ANALISIS SISTEM HAMP A MESIN BERKAS ELEKTRON 500 key/to ma

Proseding Pertemuan dan Presentasi lImiah P3TM-BATAN. YogyakartQ 25 -26 Ju/i 2000

270 Buku /

ANALISIS

SISTEM HAMP A MESIN BERKAS ELEKTRON

500 keY/tO mA

Suprapto, Darsono, Djoko SP., Djasiman

Pusat Pene/itian dan Pengembangan Tekn%gi Maju

ABSTRAK

ANALISIS SISTEM HAMPA MESIN BERKAS ELEKTRON 500 keV/IO mA. Te/ah di/akukan ana/isis insta/asi sistem hampa untuk mesin berkas e/ektron 500 keV/10 mA. Da/am mesin berkas e/ektron. /intasan berkas e1ektron dari sumber e/ektron sampai ke target me/a/u/i beberapa bagian. Agar /intasan berkas e/ektron tidak ban yak menga/ami gangguan maka sepanjang /intasan berkas e/ektron di do/am mesin berkas e/ektron harus dihampakan. Untuk menghapakan mesin berkas e/ektron ini per/u suatu pompa hampa don per/engkapann,va yang disebut insta/asi sistem hampa. Agar sistem hampa yang dl'gunakan sesuai dengan sistem yang dihampakan maka per1u di/akukan suatu ana/isis. Ana/isis ini me/iputi penentuan komponen-komponen yang digunakan. beban gas yang harus dihampakan, daya hantar pada sistem hampa, kebutuhan pompa yang digunakan dan kehampaan akhir yang dapat dicapai. Dari hasi/ ana/isis insta/asi sistem hampa mesin berkas e/ektron 500 keV/10 mA menunjukkan bahwa.. beban gas yang harus dipompa me/ipu/i ..pe/epasan gas. permeasi don kebocoran masing-masing ada/ah 4,6357. 10-5 Torr /t./de/ik, 5,6663. 10-5 Torr //./de/ik don 3,66576. 10-4 Torr /t./de/ik, sehingga didapa/kan beban gas kese/uruhan 4.69596. ~0-4 Torr /t./de/ik. Daya han/ar sa/uran dari sis/em ins/a/asi hampa ke pompa /urbomo/eku/ar ada/all 694.93 //./de/ik sedangkan /afu pemompaan efektif don /ingka/ kehampaan akhir yang dapat dicapai dengan pofnpa turbomo/eku/ar tipe TMU 520 masing-masing ada/ah 290.78 Torr /t./detik don 1.62. 10-6 Torr. Dengan demikian do/am ana/isis insta/asi sis/em hampa ini didapatkan hasi/ yang cukup baik dan diharapkan se/e/ah sistem hampa /ersebu/ diins/a/asi dihasi/kan /ingka/ kehampaan akhir sesuai dengan ana/isis. sehingga dapa/ mendukung operasi mesin berkas e/ektron 500 keV//O mA.

ABSTRACT

ANALYSIS OF VACUUM SYSTEkl FOR 500 keV/10 nlA ELECTRO,V BEAM kIACIlINE. Analy.\'is of vacuum system for 500 kl!V/IO mA electron beam machine has been done. ln order of electrom beam trajectory in the electron beam machine from electron gun to target does not have disturbance, the all part ofpassage along the electron beam trajectory must be evacuated. For evacuation the elctron beam machine the vacuum pump and its accessoriesare required, these are as mentioned vacuum installation system. In order to match the vacuum system with the vacuum installation, the analysis is needed for determined the components of vacuum system, gas load, conductance at the vacuum system, number and type of pump, and the ultimate pressure of the vacuum system. The result of the analysis for vacuum system installation of 500 keV/IO mA electron beam machine shows that outgassing, permeation and leakage are 4.6357. 10-5 Torr Ito/second, 506663 0 10-5 Torr Ito/second and 3.665i6 0 10-4 Torr Ito/second respectively, and the total gas load is 40695960 10-4 Torr Ito/secondo The conductance of installation from vacuum system to molecular pump is 694093 Ito/secondo Whereas effective pumping speed and ultimate pressure reached by molecular pump type TMU 520 are 290.78 Torr It./second and 1062 0 10-6 Torr respectivelyo The analysis result of vacuum system installation is very good and then the ultimate pressure according with of the analysis can be expected. So that able to support the operation of 500 kI! V/I 0 mA electron beam machine.

elektron untuk pelapisan karet (ban mobil), pe-lapisan busa plastik dan pcngolahan gas buang industri mempunyai rentang energi 300 keY sampai 1.000 keY. Salah satu tara untuk memberikan energi elektron yang dihasilkan oleh sumber elektron di dalam m~sin berkas elektron digunakan sumber tegangan tinggi yang dirangkai dengan sistem pemercepat. Dengan tara ini, besamya energi elektron yang telah dipercepat di dalam sistem pemercepat adalah sebanding dengan besamya tegangan tinggi yang digunakan sebagai tegangan pemercepat.

