@>
batan
Pusat TeknologiYogyakarta, Rabu, 11 September
Akselerator dan Proses Bahan2013
PENGUJIAN
DAN OPTThfASI SUMBER TEGANGAN TINGGI
GENERATOR COCROFT-W ALTON MBE LATEKS
Sukaryono, Suhartono, Sumaryadi, Dwi Mulyanta
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATANptapb@batan.go.id
ABSTRAK
PENGUJIAN DAN OPTIMASI SUMBER TEGANGAN TlNGGI GENERA TOR COCROFT-WAL TON MBE LA TEKS. Kegiatan pengujian dan optimasi sumber tegangan tinggi generator Cockcroft-Walton MBE Lateks telah dilakukan. Kegiatan optimasi ini dimulai dengan mengerjakan bagian osilator generator Cockroft-Walton, pada pengujian awal (menggunakan isolasi gas Nz + COz tekanan 4 bar untuk mengisolasi rangkaian Cockroft-Walton) mampu menghasilkan tegangan sampai 167 kV. Pada pengujian awal terjadi kerusakan pada kumparan primer trafo frekuensi tinggi dan dilakukan perbaikan. Setelah dilakukan perbaikan pada trafo frekuensi tinggi, kegiatan selanjutnya adalah pengujian menggunakan isolasi gas SF6 +Nz, Osilator generator Cockcroft Walton dan pelipat tegangan tinggi dapat bekerja dengan baik menghasilkan tegangan tinggi sampai 200 kV. kegiatan dilanjutkan dengan mengganti salah satu rangkaian dioda yang rusak akibat discharge dan mengganti trafo frekuensi tinggi dengan trafo frekuensi tinggi desain yang baru, trafo frekuensi tinggi yang baru menggunakan inti ferit yang utuh, sebelumnya menggunakan trafo frekuensi tinggi dengan inti ferit yang disusun dari ferit batangan yang tidak homogen. Kegiatan kemudian dilanjutkan dengan pengujian keandalan sumber tegangan tinggi (dengan gas SF6) dengan melakukan variasi frekuensi keluaran osilator daya dilakukan dengan memvariasi frekuensi, frekuensi maksimum
24
kHz menghasilkan tegangan tinggi 200 kV, arus berkas 50 JlA dan terjadi outgassing pada sistem vakum. Setelah perbaikan pada sistem kevakuman dilakukan pengujian untuk menghasilkan arus berkas, didapatkan tegangan keluaran sebesar 203 kV dan arus berkas sebesar 550 JlA.ABSTRACT
TESTING AND OPTIMIZATION OF HIGH-VOLTAGE SOURCE COCKROFT-WAL TON GENERA TOR OF EBM FOR LA TEX VULCANIZA TION. The testing and optimization of high-voltage source Cocroft-Walton generator for latex vulcanization has been done. The optimization began with oscillator of Cockroft-Walton generator, in the initial testing (using isolation ofNz+COzgas with pressure of 4bar to isolate the Cockroft-Walton circuit) capable of generating voltages up to
167
kV. In the initial testing, the primary coil of high-frequency transformator was damaged and repairment has been done. After the repairment of high-frequency transformator, continued with the testing using isolation of Nz +COz gas, the oscillator of Cockroft-Walton generator and the high-voltage multiplier are work properly capable of generating voltages up to 200 kV. Next activity is to replace one of the diode circuit which is broken because of discharge and replace the high-frequency transformator with the newer design, the new high-frequency transformator usinga
whole of ferrit core, previously using ferrit core compiled from bars of inhomogeneous ferril. Next activity is reability testing of high-voltage source (using SF6 gas) by varying the output frequency of power oscillator which is done by varying the frequency, the maximum frequency of24
kHz generating voltages 200 kV, beam current50
JlA and outgassing occured in the vacuum system. After the repairment on the vacuum system, the next activity is the test to produce beam current, and obtained output voltage of 203 kV and beam current of 550 JlA.PRO SIDING SEMINAR
PENELITIAN
DAN PENGELOLAAN PERANGKA T NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Yogyakarta, Rabu 115eptember 2013
~
batan
PENDAHULUAN
Salah
satu kegiatan di Bidang Teknologi Akselerator dan Fisika Nuklir PTAPB BATAN Yogyakarta adalah raneangbangun Mesin Berkas Elektron (MBE) 300 keV/20 mA untuk industri lateks. Sistem pemereepatan elektron pada mesin berkas elektron ini menggunakan sumber tegangan tinggi berbasis transformator dengan isolasi minyak (oli) 300 kV. Pada tahun 2010 sumber tegangan tinggi MBE 300 keV/20 mA berbasis tranformator tegangan keluarannya belum meneapai spesifikasi dan masih mengalami berbagai kendala, oleh karena itu sebagai altematifdikembangkan sistem tegangan tinggi
menggunakan generator Cockcroft-Walton yang disungkup dalam bejana yang diisi gas SF6 [\).
