P P G M — L 121 — 76
AKSELERATOR COCKROFT WALTON PROTOTIP
S u m ih ar H u t a p c a
BADAN TENAGA ATOM NASIONAL
PUSAT PENEUT1AN TENAGA ATOM GAMA
Y O G Y A K A R T A — I N D O N E S I A
We regret that some of the pages in the microfiche copy of this report may not be up to the proper legibility standards, even though the best possible
copy was used for preparing the master fiche.
Teknik dan Teknologi Teknik
Percepat Zarah
PPGM -• L 121 - 76
AKSELERATOR COCKROFT WAT..TON PROTOTIPE
Sumihar Hutapea
1975 - 1976
BADAW TENAGA ATOM NASIONAL Puse.t P e n e l i t i a n Tenaga Atom Gama J l . B a b a r s a r i Kotakpos 8 t e l e p o n 366l
Yogyakerta - I n d o n e s i a
A B S T R A K
Diterangkan h a s i l p e n e l i t i e n pembuatan g e n e r a t o r CooVroft Walton dengan menggunakan dua t i p e k a p a s i t o r s kersraik dan p l e s t i k . D i - bandinekpja dengan g e n e r a t o r sebelumnvaj k o n s t r u k s i maupun koaponen koaponen g e n e r a t o r i n i dianggap l e b i h menguntungkan. Kemampuan bahan pralon sebagai kolom i s o l a t o r tegangan t i n g g i dan k a p a s i t o r densan h a - h a s p l e s t i k s e b a g a i dielektrikum d i s e l i d i k i . Diterangkan s e c a r a s i n g - k a t p r i n s i p ker.ja p r o t o t i p a k s e l e r a t o r yang menggunakan g e n e r a t o r Cockroft Walton s e b a g a i sunber tegangan t i n g p ; i .
/
A 3 S T B A C T
P r o t o t y p e of a Cockroft Walton g e n e r a t o r u s i n g ceramic and p l a s t i c c a p a c i t o r s i s d i s c u s s e d . Compared t o t h e p r e v i o u s g e n e r a t o r , t h e c o n s t r u c t i o n and components are much more improved. ^mmmmJittmiiaA, P r a l o n V for t h e h i s h v o l t a g e i n s u l a t i o n column and p l a s t i c as a d i -
e l e c t r i c m a t e r i a l • f o r * high v o l t a g e c a p a s i t o r s -We UHI »b* Cockroft Walton generator^Sft a high teritionvjPsi' an • a e c c l e g a t o r .
jx>w-e/v
Sof^cy
i i
Pada l a p o r a n p e n e l i t i a n kami tahun 197^-1975 d i t e r a n g k a n p r i n s i p k e r j a g e n e r a t o r Codkroft Walton, k o n s t r u k s i a l a t naupun. koni- ponen-kor.ponen ypnp digunakMi Di s i n i akan koid. t e r a h g k a n pembuatan kolom maupun komponen yang s u k a r d a p a t d i p e r o l e h . Generator p u l s a cienggunakan f r e k v e n s i 50 k c dengan demikian b e s a r tegangan akan l e b i h t i n g g i . Manya dioda tegangan t i n g p i dengan keraampuah a r u s yang cukup b e s a r h i n g g a b e b e r a p a miliamper menun^ukkan bahwa dengan penggunaan d i o d a t i p e i n i k u a t a r u s yang d i p e r c l e h d a r i g e n e r a t o r akan l e b i h b e - s a r .
AKSELERATOR COCKPOFT WALFOB
Tujuan utama p e n e l i t i a n kami adalah nembuat s u a t u p r o t o t i p a k s e l e r a t o r yang n o n t i n y a dapat digunakan untuk mempercepat z a r a h - z a - r a h bermuatan, e l e k t r o n maupun i o n dan keraudian mengarahkan beam z a r a h z a r a h t e r s e b u t pada s u a t u s a s a r a n .
