RANCANG BANGUN SUMBER ELEKTRON UNTUK MESIN BERKAS
ELEKTRONPPNY-BATANYOGYAKARTA
Djoko S.P., Sutadji S~ Suprapto, Sukidi
PPNY-BATAlv, JL. Baharmri P.O. BO%.1008, rogyakarta, 55010
Abstrak
RANCANG BANGUN SUMBER ELEKTRON UNTUK MESIN BERKAS ELEKTRON PPNY-BATAN YOGYAKARTA.. Telah dilaJcukan rancang bangun sumber elektron untuk mesin berkas elektron SOO keVI/O mA PPNY-BATAN Yogyakarta. Kegiatan rancang bangun meliputi perancangan, pembuatan don konstruksi serra pengujian sumber elektron. Sumber elektron yang telah dirancang bangun adolah jenis sumber elektron termionik dengan pemancar elektron berupa filamen dart kawat tungsten berdiameter 0.2S mm. Sedongkai, bagian pembentuk berkas elelctron yang terdirt dart elektroda pendorong, pemfolaJs don anode dirancang dengan model pendekatan Pierce, yaitu dengan mempertimbangkan efek muatan ruang-Qiabat muatan elektron di dalam sumber elektron. Dengan model tersebut elektroda pendorong don pemfokus masing-masing membentuk sudut 67,)'7 don 4j'1 terhadop sumbu berkas elelctron. Dinding sumber elelctron berbentuk silinder dengan ukuran diameter liS mm don panjang 255 mm. Dart pengujian
yang te/ah di/akukan diperoleh hastl bahwa sumber elektronyang telah dibuatsudohdopat dioperasikan, don pada kondisi operasi arus fi/amen 5 A, tegangan pendorong 120 V. tegangan pemfolcus 3 kV don tegangan anode 4,2 kVarus berkas elektron terukur sebesar 8 mA.
Abstract
DESIGN AND CONSTRUCTION OF ELECTRON GUN FOR ELECTRON BEAM MACHINE PPNY-BATAN YOGY~TA.. An electron gun has been designed and constructedfor 500 keVI10 mA electron beam machine at PPNY-BATAN Yogyakarra. The electron gun is a thermionic type in which the electron emitter madefrom tungsten wire with the diameter of 0.25 mm. The electronbeam shaping-element which consist ofreppeler, focussing electrode and anode is designed using Pierce approximation model. In this model the space charge effect caused by electrons must be considered According to this model each of the reppeler andfocussing electrodeforms an angle of67.j'1 and 4j'1 to the oris of electron gun. The shape of the electron gun is ci/indrical with the diameter of 115 mm and the length of255 mm. From the test done shows that the electron gun can be operated The electron current of8 mA has been measured at thefollowing operating condition: 5 Afi/ament current, 120 Vreppeler voltage, 3 kVfocussing voltage and 4.2 kVanode voltage.
PENDAHULUAN
tegangan dan arus maksimum masing-masing 2MY dan 10 mA(3).
Pada prinsipnya MBE terdiri dari beberapa komponen yaitu sumber elektron, tabung pemercepat, sumber tegangan tinggi, sistem pemfokus, sistem pemayar, sistem hampa daD sistem konveyer. Keberadaan sumber elektronpada MBE sangat vital, yaitu sebagai penghasil elektron yang akan diiradiasikan pada bahan. Walaupun terdapat beberapa ripe sumber elektron untuk MBR, tetapi pada prinsipnya sumber elektron terdiri dari bagian penghasil elektron bebas (electron emitter) dan bagian pembentuk berkas elektron (electron beam shaping-elementsp).
Pada Pelita VI PPNY-BATAN mendapat kepercayaan untuk melaksanakan litbang rancang bangun MBE 500 keV/I0 IDA. Dengan berbekal pada pengalaman yang telah dimiliki di bidang litbang akselerator sejak Pelita III, maka diharapkan PPNY-BATAN mampu melaksanakan tugas litbang rancang bangun MBE tersebut. Kegiatan litbang telah dimulai dengan pembuatan \
\
M
esin berkas elektron (MBE) merupakan perangkat akse- lerator penghasil eIektron. MBE mulai berkembang dalam skala industri pada kurang lebih 50 tahun yang Ialu, yaitu setelah perang dunia kedua(1).Khususnya di negara-negara industri MBE telah banyak dimanfaatkan pada berbagai proses industri seperti industri kabel, alat-alat kesehatanlkedokteran, bahan baku obat, makanan kaleng, kayu, keramik, pIascik, busa, karet, dan lain-lain.Saat ini BATAN telah mempunyai dua buah MBE yang ditempatkan di Pusat Aplikasi lsotop dan Radiasi (pAIR). MBE yang pertama adalah ripe EPS-300 buatan Jepang, merupakan bantuan dari UNDP pada tahun 1984. MBE tersebut merupakan MBE bertenaga rendah dengan tegangan dan arus maksimum masing-masing 300 kV dan 50 mA(2). "Sedangkan MBE yang kedua adalah ripe GJ-2 buatan Cina yang dibeli pada tahun 1993. MBE tersebut merupakan MBE bertenaga sedang dengan
RANCANG BANGUN SUMBER ELEKTRON UNTUK MESIN BERKAS ELEKTRON PPNY-BATAN YOGYAKARTA
sumber elektron pada tabun pertama Pelita VI (tahun 1994/1995). Dalam makalah ini disampaikan basil perancangan clan pembuatan sumber elektron untuk mesin berkas elektron PPNY-BATAN disertai dengan basil pengujian yang telah dilakukan.
