ANALISIS KOMPOSISI DAN KURVA B-H BAHAN LOW CARBON STEEL PT. KRAKATAU STEEL MENGGUNAKAN VSM DAN EDX UNTUK KEPERLUAN DESAIN MAGNET SIKLOTRON 13-MeV

(1)

Volume 13, Januari 2012 ISSN 1411-1349

ANALISIS KOMPOSISI DAN KURVA B-H BAHAN LOW CARBON STEEL PT. KRAKATAU STEEL MENGGUNAKAN VSM DAN EDX UNTUK KEPERLUAN DESAIN MAGNET SIKLOTRON 13-MeV Taufik, dkk

45

ANALISIS KOMPOSISI DAN KURVA B-H BAHAN LOW

CARBON STEEL PT. KRAKATAU STEEL MENGGUNAKAN

VSM DAN EDX UNTUK KEPERLUAN DESAIN MAGNET

SIKLOTRON 13-MeV

Taufik1), Emy Mulyani1), Slamet Santosa2), Kusminarto3)

1)

Mahasiswa S2 Ilmu Fisika FMIPA UGM 2)

PTAPB BATAN Yogyakarta 3)

Dosen Fisika FMIPA UGM 1,3)

Jl.Sekip Utara Yogyakarta

2)_{Jl.Babarsari Kotak Pos 6101 Ykbb, Yogyakarta 55281}

ABSTRAK

ANALISIS KOMPOSISI DAN KURVA B-H BAHAN LOW CARBON STELL PT KRAKATAU STEEL MENGGUNAKAN VSM DAN EDX UNTUK KEPERLUAN DESAIN MAGNET SIKLOTRON 13 MeV.

Siklotron merupakan salah satu jenis akselerator untuk mempercepat partikel secara melingkar (siklik), sehingga diperoleh energi kinetik yang tinggi. Salah satu komponen utama siklotron adalah sistem magnet, berfungsi untuk membentuk lintasan partikel menjadi siklik, terbuat dari bahan baja karbon rendah tempa (low carbon steel forging). Dalam desain magnet, pemilihan bahan magnet sangat penting dalam menentukan magnet siklotron dapat beroperasi dengan baik atau tidak, dan bahkan optimal. Untuk itu perlu dilakukan pengujian sampel bahan magnet produksi lokal, dalam hal ini diambil dua sampel bahan dari PT Krakatau Steel (KS). Pengujian yang dilakukan meliputi pengujian kurva B-H menggunakan VSM (Vibrating Sample Magnetometer) serta komposisi bahan menggunakan EDX (Energy-dispersive X-ray spectroscopy). Kurva B-H yang diperoleh digunakan sebagai data bahan pada simulasi 3 dimensi menggunakan Opera 3D dengan mengacu model magnet Kirams 13. Dari penelitian ini dapat disimpulkan bahwa posisi benda uji terhadap arah medan magnet induksi menghasilkan kurva B-H berbeda, selain itu kedua sampel bahan yang diperoleh dari KS memiliki kandungan karbon yang masih besar. Semakin kecil kandungan karbon pada besi akan menghasilkan sifat magnet yang lebih baik. Bahan sampel yang dianalisis akan menghasilkan medan yang tidak optimal bila digunakan dalam magnet siklotron 13 MeV.

Kata Kunci : pengujian, bahan magnet, siklotron

ABSTRACT

Composition and B-H Curve Analysis of Low Carbon Steel from Krakatau Steel Company using VSM and EDX for magnet design of 13 MeV Cyclotron. Cyclotron is one type of particle accelerator that accelerate particle in circular trajectory, in order to obtain high kinetic energy. One of the main components is the cyclotron magnet system that serves to form a cyclic particle trajectories and made of forged low carbon steel. In the magnet design, the selection of magnetic materials is very important in determining whether cyclotron magnet can operate properly or not and even can be optimal. That is why we need to test samples of magnetic materials from local production in this case two samples of material produced by PT Krakatau Steel (KS). Tests performed include testing of BH curve using VSM (Vibrating Sample Magnetometer) and material composition using EDX (Energy-dispersive X-ray spectroscopy). Obtained BH curve is used as material data in three-dimensional simulation using the Opera 3D with referee to magnetic model of Kirams 13. From this study it can be concluded that the position of the test object to the direction of the magnetic field induction gives different BH curve and the samples obtained from KS has a carbon content which is still high. The lower the carbon content in the iron will produce a better magnetic properties. Material samples analyzed will produce a field that is not optimal when it is used in a 13 MeV cyclotron magnet.