P e r i s t i w a f i s i k a yang t e r j a d i pada p r o s e s a k s e l e r a s i dapat d i t e r e n g k a n s e b a g a i b e r i k u t . Suatu tabung vakum i s o l a t o r d i b e r i beda tegangan a n t a r a kedua ujungnya. Salah s a t u ujungnya d i b e r i tegangan t i n f t g i hingga r a t u s a n r i b u v o l t sedang ujung l a i n dihubungkan . dengan t a n a h . Oleh adanya medan l i s t r i k ( G b . l . ) maka z a r a h bermuatan akan d i p e r c e p a t s e s u a i dengan a r a h medan l i s t r i k h i n g g a mengenai s u a t u sa-- s a r a n pada ujung tabling. Pada s a s o r a n i n i yang d i s e b u t target akan t e r j a d i b e r b a g a i macam p r o s e s , hamburan maupun r e a k s i i n t i t e r g a n t u n g pada b e s a r tegangans bahan target dan t i p e z a r a h bermuatan yang d i p e r -
1
c e p a t . K i t a s e b u t b e s a r tegangan t i n g g i V dan b e s a r muatan zarah q , mrJca b e s a r t e n a g a k i n e t i s zarah k e t i k a menabrak target adalab. ;
T = qV
Eumus d i a t a s jnenunjukkan bshva makin besnr tegangan t i n g g i . t e n a g a k i n e t i s zarah makin b e s a r
Tegangan _$,
t i n g g i .Target
/77777 Gb. 1 .
Sumber ion (ion Source)
Zarah-zarah berrouatan d i p e r o l e h d a r i s u a t u sumber yang d i s e - b u t sumber ion (ion s o u r c e ) ditempatkan pada daerah tegangan t i n g g i „ Dalam b e r b a g a i buku li-teratur cukup banyak d i t e r a n g k a n contoh - contdh dan p r i n s i p k e r j a sumber i o n .i Beberapa t i p e sumber ion yang t e r k e n a l , adalali radio frequency ion sourcej duop.la.3mation_n penning ion source.
UntuV. n e n a r i k i o n d a r i dalam sumber i o n dibutuhkan s u a t u tegangan extractor b i a s a n y a 5000 hingga 30,000 v o l t ; . Untuk mengendalikan ion bean kearah target d i p e r l u k a n s u a t u s i s t i r a pemfokusan m i s a l n y a quadru- pole Zens. Pada Gb. 2 ditunjukkan' s u a t u bagati skema sumber ion dengan accelerator tube. Pada p e n e l i t i a n yang ksmi kerjakan pouer supply ion source 2.000 v o l t dan extractor 5,000 v o l t . Untuk p r o t o t i p a k s e l e r a t o r
3
kemi i n i direncanakan suatu sumber ion t i p e P.I.G. atau "biasa disebut Penning ion source. Tipe i n i sengaja kami p i l i h mengingat konstruksi maupun p r i n s i p kerjanya lebih sederhana dibandingkan t i p e sumber ion l a i n c y a . I n i t e r d i r i dari suatu torak disebut anoda dan dua buah
2000 v
Gb. 2.
lenpeng, masing-masing berfungsi sebagai katoda dan antikatoda. Oleti
adanya beda tegangan sntara anoda dan katoda yang besarnya 2.000 volt
maka elektron aksn lepas dari lempeng katoda K dan d i t a r i k oleh anoda
A masuk ke dalam ruangan torak. Di dalam torak tidak ada medan l i s t r i k
moka elektron dapat bergerak bebas. Medan maknit B di dalam torak yang
dihasilkan oleh kuroparan akan mengakibatkan elektron bergerak dengan
l i n t a s a n bentuk h e l i x atau s p i r a l . Ini akan menyebabkan tambaban i o n i -
s a s i di dalam t o r a k b e r a r t i menimbulkan lagi banyak elektron. Oleh
a n t i katoda, elektron akan d i t a r i k sehingga menabrak a n t i katoda. Di
s i n i t e r j a d i elektron sekunder d i t a r i k oleh anoda masuk melalui ruang
torak dan bergerak ke arah katoda d s t . Sumber ion t i p e i n i juga d i s e -
but electron oscillation ion source.
h
S l e k t r o d a
Swiber day a (poaez> supply) ion source 3 e k s t r a k t o r maupun me- dan maknit ditempatkan di dalam e l e k t r o d a bertegangan t i n g g i yang t e r i s o l a s i l i s t r i k t e r h a d a p t a n a h . Potier d i a m b i l d a r i s a t u a t a u be»
b e r a p a dinamo yang ditempatkan d i dalam e l e k t r o d a . Motor dinamo p e - mutar ditempatkan pada tegangan n o l . ( g b , 3-) Tegangan t i n g g i gene- r a t o r Cqckroft Walton dihubungkan dengan e l e k t r o d a dengan .suatu k a - b e l b e r i s o l a s i tegangan t i n g g i . Untuk mencegah a r u s yang terlampau k u a t p e r l u adanya damping r e s i s t o r pada k a b e l penghubung e l e k t r o d a
rnfri
UUJU
dengan g e n e r a t o r .