Kegiatan raneangbangun sumber tegangan tinggi MBE untuk lateks dikembangkan menggunakan sumber tegangan tinggi jenis Cockcroft-Walton
dimana sistem pelipat tegangan tingginya ditempatkan dalarn bejana yang diisi dengan gas SF6• Tahun 2011 telah dilakukan konstruksi dan instalasi sumber tegangan tinggi meliputi osilator dan sistem pelipat tegangan tinggi. Pada penelitian ini akan dilakukan optimasi sumber tegangan tinggi
Cockcroft-Walton untuk memperoleh luaran tegangan tinggi yang optimum mengatasi permasalahan yang muneul selarna pengujian awal tiap bagian.
Prinsip kerja generator Cockroft-Walton
adalah mengubah tegangan AC dari PLN menjadi tegangan tinggi DC dengan eara menggandakan dan sekaligus menyearahkan tegangan AC. Sumber tegangan tinggi jenis Cockroft-Walton mempunyai dua bagian utama yaitu :
kV
i
ii
!!
"---1
a. Pelipat tegangan yang terdiri atas : • Kerangka pelipat tegangan tinggi • Kapasitor tegangan tinggi • Dioda tegangan tinggi • Cine in korona
• Elektroda tegangan tinggi b. Osilator Daya
Osilator daya berfungsi menghasilkan tegangan masukan untuk pelipat tegangan tinggi dengan frekuensi osilasi tertentu. Bagian-bagian dari osilator daya antara lain eatu daya anoda, transformator tTekuensi tinggi, kapasitor osilator, eatu daya filarnen, tabung katoda
Pelipat tegangan dari generator Cockroft-Walton pada prinsipnya terbuat dari susunan kapasitor dan dioda tegangan tinggi, dengan jumlah dan besarnya komponen-komponen telah ditentukan dalam peraneangan sumber tegangan tinggi. Berdasarkan raneangan untuk menghasilkan tegangan 300 kV diperlukan 20 tingkat pelipat tegangan pada tegangan operasi maksimum kapasitor tegangan tinggi 30 kV.
Gas sebagai
media isolasi
pada sistem
pelipat tegangan tinggi
Sistem pelipat tegangan tinggi ditempatkan pada sebuah sungkup bejana tekan. Untuk meneegah terjadi discharge antara komponen pelipat tegangan dengan sungkup bejana tekan yang terbuat dari stainless steel maka diperlukan media isolasi yang mempunyai breakdown voltage yang
tinggi. Breakdown voltage adalah tegangan maksimum yang diberikan pada isolasi pada saat
breakdown dan terjadi discharge.
I
i
i
I
i
i I j~
i,~--_.._-L __
.__ _..
Gambar 1. Skema sumber tegangan tinggi Cockcroft-Walton untuk MBE Lateks
batan
Pusat Teknologi Akselerator don Proses BahanYogyakarta, Rabu, 11 September 2013Kemampuan breakdown voltage untuk gas secara substansi besar. Beberapa jenis gas yang biasa digunakan sebagai media isolasi adalah nitrogen (N2), karbon dioksida (C02), Freon (CCI2F2) dan sulfur heksaflourida (SF6) [2].
