KONSTRUKSI DAN PENGUJIAN SISTEMMESIN BERKAS ELEKTRON 350 keV/lO mA

PEMFOKUS

Saminto, Djoko S.Pudjorahardjo, Tono Wibowo, Bambang SupardionoP3TM -BATAN

ABSTRAKKONSTRUKSI DAN PENGUJIAN SISTEM PEMFOKUS MESIN BERKAS ELEKTRON 350 keV/10IlIA. Telah dilakukan konstruksi don pengujian sistem pemfokus mesin berkas elektron 350 keV/IO nlA.Sislem penifokus ini berfungsi unluk memfokuskan berkas pertikel setelah melewati sistem pemercepat.Sistem pe/lifokus terdiri dari selenoid don catu daya regulator arus. Medan magnet B yang dihasilkan olehselcnoid akan memberikan efek pemfokusan terhadap berkas elektron yang mclewatinya. Untukmcndapatkan berkas elektron yang terfokus. maka perlu dilakukan pengujian dengan mengatur arus padacallI daya sistem pe/lifokus tersebut. Dengan mengalur arus dc (I) dari catu daya akan diperoleh perubahanmedan magnet B pada selenoid. Pada pengukuran ini probe Gauss meter diletakkan pada posisi ditengah.tengah selenoid dengan kondisi terbuko pada tekanan atmosfer. Dari hasil pengukuran diperoleh bahwauntuk arus 0,6 A menghasilkan medan magnet B = 72.3 Gauss. selanjutnya untuk arus IA menghasilkanmedan magnet B = 123 Gauss don untuk arus 1,2 A menghasilkan medan magnet B = 148,6 Gauss. Darihasil penglljian dengan berkas elektron menu/ljukkan bahwa semakin besar arus penifokus. berkas elektronyang terukur makin besar. Kondisifokus optimal diperoleh pada arus selenoid 0,67 A. Hasil dari percobaanini menunjukkan bahwa sistem pemfokus dapat aplikasikan untuk MBE 350 keV/IO mA.

ABSTRACTCONSTRUCTION AND TESTING OF FOCUSING SYSTEM OF ELECTRON BEAM MACHINE 350keV/IO mA. Focusing system for electron beam machine 350 keV/I0mA has been constructed and tested.The system is used for focusing the electron beam after passing the accelerator system. The focusing systemconsists of solenoid and current regulator power supply. Magnetic field B produced by solenoid yieldfocusillg effect to the electron beam passing trough. To focus electron beam a test has been done byadjusting current regulator power supply offocusing system. By adjusting the dc current (1) it }vill varied themagnetic field offocusing system. The measurement of B the Gauss meter probe was put in the centre of thesolenoid with open condition at atmospheric pressure. The yield of the measurement was the current for 1 Amagnetic field B is 123 Gauss, for 1,2 A the magnetic field B is 148,6 Gauss. The test using electron beamshowed that the increasing of the selenoid current cause the increasing of the electron beam. Condition offocus was obtained at selenoid current 0,67 A. From this experiment showed that the focusing system can beused for Electron Beam Machine 350 keV/I0 mA.

telah dilakukan menggunakan berkas elcktron daTisumber elektron termionik. Untuk mendapatkaliberkas elektron yang terfokus, rnaka dilakukanpengujian dengan mengatur arus dari catu dayasistem pemfokus tersebut. Dengan mengacu padapersarnaan sistem pemfokus, rnaka dengan mengaturarus (I) dari catu daya akan menghasilkanpemfokusan berkas elektron. Pemfokusan berkaselektron ini perlu dilakukan untul~ menghindariterjadinya twnbukan antara berkas elektrol1 dengandin ding tabung hampa dan agar berkas elektrol1dapat mengenai target secara optimapJI. Dalammakalah ini disampaikan basil konstruksi sisten:pemfokus dan pengujiannya berupa medan magnet Byang dihasilkan dan a~ berkas elektron yangterukur pada berbagai kondisi arus pemfokus.

