KARAKTERISTIKA
ANODA SUMBER ION PENNING YANG
TERBUA T DARI ALUMINIUM,
STAINLESS-STEEL
DAN
TEMBAGA- WOLFRAM
Silakhuddin, SubardiPusat Pengembangan Radioisotop dan Radiofarmaka, Serpong
ABSTRAK
KARAKTERlSTIKAANODA SUMBERION PENNING YANG TERBUAT DARl ALUMINIUM; STAINLES'S-STEEL DAN TEMBAGA-WOLFRAM Telah diuji penggunaan aluminium, stainless-steel, dan alloy tembaga-wolfram sebagai bahan untuk anoda sumber ion ripe Penning yang digunakan pada siklotron. Kriteria yang dipakai untllk menentukan kualitas ketiga bahan adalah kemampuan dalam menghasilkan arus proton internal don eksternal. Pengujian dilakukan dengan tekanan gas hidrogen yang diionisasi sebesar 65 mmHg dan tekanan gas pada tangki sebesar 2.1 x 10-" Torr. Pengukuran arus berkas proton diukur pada radius 10,8 cm dan pengaruh terhadap kevakuman diamati pada meter vakum jenis "ionization gauge ". Hasil pengujian menunjukkan bahwa bahan-bahan aluminium don stainless-steel mempunyai kemampuan 70 % dalam menghasilka.'t arus internal dibandingkan tembaga-wolfram don untuk arus berkas eksternal terprediksi prosentase tersebut sebesar 80%.
ABSTRACT
CHARACTERl5TIC OF PENNING ION SOURCE ANODE MADE FROM ALUMINUM; STAINLESS-STEEL AND COPPER-WOLFRAM Aluminum, stainless-steel and alloy of copper-wolfram materials have been examined as anode oJ'" Penning ion sorce used for cyclotron. The performances of the resulting internal and external beam current were used as criteria of materials quality. The experiment has been carried out with an ionized hydrogen'!~as pressure of65 mmHg and the vacuum on the tank was 2.1 x 1~ Torr. The measurement of proton beam was carried out at radius of 10.8 cm and effect on the vacuum was observed on an ionization vacuum gauge. The result of examination showed that materials of aluminum and stainless-steel have performance of 70 % in resulting internal beam current compared to copper-wolfram and the performance procentage of predicted external beam current is 80 %.
berenergi rendah akan mungkin mendekati anoda daD dengan bantuan katalilisator bahan anoda akan terjadi proses rekombinasi ion-ion positif daD negatif. Proses ini mengurangi intensitas plasma yang berarti mengurangi produksi ion-ion.
Untuk menjamjn adanya aliran elektron yang sebesar mungkin dari katoda ke anoda, maka komponen-komponen sumber ion (termasuk anoda) harus terbuat dari metal I). Suatu kombinasi dua metal terkadang digunakan yaitu sebagai dinding utama ruang anoda terbuat dari stainless-steel kemudian dilekatkan plat aluminium pacta dinding tersebut. Tambahan plat aluminium dimaksudkan untuk menambah produksi elektron-elektron sekundair yang berarti akan mempertinggi intensitas plasma di ruang ionisasi 2).
Bahan anoda sumber ion yang dipakai pacta Siklotron BATAN baik yang dibuat oleh CTI maupun IBA menggunakan alloy tembaga-wolfram. Bahan ini sangat murni daD tidak mudah didapat di pasaran lokal. Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui sejauh mana bahan-bahan lain yang acta di pasaran lokal cukup layak digunakan sebagai bahan altematif untuk anoda sumber ion. Dalam hal
ini telah diuji bahan-bahan aluminium daD
stainless-PENDAHULUAN
S umber ion internal pada :siklotron umumnya adalah tipe Penning yang ditempatkan pada pusat medan magnet daD ru;mg vakum tangki pemercepatan. Hal ini karena sumber ion tipe Penning memenuhi kriteria kesederhanaan konstruksi daD lebih disederhanakan lagi dengan tidak diperlukannya medan ma!~et khusus karena dapat memanfaatkan medan mal~net siklotron yang
tersedia.