PENDAHULUAN

M eSin berkas elektron adalah suatu peralatan yang digunakan untuk menghasilkan arus berkas elektron dimana elektron tersebut harus mempunyai energi yang cukup untuk pengguna-anya. Adapun penggunaan mesin berkas elektron atara lain dalam bidang : lndustri kabel, industri alat-alat kedokteran/kesehatan, pelapisan kayu, karet, busa dan lain-lain. Untuk mesin berkas elektron yang digunakan di bidang pelapisan kayu mempunyai rentang energi antara 150 keY sampai 350 keY. Sedangkan penggunaan mesin berkas

Proseding Pertemuan dan Presentasi IImiah

P3TM-BATAN, Yogyakarta 25 -26 Juli 2000 Buku J 271

Pembuatan mesin berkas elektron yang barn pertama kali dilakukan di P3TM.Batan direncana-kan untuk digunadirencana-kan dibidang pelapisan kayu dan busa plastik. Dengan demikian, mesin berkas elektron yang akan dibuat mempunyai energi sampai 500 keY. Untuk menghasilkan energi elek-tron sebesar 500 keY diperlukan sumber tegangan tinggi sebagai tegangan pemercepat sebesar 500 kV,

Di dalam mesin berkas elektron, berkas elektron dari sumber elektron kemudian dipercepat di dalam tabung pemercepat dan selanjutnya diarahkan ke target melalui corong pemayar dan "window", Agar lintasan berkas elektron dari sumber elektron sampai ke target tidak banyak mengalami gangguan maka sepanjang lintasan berkas elektron di dalam mesin berkas clektron barns dihampakan, Untuk menghapakan mesin berkas elektron ini perlu suatu pompa hampa dan perlengkapannya yang disebut sistem hampa, Agar sistem hampa yang digunakan dapat sesuai maka perlu dilakukan suatu analisis meliputi penentuan komponen-komponen yang digunakan, volume sistem yang dihampakan, daya hantar pada sistem hampa, kebutuhan pompa yang digunakan dan kehampaan akhir yang dapat dicapai,

sebelum

dipompa. Sedangkan

setelah

pemompaan

dimulai hingga mencapai kondisi tunak, maka beban pompa tergantung dari gas yang dilepaskan melalui dinding-dinding instalasi mesin berka~ elektron yang dihampakan. lumlah gas yang dilepaskan dan menjadi beban pompa ini terdiri dari : permeasi, pelepasan gas (difusi dan desorpsi), penguar'ln serta kebocoran (Gambar I)

c::f~

_{nF_'OR!'.,}

..~~

t'l--DALAM "~nOCORAN =_.~

"VAT~

~

Sumber

gas don uap di do/am ruang

hampa.

Gambar

METODOLOGI

Agar di dalam seluruh ruangan instalasi mesin berkas elektron dapat dihampakan sampai tingkat kehampaan yang diinginkan, maka diperlu-kan perencanaan yang teliti. Untuk melakukan pcrcncanaan yang teliti maka pcrmasalahan-permasalahan yang berkaitan dengan instalasi sistem hampa pada mesin berkas elektron harus dikaji lebih dahulu. Pengkajian permasalahan di dalam instalasi sistem hampa ini harus didasarkan pada tingkat kekompleksan mesin berkas elektron yang di-hampakan. Tingkat kekompleksan mesin berkas elektron akan berkaitan dengan beban pompa meliputi besar kecilnya ruangan yang dihampakan dan bahan komponen-komponen yang digunakan serta instalasi sistem hamra, sistem saluran untuk menghapakan ruangan di dalam mesin berkas elektron dan kebutuhan jenis, dimensi dan jumlah pompa yang digunakan untuk menghampakan.

Permeasi

Penneasi merupakan suatu proses masuknya molekul-molekuVatom-atom gas dari pennukaan luar yang mempunyai tekanan atmosphir ke per-mukaan dalam yang barns dihampakan. Proses masuknya molekul-molekuVatom-atom gas ini

melalui 4 tahap yaitu adsorpsi, pelarutan, difusi clan desorpsi (Gambar 2). Pada tahap pertama yaitu adsorpsi, molekul-molekuVatom-atom gas men em-pel pada pennukaan luar dinding. Setelah molekul-molekul/atom-atom menempel pada pennukaan luar dilanjutkan tahap yang kedua yaitu pelarutan dimana molekul-molekul/atom-atom gas larut di dalam dinding. Selanjutnya tahap yang ketiga yaitu difusi, dim ana molekul-molekuVatom-atom ini me-nembus dinding dari pennukaan luar ke pennukaan dalam. Difusi ini disebabkan karena bahan dinding mempunyai penneabilitas sehingga memungkinkan molekul-molekuVatom-atom yang telal.1 larut di pennukaan luar dan mempunyai konsentrasi tinggi menembus ke pennukaan dalam. Tahap yang terakhir yaitu desorpsi dimana molckul-molekul/ atom-atom gas setelah mencapai di pennukaan dalam melepaskan dari pennukaan yang disebabkan oleh adanya tekanan yang sangat rendah (kehampaan tinggi).