PENDAHULUAN

saat mi, kegiatan di P3TM-BATANkhususnya di Bidang Akselerator satudiantaranya adalah merancang bangun mesin

berkas elektron (MBE) 350 key/tO mA yangdiharapkan dapat dioperasikan pada tahun 2003.Diantara komponen MBE yang dirancang bangunadalah sistem optik. Beberapa komponen sistemoptik yang perlu dikonstruksi daD dilakukan peng-ujian satu diantaranya adalah sistem pemfokus[IJ.Sistem pemfokus ini berfungsi untuk memfokuskanberkas elektron setelah melewati sistem pemercepat.Sistem pemfokus yang telah dirancang bangunberupa selenoid[2J. Pada tahun 2002 telah dilakukankonstruksi/pemasangan dan pengujian sistempemfokus pada MBE yang dimaksud. Pengujian

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi

Akselerator dan Aplikasinya

Vol. 5. No. J. Oktober 2003.. 204 -213

204

TINJAUAN TEOR! bergerak melalui medan magnet yang dihasilkanoleh kumparan berarus listrik. Garis-garis medanmagnet yang dihasilkan oleh suatu selenoid panjangmerupakan lintasan tertutup melingkupi selenoid,sehingga untuk bagian tengah selenoid garis-garismedan magnet terse but sejajar dengan sumbuselenoid. Dapat dikatakan medan magnet hanyamernpunyai komponen arab aksial, sedangkanuntuk arab bagian pinggir selenoid, garis-garismedan magnet berbentuk lengkung, tampak pactaGambar 1 [3].

Sistem pemfokus berkas elektron yang dibuatterdiri dua bagian utama, yaitu bagian selenoid clanregulator arus sebagai catu daya selenoid.

Sel2Doid

Landasan teori rancang bangun lensamagnetik selenoid untuk pemfokus berkas elektronadalah interaksi yang terjadi apabila elektron

!I..1a gnt' t\ ~~gs

/Flux return

core (1.t"on)

Gambarl. Selenoid, garis-garis medan magnet daD distribusi medan magnet yang

ditimbulkannya[3J.

Untuk suatu selenoid dengan jumlah lilitan N danarus kumparan I, rnaka medan magnet aksial didalamselenoid adalah[3)

hampa daTi bahan SS DN 100. Dalam konstruksiMBE selenoid pemfokus dipasang sesudah sistem

pemercepar1].

dengan ,uo adalah penneabilitas udara.

Selanjutnya dengan penunman persamaan lebihlanjut diperolehjarak fokus (/)[3]:

1=,8mELe /1; N2 [2

I~~I'Elektrorrngnet --ri-'-'-'-'~'-'-'-'-'-""-'-":"-'-i IBesipembungkus

Gambar 2. Susunan lensa magnet pemfokus[3],dengan.tlQ = penneabilitas udara (kgm/C), m =massa elektron (kgm), E = Energi gerak elektron(eV), L = lebar celah pembungkus elektrornagnet(m), e = muatan elektron (Coulomb), N = jumlahlilitan, 1= kuat arus (Ampere).

Rangkaian Sumber Arus

Sumber arus yang dimaksud adalah sumberarus searah untuk mengaliri arus pada selenoidsehingga dihasilkan medan magnet. Sumber arusmempunyai rangkaian penyearah clan peratasebagaimana pada sumber tegangan, namun padarangkaian regulasi digunakan umpan batik arus.Pada Gambar 3 tampak arus IL di umpan batikmelalui Rs untuk mengendalikan transistor pengatur

Iv[4].

TATA KERJA.

Konstruksi Selenoid Sistem Pemfokus

Seperti tampak pada Gambar 2, bahwaselenoid pemfoklls dipasang melingkupi taboos

KONSTRUKSI DAN PENGUJIAN SISTEM PEMFOKUSMESIN BERKAS ELEKTRON 350 keV/IO mA

Saminto. dkk.

205

N

220 V

Mekanisme pengendalian arus dapat digambarkandengan persarnaan sebagai berikut:(4)

Pengujian Sistem Pemfokus

Pengujian sistem pemfokus menggunakan:Gauss meter dengan probe yang ditempatkan di.tengah-tengah selenoid seperti tampak pada Gambar:5. Pengujian ini dimaksudkan untuk mengetahuiidistribusi medan magnet di dalam sistem pcmfokussepanjang sumbu selenoid. Pengukuran medan mag.net dimulai dari arus terendah kemudian dinaikkansedikit demi sedikit sambil diamati perubahanmedan magnet yang dihasilkan oleh selenoid.Pengaturan arus dimulai dari 0,4 A; 0,6 A; 0,8 A; 1A dan 1,2 A. Setelah selesai pada satu titik digeserpada titik lain yang telah ditentukan. Pengujian\pemfokusan arus berkas elektron juga dilakukanjdengan menetapkan operasi sumber elektron pada 1

posisi Yak = 3 kV, Ilil. = 9 A, STT-CW .= 150 kVclan Vakum = 4.10.5 Torr. Pada peng-ujian ini

dipasang 3 sensor berkas bahan dari plat tembagaberbentuk ring yang disusun berurutan memotongarab berkas elektron. Sensor pertama dengandiameter lobang = 6 cm (13), sensor kedua diameterlubang = 6 cm (12) dan sensor ketiga plat bulatdiameter = 3 cm disusun seperti pada Gambar o.