Pada sumber ion. tipe ini, ion-ion terbentuk karena tumbukan elel::tron-elektron pada molekul-molekul gas pada ruarlg kolom anoda. Elektron tersebut berasal dari e:lektron yang lepas dari permukaan katoda karena adlanya medan listrik anoda-katoda yang kemudian bergerak osilasi di antara 2 katoda atas daD bawah. Adanya medan magnet siklotron menyebabkan gt:rakan osilasi helik yang menambah intensitas tllmbukan dengan molekul-molekul gas.
Elektron yang dipercepat bolak-balik daD mempunyai energi yang relsltif tinggi akan menimbulkan terbentuknya plasma pada bagian tengah kolom anoda. Sedan~:an beberapa ion
Prosiding Pertemuan don PresentGlSi I/miah
P3 TM-BA TAN, Yogyakarta /4 --/5 Juti /999 Buku I 43
steel yang dibandingkan denl~an bahan tembaga- akan mempengaruhi kemurnian gas yang wolfram dalam kemampuannya menghasilkan arus akan dionisasi pacta ruang anoda sumber ion.
berkas internal dan eksterna] serta pengaruhnya .
h d k ku ki ikl tr c. Karena sumber Ion berada pacta medan
ter a a p eva man tan g soon. ..
magnet slklotron, maka bahan darl anoda harus bukan bahan magnetik, agar tidak mengubah pemetaaan medan magnet tersebut d. Bahan anoda harus mempunyai sifat
katalitik yang relatif rendah terhadap rekombinasi ion-ion.
e. Tiga bahan telah dipilih sebagai bahan untuk anoda yaitu: aluminium, stainless-steel dan campuran tembaga-wolfram. Pertimbangan pemilihan bahan tersebut terutama pacta sifat-sifat yang memenuhi kriteria untuk bahan anoda dan juga ketersediaan bahan dan kemudahan dalam pengerjaan konstruksinya. Sifat-sifat dari ketiga bahan tersebut tercantum pacta Tabel I berikut.
TAT A KERJA
Pemilihan Bahan-bahan
Kriteria yang dipakai dalam pemilihan bahan-bahan didasarkan pacta:
a. Untuk memberikan memlll listrik yang kuat di antara anoda dan ~~atoda maka bahan anoda harus merupa}~an metal yang mempunyai konduktivita:; listrik yang tinggi atau resistivitas yang rendaJi1.
b. Agar tidak memberikan efek penurunan vakum, maka bahan tersebut hams mempunya sifat desorpsi (pelepasan gas) dan evaporasi yang kecil. K4~dua efek ini juga Tabell. Sifat-sifat Bahan Anocla
! No Nama Bahan Res~:,3)1 T:.:t,. , 4141. 3,4) , n:.. T\4~~~~:~) , n:.. C..n_~_~: &j
-I Titik Leleh, , Laju Desorpsi, Laju Evaporasi, J
u ohm-cm 0 C mb l/det.cm 2! gr ./cm2 det
Aluminium
~
70-72~
1.69 660,4 1400-1455 3410 1083 6. 10-02W
10.7.10-0 ,I Stainless-steel 4,1. 10-0 .." 1 ,,-3 7,0.10--3.5.10.'
Keterangan:i. Laju desorpsi adalah laju pele:pasan daTi gas yang terarpsopsi sebelumnya ii. Data laju desorpsi tersebut adalah setelah 1 jam pemvakuman
iii.Laju evaporasi dihitung pada suhu 5000 C dan tekanan 10.2 micron Hg
iv.Data laju desorpsi untuk wolfram dan laju evaporasi untuk stainless-steel tidak diperoleh.
tanah (ground potentia/) daD katoda pada tegangan negatif. Untuk mengganti anoda daTi bahan yang lain, sumber ion harus dikeluarkan daTi tangki siklotron daD tangki tersebut menjadi berada tekanan atmosfer. Untuk mengembalikan ke kondisi vakum pada tingkatan 10 -7 Torr (tingkat vakum yang diperlukan sebelum masuk gas) diperlukan waktu minimal 8 jam.
Untuk mengukur arus berkas digunakan internal beam probe yang dihubungkan dengan mikroamper meter. Pengukur arus ini dapat digerakkan secara radial mulai radius terluar hingga radius 10 cm daD mengukur arus secara kontinu.
Konstruksi Anoda Somber Ion
Konstruksi anoda menggunakan konstruksi daTi sumber ion yang sudah ada yang merupakan sumber ion yang dimaksudkan untuk menghasilkan ion-ion H negatif. Gambar konstruksinya pada Gambar 1.