1. Behan Pompa

Besar kecilnya ruangan akan berkaitan dengan jumlah gas yang harus dipompa. Jumlah gas ini akan menjadi beban pompa, untuk pemompaan awal beban pompa ditentukan oleh volume gas yang ada di dalam ruangan mesin berkas elektron

Suprapto, dkk. ISSN 0216 -3128

Proseding Perlemuan don Presenlasi //miah P3TM-BATAN. Yogyakarla 25 -26 Ju/i 2000

272 Buku J

~

'10'

(3)

_-u~a~u

u:J\JI!

--~inding

n

_,

K.

= K. +

Adsorpsi

---Larut

Difusi

---Desorpsi

dim ana

Hampa

,1

_h

₍₄₎

Gambar 2. Proses

terjadinya permeasi.

Untuk harga ~ > 104 jam, nilai ~ adalah

-i

-4

Berdasarkan hukum Fick's pertama dan kedua serta melalui penjabaran lebih lanjut maka laju permeasi spesifik (qp) dapat dihitung dengan persamaan (I) :

tr

(5)

=Db~}j-P'}jI 2

h

(I)

,;

(6)

qp 1T ho2 = 5,76.IO4D,

dimana D1 adalah koefisien difusi, b konstanta kelarutan, PI, P2 tekanan di sisi permukaan luar dan dalam, h tebal dinding danj konstanta desosiasi

Perkalian antara koefisien difusi daD konstanta kelarutan yaitu DI b disebut konstanta permeasi (K). Besamya laju permeasi yang terjadi (Qp) dapat ditentukan dengan persamaan(l) :

dimana Kh adalah laju pelepasan gas spesifik pada h jam setelah pompa dioperasikan, K1 laju pelepasan

gas spesifik setelah pompa dioperasikan selama 1 jam, /h waktu setelah pompa dioperasikan, r konstanta yang berkaitan dengan bahan, ; konstanta waktu difusi dan D1 koefisien difusi.

Sedangkan nilai K1 dan Ku dihitung dengan persamaan(l) Qp =q p A

(2)

y,

2,79.10-3

]

3600"

'D

I

)

l-;-

'7)

dimana A adalah luas permukaan ruang hampa. K1

T &0

I

= 2,79.10-3

T ( T)

Po

(8)

K.

dimana &0 adalah konsentrasi gas ketika th = 0, T suhu dinding pad a saat operasi, D1 b konstanta permeasi, ho tebal dinding dan Po tekanan parsial gas di bagian luar dinding.

Besarnya laju pelepasan gas yang terjadi CQD) dapat ditentukan dengan persamaan

QD

_=qD,A (9)

dimana q D = Kh adalah laju pelepasan gas spesifik daD A adalah luas pennukaan di dalam sistem hampa.

Pelepasan Gas (difusi dan desorpsi)

Gas yang disebabkan oleh adanya difusi dan desorpsi biasanya disebut pelepasan gas (" out-gassing"). Difusi gas terjadi jika suatu molekuV atom gas menempel pacta permukaan yang selanjut-nya masuk ke dalam permukaan dinding. Setelah dihampakan, molekuVatom tersebut keluar dan lepas dari permukaan sehingga memberikan sumbangan gas di dalam sistem hampa. Sedangkan desorpsi terjadi jika suatu molekuVatom gas menempel pacta permukaan tetapi tidak sampai masuk di permukaan tersebut, yang selanjutnyajika dihampakan molekuV atom gas tersebut lepas dari permukaan sehingga memberikan sumbangan gas di dalam sistem hampa. Kedua proses lepasnya gas dari permukaan yang dihampakan tersebut disebut pelepasan gas.

Jumlah gas yang disebabkan oleh pelepasan gas ini tergantung dari suhu, bentuk, jenis bahan yang digunakan dan pengolahan permukaan (kekasaran, pembersihan dan sebagainya). Laju pelepasan gas dapat ditentukan dengan pendekatan eksperimen sesuai persamaan (I) :

Untuk mempercepat pelepasan gas dapat

dilakukan dengan pemanasan ("bake j. Dengan pemanasan ini, pada saat pemanas dihidupkan maka laju pelepasan gas naik secara cepat. Setelah suhu

ISSN 0216 -3128

Proseding Perlemuan don Presenlasi /lmiah

P3TM-BATAN. Yogyakarla 25 -26 Ju/i 2000 Buku I

₂₇₃

pemanas stabil laju pelepasan gas turnn secara eksponensial. Kemudian setelah pemanas dimatikan

laju pelepasan gas turnn secara cepat.