Salah satu jenis gas yang mempunyai kemampuan
breakdown voltage yang besar adalah gas SF6,
seperti ditunjukan pada Gambar 3. Gas pada tekanan tinggi akan menghasilkan media yang baik dan dapat diandalkan untuk mengisolasi tegangan tinggi. Sungkup bcjana lekan ,Irafo Ierisolasi SIT CockroR Walton
Gambar 2. Skema pelipat tegangan generator
cockroft-walton dalam sungkup bejana tekan
i
o .~ 4~
<II2oot- .••..•..•• STjUN~1i STEEL
--ALUMINLJ ••••
Gambar 4. Sumber tegangan tinggi mesin berkas elektron untuk lateks
Kegiatan optimasi sumber tegangan tinggi Cockcroft-Walton me sin berkas elektron untuk lateks dilakukan dengan pengujian dan perbaikan-perbaikan untuk mendapatkan kinerja sumber tegangan tinggi yang optimum agar dapat digunakan untuk mempercepat berkas elektron untuk radiasi lateks.
TATA KERJA
Tata kerja dan rangkaian kegiatan pengujian dan optimasi sumber tegangan tinggi generator Cockcroft-Walton meliputi:
1. Pengujian osilator generator Cockcroft- Walton dengan menggunakan simulasi beban lampu dengan cara memvariasi beban dan tegangan anoda.
2. Pengujian sistem pelipat tegangan di dalam bejana dengan isolasi udara terbuka.
3. Pengujian sumber tegangan tinggi (osilator dan pelipat tegangan ) setelah bej ana pelipat tegangan sudah terisi dengan gasSF6,
4. Melakukan optimasi setelah dilakukan pengujian dan perbaikan system
5. Evaluasi dan tindak perbaikan serta penyempurnaan.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar 3. Grafik hubungan antara varlasl tekanan gas dengan breakdown voltage pada bahan stainless steel dan aluminium.
Pada penelitian ini untuk mengisolasi sistem pelipat tegangan tinggi di dalam sungkup bejana tekan digunakan gas sulphur hexafluorida (SF6) tekanan tinggi.
o 1200 Kegiatan optimasi sumber tegangan
tinggi mesin berkas elektron dimulai dari bagian osilator generator Cockcroft- Walton, osilator dengan sistem pelipat tegangan tinggi di atmosfer (udara terbuka) dan osilator dengan sistem pelipat tegangan di dalam beberapa variasi gas N2
+
CO2,SF6 +N2 dan SF6mumi.
Pengujian dan optimasi osilator generator Cockcroft-Walton
Pengujian awal dilakukan pada catu daya anoda tanpa beban untuk osilator generator
PRO SIDING SEMINAR
PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan
Yogyakarta, Rabu 11 September 2013
~
batan
Cockcroft-Walton, didapatkan data uji seperti ditunjukkan pada Tabell.
Tabel 1. Data pengujian catu daya anoda tanpa beban
No
Input VariakMeter Panel Meter pengukur (V) (V)(kV) 1 26 900 1 2 28 10001,1 3 31,5 10251,02 4 42,5 10551,06
Berdasarkan hasil pengujian pada Tabell menunjukkan catu daya anoda berfungsi dengan baik, hal ini ditunjukkan dengan adanya kenaikan tegangan output setiap dinaikkannya tegangan input yang terlihat pada meter pengukur maupun panel meter. Pengujian osilator generator
Cockcroft- Walton dengan menggunakan simulasi beban lampu (melakukan variasi beban dan tegangan anoda) ditunjukkan pada Tabel 2. Tabel 2. Data pengujian pengujian osilator
generator Cockcroft-Walton dengan menggunakan simulasi beban lampu
Input Tegan
Tega ArusArus No
VariakAnodanganGridganF Ketera (V) Anoda Grid (mA)(mA) (KHz ngan (kV) (V) 400 4 1 20 V lamp u 12 2 32 1lamp100501050 u 12 3 50 1,8lamp300109570 u
Berdasarkan hasil pengujian pada Tabel 2 perlu dilakukan optimasi pada bagian kapasitor osilator untuk menghasilkan frekuensi keluaran yang lebih tinggi dari 10kHz. Hasil optimasi osilator generator Cockcroft- Walton dengan beban lampu didapatkan tegangan sumber daya anoda osilator sampai dengan tegangan 1550 V
0
it, frekuensi kel uaran osilator daya sampai dengan 33 kHz.Buku II hal. 412 ISSN
Pengujian
dan optimasi
sistem
pelipat
tegangan di dalam bejana dengan isolasi
udara terbuka.