TAT A KERJA
Perancangan, Pemboatan daD Konstroksi Somber Elektron
Sumber elektron yang dirancang untuk MBE 500 keV/IO mA adaJahsumberelektronjenis tennionik, di mana sebagai bagian pemancar elektron (electron emitter) adalah katoda atau filarnen yang dialiri arus scarab (disebut sebagai katoda panas). Rapat arus emisi termionik elektron yang dihasilkannya telah banyak dikenal melalui persamaan Richardson-Dushmann yaitu
. JeT=AT2exp(-e~/kT) (1)
Rapat arus emisi termionik elektron sangat dipengaruhi oleh suhu pemanasan T, dalam hal ini berkaitan dengan besamya arus scarab yang mengalir pada katoda. Disamping itu rapat arus juga tergantung pada jenis bahan katoda yang
diwujudkan dalam konstante Ao daDfungsi keJja
.
Persyaratan katoda sumber elektron adalah harus dapat menghasilkan emisi elektron yang cukup selarna periode waktu tertentu. Disamping itu sedapat mungkin hanya memerlukan daya masukan yang kecil, yaitu dengan menggunakan bahan katoda yang mempunyai fungsi kerja rendah. efisiensi termal tinggi clanukuran filamen kecil(1J.Pemilihan bahan katoda juga perlu memperhatikan kondisi vakum di dalarn sumber elektron. Untuk vakum yang tidak terlalu tinggi yaitu di bawah 10-5 mm Hg dapat dipilih bahan
oksidamisalnyaBaO(41= 1,6eV)atau srO ( 41=
2 eV). Bahan-bahan tersebut pada suhu operasi sekitar 1000° K dapat menghasilkan rapat arus emisi e1ektron hingga orde 1 Alcm2. Sedangkan untuk kondisi vakum di atas 10-5mm Hg, katoda barus dibuat dari bahan yang mempunyai suhu operasi dan fungsi keJja yang relatiftinggi. Untuk itu dapat dipilih bahan tungsten (T
=
3683° K;cI> =4,55 eV) atau tantalum (T = 3269° K; 41= 4,1 eV). Pada suhu operasi sekitar 3000° K bahan-bahan tersebut dapat menghasilkan rapat arus emisi elektron hingga 14 Ncm2(2).
Emisi termionik elektron juga dipengaruhi oleh bentuk dan luas permukaan katoda serta ragam pemanasannya. Ada beberapa bentuk katoda untuk sumberelektron, misalnya bentuk tusuk konde (hair pin), spiral, keping clan lain-lain tergantung pada
aplikasinya. Berdasarkan pad a beberapa persyaratan clan pertimbangan lain, maka telah dipilib kawat tungsten sebagai bahan katoda. Kawat tungsten dibuat menjadi bentuk spiral berdiarneter 4 mm clanpanjang 10 mm.
Bagian pembentuk berkas elektron yang terdiri dari elektroda pendorong, elektroda pemfokus clan anoda dirancang mengikuti model Pierce, yaitu dengan mempertimbangkan efek muatan roans yang diakibatkan oleh muatan elektron itu sendiri. Muatan roang berpengaruh terhadap pola medan listrik di antara elektroda-elektroda tersebut Dengan model Pierce akan diperoleh raftat arus yang seragam clan efisiensi yang tinggi 1).Dengan model Pierce maka elektroda pendorong clan elektroda pemfokus masing-masing dibuat membentuk sudut 67,5° clan 45° terhadap sumbu sumber elektron. . Sumber elektron yang telah dirancang kemudian dikonstruksi seperti pada gambar 1.
i
"'
Gambar1. Konstruksi sumber elektron untuk mesinberkas e1ektron.
1= Flange, 2= Anoda (celah), 3= Elektroda pemokus, 4= Badan sumber elektron, 5= Elektro-da pendorong, 6= Filarnen, 7= feedthrough, 8= Flange, 9= O-ring, 10= Pemegang, 11= Pe-nyangga, 12= Baut penyangga.