Kebocoran

Kebocoran pada sistem hampa terjadi pada sambungan komponen-komponen yang digunakan di dalam sistem hampa. Sambungan komponen-komponen ini dibedakan menjadi 2 bagian yaitu sambungan tidak dapat dilepas dan sambungan dapat dilepas. Sambungan tidak dapat dilepas yaitu sambungan dengan las clan sambungan dengan

"brazing". Pada sambungan ini kebocoran yang terjadi sangat sulit ditentukan karena tergantung daTi kualitas sambungan tersebut. Sedangkan sam bung-an dapat dilepas yaitu sambungbung-an dengbung-an perapat ("seal') logam atau viton (Gambar 3). Jenis logam yang banyak digunakan sebagai perapat adalah tembaga, alumunium, Indium dan emas.

Penguapan

Penguapan bahan di dalam sistem hampa disebabkan karena adanya tekanan yang sangat rendah (kehampaan tinggi) pada suhu ruangan. Untuk bahan-bahan yang digunakan dalam pem-buatan komponen-komponen sistem hampa, peng-uapan akan terjadi bila tekanan parsial yang mengenai pennukaan lebih kecil dari tekanan penguapan dari bahan tersebut. Jumlah pengua~an yang terjadi dapat ditentukan dengan persamaan(1

(M}M

W = 5.83.10-2

p.

_f

₍₁₀₎

dimana W adalah jumlah bahan yang menguap (gr/dt. cm1, Pv tekanan penguapan bahan (Torr), M berat molekul bahan, T suhu bahan dalam oK clan f koefisien "sticking"

Dengan mengetahui jumlah bahan yang menguap (W) maka dapat menghitung volume per satuan waktu pada kehampaan tersebut dari penguapan yang menyebabkan sumbangan beban gas pada pompa. Besamxa sumbangan beban gas dari penguapan ini adalah< )

-~!!L

-M n

b. perapat viton (11)

v

Gambar 3. Sambungan

dengan

perapat logam dan

viton.

dan

(12)

P

kT

sehingga didapatkan

(13)

Dalam sambungan dengan perapat logam, logam yang digunakan sebagai perapat tersebut akan mengalami deformasi plastis sehingga jika dilepas perapat terse but tidak bisa kembali ke bentuk semula.

Besamya konduktansi pada perapat logam ditentukan dengan persamaan(l)

Dengan demikian beban gas akibat penguapan (Qv)

dapat dituliskan

₍

_T

)

_~

₂ Al

[

-3l'IR C =1,93.10. --!5-- e M In(r./r,) 8,12 1-0,36e-3l'IR.

(15)

(14)

Qv

=V.A

Untuk sambungan dengan perapat viton, viton yang digunakan sebagai perapat terse but akan mengalami defonnasi elastis sehingga jika sambungan dilepas bentuk perapat tersebut akan kembali ke bentuk semula. Dengan demikian dimana Vadalah volume gas akibat penguapan, NA

bilangan avogadro, n kerapatan molekul/atom bahan yang menguap, p tekanan di ruang hampa, k kon-stanta Boltzman dan T suhu ruang hampa

-T

Proseding Perlemuan dan Presenlasi /Imiah P3TM-BATAN. Yogyakarla 2.5 -26 Juli 2000 Buku I

274

perapat viton dapat digunakan berulang-ulang. Namun jenis perapat viton dalam pemakaiannya menggunakan "grea.'ie" schingga dapat mcnambah penguapan yang discbabkan oleh "grease" terse but. Besamya konduktansi pada perapat viton dapat ditentukan dengan persamaan :

C =3,SI(-bf(t)

₍₂₁

dan untuk penampang aliran segi empat adalah

(22)

t

2b2 T 2 aK C =9072(-;;1 (a+b)L ,x

A -exp--

2 L

(

3F

)

W LwR

= 4(fI)

(16)

Selanjutnya besamya laju kebocoran (QV baik dengan perapat logam maupun viton dapat ditentukan dengan persamaan

QL = C.M

₍₁₇₎

dimana C adalah konduktansi saluran (liter/detik), T suhu gas rK), M berat molekul, A luas penampang aJiran (cm1, B keliling dari penampang aliran (cm), L panjang pipa/saluran (cm), a dan b adalah sisi-sisi pipa untuk penampang segi em pat dan K adalah faktor koreksi untuk penampang segi empat. Sedangkan konduktansi untuk belokan ("elbow". Gambar 4) adalah(l)

Dengan demikian besamya be ban pompa (QG)

untuk kondisi tunak adalah

₍

T

)

X ( D) ) -381 --.M L.+~+1.33D

:23)

Ci

(18)

Qo = QL+QD+QV+Qp

dan T M

:24

= 3,81

2. Sistem

Sa/ural'

Konfigurasi dan dimensi sistem ~aIuaran dalam instalasi hampa sangat berkaitan dengan besarnya daya hantar (konduktansi). Untuk menentukan besarnya konduktansi harus diketahui jenis aliran yang terjadi di dalam saluran terse but. Jenis aliran ini ditentukan berdasarkan bilangan Knudsen yaitu perbandingan an tara diameter saluran (D) dan lintasan bebas rata-rata(A) yang dapat dituliskan ] , D .L1+~, sehingga

(25)

= c. + C2 .D Bli Knudsen = -).