V reI

R~~

= I =

~R R,

I

Pengujian Rangkaian Somber Arus

Pengujian rangkaian sumber arus dimaksud-kan untuk mengetahui karakteristik catu dayaregulator arus seperti tampak pada Gambar 4.Pengujian ini menggunakan alat bantu Amperemeter, Volt meter, osciloscope daD beban selenoid.Beberapa pengujian yang dilakukan antara lain,warm up drift, line regulation, ripple daD overcurrent protection. Untuk pengujian kehandalan daDkestabilan rangkaian dilakukan dengan meng-operasikan alat selarna 96 jam (4 hari) terus menerustanpa dirnatikan daD diarnati arus keluarannya secaraperiodik (tiap satu jam). Percobaan ini dilakukanpada suhu ruangan antara 20 sampai 22 °C.

Gambar 4. Pengujian rangkaian sumber arus.

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah TeknologiAkselerator dan AplikasinyaVol. 5. No. /. Oktober 2003: 204 -2/3

206

Volume 5, Nomor J, Oktober 2003 /SSN 14/1-1349

Gambar 5. Skema pengujian sistem pemfokus.

Gambar 6. Susunan sensor arus berkas elektron.

percobaan tersebut secara umum menunjukkanbahwa rangkaian surnber ares dapat digunakansebagai calli daya sistem pernfokus MBE.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil Pengujian Rangkaian Somber Arus

Hasil pengujian menunjukkan bahwa alatdapat bekerja cukup baik dengan nilai pernanasanawal (warm up drift) = 0,5%. regulasi jala-jala (lineregulation) = 0,3%, clan tegangan kerut (ripple) = 1

mVpp. Dari pengujian pelindung arus lebihdipecoleh bahwa pada saat arus keluaran melebihil,8 A rangkaian proteksi bereaksi clan memberikanstatus keluaran interlok. Sedang dari basil pengujiankestabilan alat diperoleh bahwa setelah alatdioperasikan selarna 96 jam alat tetap bekerjadengan baik/norrnal dengan arus keluaran cukupstabil seperti tampak pada Gambar 7. Dari

Hasil Pengujian Distribusi Medan MagnetSelenoid

Secara ideal distribusi medan magnet dalamselenoid adalah seperti tertampil pada Gambar Iyaitu homogen sepanjang sumbu selenoid clanmerupakan medan magnet aksial. Tetapi temyatahasil pengukuran distribusi medan magnet sepertitertampil pada Gambar 8. Hasil pengukurandistribusi medan magnet menunjukkan bahwa padaposisi aksial antara 0 rnrn clan 100 rnrn (posisi didalam selenoid sepanjang 100 rnrn) tidak homogen.

207KONSTRUKSI DAN PENGUJIAN SISTEM PEMFOKUSMESIN BERKAS ELEKTRON 350 keV/IO mA

Saminto. dkk.

!

J~

Gambar 7. Pengujian operasi rangkaian sumber arus.

150

'"