R '
A c V«^=Q
*m*
P L T J -
06
Gb, 3 .
r\
0
/^777777
Tegangan D.C. 2 . 0 0 0 dan 5.000 v o l t d i dalam e l e k t r o d a d i p e r - oleh d a r i dinamo yang tegangannya 12 v o l t dengan menggunakan auatu konverter», y a i t u s i s t i m e l e k t r o n i k a yang merubah tegangan 12 v o l t men- j a d i tegangan b o l a k . b a l i k frekwensi 5 KC dan kemudian d i s e r a h k a n oleh s u a t u dioda tegangan t i n g g i .
5
Psmbuatan kapasitor tegangan tinggi
Pada laporan t-ahun yang l a l u diterangkan bahva kapasitor t e - gangan t i n g g i dibuat dari pipa kaca sedemikian sehingga merupakan su~
atu kapasitor s i l i n d e r dengan kaca sebagai dielektrikumnya. Kapasi- t o r i n i dapat mencapai tegangan Jebol 20.000 volt dengan kapasitan 350
pF. Pimensi kapasitor i n i sedemikian besarnya sehingga dalam pemasang- an t i d a k p r a k t i s .
Kapasitor yang sekarang i n i kami gunakan adalah kapasitor buatan sendiri y a i t u suatu kapasitor dengan menggunakan p l a s t i k tebal-- nya 0,5 nni
tpanjangnya 1 meter. P l a s t i k tersebut digulung pada dua lempeng metal t i p i s aluminium. Besar kapasitas yang diperoleh. dapat mencapai hingga 6.000 pF. Besar tegangan jebol terganttuig pada t e b a l dan lebar p l a s t i k . Lapisan aluminium untuk kapasitor tersebut diaiibil d a r i kapasitor Philips ysng berkekuatan 0
V1 uF, ^00 v o l t . Denpan mem- p e r t e b a l dielektrikum kapasitor tersebut sehingga menjadi 0,5 mm s e - p e r t i yang diterangkan di atas maka tegangan jebol dapat dinaikkan da- r i 1+00 hingga 12.000 v o l t .
Kolom
Pada perccbaan pertama kolom dibuat dari bahan prolan. Po- t e n s i a l divider diperoleh dengan membuat gelang-gelang t i p e tembaga sepanjangpraZon. Kapasitor merapunyai t i p e p 7 KV 9^ y a i t u kapasitor kramik. Besar kapasitor h50 pF. Tegangan generator dapat mencapai mak- simum 150.000 v o l t .
Kapasitor t i p e kedua menggunekan kaca sebagai kolom dan ka-
p a s i t o r a d a l s h k a p a s i t o r p l a s t i k .
I . Tipe pertama mempunyai t i n g c i 65 cm, l e b a r 25 cm. Sepanjang l-olom.
i
dipaseng frelang-gelang p o t e n s i a l . I n i b e r f u n g s i untuk jnencxrt-s-jgi kemungkinan t e r j a d i n y a spark dan raembuat supaya medan l i s t r i l ' - SQ- panjang kolom l e b i h b e r s i f a t homogen. Gelang« gelang p o t e n s i r c . dv- b u a t d n r i p i p a t e a b a g a t e b a l n y a 1 cm. Terminal generator dir?=~ca-
Gb. k;
nakan d i b u a t d a r i kuningan. Terminal i n i b e r f u n g s i supaya kue.c i.: • d a n ' l i s t r i k pada ujung dioda t e r a k h i r t i d a k besar» 9ehingga -ri.da':
nkan t e r j a d i spark a t a u kebocoran yang k u a t pada u d a r a s e k i t a r c . " :••:•"
7
I I . Tipe g e n e r a t o r kedua kolom d i b u a t d a r i p i p a k a c a . Generator i n i nenggunakan k a p a s i t o r p l a s t i k . Tinggi g e n e r a t o r 1 m e t e rs diameter 30 cm. Gelang-gelang p o t e n s i a l dipasang pada p i p a praZon. Besar k a p a s i t a n s masing-masing k a p a s i t o r 5.000 p ? . Pengukuran tegangan belum d i l a k s a n a k a n .