(19)

Aliran di dalam sistem hampa diklasifikasi-kan menjadi 3 bagian yaitu aliran kental ("viscous ") dengan D/J. > 110, aliran transisi dengan 1 < D/J. < 110 dan aliran molekular dengan D/ J. < 1. Untuk kehampaan tinggi aliran yang terjadi adalah aliran molekular, sehingga konduktansi yang terjadi adalah konduktansi pada aliran molekular. Dengan demikian dapat ditentukan besarnya konduktansi untuk berbagai konfirgurasi dan dimensi dari saluran. Besarnya konduktansi untuk pipa panjang dengan penampang tetap adalah(l)

Gambar 4. Saluran berbentuk "e/~ow

3. Dimensi

dan Junual,

Pon,pa

Berdasarkan beban pompa dan konduktansi saluran maka dimensi dan jumlah pompa dapat ditentukan. Dimensi dan jumlah pompa ini berkaitan dengan tingkat kehampaan akhir dan waktu pemompaan. Tingkat kehampaan akhir (Pu) dihitung dengan persamaan

(

T

)

1

(

_A2

)

C = 1,9408.104""A1 BL

(20)

Persamaan 20 dalam satuan cas, dari persamaan tersebut untuk penampang aliran lingkaran

di-dapatkan

ISSN 0216 -3128 Suprapto, dU.

Proseding Pertemuan don Presentasi ltmiah

P3TM-BATAN, Yogyakarta 25 -26 Juti 2000 Buku I 275

puti : Sumber elektron, sistem pemfokus, tabung akselerator, sistem pengarah dan pemayar serta corong pemayar. Agar dalam analisis dapat berhasil dengan baik, maka setelah dikaji dasar-dasar per-hitungan untuk perencanaan dilanjutkan perper-hitungan yang berkaitan dengan instalasi sistem hampa. Untuk perhitungan ini dapat dilakukan dengan menghitung tiap-tiap bagian kemudian dijumlahkan

atau dengan tara menghitung secara keseluruhan.

Namun demikian untuk mempermudah perhitungan dan meningkatkan ketelitian, dalam analisis ini akan dihitung tiap-tiap bagian kemudian dijumlahkan. Perhitungan yang berkaitan dengan instalasi hampa terutama perhitungan beban gas yang harus di-pompa, konduktansi/daya hantar saluran dan tingkat kehampaan akhir yang dapat dicapai. Sedangkan data-data yang digunakan untuk perhitungan adalah dimensi-dimensi dari komponen-komponen yang berkaitan dengan sistem hampa, konstanta-konstanta yang berkaitan dengan pelepasan gas

("out-gassing';, permeasi dan kebocoran.

&

S~f

Pu

(26)

=

Sedangkan

waktu pemompaan

adalah

~~

(27)

=(1)[1+~Jln P-Pu

Sehubungan adanya konduktansi (daya hantar) saluran dalam instalasi sistem hampa maka akan menimbulkan adanya kecepatan pemompaan efektif (S.u sebagai berikut

(28)

=-=-+

-Set

s

p

c

Oi dalam sistem hampa mesin berkas elek-tron, bagian-bagian yang harus dihampakan

meli-Keterangan

1. Sumber elektron dan pemfokus I 2. Tabung pemercepat 3. Pemfokus 11 4. Pengarah 5. "Cross piece" 6. "Blankingflange" 7. "Bellow" 8. Pemayar 9. "Scanning horn ,. 10. "T-piece" 11. "Valve" 12, "Elbow 900" 13. "Bellow" 14. "Filter" 15. Pompa Turbomolekular 16. Manometer Pirani 17. "Valve" 18. "Valve" 19. Pompa Rotari

Prose ding Per/emuan dan Presen/asi I/miah P3TM-BATAN. Yogyakar/a 25 -26 Juti 2000

276 Buku /

elektron dan pemfokus I, tabung akselerator, tabung pemfokus II, "T -piece", "bellow", corong pemayar dan "elbow",

Tabung Sumber Elektron don Pemfokus I

Laju permeasi

Untuk menghitung besamya laju penneasi perlu diketahui terlebih dahulu konstanta-konstanta yang diperlukan meliputi : koefisien difusi (D1), konsentrasi gas ketika th = 0 (Co) daD konstanta penneasi (D. b). Setelah konstanta-konstanta tersebut diketahui, konstanta-konstanta yang lain dihitung daD kemudian dihitung besamya laju penneasi. Dalam perhitungan ini besamya koefisien difusi (DJ daD konstanta penneasi (D. b = K) ditentukan berdasarkan ekstrapolasi Tabel 1 daD 2 atau Gambar 5 daD 6.(5)

HASIL DAN PEMBAHASAN

Perhitungan beban gas yang harus dipompa meliputi : Jumlah gas yang berada di dalam ruangan yang harus dihampakan dan jumlah gas akibat pelepasan gas {"outgassing;, permeasi, kebocoran dan penguapan. Jumlah gas yang berada di dalam ruangan tergantung dari volume ruangan yang harus diharnpakan, volume ruangan ini akan mempeng-aruhi waktu penghapaan awal dengan pompa rotari. Sedangkan jumlah gas akibat pelepasan gas, per-measi sangat tergantung dengan besarnya konstanta-konstanta yang berkaitan dengan sifat bahan terhadap pelepasan gas dan permeasi dan luas dinding instalasi sistem hampa. Untuk gas akibat kebocoran tergantung dari penggunaan bahan pe-rapat ("sea"') dan gas akibat penguapan tergantung dari jenis bahan yang ada di dalam ruangan yang dihampakan.

