Volome2, Nomorj, Nopember 2000 ISSN 141/-1349

KAJlAN TEKNOLOGIPROSPEKNY A

AKSELERA TOR DANTANDEM

Sigit Hariyanto, Sudjatmoko, Djoko S. Pudjorahardjo, Suryadi, Widdi Usada, Suprapto,Djasiman, Tono Wibowo, Agus PurwadiPusa/ Peneli/ian dan Pengembangan TeknologiMaju -Yogyakarta

ABSTRAK

Kaj/an Tekn%g/ Akse/erator Tandem dun Prospeknya. Akselerator tandem merupakan alat pemercepation, dengan inje/cJor Ion bermuatan negatif dan di/ucuti oleh stripper sehlngga menjadi ion positi/.kemudlan dlpercepa/ lagl sl1hlngga tenaga YQng dihasi/kan ber/ipat. Pada makalah inl dijelaskan ~'l1caraslngkat praspek penggunaan akselera/or tandem serta /l1naga yang diperlukan dalam bldang pertanian dunbiotelenologl, bldang Industrl, bldang kedo/cJerun/kesehatan, bidang lingkungan. Dibahas juga kajian telenlsakselera/or tandem meliputi sumber ion SNICS unlllk bahan padat, sumber ion alphatross un/uk bahan gas.~'is/em pemercepat ion, dall si~.tem ~'Iripper. Ditunjllkkan ha~'i/ kajian berbagai ion negalif dengull berbagaiarus Ion yang akan diinjekslkan ke tablIng pemercepat dan keluaran akselerator tandem berupa ion Fr,ser/a aglhan C+, Ni+.Au+, Br+pada berbagai charge slale.

ABSTRACT

Study of Tandem Ace/era/or Techn%gy alld I/s Pro~pec/s. Tandemaccelerator is all ion acceleration 1001in which negative Ions injected in the accelerator tube and stripped /0 become positive ions, Ihellaccelerated by electrostatic high voltage such that ils energy is multiplied. In tis paper, we describe Ihepr~pec/ of accelerator application briefly ill agriellilure and biotechnology. Indl/stry, healt alld medicille,ellvirollmetllf1elds. Tet:hllicalsllldy all lalit/em Cl,'ce/erCllorille/m/ed SN1CS alld alphalros.f ioll ~'Ol/"'e~,acceleration system alld stripper system. The sll/dy resl/ltfor many kinds of negative ions alld ils cl/rrelllwhich should be Injecled in the accelerator /IIbe and the ol/Iput of landem accelerator Fr. alld Ihedistribution of C', Nt, All', 1Jr' ion Oil ""Clryillg ,'JlClrge ~'Iale is showlI.

PENDAHULUAN

TeknOIOgi saat ini mel11punyai kecenderunganmengarah ke dunia mikroskopis, karenadiyakini bahwa semua gejala makroskopisyang teramati berasal dari interaksi

mikroskopisantara atom-atom penyusunnya. Prosesmikroskopis tersebut dapat dimanipulasi demikebaikan dengan menggW1akan alaI pemercepatpartikel (akselerator). Akselerator yang dikenalhingga saat ini dapat mempercepat ion dari yangringan hingga yang berat serta mempunyai jangkautenaga dari keY hingga GeV. Proses-proses yangdapat dimanipulasi dengan akselerator antara lain,perbaikan sifat-sifat suatu bahanll),mutasi genetik[21,penghancuran gel-gel kanker(3], dun transmutasilimbah radioaktip4]. Disamping itu akselerator jugadapat digW1akan sebagai alat bantu analisiskandungan unsur dalam cuplikan.IS] Untukmelakukan proses-proses tersebut diperlukan iondenganjangkau tenaga antara 50 keY sampai dengan250 MeV.

Di P3TM saat ini telah dimiliki akseleratorelektrostatik yang mempunyai tegangan hingga 150kV. Berdasarkan hal ini, Badan Tenaga NuklirNasional berketetapan untuk membangun suatulaboratorium berbasis akselerator di P3TM-Batan

YogYakarta. Pembangunan laboratoriul11bcrbasisakselerator l11empunyaitiga tujuan pokok yaitul11enguasaiteknologi akselerator, menggunakwmyauntuk memecahkan permasalahan-pennasalahandalam bidang kedokteran, bioteknologi, industri dun

lingkunjan, serta pengembangan sumber daysmanusia61. Jangkau tenaga ion seperti yangdikehendaki tidak dapat dicakup hanya denganmenggunakan sebuah akselerator saja, melainkanharus digW1akantiga jenis akselerator bertenagarendah, menengah dun tinggi. Dengan pertimbanganbiaya dun sumber days manusia yang tersedia, makalangkah awal yang aksu dltempuh datumpembangu.nan laboratorium berbasis akseleratoradalah perencanaan pembangunan akseleratorbertenaga menengah dengan tegangan pemercepatsebesar 6 MV.

Alat pemercepat partikel bennuatan denganmemanfaatkan tegangan elektrostatik telahdiciptakan pacta saat yang hampir bersamaan olehCockcroft dan Walton di Inggris dun Van de Graaffdi Amerika. Prinsip yang digunakan, yaitu denganmenimbun muatan listrik pacta sebuah terminal(berbentuk bola, donut), sehingga didapat teganganlistrik statik yang sangat tinggi. Tegangan tinggiyang diperoleh kemudian didistribusikan pactasebuah tabung pemercepat, sehingga dapat

KAJIAN TEKNOLOGI AKSELERATOR TANDEMDAN PROSPEKNYA

Sigi/ Haryanto, dkk.