Atas dasar data-data tersebut maka pemilihan bahan-bahan tersebut didasarkan atas:
a. Bahan aluminium dipilih karena mempunyai resistivitas yang rendah dan suhu titik leleh daTi aluminium diperkirakan tidak akan terlampaui pada pemak:!ian sebagai anoda sumberion.
b. Stainless-steel memlpunyai keunggulan dalam laju desorpsinya yanl~ sangat rendah
c. Tembaga mempunyai laju desorpsi yang jauh lebih tinggi dibanding aluminium clan stainless-steel. Sedangkan wolfram mempunyai laju evaporasi yang rendlah sehullgga dengan adanya wolfram dalam aa~y deng;an tembaga akan mengkompensasi tingginya desorpsi daTi tembaga.
Perala tan
Untuk menguji anoda sumber ion digunakan sumber ion jenis Penning yang digunakan pada siklotron BAT AN. Anoda tlerada di tegangan
Prosiding Pertemuan dan Presentasi llmiah P3TM-BATAN; Yogyakarta 14 -15 Juli 1999
44 Buku I
Gambar 1. Anoda SlJInber Ion Keterangan: Ukuran dalam rom.
Pengukuran Unjuk Kerja Anl()da
Setiap anoda daTi bah2LD-bahan aluminium, stainless-steel daD tembaga-wcJfram dipasang pada sumber ion daD kemudian diuji kemampuan menghasilkan arBS berk~ (pJ:oton) internal pacta siklotron secara bergantian. Pel!1gukuran arBS berkas dilakukan pacta radius di filana efek stripping beam lost sekecil mungkin yaitu pacta radius 10,8 cm. Pacta radius yang lebih dalam lagi sudah sulit mengukur arBS karena adanya. pengaruh tegangan tinggi dati dee.
Dalam percobaan ini siklotron dioperasikan dengan pemberian catu gas hidJrogen bertekanan 65 mmHg, daD ini menghasilkan tingkat kevakuman di tangki siklotron sebesar 2,1 x 10-6 Torr. Untuk menghasilkan arBS berkas, pacta catu daya sumber
ion diberikan arBS ionisasi mul:li daTi Dol hingga 0,5 Amper daD setiap langkah. 0,05 Amper diukur besamya arBS berkas pacta bearD probe. Pacta akhir pengamatan, yaitu pacta arBS c;atu daya sumber ion 0,5 Amper, diukur juga tingkat kevakuman akhir.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Kemampuan Dalam Menghasilkan Arus Berkas Internal
Hasil pengamatan terhadap kemampuan dalam menghasilkan arus berkas dari anoda ketiga bahan ditunjukkan pada Gambar 2.
__0_. ~ 80' .",,)0: i rJ ~ ~ 60 GJ OQ OJ e 40 ~ ~ Al~ c u w -:0:>0-'""
Dari gambar tersebut terlihat bahwa pada arus ionisasi (catu daya sumber ion) yang rendah sampai 0,2 Amper anoda tembaga-wolfram kurang unggul daTi dua anoda lainnya dan anoda aluminium nyata unggul dibanding yang lain. Dan keunggulan aluminium ini berlangsung hingga arus catu 0,35 Amper untuk selanjutnya cenderung menurun. Anoda tembaga-wolfram walaupun pada arus catu rendah ia kalah namun terns memperlihatkan kenaikan dan paling unggul setelah arus catu 0,35 Amper. Untuk anoda stainless-steel tampak lebih unggul daTi tembaga-wolfram dan menyamai aluminium tetapi kalah daTi yang lain pada arus tinggi mulai 0,25 Amper.