Untuk memudahkan perhitungan, maka dihitung tiap-tiap bagian meliputi tabung sumber

Tabcll. Koefisien difusi ga.\' hidrogen dalam stainless steel 309 S.

T (oC)

D (cm2/det)

600

6.10.(,

250

4.10-1

300

350

3 .10-1

400

6.10"

200

10-1

500

2,5 .10-6

150

1,8 .10.9 -10.r

Tabel 2. Konstanta permeasi (D J b = K) gas hidrogen dalam stainless steel 309 S.

T(C)

200

250

300

350

400

500

600

8. 10.7

3 .10.10 8. 10.9

2. 10"

2.10.11 9. 10-10

2.10

K

~

r--6,OO5.(X) ~ -r

~

~

~ 5,OOo.oc,

"T-~-O

~ 400~

1~

.! .," 1/1 ," II; .. OOc ~ r -"'. D'\N-'~ ">, ~ "~ !'

~ 2.005{X) -~..

..-.-t

0 .. 1 OOc r\£ ~ .C"N. r

.

1OO

r~ .

.I.;}V7

/-550 (:00 6~

~

4!iJ

.:<X>

2.l() 300

350

150

m

Suhu.T(C)

Gambar 5. Grajik hubungan antara suhu bahan (1') dan koejisien difusi (D J).

ISSN 0216 -3128 Suprapto, dkk.

Proseding Pertemuan don Presentasi /lmiah

P3TM-BATAN, Yogyakarta 25 -26 Juti 2000 Buku I

277

2.00E-O7

"ij) ~ ~

:=

t:

~ 0.-~

-;:

~

~

(5

~

~ l,50E-07 t

l-I OOE-07

,

..

t. !-_..

5,0] E-08!

,00&10 :"'-"

...",""1"""""""""'-'-'"-,

150 200 250 300 350 400 450 500 550600650

Suhu, T (C)

Gambar 6. Grafik hubungan an tara suhu bahan (F) don konstanta permeasi.

Kernudian besamya laju penneasi dihitung dengan persamaan 2 dan luas pennukaan yang menyebab-kan terjadinya penneasi adalah sarna dengan luas pennukaan yang menyebabkan terjadinya pelepasan gas yaitu sebesar 1230,88 crn2.

Dari Gambar 5 didapatkan persamaan garis untuk menentukan nilai koefisien difusi

= 3.10-10 .exp(0,0176.T)

DI

(29)

Qp = 1,454. 10.9 Torr It./detik dengan mengekstrapolasi persamaan garis untuk

suhu bahan (1) 30 DC didapatkan nilai D, = 4,825 . 10-10 (cm2/det).

Sedangkan dari Gambar 6 didapatkan persamaan garis untuk menentukan konstanta permeasi

10-11 .exp(0,017 .T:

(30)

K

=

dengan mengekstrapolasi persamaan garis untuk suhu bahan (7) 30 °c didapatkan nilai K = 1,582 . 10.11, sehingga nilai konstanta kelarutan (b) adalah

Pelepasan

Gas

Untuk menghitung besarnya laju pelepasan gas perlu diketahui terlebih dahulu konstanta-konstanta yang diperlukan meliputi :, konstanta-konstanta waktu difusi, konstanta waktu operasi,' koefisien difusi, konsentrasi gas hydrogen dan konstanta pelepasan gas.

Konstanta waktu difusi (,;) dihitung dengan persamaan 6 adalah b = KID.

= 0,033

1Z".(O,3)2

=1,017.104

~

-5,76.104.4,825.10-10

Untuk menghitung laju penneasi perlu dihitung terlebih dahulu laju penneasi spesifik yaitu meng-gunakan persamaan 1 dengan konstanta desosiasij = 2 untuk gas diatomik dalam logam(')

Konstanta waktu setelah pompa dioperasikan dihitung dengan persamaan 5 karena E, > 104

1,017.104

4

= 2,542.103

.(760))1;

-(3,37S.10-6t"

0,3

th

=

= 1,582.10-11

qp

Sedangkan besarnya konsentrasi gas

hidrogen ketika th = 0 (Eo) untuk bahan stainless

= 1,454.10-9 Torrlt./dt.cm2

Proseding Pertemuan dan Presentasi IImiah P3TM-BATAN. Yogyakarta 25.26 Juti 2000

278

Buku I

steel adalah 0,4 cm3 (STP)/ cm3 dan kontansta yang berkaitan dengan bahan y = ~. Untuk menghitung laju pelepasan gas perlu dihitung terlebih dahulu konstanta-konstanta pelepasan gas spesifik yaitu dengan persamaan 7 dan 8 kemudian laju pelepasan gas spsesifik

QD = 1,372. 10.9 .1230,88 = 1,689. 10-6 Torr It./detik.