10

Va/orne 2, NomoI' J, Nopember 2000 ISSN 1411-1349

digunakan untuk mempereepat berkas partikelbermuatan, Perbedaan keduanya hanya pads carsmenimbun muatan pads terminal tegangan tinggi,Coekeroft don Walton menggunakansuatu rangkaianelektronik, sedangkan Van de Graaff mengunakansistem mekanik, Dengan kedua sistem ini telahberhasil ditimbun muatan pacta terminal hinggameneapai tegangan sebesar 700 kV pactatahun 1932,Untuk meningkatkantegangan yang dihimpun,makaterminal tegangan tinggi dimasukkan dalam suatubejana tekan.

Dengan ditemukannyacars pembentukan ionnegatif oleh Bergen Davis clanArthur H. Barnes[l6], .maka timbul pemikiran oleh Van de Graaff untukmemanfaatkan terminal tegangan tinggi yang actaseeara lebih efisien. Terminal tegangan tinggidigunakan untuk menarik berkas ion negatif, ionnegatif dilucuti menjadi ion positif, kemudian ionpositif akan didorong oleh terminal tersebut. Carsini akan menghasilkan ion yang mempunyai tenagaberlipat dibandingkandengan cars lama. Pemercepatpartikel Van de Graaff yang dioperasikan denganearn ini dinamakansistem Tandem.

Dalam makalah ini disajikan basil kajianteknik datum rangka pembangunan laboratoriumberbasis akselerator di P3TM - Batan. Kajianteknisini lebih ditekankanpads salah satu jenis akseleratoryang dapat memenuhi tuntutan don pemanfaatannyauntuk menyelesaikan permasalahan pembangunannasional, yaitu jenis akselerator elektrostatik tandemdengan seguin pertimbangan teknis yang ads.Pembahasan juga meliputi rencana pemanfaatandatumrangka ikut Bertamenyelesaikanpermasalahandi Bias. Kajian yang dilakukan meliputi jenissumber ion, generator tegangan tinggi, sistempemercepat berkas partikel, clan kemungkinanpemanfaatannya dalam bidang pertanian dunhiotcknologi, industri, bidang kedoktcran,lingkunganhidup.

TEKNOLOGI DAN PROSPEKPENGGUNAANNYA

Rencana Penggunaan Akselerator

Dalam rangka meningkatkan partisipasiBatan dalam pembangunan nasional, Batanmereneanakan untuk membangun sebuahlaboratoriumberbasis akselerator di Pusat PenelitiandaDPengembanganTeknologi Maju, Yogyakarta.(6,1)Pembangunan daD pengoperasian laboratoriumtersebut diharapkan dapat memberikan sumbanganyang Bangui besar dalam beberapa permasalahannasional clan beberapa kegiatan litbang lainnyaseperti bidang pertanian clan bioteknologi, bidangindustri, bidang kedokteranl kesehatan, clanmasalahlingkungan.

Pertanian daD bioteknologi

Pemanfaatan teknologi akelerator dalambidang pertanian clanbioteknologi untuk melengkapiteknik-teknik yang telah acta dalam upaya mencariterobosan barn dalam bioteknologi seperti kulturjaringan, mutasi genetik. Beberapa jenis ion yangBeringdigunakan antara lain adalah : He2+,CH, AIclanNe8+dengan energi 5 MeV/nukleon sampai 350MeV/nukleon clan arus berkas berorde nA - J.IA.Dengan penelitian ini diharapkan dapat ikutmenyelesaikan permasalahan nasional yaitu antaralain dengan diperolehnya padi gogo umur pendek,kedele lahan kering, mutan tanaman perkebunanberumur pendek, rekayasa genetika untukmendapatkan prosentase keturunan betina lebihtinggi pacta ternak, mutan ternak unggas yangresisteD terhadap penyakit.(S.9]

Industri

Pemanfaatan akselerator dalam bidangindustri dengan teknik implantasi ion antara lainuntuk pembuatan piranti elektronika daDmikroelektronika. Pacta proses implantasi ionmemungkinkan untuk memasukkan stallmenyisipkan ion-ion jenis tertentu dalam bahansemikonduktorpactakedalaman yang diinginkan clandosis ion tertentu, sehingga diperolehpols rangkaianBeSHaidengan yang dikehendaki. Jenis ion yangdibutuhkanuntuk bidang industri antara lain P, B, N,C clan sebagainya clan energi ion yang dibutuhkanantara 20 hingga 600 keV dengan arus orde J.IA.Untuk pembuatan piranti elektronik susunan vertikaldibutuhkan energi ion> 1 MeV dengan ares orde~LA. Seisin itu teknik implantasi ion dapatdigunakan untuk memperbaiki/mengubah sifatpermukaan bahan (rekayasa bahan) sehingga dapatmcningkatkan kckcrasan, ketahannn korosi,ketahanan lelah clanketahanan BUS.Energi ion yangdiperlukan untuk itu antara 20 -600 keV, denganarus orde J.IA.(1,IO)

Kedokteran/kesehatan

Dalam bidang kedokteranlpelayanankesehat-an, teknologi akselerator dimanfaatkliIluntuk radio-terapi clan diagnostik. Tujuan radioterapi adalahmembunuh Bel-gelkanker pactakedalaman penetrasitertentu tanpa merusak jaringan Bel yang sehat.Untuk mencapai kedalaman penetrasi tertentudiperlukan energl proton sekitar 250 MeV yangdihasilkan oleh sinkrotron. Dalam hal iniakselerator elektrostatik dapat dimanfaatkansebagaiinjektor sinkrotron.