1.~

~ .~..

~~~ 100--

I"" ,.. "'0'-+-~- .

-.ra--r-'S'1

SOd

-,.- ._~,--p~1.I" " ' I

: ,,' ;' ~ I. I .,.' " ,.,'"~.j.""- .' 4 1,'-

,oj' ,--~ ..;- ... 1 " ,", IV"./" /4

,...,. y'" ; --~;:~~~;~ , , .

~- --.::::-~

.~~.I

~a.>

~II~

~-

10040 60 80

Jarak(nnn)

900 20

Gambar 8. Hasil pengukuran distribusi medan magnet aksial di dalamselenoid sepanjang 100 rom.

Pengukuran dimulai dari pinggir kearah tengahkumparan sehingga diperoieh medan magnetsemakin besar dan mencapai puncak terbesarditengah-tengah kumparan. Sesuai teori, bahwabesar medan magnet tergantung pada arus yangdilewatkan pada selenoid, sedangkan untuk posisiaksial diluar daerah kumparan memperlihatkanbahwa medan magnet cukup kecil bila dibandingmedan magnet didalam selenoid. Dari basilpengukuran menunjukkan bahwa sistem pemfokusdengan arus lA dapat menghasilkan medan magnet

123 Gauss. Hasil ini sesuai dengan hasil perhitunganteori yaitu untuk arus lA, dipero1eh medan magnet123,2 Gauss.

Basil Pengujian Sistem Pemfokus PadaMesin Berkas Elektron I

Setelah sistem pemfoku~ dipas~g padalMBE 350 keV/IO mA selanJutnya dllakukan

pengujian dengan berkas elektron diperoleh basil Iseperti pada Gambar 9. Dari has,l pengujian dengan i

I

2081Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah TeknologiAkselerator dan AplikasinyaVol. .5, No. J, Oktober 2003.. 204 -213

berkas elektron menunjukkan bahwa terjadikenaikan arus berkas elektron saat arus pemfokusdinaikkan. Arus berkas elektron tertinggi sebesar 49I.LA diperoleh pada arus pemfokus 670 mA. Danpercobaan tersebut menunjukkan bahwa sistem

pemfokus telah dapat mempengaruhi arus berkaselektron yang dihasilkan dan dapat digunakan untukmemfokuskan berkas elektron pada MBE 350keV/IO mA.

'.:?::J-C0l-

XQ)

WInCO~Q)

.0In2<{

Gambar 9. Efek perubahan arus selenoid terhadap arus berkas elektron.

ACUANKESIMPULAN

Dari hasil konstruksi dan pengujian sistempemfokus berkas elektron, telah dapat dilakukankarakterisasi baik untuk catu daya sumber ares,pengukuran distribusi medan magnet maupunpengujian sistem pemfokus terhadap ares berkaselektron. Pengujian untuk mengetahui perubahanmedan magnet B yang dihasilkan dengan mengubahares selenoid. Dari pengukuran diperoleh untuk areslA menghasilkr.n medan magnet B = 123 Gauss.Sedang pengujian deng:ln berkas elektronmenunjukkan bahwa keluaran ares berkas elektronsangat dipengaruhi oleh pengoperasian sistempemfokus. Pada ares pemfokus terendah 31 mAmenghasil~an ares berkas elektron 9 ~ ( darisensor Iv. Untuk ares berkas elektron tertinggi yangdihasilkan mencapai 49 ~ pada ares selenoid 670mA. Pada ares selenoid maksimum 980 mA, aresberkas elektron yang dihasilkan mengecil menjadi28 ~. Dari basil pengujian tersebut menunjukkanbahwa sistem pemfokus dapat digunakan padaMBE 350 keV/IO mA.

[1] SUDJATMOKO, Perancangan Mesin BerkasElektron 500 keV/10 mA, Seminar SehariPerancangan Mesin Berkas Elektron 500 keV/10 mA, PPNY-BATAN, Yogyakarta, 1996.

[2] SUT ADJI S., dkk, Perencanaan Sistem OptikMBE 500 keV/IOmA, Seminar Sehari Pe-rancangan Mesin Berkas Elektron 500 keV/10mA, PPNY-BATAN, Yogyakarta, 1996.

[3] DJOKO S.P .,dkk, Rancang Bangun LensaMagnetik Selenoid untuk Pemfokus BerkasElektron Sumber Elektron Tipe Termionik,Prosiding Pertemuan daD Presentasi IlmiahTeknologi Akselerator Dan Aplikasinya,Volume 2, Nomor 1, Yogyakarta, 2000.

[4] Widi Setiawan, /nstrumentasi dan Kendali,Diktat. Pengenalan dan Aplikasi Akselerator,P3TM-BATAN,Yogyakarta, 1998.

KONSTRUKSI DAN PENGUJIAN SISTEM PEMFOKUSMESIN BERKAS ELEKTRON 350 keVIIO mA

Saminto. dkk.

209

LAMPIRAN

A. Data Pengujian Catu Daya Somber Arus:

Alat bantu: I. Ampere meter digital

2. Volt meter

3. Osciloscope

4. Beban selenoid

1. Pengujian Warm up DriftArus keluaran pada t =15 detik = 998 mA

Arus keluaran pada t =30 menit = 1000 mA

2.

Pengujian Line RegulationPadaja1a-ja1a 1istrik 220V arus ke1uaran = 1000 mA