Katoda, elek.1:rodapendorong dan pemfokus berada di dalarn roang sumber elektron berbentuk silinder berdiarneter 115mm dan panjang 255 rom. Sedangkan anoda yang sekaligus berfungsi sebagai celah sumber elektron berbentuk keping berdiameter 90 mm clan diameter celah 10 rom. Pada celah tersebut dipasang kasa untuk menarik keluar berkas elektron dari ruang sumber elektron. Presiding Pertemuan den Preseotasi IImiah
TeknologiAkselerator dan Aplikasinya Vol.1 No.1 Juli 1999:9-13
Kedua ujung sumber elektron ditutup dengan "flange" ukuran DNI00. Sebagai terminal arus filamen daD tegangan elektroda dipergunakan
jeedthrough ".
Pengujian Sumber Elektron.
Terhadap sumber elektron yang telah dirancang clan dikonstruksi kemudian dilakukan
pengujiandengan skema pengujiansepertipada
gambar 2.
+
"
Tc
+
SDo\
Gambar 2. Skema pengujian sumber elektron.
SDF
=
sumber daya filamen, T = target metal SDFo = sumber daya pemfokus, Amp = penguat SDP = sumberdayapendorong, M = meter arusSDA = sumberdaya anoda
Pengujian meliputi pengujian arus emisi elektron daTikatoda serta pengukuran arus elektron dengan variabel arus filamen, tegangan pendorong, tegangan pemfokus clantegangan anode. Pengujian ini dimaksudkan untuk mengetahui apakah sumber elektron telah dapat menghasilkanarus elektron clan sejauh mana pengaruh dari elektroda-elektroda tersebut terhadap arus eIektron yang dihasilkan.
Pada pengujian tersebut sumber elektron di . set dalam tabung vakum berupa 'T-piece DNIOO"
yang dihubungkan dengan sistem vakum yang terdiri daTi pompa rotari clan difusi. Kevakuman dalam tabung vakum mencapai 1,5 . 10.5mm Hg. Untuk mengukur arus berkas elektron di belakang celah sumber elektron dipasang plat logam "stainless steel" sebagai target yang kemudian dihubungkan dengan sebuah penguat clan meter arus.
BASIL DAN PEMBAHASAN
Proses yang mula-mula terjadi pada sumber elektron adalah terlepasnya elektron daTi katoda menjadi elektron bebas. Terlepasnya elektron tersebut dapat disebabkan oleh adanya medan listrik yang kuat, proses fotolistrik. radiasi partikel pension maupun emisi termionik. Pada sumber elektron jenis termionik seperti yang telah dibuat elektron bebas terbenwk karena emisi termionik
daTikatoda yang dipanaskan menggunakan aliran listrik searah. Cara ini lazim digunakan karena secara teknis mudah dilaksanakan. Pengujian adanya emisi elektron dilakukan dengan cara mengukur arus pada eIektroda pendorong yang diberi tegangan positif terhadap katoda, sementara elektroda yang lainnya belum difungsikan. Adanya arus yang terukur menunjukkan adanya emisi elektron daTikatoda menuju elektroda pendorong.
Elektron bebas yang telah dihasilkan oleh katoda selanjutnya harus dibentuk menjadi berkas clandikeluarkan daTiruang sumber elektron.Dalam hal ini peran bagian pembentuk berkas elektron (electron beam shaping-element) sangat menentukan. Untuk mengarahkan elektron bebas dari katoda ke celah dipergunakan elektroda pendorong yang berpotensial negatif. Dari basil pengukuran arus elektron sebagai fungsi tegangan pendorong (gambar 3) menunjukkan bahwa tegangan pendorong yang diperlukan untuk mengarahkan elektron bebas daTikatoda ke celah hanya sekitar 120 volt negatif.
- - (8oIJ
&
I-_I
... ... ... ... . ..
.
,.
100 188--1"1
Gambar3. Hasil pengukuran arus elektron
sebagai fungsi tegangan pendorong. .Dalam perjalanannya menuju anoda (celah) sumber elektron, berkas elektron cenderung menyebar (divergen) akibat adanyagaya tolak menolak antara muatan sejenis yang dimiliki oleh masing-masing elektron. Oleh karena itu elektroda pemfokus sangat berperan untuk memfokuskan agar berkas elektron menjadi terfokus clan selanjutnya dapat melewati celah sumber elektron. Dalam hal ini tegangan pemfokus harus negatif agar terjadi penekanan elektron ke arab sumbu sumber elektron(4). Pada gambar 4 ditampilkan basil pengukuran arus elektron sebagai fungsi tegangan pemfokus. Tampak bahwa pemfokusan terjadi pada tegangan pemfokus sekitar 3 kV yang ditunjukkan dengan arus elektron yang maksimum pada tegangan tersebut11 RANCANG 8ANGUN SUMBER ELEKTRON UNTUK MESIN BERKAS
- -- C8IA1
i
-_I
...