Untuk pemanfaatliIl diagnostik diperlukanakselerator dengan energi 2 -3 MeV dengan arusorde ratusan ~LA. Pacta penelitian biomedis,pemetaan unsur yang memberikan informasi tentang

Pro.feding Seminal' Nosiona/ Tekn%gi Akse/eralol' dan

AplikasinyaVol.2, No. J, Nopember 2000

/I

Volome 2, Nomor 1. Nopember 2000

peranan unSU:f dalam aetiologi berbagai jenispenyakit. Untuk penentuan tersebut digunakanscanning proton microprobe dengan teknik ~IXE.Akselerator juga dapat menghasilkan radioisotoppemanear positron yang mempunyai umur paruhpendek dan dapat diinjeksikan ke dalam tubuhmanusia. Radiasi positron anihilasi tersebut mudahterdeteksi dari luar tubuh menggunakan PET(positron emission tomography), sehingga dapatmengikuti atom-atom yang terbubuhi nuklida,mengamati anomali metabolisme dan mendeteksiadanya kanker.la.ll)

Lingkongan

Berkas proton atau ion dari akselerator dapatdimanfaatkanuntuk analisis unsur-unsurdalam suatueuplikan lingkungan hidup menggunakan teknikPIXE. Sellin seldor lingkungan hidup, akseleratordapal juga dlgunakan dalam bidang pcrlambanganuntuk menentukan unsur-unsur clankomposisi unsurdalam batuan dan mineral. Dalam bidang arkeologidapat digunakan untuk menentukan wnur bendapurbakala dengan teknik AMS. Jenis ion yangdigunakan untuk aplikasi lingkungan antara lain He,Na, H, Be, C, AI, Cl, Ca, Ni, I clanlain-lain denganenergi ion antara 2 -3 MeV clanarus ion 500 nA -120~p.12)

Raneangan penggunaan akselerator untukbidang-bidang bioteknologi, industri, lingkunganclankedokteran ditampilkan pada Tabel I, di manadapat dilihat energi, arus, dosis clan jenis ion Bertajenis akselerator yang dibutuhkan oleh masing-masing bidang termasuk penggunaan untuk sisteminjektor sinkrotron. Data-data pactaTabel 1 tersebutmempakan raneangan kebutuhan dasar dalammenentukanjenis akseleratoryang diperlukan.

Teknologi Akselerator.

Akselerator partikel adalah suatu perangkatatau slat yang diraneangbangun untuk mempereepatberkas partikel bermuatan (proton, ion, atauelektron). Akselerator bekerja berdasarkan interaksipartikel bermuatan dengan medan elektromagnet.Hal ini dimulai sejak proses pembahan partikelneutral menjadi partikel bermuatan (pembentukanion-ion), kcmudian parlikcl bcrmulllan mcngalamipereepatan oleh medan elektromagnet. Seearafungsionalsuatu akselerator terdiri stag 3 komponenutama yaitu. sumber berkas (beam source). sistem pemereepat(accelerator system). sistem penanganan berkas (beam handling

system)

Somber berkas

Sumber berkas atau lebih dikenal dengansumber ion berfungsi untuk menghasilkan berkasKAJIAN TEKNOLOG1 AKSELERATOR TANDEMDAN PROSPEKNYA

Sigil Haryanlo. dick.

lSSN /411-1349

partikel bennuatan stall ion, yang kemudian ditarikkeluar dari sumber dengan kombinasi medan listrikdan magnet untuk selanjutnya dipereepat dengansistem pemereepat.

Sistem Pemercepat

Terdiri dari perangkat medan listrik dalambentuk potensial elektrostatik stall potensialperiodik.

(a) Potensial Elektrostatik

Dalam hIll ini bempa tegangan tinggi yangdiperoleh dengan carll kapasitor kaskade (misalgenerator Coekeroft-Walton), stall dengan earnmengalirkan muatan seeara langsung ke suatuterminal tegangan tinggi (misal generator Van deGraaft). Keterbatasan tingginya potensial statik initerletak pacta kemungkinan adanya tegangan dads!(breakdown voltage). Keterbatasan ini dapat diatasidengan menempatkan pacta gas bertekanan tinggiyang lebih tahan terhadap tegangan dadal (misal gasSF6). Naml.U1demikian, sistem elektrostatik dapatmempercepatpartikel sampai kurang lebih 30 MeV.

(b) Potensial Periodik.

Dengan metoda potensial periodik berkaspartikel dipereepat berkali-kali dengan heclapotensial tertentu sehingga mendapatkanpertambahan energi kinetik total sesuai denganjumlah pengulangan berkas partikel melewati heclapotensial tersebut. Implementasi teknisnya dapatberbentuk akselerator linear stall akselerator siklik(cyclic accelerator).