Laju Kebocoran

Oalam menentukan besamya laju kebocoran yang terjadi pada sambungan-sambungan diperlu-kan data-data "flange", perapat ("seal'), indeks pengencangan baut pengikat "flange" dan tinggi puncak. Untuk "flange" ON 160 KF menggunakan perapat "vi/on" dengan keliling perapat L = 48,29 cm, lebar w = 0,82 cm, indeks pengencangan K = 0,6 dan tinggi puncak A = I .10-4 cm, kemudian daya hantar (C) dihitung dengan persamaan 16 didapatkan K1

=

(

2,79.10-3

) .300.0,4 ( 4,825.10-1° » '1 3600>'1 1t

= 6,917.10-8 Torr!! /detcm2

dan

K"

-.exp

(

0,82

48,29.0,82.0,5

-3.0,6

Sehingga laju pelepasan gas spesifik (qD = Kh) dihitung dengan persamaan 3

Kemudian laju kebocoran dihitung dengan persama-an 17 didapatkpersama-an

6,917.10-8

-(2,542.103f

.

= 1,372.10-9 Torrlt./cm2

= 1,688.10-14

+

Kh QL = (3,4452. 10-8) .760 = 2,61836. 10.5 Torr It./detik.

Laju pelepasan gas (QD) pada sumber elektron dihitung dengan persamaan 9 dengan luas per-mukaan (A) yang menyebabkan terjadinya pelepas-an gas sebesar 1230,88 cm2.

Dengan carR yang sarna untuk bagian-bagian yang lain dapat dihitung dan hasilnya ditabelkan pad a Tabel 3.

Tabel3. RekapilU/asi

hasi/ perhilungan beban gas dari bagian-bagian

MBE 500 keV/IO mA.

QL

(Torr It./det)

No.

Bagian-bagian MBE

Qp

(Torr It./det) 1,790.10-6 7,305. 10-6 1,288. 10-6 , 0,676. 10-6 1,644. 10-6 3,8361 .10.s 5,599. 10-6 5,6663 .10.s 2,6184. 10's 1 Sumber elektron & pemfokus I

7,8552. 10-5

2

3

Qo

(Torr It./det) 1,689 .10-6 6,893 .10-6 1,215.10-6 '.'..' '..'..'...'.' '.'...'.'." 0,638. 10-6 ..,.",..".." ".,.",..., " , 1,551 .10-6 3,6231 .10.' -6 1,740.10 4,6357. 10.'

2,6184. 10.5

Tabung Akselerator Pemfokus II

7,8552. 10.5

4 "T -piece" 2,6184. 10.5

5

6

1,04746. 10-4 "Bellow" Corong Pemayar "Elbow" 2,6184. 10.s 3,66576. 10-4 7

Jumlah

4,69596 .104 Torr It./detik Jumlah Beban (QG) = QD + Qp + QL

Suprapto,

dkk.

ISSN 0216 -3128 = 1,688.10-14 Torrlt./cm2 = 3,4452. 10-8 It./detik.

Proseding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah

l'3TM-BATAN, Yogyakarta 25 -26 )u(i 2000 Buku 1 279

Untuk menentukan daya hantar di dalam "elbow" dihitung dengan persamaan 23, 24 dan 25 sehingga didapatkan

.lO.6 Torr. Dengan demikian dalam analisis insta-lasi sistem hampa ini didapatkan hasil yang cukup baik dan diharapkan setelah sistem hampa tersebut diinstalasi dihasilkan tingkat kehampaan akhir sesuai dengan anal isis, sehingga dapat mendukung operasi mesin berkas elektron 500 key/tO mA. C = 694,93 It./detik

Sedangkan laju pemolr paan efektif ditentukan dengan persamaan 28 dan data spesifikasi pompa turbomolekular. Pompa turbomolekular yang di-gunakan adalah jenisTMU-520 yang mempunyai laju pel11ompaan untuk nitrogen 500 It/menit, maka laju pemompaan efektif adalah

DAFTARPUSTAKA

Sel = 290,78 It./detik

Dengan demikian tingkat kehampaan akhir (P u) yang dapat dicapai ditentukan dengan persamaan 26 sehingga didapatkan

~I

Dari hasil perhitungan dalam anal is is illstalasi sistcm hampa didap:ttkan total bcb:tn gas 4,69596 .10-4 Torr It./detik, daya hantar "elbow" 694,93 It./detik, laju pemompaan efektif 290,78 It./dctik dan tingkat kchamp:t:tn akhir yang dapat dicapai 1,62 .10-6 Torr. Dengan hasil ini cukup baik untuk mendukung operasi mesin berkas elektron karena dengan tingkat kehampaan ini hambatan yang terjadi dalam transport berkas elektron dari sumber elektron sampai ke "window" cukup kecil. Selanjutnya diharapkan setelah sistem hampa tersebut diinstalasi dihasilkan tingkat kehampaan akhir sesuai dengan analisis, sehingga dapat mendukung operasi mesin berkas elektron 500 key/tO mA.