Konvertor
S e p e r t i d i t e r a n g k a n di a t a s , sumber ion membutuhkan tegangan 500 h i n g g a 2.000 v o l t untuk m e n g i o n i s a s i gas d i dalam sumber i o n . T e - gangan dinamo 12 v o l t p e r l u dirubah menjadi tegancan s e a r a h b e s a r n y a
500 h i n g g a 5.000 v o l t . Telah d i b u a t dua buah konvertor yang dapat mem~
b e r i tegangan yang d i b u t u h k a n . Tipe konvertor ditunjukkan s e p e r t i pada gambor. K a p a s i t o r s e b a g a i filter d i b u a t s e n d i r i . Oscillator mengguna- kan dua buah t r a n s i s t o r 2 SA 103 sehingga dapat memberi frekwensi hingga 10 Kc. Output transformer fly back T,V. memberi t e g a n g a n 6.000 v o l t dan kemudian d i s e a r a h k a n oleh s u a t u d i o d a . Konvertor 2.000 v o l t menggunakan trafo b u a t a n s e n d i r i dengan menggunakan ferrit s e b a g a i t e ~ r a s . Kedua sumber tegangan t i n g g i i n i masing-rcasing digunakan untuk tegangan e k s t r a k t o r dan sumber day a ion source.
Medan maknit
Arus untuk kunparen magnit d i p e r o l e h d a r i dinamo searah 12 v o l t . Besar k u a t medan t e r g a n t u n g pada banyak l i l i t a n a t a u kuat arus yang m e n g a l i r . Dinamo dapat meraberi-arus maksimuin 10 amper» Penampang kawat kumparan diusahakan sedemikian bes&rnya supaya tehanan murni kumparan k e c i l s e h i n g g a a r u s cukup b e s a r . Untuk jnencegah supaya arus
8
t i d a k t e r l a m p a u b e s a r seMngga m e l e b i h i k u a t a r u s m^ksimum dinamo; n a - k a dibutuhkan s u a t u tahnnan yang dihubungkan s e r i dengan kumparan, Un~
t u k meregulasi k u a t medan magnit d i k e r j a k a n dengan.nengubah k u a t a r u s . Pada t a r a f pertaraa i n i dilakukan dengan merubah k e c e p a t a n p u t a r dinamo b e r a r t i kecepatan motor. I n i d i k e r j a k a n dengan menggunekan s u a t u
variak,
o
n.c.
Oscillator
*s 2SB 337
Konvsrtor
Gb. 5
hx 2SE 33T
H. V.
trans former
A k s e l e r a t o r e l e k t r o n
Sebagai percobaan pendahuluan k e a r a h a k s e l e r a t o r yang n a n - t i n y a dapat dicunakan s e c a r a k w a n t i t a t i f dan. s e c a r a e f i s i e n tiaka s e k a - rang d i k e r j a k a n s u a t u . a k s e l e r a t o r e l e k t r o n . S e p e r t i d i t e r a n g k a n di a t a s t i p e pertaaia g e n e r a t o r d i b u a t sedeinikian sehingRa dapat memberi tegang«ui n e g a t i f b e r a r t i dapat ner.percepat z a r a h - z a r a h n e g a t i f ternft- suk e l e k t r o n dan a k s e l e r a t o r t i p e kedua mempunyai p o l a r i t a s p o s i t i f b e r a r t i roempercepat ion p o s i t i f .
9
Pada a k s e l e r a t o r e l e k t r o n sumber e l e k t r o n t e r d i r i d a r i s u a t u filamsn yang d i p a n a s i oleh s u a t u dincmo 12 v o l t , Tegangan e k s t r o k t o r b e s a r n y a 10.000 v o l t - D . C . Skema a k s e l e r a t o r ditunjukkan pada Gb.6. Be- s a r damping resistor g e n e r a t o r Cockroft Walton 50 megaohm. Tegangan d a p a t dirubah dengan merubah tegangan g e n e r a t o r p u l s a . I n i dilakukan
generator•
Cookroft Walton
generator pulsa
Gb, 6 t*77*
dengan meruban tegangan variak, A k s e l e r a t o r yang k i t a hadapi sekarang i n i oembutuhkan perlengkapan s e b a g a i b e r i k u t •.
1 . G e ne r at or tegangan t i n g g i Cookroft Walton
« 2 . S u a t u tank b e r i s i ninyak i s o l a t o r 3 . Kabel b e r i s o l a s i tegangan t i n g g i k. Dua buah motor berkekuatan 1.000 w a t t 5 . Terminal elektroda
6. Dua buah alternator
7 . Rotary pump dan diffusion pvmp 8 . Kolom i s o l a t o r
10
9 . Tabling i s o l a t o r 10. Suinber i o n
1 1 . Generator p u i s a .