Dari fenomena tersebut dapat diambil butir-butir hasil pengamatan sebagai berikut:
Pada arus catu daya rendah
a. Kombinasi sifat resistivitas dan laju desorpsi yang rendah dari aluminium (Tabel I) menjadikan anoda aluminium masih unggul daTi yang lain. .
b. Keunggulan stainless-steel dibandingkan tembaga-wolfram berasal daTi keunggulan pada rendahnya laju desorpsi, sedangkan kelemahan tingginya resistivitas daTi stainless-steel .tampaknya kalah pengaruhnya dibanding
pengaruh daTi laju desorpsi.
c. Sekalipun laju desorpsi aluminium hampir sarna dengan stainless-steel tetapi karena resistivitasnya jauh lebih rendah maka aluminium unggul dibanding stainless-steel. Pada arus catu daya tinggi
a.Karena efek suhu tinggi sehingga laju desorpsi dan evaporasi daTi aluminium dan stainless-steel "diduga" lebih tinggi dibandingkan tembaga-wolfram (dalam Tabel 1 tidak tercantum laju desorpsi daTi wolfram), ini menjadikan tembaga-wolfram unggul dalam menghasilkan arus berkas.
b.Anoda daTi aluminium memperlihatkan kecenderungan menurun dalam menghasilkan arus berkas akmi tetapi tetap unggul dibandingkan stainless-steel akibat daTi resistivitas yang jauh lebih kecil.
Pengaruh Terhadap Kevakuman
Dengan tekanan awal (setelah dimasukkan gas hidrogen ke dalam ruang sumber ion dengan tekanan 65 mmHg) sebesar 2,1 10-6 Torr dan
sumber ion dioperasikan dengan arus catu daya 0,5 Amper untuk menghasilkan arus berkas maka kondisi akhir kevakuman tercantum pada Tabel 2.
s.s
20
,-,-,-'-'
I
O~1 0,2 0,3' 0,4 0,5
Arus Ionls~sl, A
Gambar 2. Arus Berkas sebagai' Fungsi' Arus Ionisasi Sumber Ion
Prosiding Pertemuan don Presentasi Ilmiah P3TM-BATAN, Yogyakarta 14 -1:) Juti 1999
- Buku I 45
Tabel2. Kondisi Vakum Akhit'
Penurunan Vakum 29% 12%
~
~
! 3. 5%Besar arus eksternal bergantung atas gabungan antara besar arus internal dan pengaruh beam lost. Dari Tabel 2 terlihat bahwa walaupun kemarnpuan arus internal dari anoda aluminium daD stainless-steel hanya sebesar kira-kira 70 % dibandingkan anoda. tembaga-wolftam narnun prosentase ini menjadi 82 % pada kemarnpuan arus eksternalnya. Hal ini disebabkan efek beam lost yang tercermin pada sifat persarnaan 2 yaitu bahwa prosentase pengurangan berkas (karena efek stripping lost) akan lebih besar untuk arus internal (~) yang lebih besar, berlaku untuk P yang sarna.
Sebagai ilustrasi, hasil perhitungan menggunakan persarnaan 2 menunjukkan bahwa
-6
pada P = 2,7 x 10 Torr untuk 10 = 55 uA maka I) = 17 uA (berarti 1= 69 %) dan untuk 10 = 75 uA maka I) = 19,5 uA (berarti 1= 74 %).
Dari data-data tersebut menunjukkan bahwa jika ditinjau dari kemarnpuan arus eksternal maka anoda tembaga-wolfram masih yang terbaik tetapi anoda dari aluminium dan stainless-steel masih merupakan pilihan yang layak untuk anoda sumber
ion tipe Penning.
KESIMPULAN
Sebagai bahanuntuk anoda sumber ion unjuk kerja dari bahan-bahan aluminium clan stainless-steel dibandingkan dengan bah,an tembaga-wolfrarn adalah:
Dengan melihat basil tersebut maka alloy tembaga-wolfram merupak;an bahan yang memberikan efek terkecil dalam penurunan vakum. Walaupun berdasarkan Tabel 1. tembaga merupakan bahan yang laju desorpsinya besar tetapi dengan adanya wolfram yang mun~l<:.in mempunyai laju desorpsi kecil (karena analogi titik lelehnya tinggi) maka alloy ini tetap lebih unggul dalam segi kecilnya laju desorpsi atau penurunan terhadap
vakum.