Sistem Penanganan Berkas

Yang dimaksud sistem penanganan berkasadalah perangkat kerns clan perangkat lunak yangdiperlukan untuk mengendalikan arab berkaspartikel, resolusi energi clanmang fast. Stearn sarisbesar sistem penanganan berkas terdiri dariperangakat kerns yang menghasilkan medan magnet(dipol, quadrupol, sekstupol, oktupol, dll), medanlistrik (lensa Einzel), sistem eelah clan kolimasimekanik Bertamonitor berkas partikel.

J>emilihan Jcnis Aksclerator

Pacta gnat ini telah dikembangkan berbagaijenis akselcrator partikel dengan berbagai ma\:amspcsifikasi teknis. Jenis akselerator dapat ditentukanberdasarkan pacta tujuan pemakaiannya sehinggadapat dimanfaatkan seeara efisien clan efektif.Ditinjau dari scSi pemakaian akselerator unrukbidang-bidang pertanian clan bioteknologi, industri,kedokteran, lingkungan dengan memperhatikanjenis clanenergi ion yang dibutuhkan (lihat Tabel I),maka salah satu pilihan yang paling sesuai adalah

12

V%me 2, NomoI' 1, Nopember 2000 ISSN 1411-1349

akselerator elektrostatik jenis tandem. Akseleratorjenis ini mampu menghasilkan berbagai jenispartikel seperti proton, ion-ion ringan hingga beratdengan

energi orde MeV sampai puluhan MeV (sesuaidengan massa ionnya) clanarus ion orde J.IAsampatratusan J.IA. Deskripsi akselerator tandem akandibahas lebih rinei pactabab berikutnya

Tabel!. RancanganPenggunaanAkselerator

DISKlUPSITANDEM

AKSELERA TOR

Komponen Utama AkseleratorAkselerator tandem termasuk akselerator

jenis elektrostatik dengan sistem pemercepatpartikel/ion menggunakan generator tegangan tinggiscarab. Ada beberapa jenis generator tegangantinggi scarab yang dapat digunakanpactaakseleratorelektrostatik. Salah satunya yang dapat meng-hasilkan tegangan puluhan MY clanarus ratusan J.IAdengan metoda sabuk pembawa muatan adalahgenerator Van de Graaff. Namun sejak tahun 1960-an sistem sabuk diganti dengan sistem raDIalpeletron yang mempunyai beberapa keunggulan,antara lain tegangan terminallebih stabn, bebas darikerusakan lucutan, bebas darl timbulnya debu, clanumur sabuk lebih lama.!13]Bagan lengkap sistem

akselerator tandem seperti ditunjukkan pacta GambaI'I. Proses percepatan diawali dengan percepatan ionnegatif oleh tegangan terminal +v clan menumbukstripper. Ion yang keluar dart stripper adalah ionpositifyang selanjutnya dipercepat lagi oleh terminallain yang ditanahkan (grounded) sehingga dihasilkanion positif dengan energi yang berlipat.

Sistem Sumber Ion

Sistem sumber ion merupakan komponenutama pacta akselerator tandem sebagai penghasilion-ion yang akan diinjeksikan ke dalam sistempemercepat ion. Pactaakselerator tandem digunakansistem pemercepat ion jenis pelletron di mana jenision yang diinjeksikan ke dalamnya adalah jenis ionnegatif. Terdapat beberapa jenis sumber ion untukmenghasilkanion negatif, antara lain adalah sumberion negatif jenis SNICS (Source of Negatif Ions byCesiumSputtering) danjeni~ ALPHATROSS.

I'/'oseding Seminar Nasional Teknologi Akseleralor danAplikasinyaVol.2, No.1, Nopember 2000

13

JENISBIDANG ENERGI ARUS DOSIS JENIS ION PEMERCEPAT

KEGIATAN (AKSELERATOmPertanlan don sid 18 MeV

0,02 nA . mA O-IOOOGy HeH, C5+, Ar, . TandemBloteknolol!l sid 350 MeV NeB+dst . Sitikrotron

Industrl(Elcktronlka)

1014-1016ion/cm2. Planar 20 keV -600 keV orde A P, B, N, C, dst . Cockrof-Walton. Dynamitron. CascadeTransformer. Verttikal sId 3 MeV orde LA 1014 -1016 ion/cm2 P,B, N, C, dst . Dynamltron. Van de Graaff. Tandem

Rekayasa Bahan 20 keV . 600 keV orde LA N,C,Y,Cr,Fe,Ag,(Non elektronlk) Al,dst. . Cockroft-Walton. Van de Graaff. Cascade

Transformer

H,Be,C,Al,Cl,Ca,. Dynamitron

Llngkungan sId5MeV 500nA-120 . Van de Graff(Analisls PlXE) Ni,l,dst. . Tandem

KedokteranlKesehatan. Dianostik sid 3 MeV orde H" H2+,C6>,O8+ . Tandem. Terapi sid 250 MeV ordenA H' . Sinkrotron

Injcklor 6 MeV ke alas orde LA. Tandem. Linnc

V%rne 2, Nomor 1, Nopember 2000 lSSN /4//-1349

.,..... . 0 ."

.::;'_:':~~"::"'" .~'"7..u;.r:':"':<:~\~";;::':t.:?;:!~:.~~~..~..,.,:...,"'.: .'

rw.