1. ROTH, A., "Vacuum Technology, North-Holland Publishing Company, New York (1979).

2. O'HANLON, J.F.," A User's Guide to Vacuum Technology, John Wiley & Sons, New York (1989).

3. ROL, P.K., "Pengantar Teknik Vakum (diter-jemahkan oleh Peter Soedojo), Gajah Mada

University Press, Yogyakarta (1977).

4. VAN ANTA, C.M., Vacuum Science and Engineering, Mc. Graw-HiII Book Company, New York (1965).

5. PERKINS, W.G., Permeation and Outgassing of Vacuum Materials, Journal Vacuum Science Technology, Vol. 10, No.4, American Vacuum Society, USA (1973).

6. , "Electron Beam Processing System, Brosur Nissin-High Voltage, Co., Ltd.

TANYAJAWAB

Sayono

-Parameter apa saja yang mempengaruhi tingkat kehampaan suatu sistim.

-Bagaimana teknik pendeteksian kebocoran untuk peralatan yang terbuat dari logam.

KESIMPULAN

Dari hasil nnnlisis instalasi sistem hampa mesin berkas elektron 500 keV/IO mA menunjuk-kan bahwa beban gas yang harus dipompa meliputi : pelepasan gas, permeasi dan kebocoran masing-masing adalah 4,6357. 10.5 Torr It./detik, 5,6663 . 10.5 Torr It./detik dan 3,66576 .10-4 Torr It./detik, sehingga didapatkan bcban gas keseluruhan 4,69596 .10-4 Torr It./detik. Daya hantar saluran dari sistem instalasi hampa ke pompa turbomolekular adalah 694,93 It./detik sedangkan laju pemompaan efektif dan tingkat kehampaan akhir yang dapat dicapai dengan pompa turbomolekular tire TMU 520 masing-masing adalah 290,78 Torr It./detik dan 1,62

Suprapto

-Derdasarkan persa,naan 26, parameter yang me,npe'1garuhi tingkat kehampaan adalah beban gas pada kondisi tunak don laju pemompaan

efektif

-Pendeteksian peralatan yang terbuat dari bahan loga", dengan teknik "tracer probe" don "detek-tor probe ", tetapi P 3TM belum mempunyai.

Bambang Sumarsono -Bagaimana pengaruh

target/sistem window.

terhadap

Proseding Pertemuan dan Presentasi I/miah P3T.j,1-BATAN. Yogyakarta 25 -26 Juli 2000

280

Buku J

-Upaya yang bagaimana seandainya panasnya melebihi batasan yang diijinkan.

berkai/an dengan

pelepasan

gas. kebocoran.

per-measi don penguapan. Jadi /idak ado pengal'Uh

deformasi /erhadap

kehampaan.

Yullallto

-Bila dihitung ternyata tidak ada pompa vakum dcngan laju pcmompaan yang sesuai yang dijual dipasaran, lalu apa ada cara untuk mengatasinya? -llcrapa laju pemompaan yang paling besar pompa

vakum yang dijual dipasaran. Suprapto

-Efek panas pada .\'i.\'/elll "windolv" akan menaik-kan suhu "window" sehingga amenaik-kan lIlenurunmenaik-kan kekuatan mekanisnya,

-,S'eandainya .\'I/hl/ \ilindow lIlelebihi batas. sl/hl/ I/dara penllillgin di/l/r/inkan dall kecepa/an udara pendingin dinaikkan sehingga kemamp/lall

pendinginan bertambah.

Edi Triyono BS.

-Melihat bentuk geometri MBE yang direncana-kan bagaimana cara menjaga kehampaan sistem dalam MBE berkaitan dengan kemungkinan terjadinya deformasi saat dihampakan.

Suprapto

-Jika didapatkan laju pemompaan haJji per-hitungan lebih besar dari laju pemompaan poll/pa yang ada dipasaran, maka poll/pa dapat disusun secara paralel untuk memenuhi kebutuhan pompa hasil perhitungan.

-Berda~'arkan katalog, laju pell/ompaan maski-1//1111/ pompa turbo molekul yang dijual adalah 5500 lldet tipe TPH 5000 dari "Balzer" dan 9000 lldet tipe E1'/-' 75019000 dari "Edward", Suprapto

-Pada saul b(.'rujJ(.'rasi (diilallljJukan), de/vrlllu.\'i (misalnya pada cvrung jJ(.'lIIayar) yang lerjadi menyebabkan peng/lrangan vol/llllC! r/langan.