(2)

ISSN 1411-1349 Volume 13, Januari 2012

46 Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi

Akselerator dan Aplikasinya Vol. 13, Januari 2012 : 45 - 51

PENDAHULUAN

iklotron merupakan salah satu jenis akselerator yang mempercepat partikel secara melingkar (siklik), sehingga diperoleh energi kinetik yang tinggi. Siklotron bekerja dengan mempercepat ion, positif maupun negatif, secara periodik (siklus) menggunakan tegangan pemercepat bolak-balik (alternating voltage) yang dipasang pada dua buah elektrode berongga yang dihampakan sehingga dapat dilintasi oleh berkas ion. Salah satu pemanfaatan siklotron dalam dunia medis adalah sebagai penghasil radioisotop pada Positron Emmision

Tomography (PET). PET merupakan instrumentasi

medik berbasis radioisotop dengan teknik pencitraan diagnostik yang aman, efektif, memiliki kemampuan luas untuk penelitian klinis dan potensial diagnostik yang besar.

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan (PTAPB) – BATAN mempunyai tugas dan fungsi mengembangkan teknologi akselerator, salah satunya adalah pengembangan siklotron 13 MeV untuk PET yang direncanakan prototipenya dapat

diselesaikan pada tahun 2019 [1]_{. Komponen utama}

siklotron diantaranya: sistem magnet utama, sistem RF, sistem sumber ion, sistem monitor berkas dan sistem ekstraktor berkas. Sistem magnet utama yang merupakan penghasil medan magnet, terbuat dari bahan baja karbon rendah yang ditempa (low

carbon steel forging) [2]. Baja karbon rendah

merupakan jenis baja yang mempunyai komposisi

karbon 0,05%-0,26% serta mangan 0,40%-1,5% [3]_.

Sistem magnet merupakan magnet H yang terdiri dari 6 bagian yaitu 4 return yoke (atas, bawah, kanan dan kiri) serta 2 buah pole (atas dan bawah). Dalam desain sistem magnet, kurva B-H merupakan parameter yang penting karena akan menentukan saturasi magnet serta arus yang dibutuhkan untuk membangkitkan medan magnet.

Pada makalah ini disajikan hasil pengujian bahan low carbon steel Krakarau Steel, yang meliputi pengujian kurva B-H menggunakan VSM (Vibrating Sample Magnetometer) dan komposisi bahan menggunakan EDX (Energy-Dispersive

X-ray Spectroscopy). Hasil pengujian akan dijadikan

sebagai dasar pengambilan keputusan dalam desain magnet siklotron.

TEORI

Bahan magnet secara umum dibagi menjadi 2 macam yaitu: magnet lunak (soft magnetic material) dan magnet keras (hard magnetic material). Magnet lunak banyak digunakan untuk aplikasi pada bahan yang mudah dimagnetisasi dan didemagntisasi. Sedangkan magnet keras banyak digunakan untuk aplikasi bahan yang membutuhkan sifat magnet yang permanen (tidak mudah dimagnetisasi). Medan

magnet dapat dihasilkan secara elektromagnetik, yaitu dengan melewatkan arus listrik pada konduktor seperti ditunjukkan pada Gambar 1. Kuat medan

magnet dapat dinyatakan dengan persamaan :[4]

l

NI

H

=

0 ,

4 π

(1)

dengan I arus (ampere), N cacah lilitan, l panjang kumparan (meter) dan H adalah kuat medan magnet (ampere/meter). Kuat medan magnet juga dinyatakan dalam satuan oersteds (Oe), dengan 1

A/m = 4π x 10-3_Oe.