'--:E';';-_.'_'_-''--~~~ ~-- ~-_J

, .8oIICS. -.. ..~CSA. ---. '. . -'u.a=~--. ,~II nor..." -.. _r-,. wcca,. -~-:: If:l:''.''=f.. -.. ""CtPI_... tGI tD'LUTOIt

-

~o'

. ~ ---.-

Gambar 1.Bagan Lengkap Akselerator Tandeml14)

Somber ion neganf jenis SNICS

Jenis sumber ion ini mengionkan bahanpadatan secara sputtering menggunakan ion Cs+.Splillering adalah proses lerpenlalnya partikcl-purlikcl duri pcnnukuun suulu buhan pud"lulIakibultumbukan oleh ion-ion energi tinggi. Partikel yangterlempar dalam proses sputtering dapat berupapartikel neutral dan partikel bermuatanatau ion, baikion positif maupun ion negatif, Untuk sumber ionnegatif maka yang dimanfaatkan adalah partikelyang bermuatan negatif. Prinsip kerja sumber ionnegatifjenis SNICS ditampilkanpactaGambar 2,

...,."

Gambar 2, Prinsip kerja sumber ion SNICSI14)

Sumber ion negatif jenis SNICS dapatmenghasilkan ion-ion negatif dari bahan padatanmulai dari nomoI'atom rendah sampai tinggi, Prosesionisasinya adalah dengan sputtering menggunakanion-ion cesium yang dihasilkan melalui ionisasi

permukaan pacta suatu ionizer berbentuk kerucutterbuat dari bahan tantalum, Sebelumnya cesiumdiuapkan dalam oven sehingga uap cesium dapatmencapai ionizer dan terjadi ionisasi permukaanmcnjadi ion Cs+, Cuplikun bahan yang akandijudikan ion ncgalif dibenluk scbagai kuloda dundiberi tegangan negatif terhadap ionizer sehinggaion Cs+ tertarik ke katode dan terjadi spulleringdengan menghasilkan partikel-partikel baik partikelnetral maupun ion-ion positif dan negatif dari bahankatode tersebut. Untuk sumber ion jenis SNICSbuatan NEC nilai tegangan katode adalah - 10 kVterhadap ionizer, Untuk mengekstraksi ion-ionnegatif yang dihasilkan pada proses sputteringtersebut dipel'gunakantegangan ekstraktor hingga 15kV terhadap katode. Catudaya untuk sumber ionSNICS terdiri dari catudaya ionizer (20 VDC, 30 A),catudaya katode (-10 kV, 15 IDA), catudayaekstraktor (15 kV, 8 mA), catudaya pemfokus (5 kV,3 mA), catudayaoven (0 - 120 VAC, 2,2 A),114]PactaTabel 2 ditunjukkan beberapa jenis ion negatifyang dapat dihasilkan sumber ion SNICS,114)

Somber Ion Negatif Jenis Alphatross

Pactaawalnyajenis sumber ion ini digunakanuntuk menghasilkan ion He', Tetapi pactaperkembangan selanjutnya digunakan juga untukmenghasilkan ion-ion If, NH dan 0', Ionisasi padasumber ion ALPHATROSS terjadi denganmenggunakan medan RF, Prinsip kerja sumber ionini ditampilkanpactaGambar 3, Gas He dimasukkanke dalam tabung ionisasi yang terbuat dari gelaskuarsa di mana terdapat medan RF dengan frekuensi100 MHz. Dengan adanya medan RF maka gas Heakan terionisasi menjadi ion He+, Kemudian dengan

KAJ/AN TEKNOLOGI AKSELERATOR TANDEMDAN PROSPEKNYA

Sigit Haryanta, dk1c.

/4

Volome 2, Nomor " Nopember 2000 ISSN /41/./349

menggunakan tegangan 2 - 6 kV yang terpasangpada ujung tabung ionisasi ion He+ tertarik keluardari tabung ionisasi menuju ke saluran atau kanalpertukaran muatan (charge exchange canal). Didalam kanal tersebut terdapat uap Rb sebagaipenukar muatan, sehingga ketika ion He"melewatinya terjadi reaksi pertukaran muatan daDmenjadi ion He",Selanjutnya ion He"difokuskandandiekstraksi dari dalam somber ion, Pada Tabel 3ditampilkan berbagai jenis arus ion yang dihasilkanoleh somber ion negatifjenis ALPHATROSS buatanNEC,114)

Tabel 2. Ion NegatifDari Somber Ion SNICSI14)

.,

---- --.01111\

e1\ I I I

0u8rtz-

Gambar 3, Prinsip kerja somber ionjenisALPHATROSSI14)

Tabel 3. Arus ion negatif dari somber ion jenisALPHA TROSS[l4)

Sistem Pemercepat

Sistem pemereepat ion akselerator tandemberupa somber tegangan dnggi searab elektrostatikberfungsi untuk mempereepat ion pacta kolompemereepat energi tinggi, yang semuanyadimasukkan dalam bejana bertekanan tinggi. PactaOambar 4 ditunjukkan struktur sistem akseleratortandem.

(n) Tcgnngnn Tinggi

Berdasarkan tara penggandaan tegangan,maka generator tegangan lings! scarab yang diguna-kan pacta sistem pemercepat dapat dikelompokkanmenjadi dun yaitu:. Seeara elektronik, terdiri dari komponen

kapasitor dan diode yang disusun sedemikianrupa sehingga diperoleh penggandaantegangan(contoh: Cockcroft-Walton, dynamitron,cascade transformer,celah lucutan).