.
~
... ... ....
.
.
.
.
--(11'1)
.
.
Garnbar4. Hasil pengukuran arus elektron sebagai fungsi tegangan pemfokus.
Anoda yang berfungsi juga sebagai ceJah keluaran sumber elek"tron harus dapat menarik elektron sebanyak-banyaknya dart ruang sumber
eIektron. Oleh karena itu anoda diberi tegangan.
positif. Anoda tidak hanya berbentuk lubang bulat melainkan berbentuk kawat kasa dengan maksud agar elektron dapat ditarik keluar clan tidak menyangkut di pinggir anoda. Bentuk medan listrik di sekitar anoda tentu saja sangat berpengaruh pada berkas elektron seperti ditampilkan pada gambar 5, yaitu hasil pengukuran arus elektron sebagai fungsi tegangan anoda.
Seperti telah disebutkan di muka bahwa (.aJ --I ... ... ... ...
,
...
... LP ... 4..1--(11'1)
.... uGarnbar 5. Hasil pengukuran arus elektron sebagai fungsi tegangan anoda. banyaknya elektron yang dihasilkan oleh katoda tergantung suhu katoda, yang berarti juga tergantung pada arus yang mengaJir pada katoda. Tentu saja haJini akan mempengaruhi arus elektron
yang ke!uardartsumberelektron.Pada gambar6
ditampilkan arus eJektron sebagai fungsi arus katodalfilamen.
.1--(.aJ
--I
/
I[
/
I~:
.
.
...
--(I»
.
"
I
.
I Garnbar 6. Hasil pengukuran arus elektronsebagai fungsi arus mamen.
KESIMPULAN
Dari basil yang telah dicapai sampai salt ini dapat disimpulkan bahwa kegiatan rancang bangun sumber elektron untuk mesin berkas elektron PPNY-BATAN Yogyakarta telah selesai dilaksanakan. Hasil pengujian sumber elektron menunjukkan bahwa sumber elektron telah dapat dioperasikan di mana arus eIektron yang dihasilkan pada kondisi operasi arus mamen 5 A. tegangan pendorong 120 V, tegangan pemfokus 3 kV dan tegangan anoda 4,2 kV adaJah 8 mA
UCAP AN TERIMA KASm
Faciakesempatan ini penulis menyampaikan rasa terima kasih yang sebesar-besamya kepada star teknisi, khususnya saudara Sumaryadi, Vntung Margono, Murtijan clan Suhartono, yang telah berpartisipasi pada kegiatan pembuatan sumber elek"tron ini, sehingga dapat terlaksana dengan sebaik-baiknya.
DAFT AR PUST AK.\
1. BAKlSH, R., Introduction of Electron Beam Technology, John Wiley & Sons, New York (1962).
2. RAHA YU CHOSDV, dkk., "Pengalaman Mengoperasikan daDMerawat Mesin Berkas Elektron EPS-300", Prosiding Seminar Sehari Prospek Rekayasa dan Aplikasi Mesin Berkas Elek-tron Untuk Industri di Indonesia, PAIR-BATAN, Jakarta 2 Agustus 1990. 3. SUDJATMOKO,dkk..,"AkseleratorElektron
GJ-2, Komponen Utama clan Prinsip Kerjanya", Makalah disajikan pada Pertemuan Tim Rekayasa Mesin Berkas Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah
TeknologiAkselerator dan Aplikasinya Vol.1 No.1 Juli 1999: 9-13
Elektron,PAIR-BATAN Jakarta, 25 Mei 1993.
4. BREWER, G.R., "High Intensity Electron Guns" Focussing of Charged Particles, Vol. II (SEPTIER. A, ed.), Academic Press Inc, New York (1967).
TANYAJAWAB Punwmo
Pada lembar tranparansi, tentang spesifikasi sumber ion. Berapa lama operasi sumber ion untuk arus /0 mA, 1101ini berhubungan denganjanglca waktu pemeliharaan (overhaul)
DjokoSP.
Dari pengukuran yang telah dilakukan, arus elektron belum mencapai 10mA. tetapi barn 8 mA. dan secara teari bertahan selama kurang lebih 50 jam (umur filamen). Sut ini masih dicari kondisi
untuk mendapatkan arus 10 mA 1jipto Sujitno
Berapa diameter berkas elektron yang natinya sampai ke target
Djoko SP.
Ukuran berkas elektron yang sampai ke target ditentukan kemampuan sistem pemayar. Direncanakan selebar 1,2 m. Ukuran berkas sebelum keluar dari pemayar kurang lebih 4 mm
RANCANG6ANGUNSUM6ER ELEKTRONUNTUKMESINBERKAS ELEKTRON PPNY-BATAN YOGYAKARTA