Prediksi Hasil Arus Eksternal
Dalam proses pemerc:epatan siklik pada tangki siklotron, sebagian berkas akan hilang dalam perjalanan akibat tumbukan dengan molekul-molekul gas sisa, proses ini dikenal dengan stripping lost. Besarnya stripping lost untuk beda radius tertentu ditentukan oleh kerap~ltan molekul-molekul gas sisa yang berarti ditentukan oleh tingkat kevakuman pada tangki siklotron (P). Parameter-parameter lain yang menentukan adalah besar gain energy (V 0) yaitu besarnya wmbahan energi pada partikel untuk satu kali periode putaran pada siklotron. Rumusan teoritis hubungan antara arus berkas II pada radius RI dengan arus 10 pada radius Ro adalah:
II = IoexpII[{-8,4x 10.3P(RI-Ro)}No] 1)
Dalam menghasilkan arus berkas internal bahan-bahan aluminium daD stainless-steel kemampuannnya sebesar 70 % dibandingkan bahan tembaga-wolfram daD jika efek stripping lost diperhitungkan maka prosentase tersebut untuk arus berkas eksternal terprediksi sebesar 80 %.
Bahan tembaga-wolfram merupakan bahan yang paling kecil memberikan efek penurunan kevakuman pacta sistem.
ber1aku untuk P da1arn satuan 10-6 Torr, R da1arn meter daD Vo dalarn MeV. Untuk prediksi arus ekstema1 I) yang dihitting pOOl radius ekstraksi R) sebesar 0,408 m, harga 10 diukur pacta Ro = 0,108 m daD sik1otron beJ:operasi dengan Vo sebesar 0, I MeV, maka pers/lmaan di atas dapat dimodiflkasi menjadi:
In(I)/lo)=-I).25,2xI0.3.P 2) Dengan memasukkan harga 10 adalah arus berkas internal pacta catu daya 0,5 A yang dicantumkan pacta Gambar 2 dan harga P adalah kevakuman akhir pacta Tabel ~ maka harga prediksi arus eksternal 1\ yang dihinmg daTi persamaan terakhir dicantumkan pacta Tabc:l 3 berikut.
Tabel 2. Hasil Prediksi Arus Berkas Eksternal
I p'
~
~Torr 2,7, ~ 2,4 C~-Bahan Anoda Aluminium Stainless-steel Temba~~-~olfram 10, uA 55 50 75 IJ,uA 17~
~
DAFTAR PUSTAKA
1. NARGOLWALLA and PRZYBYLOWICZ, E.P., "Activation Analysis with Neutron Generators", Jon Wiley & Sons, New York (1973)
2. YOKOTA, W. et aI, "Development ofECR Ion Source in TIARA", TIARA Annual Report
1996, JAERI, Japan (1997) p 225
3. ANONIM, Catalogue Goodfellow, 1995/1996 4. ANONIM, Catalog ESPI 690
5. ANONIM, Catalog Balzers, Edisi 1989/1990 6. ROTH, "Vacuum Technology", North Holland
'"
TANYAJAWAB
Darsono
* Apakah bahan SS dan Al yang diteliti bisa dipakai untuk sistem siklotron ?
Silakhudin
* Pada arus tinggi kemampuan anoda dari bahan SS don Al adalah z 710% dari kemampuan bahan Cu-W sehingga dapat dikatakan masih
cukup layak. Anwar Budianto
* Apakah ada software yan,g pemah anda ketahui dalam rangka perancangan bahan anoda sumber ion penning, misalnya pelmilihan bahan dengan nomor massa tertentu.
* Apakah ada parameter fisis dominan secara teoritis sehingga bahan anoda dapat ditentukan sebelumnya.
Silakhudin '
* Tentang software yang dipertanyakan saya belum pernah mengetahuinya.
* Parameter yang dominan adalah konduktivitas yang rendah dan titik leleh yang tinggi, sehingga paduan Cu (konduktivitas tinggi) dan wolfram sering dipilih sebagai bahan anoda. Tjipto Sujitno
* Berapa suhu operasi anoda
* Kelemahan Al sebagai anoda adalah titik lelehnya yang tidak begitu tinggi C:t 650 °C) sedangkan material SS adalah bahwa pada suhu 600 °c akan terjadi peristiwa sensitisasi sehingga sifat ketahanan korosinya berkurang, apakah hal ini sudah diperhitungkan.
Silakhudin
* Menurut referensi, suhu operasi dari anoda sumber ion adalah .t 600 DC sehingga masih di bawah titik leleh Al.t 660 °c
* Kelemahan Al yang relatif lebih korosif tidak terlalu menjadi kendala karena penggantian anoda yang hanya setiap 2 bulan karena umumnya terjadi perbesaran slit anoda.