. Secarapembawamuatan,terdiridari sabukpembawamuatan, pembangkitmuatan daDtenninal tegangan dnggi (contoh: Van de Oraaff,Fetid, Peletron).

Proseding Seminar Nasional TeknologiAkselerator donAplikasinyaVol.2,No. I, Nopember 2000

15

lenis ion ArusIon lenis ion ArusIon

negatif () negatif ()H" 130 As" 60D" 150 Se" 10Li" 4 Bf 40

BeO" 10 Sf 1,5B" 60 ¥ 0,66B2" 73 Zr' 9.4C" 260 Nb' 7

C2" 40 MO" 5CN" 12 Rlf 5

CN"e'N) 20 Ag" 130" 300 CdO" 7F" 100 InO" 20

Na" 4 Sn" 20

MgH2" 1,5 Sb" 16Ar 7 Te' 20

Ah" 50 r 220Sf 430 Cs' 1,5P" 125 CeO' 0,2S' 100 NdO" 0.3cr 100 EuO" 1

CaHJ" 0.8 Era' 10TiH" 10 TmO' 1.VH' 25 YbO' 1Cr" 5 Ta" 9.5

MnO' 4 TaO" 6,Fe' 20 W" 2.5

Co' 120 Os- 15Nr 80 If 100Cu" 160 Pf 250

ZoO' 12 Au' 150OaO' 7 PbO' 1Ge" 60 Bi" 3.5

Beam current Canal Type Gas

2 .3 f.1AHe' Tantalum Helium

> 25 f.1A11 Aluminium Hydrogen

> 10 f.1AO' Tantalum He and Ozcontrolledindeoendentlv

2 -3 flANH' Aluminium Hz and Nzcontrolledindeoendenllv

1.2 f.1ANH" Aluminium 990AoHz+ 1 % Nzoremixed

8 f.1AH" Tantalum 50% Hz+ 50% Heoremixed

1 f.1AHe" Tantalum 99% Hz + 1% Hzoremixed

2 f.1AH' Tantalum 99% Hz+ I % Hzoremixed

Va/ollie 2. Noli/or /. N°l!..ember 2000

Sistem generator tegangan tinggi pembawa1l111alanVan de GraatT terdiri daTi sebuah tenninallegangan tinggi yang ditopang oleh kolom-kolomisolator clan sabuk isolator yang berputar untukIl1cll1bnwnmunlnn ke Icnnina!. MlIalnn snlllpolaritas disemprotkan ke sabuk isolator padadaerah tanah (ground) kemudian dibawa ke alas

ISSN 14/1-/349

tenninal oleh sabuk yang bergerak, clan dipindahkankc Icnninal Icgangan linggi.

Dalam teknologi akselerator modem saat ini.untuk menghasilkan tegangan yang lebih tinggi danpcll1akaian akseleralor elektroslalik lebih lUllS,ll1akadiperlukan metode pemuatan yang dapat diandalkanclan lebih slabil untuk menggantikan penggunaan

'Press",r!! Vf/S!>;!I " Higil "01",/8 T('rmlll4lof. .

\ ,',' ... ' '-. -~m= ..~ii~;~~;~-~ . - - ~o.-,

, ~' ,

"-m' .'-'---"~---" \ / ' "-..,..; '

',' ;'"'~s:::::::...~'--. ~"""'~ I

'-"

~--. (~--

,---,-----

Gambar 4. Struktur sistel11aksclerator tandem

---

Gambar 5. Sistem pembawa muatan Peletron!I4)

sabuk isolator. Pada saat ini penggunaan sabuk telahdiganti dengan sebuah rantai pelletron (pelle/ranchain), yaitu sebuah rantai yang kerns clan kakuterdiri dari tablIng keeil silinder metal yangdisambungkan satu dengan lainnya oleh plastikisolator padat. Celah antara silinder bertindaksebagai eelah lueutan, memberikan perlindunganyang sangat baik untuk mala rantai isolator. PadaGambar 5 ditunjukkan sistem pembawa muatanpeletron akselerator

Rantai pemuatan peletron meniadakan adanyadebu clanripple tegangan terminal berkurang sangatbesar. Berbeda dengan catu days tegangan tinggiVan de Graaff, jenis ini sangat efektif mengisolasiKAJIAN TEKNOLOGI AKSELERATOR TANDEMDAN PROSPEKNYA

Sigil Haryanlo, dkk.

terminal dari ripple frekuensi,mudah untuk diagnoseclan servis, clan terlindungi adanya lueutan seearasempuma. Karakteristik yang menonjol rantaipemuatanjenis peletron antara lain!IS]. Stabilitas tegangan sangat baik. Tidak ads kerusakan akibat lueutan karena

terproteksi seeara intrinsik. Efisiensi tinggi. Terisolasi dari ripple tegangan akibat jala-jala

listrik PLN. Tidak terpengaruh adanya uap/embun. Terbukti mampu menghasilkan tegangan tinggidi alas 30 MY.