BETJCANA AKSEIERATC •" ION
Untuk a k s e l e r a t o r i o n p o s i t i f p o l o r i t a s tegangan g e n e r a t o r h a r u s p o s i t i f . P r i n s i p k e r j a dan p e r a l a t a n yang dibutuhkan t i d a k ber~
b e d a jauh dengan a k s e l e r a t o r yang dibutuhkan e l e k t r o n , pJkan t e t a p i d i s i n i dibutuhkan s u a t u sumber i o n . Tujuan utama d a r i pada proyek kami' adalah nembuat s u a t u neutron generator dimana b e s a r tegangan yang d i - butuhkan dapat mencapai 200.000 v o l t dengan a r u s 2 ma. Spaz»e part yang dibutuhkan untuk melengkapi yang sudah ada a n t a r a l a i n ;
1 . Suatu tank gas yang dapat tahan hingga 10 a t m . . dimana ke dalamnya dapat ditempatkan g e n e r a t o r Cookroft Walton.
2. Suatu kompressor u d a r a / p a s hingga 8 atm.
3 . E l e k t r o d a d i b u a t d a r i aluminium a t a u kuningan.
h. Kolom i s o l a t o r untuk penahan e l e k t r o d a
5. Tabung a k s e l e r a t o r d a r i bahan kaca a t a u keramik 6 . Difusi dan rotary pump
7 . Sumber ion t i p e P.I.G. ion source.
P e r a l a t a n d i a t a s dibutuhkan untuk rcelengkapi spare part yang sudah ada "yaitu yang sudah d i p e s a n d a r i P e r a n c i s t i g a tahun yang l a l u . Spare part t e r s e b u t adalah :
- Lensa kwadrupol b e s e r t a dua buah D.C. power supply 15.000 v o l t .
11
- Retractable target - Defleotioiz plate
~ Lrift tube - Rotation probe,
Bagan akselerator yang kami rencanakan ditunjufckan pada Gb. 7
lensa kuadrupol
rot,vrobe
U - l _ u i
,£
target
HI (— |
-rrar—rr-
7
deflection plate
£3 V
ret.
taraet
Gb. 7
12
Lensa kuadrupol
Cengan nenggunekan lensa kuadrupol maka ion-ion staupun elektron yang nengenai dinding tdbung-drift dapat dielakkan dan juga a l a t i n i dapat mengatur diameter berkas pada suatu target. Lensa kua~
drupol t e r d i r i d a r i dua pasang leapeng dan oasing-masing pasangan diberi tegengsn l i s t r i k D.C. besarnya hingga 15.000 v o l t .
Rotating probes
-T-
4-
Gb, 8
Dengon rotating probes dapat d i s e l i d i k i homodenitas berkas ion maupun elektron. I n i t e r d i r i dari dua probes berputar yang s a l i n g tegak lurus dibuat dari pada tungsten. ?otor dari motor pemutar berada di dalem vakun dan stater di atraosfer» Kecepatan motor 50 C/S.
Bila t e r j a d i putaran maka probe akan meraotong berkas zprah
dan kedua signal l i s t r i k yang timbul dapat d i l i h a t pada ositoskop. De-
ngan demikian berkas zarah dapat d i s e l i d i k i .
13
, Gfb. 9
Fetraatcble target
Betractahle target dibuat dari lempeng tantalum yang dapat bergerak oleh tekanan udara dari suatu kompressor. Berkas yang t i b a pada t a r g e t ditentukan oleh p o s i s i lempeng tantalum yang dapat terbuka
dan t e r t u t u p di depan t a r g e t . Drift tube
Tabung i h i gunanya untuk saluran berkas., b i l a lctak t a r g e t dibutunkan pada sesuatu jarak t e r t e n t u dari a k s e l e r a t o r . Ukuran pan- jang sekehendak antara 0..5 si dan I n ,
- 1
Akselerator ysng k i t a rancang i n i dikenrudian h a r i dapat di~
gunakan untuk "berbagai lapangnn misalnya.
akselerator ion
- p e n e l i t i a n dasar ilniah. di "bideng - difusi zarah
- reaksi i n t i
- pensmpang lintang
• • zat padat
•• analisfi a k t i v a s i
- pembuatan radio isotop - efek radiasi'-
- studi nengenai sildinc dan reaktor.
akselerator oiektron
- i r r a d i a s i solid-, liquid dan gas
•-- surface treatment - graft-lng
- poliinerisasi
« studi organik moderator
• • metrologi sinar X
- mikroskop dan difreksi elektron pada tepcangan t i n g g i .
Ik
