaper.kek.jp/106/HTML/ TUP.HTM
[4] A. KUMAR et al, “Simulations and cold-test results of a prototype plane wave transformer [5] linac structure”, Physical Review Special
Topics – Accelerators and Beams, Volume 5,033501 (2002).
[6] C. S. LEE, “Design of a Compact ECR Ion Source with Ku Band”, Proceedings of the [7] 1999 Particle Accelerator Conference, New
York, 1999.
[8] W. YOKOTA et al, “Operation of ECR and Multicusp Ion Sources for JAERI AVF [9] Cyclotron”, Proceedings of The 8t th Symp. On
Accelerator Science and Technology,1991, Saitama, Japan.
[10]Y.K. KIM and M.E. RUDD, ”Neutral Hydrogen Total Ionization Cross-Section”, Pys. [11]Rev. A50, 3954 (1994).
[12]J. P. BRAINARD and J. B. O’HAGAN, “Single-ring Magnetic Cusp Ion Source”, Rev.Sci. Instrum. 54 (11), November 1983.
TANYA JAWAB
Nada Marnada
− Bagaimana kemungkinan analisanya jika
filament yang digunakan berbentuk obat nyamuk bakar (pierce type)
Silakhudin
− Bentuk filament pierce type akan identik dengan filament lurus dalam makalah ini, jadi dibanding dengan filament melengkung dan meruncing akan mempunyai unjuk kerja yang relatip lebih kecil. Bentuk pierce type cocok untuk digunakan dalam electron gun (bukan dalam sumber ion multicup) karena dalam hal ini elektron-elektron diharapkan bergerak kedepan.