16

Va/orne 2, Nornor 1, Nopernber 2000 ISSN 1411.1349

(b) Tabung PemercepatTabung yang dihampakan untuk

mempercepat proton atau ion adalah satu daribeberapa komponen akselerator yang sangat kritis.Tabung pemercepat harus dikonstruksi dari bahanisolator, pads umumnya silinder porselin/keramikatau gelas dengan panjang beberapa inci clandiameternya cukup besar, yang disambungkan satudengan lainnya melalui elektrode plat metalmenggunakan suatu bahan perekat yang tahanterhadap kehampaan tinggi. Elektrode-elektrodetersebut dihubungkan pads cincin ekuipotensialuntuk menjaga distribusi potensial yang seragam

725"(18.4em)

sepanjang tabung akselerator. Pads Gambar 6ditunjukkan jenis tabung pemercepat high gradientyang digunakan dalam bejana bertekanan tinggi,mampu pads tekanan lebih dari 80 psi di bagian luartabung clan di dalam tabung tahan kehampaansampai 10-9torr. Tabung akseleratorpads umumnyaterdiri dan beberapa unit tabung clan pembebanantegangan untuk tabung jenis high gradient mampusampai 500 kV/unit. Agar supaya teganganterdistribusi secara seragam sepanjang tabung, makasetiap celah antara dUBbush elektrode dipasangresistor pembagi tegangan dengan nilai tetap.

~ 12.52'(3t.9 em) ~

(Ice. 22 gapS~)

Gambar 6. Tabling pemercepatl14)

(c) Sistem Stripper

Sistem stripper dapat bempa gas atau foilpadatan untuk melepas elektron ion penumbuknyasehingga mengubah ion negatif menjadi ion positif.Stripper diletakkan pads terminal tegangan tinggipositif. Ion positif yang keluar dari stripper akandipercepat keduakalinya oleh tegangan positif antara

IIii;~ ~

e

stripper clan tanah pads ujung tabung pemercepatclan energinya menjadi berlipat. Ion negatifhidrogen mudah sekali melepas kedua elektronnyapads stripper, menghasilkan berkas proton yanghomogen dengan energi (2 VTe + Ej). Pads Gambar7 ditunjukkan skema pengubah muatan padsakselerator tandem 2 tingkat

Gambar 7. Skema pengubah muatan akselerator tandem 2 tingkatl16)

Elemen berat sangat memungkinkan untukmelepaskan lebih dari duB elektron clan energiakhimyaE adalah[16]

E = (1 + Z*) VTe + Ei (1)

dengan Z. adalahjumlah charge state, VT teganganterminal, Ej ...nergi ion negatif yang masuk.

Proseding Seminar Nasional Tekn%gi Akseleralor donAplikasinyaVol.2. No.1, Nopember 2000

17

V%me 2. Nomor I. N°e.ember 2000

Ion positif yang keluar dari stripper terdiridari fraksi.fraksi berbagai charge state dan sebagaifungsi dari ketebalan stripper dengan (k+1) tertentu.

/SSN /4/J-/349

Hal tersebut dinyatakan dengan bentuk persamaandiferensialllE)

dFi; k-; ; k-;- =L F;-nG';-n,;- FjL G';.;+n- F;L G't,;-n + L F;+nG'i+n.;d1i n..O n..l n=O n=)

It 7tJumlah atom dalam stripper

dengan Fi fraksi charge state ke i, O'i+n.itampanglintang lepasnya charge state dari (i+n) ke i, daD 1rjumlah atom dalam stripper. Ketebalan strippertertentu diperlukan untuk melepaskan elektron dariion negatif hidrogen. Pacta Gambar 8 ditunjukkanketebalan stripper fungsi energi ion negatifpenumbuknya untuk memperoleh 90% W' pactastripper H2 dan O2. Kurva menunjukkan bahwastripper O2 lebih efisien dibandingkan denganstripper H2. PactaGambar 9 fraksi charge state Fnsebagai fungsidari ketebalanstripper O2pactaenergiion yang datang 2 MeV. Kedua contoh tersebutmerupakancontoh untuk atomringan hidrogen.

c-,..-Gambar 8. Ketebalan stripper sebagai fungsi energi

ion untuk menghasilkan 90% If116)

,.,"'. . "" "', 'J'!.". !".1

.0

'.

,.. u> U '0, , ,"", ",~"""., u 40

Gambar 9. Fraksi charge state Fn (W') sebagaifungsi ketebalan stripper pactaenergi 2MeVI16).

Untuk elemen berat Br, C, Au, Ni,ditunjukkan pacta Gambar 10 dan II di mana ionpositif yang diperoleh setelah keluar dari stripperpacta akselerator tandem merupakan fungsi dari

KAJIAN TEKNOLOGI AKSELERATOR TANDEMDAN PROSPEKNYA

Sigit Haryanto, dkk.

(2)

energi ion yang datang daD berbagai chargestate116.17].

10.. E:NERGY E (""""10 ,~ zo ~ o.. 60 ,,

I

r I--r-, , I. I eRn IONS

--10..".1,2 I:sL r .,el,y 11,,1-""> .

~ --.'7.. '-'. ~')-r7 ---'" .. .., ..IIIi';:'0..- ":"~ L..-.-.~ .,~

Gambar JO.

~

jf~

:r.