Gambar 1. (a) ilustrasi medan magnet yang timbul

di sekitar koil tembaga (solenoid), (b) ilustrasi kuat medan magnet yang meningkat di sekitar solenoid jika diletakkan inti besi pada bagian dalam

solenoid.[4]

Pada Gambar 1b ditunjukkan kuat medan magnet yang meningkat dengan adanya inti besi pada solenoid. Peningkatan kuat medan magnet berasal dari medan solenoid ditambah medan magnet luar yang berasal dari magnetisasi besi. Hubungan

antara induksi magnetik (B) (Wb/m2_{atau Tesla) dan}

kuat medan magnet (H) dinyatakan dengan

persamaan: [4]

ܤ ൌ ߤ଴ܪ ൅ ߤ଴ܯ ൌ ߤ଴ሺܪ ൅ ܯሻ (2)

dengan µ0 adalah permeabilitas ruang hampa (4π x

10-7_{T.m/A). Hubungan antara B dan H untuk}

berbagai jenis logam sebagai inti magnet ditunjukkan pada Gambar 2.

Histerisis Magnet

Jika arus dialirkan pada suatu kumparan elektromagnetik, maka akan timbul medan magnet di sekitarnya, ketika arus dinaikkan maka medan magnet yang timbul akan meningkat sampai titik konstan, hal ini menandakan bahwa inti feromagnetik telah mencapai titik jenuhnya dan kerapatan fluks mencapai maksimal. Jika arus dihentikan fluks magnet tidak sepenuhnya hilang karena bahan inti elektromagnetik masih mempertahankan sifat kemagnetan.

(3)

47

Gambar 2. Kurva B-H beberapa bahan inti magnet.[5]

Kemampuan untuk mempertahankan sifat magnet setelah arus dihentikan disebut retentivity, sedangkan jumlah fluks magnetik yang masih ada disebut Magnetisme Residual. Ketika fluks telah mencapai maksimal (jenuh) dan arus di turunkan maka akan terjadi pelebaran nilai H (Coersive

Force). Sifat retentivity, Magnetisme Residual dan Coersive Force dijelaskan pada kurva histerisis yang

ditunjukkan pada Gambar 3.

Gambar 3. Kurva histerisis.[5]

Bahan feromagnetik yang memiliki retentivity tinggi (hard magnetic material) sangat baik untuk memproduksi magnet permanen. Sedangkan bahan feromagnetik yang memiliki retentivity rendah (soft

magnetic material) ideal untuk digunakan dalam

elektromagnet, solenoida atau relay. Kurva histerisis yang merupakan karakterisasi hard material magnet dan soft material magnet ditunjukkan pada Gambar 4.

Gambar 4. Kurva histerisis untuk hard dan soft

material magnet.[5]

METODOLOGI

Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan sampel bahan inti magnet dari PT. Krakatau Steel berupa baja dengan kandungan karbon rendah (low

carbon steel). Sampel yang digunakan ada 2 jenis

yaitu bahan karbon rendah A dan bahan karbon rendah B. Karakterisasi yang dilakukan ada 2 macam yaitu menggunakan VSM (Vibrating Sample

Magnetometer) untuk mengetahui sifat kemagnetan

dan EDX (Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy) untuk mengetahui komposisi kandungan unsur bahan magnet. Sampel yang digunakan dalam analisis VSM dibuat dalam bentuk kubus berukuran 1 mm x 1 mm x 10 mm. Analisis sampel dilakukan dalam tiga posisi yang berbeda terhadap arah medan magnet induksi H seperti ditunjukkan pada Gambar 5. Dari Gambar 5 terlihat luasan yang ditandai memiliki posisi yang berbeda terhadap H.

(4)

ISSN 1411-1 48 Unt dibuat beru diperoleh bentuk kur library bah 3d dan dig dimensi m pada prog kemudian sebagai bah

HASIL D

Hasil Ana Sam pengukuran mg. Pengu berbeda se BH untuk pada Gamb dengan me BH yang b gradien/kem menunjukk tersebut be Apa BH pada diperoleh terlihat kur maksimaln maksimaln Unt mg diperol Sama sepe mempenga diperoleh k remanensi pada Gamb Has kedua samp ini diperl DECY13 mencapai tersebut, m jenuh. Wa 1349 tuk analisis ukuran 5 mm sifat magnet rva B-H, kur han magnet pa gunakan dalam enggunakan m gram Opera-3 dianalisis kel han magnet si