Pengujian dilanjutkan dengan
menghubungkan osilator dengan sistem pelipat . tegangan dan diuji di udara terbuka, isolasi antara sistem pelipat tegangan dengan bejana adalah udara, selanjutnya diuji pada tegangan ouput STT kurang dari breakdown voltage di udara. Data hasil pengujian sistem pelipat tegangan di dalam bejana dengan isolasi pengujian di udara terbuka (atmosfer) ditunjukkan pada Tabel 3.
Tabel 3. Data Pengujian SIT dengan pelipat tegangan di dalam bejana di udara terbuka.
Vin variakVanod. Vgrid Igrid Vout No
STT
(volt) (mA)(volt)(kV)(volt)
1 15400 49 3512 2 24600 75 6016 3 35 1200 145 10528 4 45 1550 175 13040
Berdasarkan Tabel 3. menunjukkan bahwa didapatkan tegangan keluaran STT sampai 40 kV, hal ini menunjukkan bahwa osilator dan sistem pelipat tegangan sudah dapat bekeIja di udara terbuka (atmosfer). Pengujian ini dilakukan pada kondisi udara terbuka, sehingga tegangan keluaran hanya sampai 40 kV mengingat kemampuan brekdown voltage udara terbuka yang terbatas.
Pengujian
dan optimasi
sistem
pelipat
tegangan di dalam bejana dengan isolasi
gas
N2+
CO2•Optimasi selanjutnya dilakukan dengan mengisi gas N2
+
CO2 dengan tekanan 2 bar pada sungkup bejana tekan pelipat tegangan, pada tegangan input 80 volt diperoleh tegangan output 65 kV terjadi kerusakan alat ukur. Pada tekanan 3,5 bar, dengan tegangan input 120 volt diperoleh tegangan output 104 kV terjadi kerusakan pada meter pengukur. Pada kondisi tekanan 4 bar dengan tegangan input 190 volt diperoleh tegangan output 167 kV selama 5 menit terjadi arus lebih anoda 6,5 A terjadi dischargekerusakan pada kumparan primer trafo frekuensi tinggi.
Berdasarkan pengujian pada Tabel 4 dilakukan optimasi perbaikan pad a kumparan primer trafo frekuensi tinggi, kerusakan terjadi pada kumparan primer terjadi discharge karena kemampuan isolasi kumparan primer kurang, perbaikan dilakukan dengan mengganti lilitan primer dan menambah isolasinya dengan selongsong bakar 6 mm dan 9 mm.
batan
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan
Yogyakarta, Rabu, 11 September 2013
Tabel4. Data Pengujian STT dengan media N2 dan CO2pada tekanan 4 bar
No Vin variak (volt)VoutSTT (kV)I STT (volt)VgridlonodoIgrid Vonodo (volt) (volt) (mAl 1 10 0.001 1,1/8,8 2 20 0,002 2,1/16,8 3 30 0,004 3,1/24,8 4 40 0,005 4,1/32,8 5 50 0,007 5,2/41,6 6 60 0,008 6,3 / 50,4 7 70 0,010 7,3/58,4 8 80 0,011 8,3 /66,4 9 90 0,012/0,013 9,5/76 10 100 0,014 10,4 / 83,2 11 110 0,016 11,9/95,2 12 120 0,017 12,6/100 13 130 0,019/0,020 13,9/100,8 14 1400,021 /0,022 15/120 15 150 0,023/0,024 15,9/127,2 16 160 0,026/0,027 17,4 / 139,2 17 170 0,029/0,030 18,4 /147,2 18 180 0,032/0,033 20,0/160 19 1906,4 1 strip6300,83 20,9/167,2 kV0,036/0,037 strip (0,4 A) (Ditahan selama 5 menit, lonodo mendadak naik •. hingga 6 A,
kemudian STT dishut down)
Pengujian setelah perbaikan
transformator trekuensi tinggi menunjukkan bahwa trekuensi keluaran osilator generator Frekuensi
=
28 kHz (padaVin=
10 V) dan 57 kHz (pada Vin=
15 V). Pada saat belum terjadi kerusakan trafo trekuensi tinggi trekuensi osilator±
38 kHz. Optimasi dan perbaikan trekuensi dilakukan dengan memvariasi jumlah kapasitor osilator sehingga didapatkan jumlah kapasitor sebanyak 23 buah menghasilkan trekuensi keluaran±
34,5 kHz dan menghasilkan tegangan output STT sebesar 209 kVPengujian
dan optimasi
sistem
pelipat
tegangan di dalam bejana dengan isolasi
N2dan
SF6•Bejana MBE diisi campuran gas N2 dan SF6pada tekanan 4,1 bar, perbandingan antara gas
N2 dan SF6 adalah 76,5% : 23,5%, (mengacu Gambar 3), kemudian dilakukan uji STT-CW dan menghasilkan arus berkas elektron dari MBE.