, 10Charc.. Slale

Gambar 11. Distribusi ion C, Ni, Au setelahmeJewati stripper pacta pemcrccputan3MV(16)

(d) Penstabil Tegangan

Sistem penstabil tegangan merupakan bagiandari sistem keDdaHdengan rangkaian umpan baliktertutup. Tegangan tenninal distabilkan denganmengendalikan bias jarum korona yang letaknyaberhadapan tegangan tinggi. Sistem ini terdiri darikeDdaHutama, penguat awal generator voltmeter

18

Va/orne 2, Nomor J, Nopember 2000 ISSN 14JJ-J349

yang memberikan sinyal tegangan tenninal darimedan elektrostatik di dinding taboos, unit penguatlogaritme slit yang memberikan sinyal berkas ion,clan rangkaian probe korona yang menjagakeseimbangan dengan menaikturunkan arus koronasehinggategangan tenninal dapat dipertahankan.

Kendali utama menerima sinyal masukan dadgenerator voltmeter atau penguat logaritme slit, clanakan dibandingkandengan sinyal acuan yang dipiliholeh operator. Kemudian kendali utama akanmemproses masukan tadi clan selanjutnya akanmengeluarkan perintah kendali rangkaian probekorona.

KESIMPULAN

Berdasarkan kajian teknologi akseleratortandem clanprospeknya dapat diambilkesimpulan:. Jerus akselerator tandem elektrostatik dengan

menggooakan sumber ion negatif SNICS clanALPHATROSS dapat menghasilkan berbagaijenis ion negatif dari ringan sampai berat.. Generator tegangan tinggi (peletron) yangdigunakan sebagai sistem pemercepat pactaakselerator tandem dapat diatur tegangannyasehingga menghasilkanberkas ion dengan energiyang dapat divariasi secara mudah clan akuratuntuk proses analisis claniradiasi.. Sistem stripper yang terdapat pada taboospemercepat akselerator tandem dapat menghasil-kan jenis ion dengan charge state tinggi yangdibutuhkandalam berbagai litbang.Bcrdasurkun pada kcbutuhan cncrgi ion pudu

pemakaian dalam bidang pertanian clanbioteknologi, industri clan rekayasa bahan,kedokteran/kesehatan, Berta lingkoogan, makasebagian besar dapat dipenuhi denganmenggunakanakselerator tandem 5 MV.Pacta pemakaian akselerator dalam bidang

kcdoktcl'an untuk proton terapi di manadiperlukan energi ion 200 - 300 MeV, makaakseleratorelektrostatiktandem 6 MV dapatdigooakan sebagai sistem injekto.' akseleratorsinkrotron.

DAFT AR PUST AKA

1. BARBALAT, 0., Application of ParticleAccelerators, CERN 91-04,8 May 1991.WATANABE, M., Biological Effects of HighLET Radiation, Proceeding of the Inter-national Symposium on Advanced Nuclear

", Energy Research, Recent Progress in

2,

Accelerator Beam Applications (March, 18-201996, Takasaki, Japan), JAERl-Conf. 97-003,p. 53-58, 1997.

3. SUDJATMOKO,Kajian Pemanfaatan Aksele-rator Medis Untuk Radioterapi Kanker, RapatKoordinasi Tim Akselerator, P3TM-BATAN,Yogyakarta, 22 Jooi 1999.

4. OZAKI, N., Accelerator Technology ofHitachi, Accelerator Project Division, HitachiLtd., May 1997.

5. DARSONO, Aplikasi Akselerator UntukAnalisis, Pertemuan Rutin Tim AkseleratorBATAN,1997.

6. AZHAR DJALOEIS, Development of Acce-lerator Based Laboratory at YogyakartaNuclear Research Centre, Proceeding Batan-Jaif Bilateral Seminar on Technology and ItsApplications, Yogyakarta 1998.

7. TOR PROYEK, Peningkatan KesejahteraanMasyarakat Dan Kinerja Industri MelaluiPendayagunaan Akselerator, PPNY-Batan,1999.

8. SUDJATMOKO,Kajian Teknis PembangunanLaboratorium Akselerator di Pusat PenelitianNuklir Yogyakarta, Seminar NasionalTeknologi Akselerator clan Aplikasinya,Nopember 1998.

9. H. MURYONO, Presentasi clan DiskusiKelompok Aplikasi Bidang Bioteknologi clanPertanian, P3TM, 1999.

10. TJIPTO SUJITNO, Presentasi clan DiskusiKelompok Aplikasi B/dang Industri clanRekayasaBahan, P3TM, 1999 .

11. SUDJATMOKO, Presentasi clan DiskusiKelompok Aplikasi Bidang Kedokteran clanDosimetri,P3TM, 1999.

12. AGUS TAFTAZANI, Presentasi clan DiskusiKelompok Aplikasi Bidang Teknik AnalisisclanLingkungan,P3TM, 1999.

13. HERB R.O., KLODY G. M., Accelerator,Potensial-Drop Linear, Encyclodia Physics,1995.

14. CATALOG, National Electronics Corp., 199515. N.E.C., Catalog of Pelletron Accelerator / Ion

Beam System, Middleton, WI, USA16. ROSE P. H. and GALEJS A, The Production

and Acceleration of Ion Beams in The TandemAccelerator, 1965.

17. TAJIMA S., et ai, 3 MV Tandem ElectrostaticAccelerator, Department of AdvancedRadiation Technology, Japan Atomic EnergyResearch Institute, 1997.

Proseding Seminar Nasional Teknologi Akselera/or danApfikasinyaVor2, No. I, Nopcmhcr 2000

19