DAN PEMB

lisis Dengan mpel bahan n dengan VS ukuran dilaku eperti pada Ga masing-masi bar 6. Dari G engubah posis berbeda dan p miringan ya kan bahwa ersifat anisotro abila skala ko Gambar 6 po kurva pada rva histerisis nya 470 gau nya 12.652 A/m tuk sampel ba leh hasil yang erti bahan A p aruhi kurva B kemiringan ku dan koersivit bar 9. sil pengukuran pel memiliki k lukan dalam karena med 1,95 T. Seh magnet siklotro alaupun mem G unsur dengan m x 5 mm x t dari suatu rva tersebut d ada program s m simulasi m modul TOSCA 3d. Hasil sim layakannya un iklotron.

BAHASAN

VSM A yang dig SM memiliki ukan dalam ti ambar 5 dan d ing posisi ya Gambar 6 dapa i sampel meng pada posisi ke ang lebih b sifat magne opik. ordinat horizo osisi ketiga d Gambar 7. D tidak simetri uss. Selain m. ahan B denga ditunjukkan p posisi sampel BH dan pada urva BH yang tas dari bahan n dengan VSM kejenuhan leb desain ma dan magnet hingga dengan on tidak beke miliki kejenuh Gambar 5. Po n EDX samp 2 mm. Setel u bahan dala disimpan dala simulasi Oper medan magnet A yang terdap mulasi terseb ntuk digunak

N

gunakan dala massa mA=42

iga posisi yan diperoleh kurv ang ditunjukk at dilihat bahw ghasilkan kurv etiga dihasilk besar. Hal i et dari bah ontal dari kurv diperkecil mak Dari Gambar dan remanen itu koersivit an massa 32,4 pada Gambar l pada bahan a posisi ketig g besar. Adapu n B ditunjukk M menunjukk bih dari 2 T. H agnet siklotro maksimalny n kedua bah erja pada daer han yang bai

P sisi sampel an pel ah am am ra-t 3 pat but an am 2,8 ng va an wa va an ini an va ka 7 nsi tas 43 8. B ga un an an Hal on ya an ah ik, namu gradi bersi Gam Deng perlu Prosiding Perte nalisis VSM. un kurva BH ien/kemiringa fat anisotropik (a (b (c mbar 6. Kurva VSM gan demikian u diperhatika V

muan dan Pres Akse Vol. 13, di bawah da an yang berbe k. a) Posisi samp b) Posisi samp c) Posisi samp a BH sampel M. tampang linta an dalam Volume 13, Janu sentasi Ilmiah T elerator dan Ap Januari 2012 aerah jenuh m eda-beda atau pel 1. pel 2. pel 3. l A hasil peng ang permukaa memmbuat uari 2012 Teknologi likasinya : 45 - 51 memiliki u bahan gukuran an bahan magnet

(5)

Volume ANALIS MENGG Taufik, siklotro kemirin dibandi semaki mudah Hasil A Hasil a dan bah mengan sedangk 3,78% hasil an kandun mengha lebih be Gam ‐300B(T) 13, Januari 20 SIS KOMPOSIS GUNAKAN VSM dkk on. Selain it ngan kurva ingkan denga n besar menu diinduksi oleh Analisis Deng analisis sampe han B ditunju ndung Fe 95 kan bahan B dan Si 0,08% nalisis VSM ngan Fe yan asilkan kurva esar. mbar 7. Koers (a) P (b) P 000 ‐20000 ‐1 Ku 012 SI DAN KURVA M DAN EDX UN tu dari kedu BH sampel an sampel A. unjukkan baha h arus listrik. gan EDX el dengan ED ukkan pada Ga ,01%, C 4,74 B mengandun %. Hasil ini dimana bahan ng lebih bes a BH dengan

sivitas dan rem

Posisi sampel Posisi sampel ‐0.10 0.00 0.10 10000 0 H(A/m) urva BH Bah A B-H BAHAN L UNTUK KEPERL ua bahan ter l B lebih Kemiringan an magnet sem DX untuk bah ambar 10. Bah 4% dan Si 0 ng Fe 96,14% sebanding d n B yang mem sar dari baha n kemiringan manensi bahan 1. l 2. 10000 200 han A LOW CARBON LUAN DESAIN rsebut besar yang makin han A han A 0,26% %, C engan miliki an A yang n A. S S d d b in K m an d p d d ra 1 K am G m d