Pengujian sumber tegangan tinggi (dengan isolasi SF6
+
N2) dilakukan sampai menghasilkan tegangan sebesar 209 kV. Pada kondisi tegangan 209 kV tersebut dicoba untuk mempercepat elektron dengan tegangan filamen 45V, tegangan pemayar 34,2V dan arus berkas elektron 25 )lA, namun hasilnya belum optimum. Pada percobaan terakhir terjadi discharge yangmenyebabkan salah satu rangkaian dioda pelipat tegangan mengalami kerusakan, optimasi dan perbaikan dilakukan pada rangkaian dioda pelipat tegangan dengan mengganti salah satu rangkaian dioda yang rusak akibat discharge. Dilakukan juga penggantian tahanan dumping dari yang
lama (± 100
ill)
dengan yang barn (± 190ill).
Gambar 5. Tahanan dumping yang baru
(±
190Hl).
Optimasi dilakukan juga pada trafo frekuensi tinggi dengan desain yang baru, trafo trekuensi dengan inti ferit yang utuh, sebelunmya menggunakan trafo trekuensi tinggi dengan inti ferit yang disusun dari ferit batangan yang tidak homogen.
PRO SIDING SEMINAR
PENELITIAN DAN PENGELOLAAN
PERANGKAT NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan
Yogyakarta, Rabu 11 September 2013
@>
batan
Tabe15. Hasil Pengujian sistem pelipat tegangan di dalam bejana dengan isolasi Nz dan SF6•
Vinvariak Vanoda lanoda Vgrid Voli Icol
No (volt)(volt)(mA)(volt)
Igrid STT ISTT (IJA)F (kHz) (IJA) (kV) 1 2075446000 2 30--- - 18 3 40 124015012040 30 4 50 160020016080 30 5 55 1800205164200 34 6 60 2000250192320 37 7 65 2040255204320 40 8 70 2320290204320 46 9 75 2400305240320 48 10 80 27201683402604005032,76481 11 85 2800350280400 177,65332,75982 12 90 3000390284400 187,25632,75391 13 95 3200400320400 199,26032,74597
103 mendadak naik menjadi 400 pada
14
100- .3400425324 400
209,6saat SE dihidupkan
32,735 64
dan arus berkas
electronterukur25uA
berkas 725 J.lA dan terjadi outgassing pada sistem vakum. Setelah perbaikkan pada sistem
kevakuman dilakukan pengujian untuk
menghasilkan arus berkas, didapatkan tegangan keluaran sebesar 203 kV dan arus berkas sebesar 550 itA.
i~~!