Pada ja1a-jala listrik 200V arus ke1uaran = 997 mA

3. Pengukuran Tegangan Ripple Menggunakan Osiloskop Diperoleh

Beban selenoid dengan arus keluaran di set pada IA.

Tegangan ripple terukur = I mVpp

4. Pengukura't Kestabi/an Arus Ke/uaran Catu DayaSsumber Arus

Lama operasi Arus keluaran terukur

(mA)(jam)

~4

8293337586266707496

(hari)Hari pertama 1001

1000

1000

999,9999,81000

1000

1001

999,9

999,81000

1000

..tt

Hari ke dua

"Hari ke tiga

Rari ke empat

ZIO~ ~~-~

Prosiding Pertemuan dan Presentasi llmiah TeknologiAkselerator dan AplikasinyaVol. 5. No. I. Oktober 2003: 204 -213

Volume 5, Nomor 1, Oktober 2003 ISSN 1411-1349

B. Data Pengukuran Distribusi Medan Magnet Pada Berbagai Posisi di Dalam Selenoid

Gambar Distribusi Medan Magnet Untuk Berbagai Posisi Di Dalam Selenoid Tanpa Menggunakan PlatPembungkus

152

132

Q:m

~gc

~

112

92

72

52

320 2 3 4 5

Posisi (cm)

6 7 8 9 'X)

Gambar Distribusi Medan Magnet Untuk Berbagai Posisi Di Dalam Selenoid MenggunakanPembungkus.

Plat

232

182~m

ic

~

132

82

32 I I I I I I I I I I

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Posisi (cm)

KONSTRUKSI DAN PENGUJIAN SISTEM PEMFOKUSMESIN BERKAS ELEKTRON 350 keV/IO mA

Saminto, dkk.

211

C. Data Percobaan Pengujian Dengan Mesin Berkas Elektron

Pos;s; Operas; Sumber Elektro/lTegangan Anode-Katode (V.J = 3 kV

Arus filamen = 9 A

Tegangan pemercepat = 150 kV

Yakum = 4.10.5 Torr

RH ruang MBE = 55%

Temperatur ruang MBE = 21°C

Data Hasil Pengukuran

Arus Berkas elektron (~)No Arus pemfokus (mA)

sensor 1

9244649464228

sensor 2

512

42,5

__~!5510

sensor 3

26151

1,51

2,59

31500620670740850980

12

~

Gambar efek perubaha" arus SELENOID terlladap arus berkas elektro" terukur

60

50

':i::J

c:e~Q)"Q)(/)ro~Q)

.c(/)

~

40

30

20

10

031 500 620 670 740

Arus kumparan selenoid (mA)

850 980

212Prosiding Pertemuan dan Presentasi I/miah Tekn%gi

Ab'e/erator dan AplikasinyaVol, 5. No, J. Oktober 2003.. 204 -213

Volume 5, Nomor J. Oktober 2003 /SSN/411-1349

TANYAJAWAB

Hari Suryanto

-Bagaimana mekanisme system pemfokus yangm~nggunakan solenoid ini hingga dapatmemfokuskan berkas bila dikaitkan dengan arab

berkas (Ii ) arab medan magnet B? Bagaimanaatau apa bedanya dengan system pemfokus

kt'adrapol magnet?

aksial (eV 8 X B,) menghasilkan gaya Lorentz

radial yang mengakibatkan elektron terdefleksikearah sumbu selenoid. Gerak elektron dalamselenoid menjadi berbentuk spiral dan makinmendekati sumbu selenoid (terfokus).

Bedanya dengan system pemfokus kuadrupol,sistem pemfokus kuadrupol dapat bersifatmemfokuskan (misal kearah X) clan menyebarkan

(kearah Y) , sehingga agar terjadi pemfokusankearah X) diperlukan 2 lens a kuadrupol(doublet). Pemfokus selenoid tidak demikian.

Saminto

-Elektron yang bergerak melalui suatu medan

magnet mengalami gaya lorentz F L = -eV x B.

Pada saat elektron masuk ke ujung lensa selenoid,maka elektron melalui daerah dimana medanmagnetnya dalam arab radial (Br). Untuk elektronyang tidak sejajar sumbu, maka mempunyaikomponen kecepatan aksial daD radial. Sehinggaperkalian silang vector kecepatan aksial dengan

medan magnet radial (eV,xB,) menghasilkan

gaya Lorentz azimutal yang mengakibatkanelektron bergerak memutar sambil maju (elektronmempunyai kecepatan angular). Perkalian silangvektor kecepatan angular dengan medan magnet

Ari Sugiharto SL.

-Peletakan target didalam atau diluar?

-Efek heating daTi solenoid.

Saminto

-Pada Mesin Berkas Elektron, target diletakkandiluar, tepatnya dibawahfoil window pada corong

pemayar.

-Pemanasan pada selenoid tidak berpengaruhterhadap pemfokusan berkas elektron (selenoiddioperasikan dengan ares dibawah ambang batasmaksimum kawat selenoid).

KONSTRUKSI DAN PENGUJIAN SISTEM PEMFOKUSMESIN BERKAS ELEKTRON 350 keV/JO mA

Sam in to, dkk.

213