K

p m 000 N STEEL PT. KR N MAGNET SIK Gam Gambar 9. Simulasi Med Sampel Simulas ilakukan untu iperlukan ma ahan sampel ni model ma Kirams 13.[2] magnet B pad nalisis VSM ihasilkan san ada NI = 410 itunjukkan p engan Kiram ata 1,3 T. Untuk m ,3 T dengan Krakatau Steel mper per k Gambar 12. D mengakibatkan an kebutuhan

KESIMPUL

Dari pe osisi benda uj menghasilkan ‐40000B (T) RAKATAU STE KLOTRON 13-M (c) Posisi sa mbar 8. Kurva Koersivitas da an Magnet S si medan mag tuk mengetah agnet siklotro dari Krakata agnet dibuat Dengan me da posisi keti M, besarnya

gat kecil yait 040 lilit amp pada Gambar s 13 yang me meningkatkan n menggunak l, maka diper kumparan sep Dengan NI y n dimensi mag pendingin me

LAN

enelitian ini d ji terhadap ara kurva B-H ‐0.3 ‐0.2 ‐0. 0.0 0. 0.2 0.3 ‐20000 H (A/ Kurva BH ISSN EEL MeV ampel 3. a BH bahan B an remanensi Siklotron Den gnet dengan T hui besarnya on apabila me au Steel. Dala seperti mod enggunakan d iga yang dip

medan ma tu tidak lebih er per kumpa 11. Hasil i enghasilkan m n medan magn kan sampel rlukan NI = 1 perti ditunju yang lebih b gnet menjadi enjadi besar. dapat disimpul ah medan mag yang berbeda 30 20 10 00 10 20 30 0 m) Bahan B N 1411-1349 49 B. bahan B. ngan Bahan TOSCA ini arus yang enggunakan am simulasi del magnet data bahan peroleh dari agnet yang h dari 0,2 T aran seperti ini berbeda medan rata-net menjadi bahan dari 180.000 lilit ukkan pada besar dapat lebih besar lkan bahwa gnet induksi a, sehingga 20000

(6)

ISSN 1411-1349 Volume 13, Januari 2012

50 Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi

Akselerator dan Aplikasinya Vol. 13, Januari 2012 : 45 - 51

dalam membuat magnet siklotron arah tampang lintang permukaan bahan perlu diperhatikan. Sampel bahan A dan bahan B yang diperoleh dari Krakatau Steel memiliki kandungan karbon yang masih besar. Apabila bahan sampel digunakan dalam magnet siklotron 13 MeV, maka akan membutuhkan arus

pembangkit magnet 4,5 kali lebih besar dari Kirams 13 sehingga magnet menjadi tidak optimal.

UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis mengucapkan terimakasih kepada bapak Drs. B.A. Tjipto Sujitno, MT atas segala saran dan diskusi sehingga dapat terselesaikannya makalah ini.

Gambar 10. Hasil analisis EDX bahan A dan bahan B.

Gambar 11. Hasil simulasi bahan magnet dengan NI = 41040 lilit amper.

Gambar 12. Hasil simulasi dengan NI yang lebih besar.

Jari – jari (cm)

B

(T

(7)

51

DAFTAR PUSTAKA

1. Renstra BATAN 2010 – 2014, Badan Tenaga Nuklir Nasional 2010

2. YS KIM.,DKK, 2004, New Design of The

Kirams-13 Cyclotron For Regional Cyclotron Center, Proceedings of APAC Gyeongju, Korea.

3. http://www.wisegeek.com/what-is-low-carbon-steel.html, 2011

4. SMITH,F.WILLIAM, Principle of Material

Science and Engineering, Third Edition,

McGraw-Hill,Inc 5. http://www.electronics- tutorials.ws/electromagnetism/electromagnetic-induction.html, 2011.

TANYA JAWAB

Suprapto

¾ Mohon pada akhir pembahasan dan kesimpulan menunjukkan konsekuensi logis sehingga dapat dengan mudah diterima.

Taufik