Gambar 6. Trafo rrekuensi tinggi yang baru dengan inti ferit yang utuh
Pengujian dan optimasi sistem pelipat tegangan di dalam bejana dengan isolasi gas SF6•
Bejana tekan pelipat tegangan tinggi diisi dengan gas SF6 sampai dengan tekanan 5 bar, hasil pengujian ditunjukkan pada Tabel 7
Berdasarkan pengujian keandalan sumber tegangan tinggi (dengan gas SF6) dengan melakukan variasi rrekuensi keluaran osilator daya dilakukan, rrekuensi maksimum 24 kHz menghasilkan tegangan tinggi 200 kV, arus
Buku II hal. 414 ISSN
Gambar 7a. Osilator daya STT Cockcroft-Walton MBE
~
batan
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan
Yogyakarta, Rabu, 11 September
2013
Tabel 7. Hasil pengujian smnber tegangan tinggi (dengan gas SF6)
VA IA VgridIgrid
Vi" !colomlberkasISTTVmVacuumFreq (Volt) VSTT (Volt) (Volt) X 400 (Volt) (Volt) (kV) (IJA)(A) (IJA)(IJA)Keterangan(torr)kHz
X400V mA X50 V X 40 mA 95 7,9 22025,86 187372,377 500 8,6.10-6Ditahan24,84 selama 96 8 2 6 5,9 201 240673,377 600 9,3.10-615 menit24,81 (kemungkin 97 8 2,16 5,9 200 27897774 725 9,8.10-624,80 an sistem vakum bocor)
Sudarmanto yang telah membantu dalam kegiatan optimasi smnber tegangan tinggi MBE untuk lateks, semoga Allah SWT selalu memberikan imbalan yang setimpal atas jasa baik tersebut dan selalu memberi kekuatan kepada kita semua lUltuk berkarya dan beramallebih baik lagi dalam setiap kesempatan. Amin.
DAFTAR PUSTAKA
Gambar 7b. Sistem pelipat tegangan tinggi didalam bejana tekan
KESIMPULAN
Optimasi sumber tegangan tinggi Cockcroft Walton mesin berkas elektron untuk lateks meliputi optimasi pada bagian osilator daya dengan menambah atau mengurangi kapasitor untuk mendapatkan nilai tTekuensi yang diinginkan sebesar 24 kHz, mengganti transformator tTekuensi tinggi dengan inti ferit yang utuh, mengganti R dumping dengan nilai resistansi
±
190 kn, pada bagian isolasi tegangan tinggi pada bejana sungkup dengan menggunakan gas SF6. Sehingga dihasilkan keluaran tegangan sumber tegangan tinggi Cockcroft-Walton sebesar MBE 203 kV yang mampu menghasilkan arus berkas sebesar 550 ~A. Dari kegiatan optimasi yang dilakukan berhasil ditingkatkan tTekuensi osilasi menjadi 24 kHz, tegangan keluaran menjadi 203 kV dan arus berkas sebesar 550 ~A. UCAPAN TERIMA KASIHTiada kata yang lebih indah untuk diucapkan selain terima kasih, untuk itu penulis haturkan terimakasih yang setulus-tulusnya kepada Bp. Rany Saptaaji, Bp.Sutadi dan Bp. Heri
1. RANY SAPTAAJI, "Pengembangan dan Rancangbangun Mesin Berkas Elektron"
usuluan kegiatan, PTAPB BATAN
Yogyakarta, 2012.
2. MS NAIDU, V KAMARAJU, "Engineering High Voltage" Tata Mc Graw-Hill Publishing
Company Limited, New Delhi, (2009) 3. LIVINGSTON, M.S., et.a!., "Particle
Accelerator", Mc Graw-Hill, New York, (1962).
4. SUPRAPTO, dkk., Konstruksi dan
Karakterisasi Pe/ipat Tegangan Sumber Tegangan Tinggi 300 kV/20 mA Untuk Tegangan Pemercepat MBE 300 keV/10 mA,
Jumal Fisika, HimplUlan Fisika Indonesia, Volmne 3, no. 1, (2000).
TANYAJAWAB
Sri Sukmajaya
~ Apa manfaat osilator daya pada Generator Cockroft - Walton?
Sukaryono
<}Osilator daya berfungsi untuk menghasilkan tegangan masukan untuk pelipat tegangan tinggi dengan frekuensi osilasi tertentu.
Sutrisno
~ Bagaimana dan untuk apa kegiatan optimasi sumber tegangan tinggi Cofkroft- Walton pada MBE Lateks?
Sukaryono
<}
Kegiatan optimasi sumber tegangan tinggi
Cockroft-Walton MBE lateks dilakukanPRO SIDING
SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan
Yogyakarta, Rabu 11 September 2013
dengan pengujian dan perbaikan-perbaikan untuk mendapatkan kinerja sumber tegangan tinggi yang optimum agar dapat digunakan untuk mempercepat berkas elektron untuk iradiasi lateks.
