PROSIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator Dan Proses BahanYogyakarta, 28 Agustus 2008

PENGUJIAN AWAL INSTALASI SISTEM VAKUM MESINBERKAS ELEKTRON 300 KEV /20 MA UNTUK INDUSTRI

LATEKS

Sukidi, Suhartono, SutadiPusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan

Abstrak

PENGUJIAN AWAL INSTALASI SISTEM VAKUM MESIN BERKAS ELEKTRON300 keV/20 mA UNTUK INDUSTRI LA TEKS. Telah di/akukan instalasi Sistem Vakum(SV) pada kerangka Mesin Berkas E1ektron(MBE) 300 keV/20 mA. Instalasi di/akukanuntuk menyatukan SV yang terdin dan beberapa komponen. Komponen-komponentersebut adalah Sumber elektron (SE), Tabung akselerator (TA), sistem pemfokus(SF), scanning horn (SH) dan window. Untuk mengetahui hasi/ instalasi apakahmemenuhi kntena rancangan maka dilakukan pengujian. Pengujian dilakukan untukmengetahui tingkat kevakuman yang dalam kntena disebutkan tingkat kevakumanharus dalam orde 1(J"6mbar. Tahapan pengujian dilakukan dengan pompa rotariselanjutnya diteruskan dengan pompa turbomolekul. Penggunaan dua pompa iniuntuk memperoleh tingkat kevakuman rendah dan tinggi. Pengujian di/akukan sampai

pada kemampuan optimum. Tingkat kevakuman optimum yang dapat dicapai denganpompa rotan adalah 8. 1(J3mbarsedang dengan pompa turbomolekuI3.1(J mbar. Dandata hasil pengujian tersebut diperole/i tingkat kevakuman dan instalasi SV ini cukupbai/( dan telah memenuhi persyaratan kritena operasi MBE 300keV/20 mA yaituantara 1(J5mbar sid 1(J6mbar.

ABSTRACT

THE INITIAL TEST OF VACUUM SYSTEM INSTALLA TION ON 300 keV/20 mAELECTRON BEAM MACHINE FOR LA TEX INDUSTRY. Vacuum System (VS)Installation on 300 keV/20 mA Electron Beam Machine (EBM) construction has beendone. Installation was done to unite VS that consisted of some components. Thosecomponents consisted of Electron Source (ES), Accelerator Tube (AT), FocusingSystem (FS), Scanning Hom (SH) and window. This test was done to knowninstallation result that has fulfilled cntenon of vacuum system. design is 1(J"6mbar. Thestep of this test was done to reached optimal rate using rotary pump andturbomolekuler pump to obtained low and high vacuum rate. The optimal vacuum ratewas reached at 8.10-3mbar for rotary pump and 3.10-6 mbar for turbomolekuler pump.From the test result is obtained that the vacuum rate of vs installation has fulfi/eclauses of 300 keV/20 mA EBM operation cntenon between 10-5mbar until 10-6 mbar.

PENDAHULUAN

Dalam rancangbangun Mesin Berkas Elektron(MBE), Sistem Vakum (SV) merupakan salahsatu bagian dari MBE yang berfungsi untukmembuat kondisi ruang MBE bertekanan rendah(vakum). Tingkat kevakuman MBE untuk siap di

operasikan setelah tercapai kevakuman minimumorde 10-6 mbar. Kondisi kevakuman sampai ordetersebut dimaksudkan agar perjalanan berkas

elektron dari sumber elektron sampai ke windowtidak mengalami gangguan (bertabrakkan dengansisa-sisa gas/molekul). Pada MBE 300keV/20mAyang di rancangbangun telah selesai dilakukaninstalasi sistem vakumnya, sehingga untukmengetahui hasil instalasi dapat berfungsi dengan

baik, maka dilakukan pengujian. Penunjukkantingkat kevakuman yang baik ditandai denganindikator pencapaian kevakuman yang tinggi danditampilkan oleh meter vakum (pirani dan pening)

Sukidi, dkk. ISSN 1410 - 8178 287

PRO SIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator Dan Proses BahanYogyakarta, 28 Agustus 2008

Dinding

Gambar I. Sambungan dengan perapat seal viton

Adsorpsi-----Lalut

b. Beban gas akibat permeasiBeban gas akibat permeasi sangat tergantung daribahan yang digunakan serta kehailisan daripengerjaan komponen sistem vakum tersebut.Proses terjadinya permeasi seperti ditunjukkan padaGambar 2,. yaitu gas menempel pada dinding luardan mas uk melalui pori-pori menembus ketebalanbahan dan masuk ke ruang sistem vakum.

Gas

Difusi

DesorpsiHampa

1. Seban Gas

Ada beberapa macam beban gas yang dapatmempengaruhi pencapaian tingkat kevakuman akhirdari suatu sistem vakum, yaitu permeasi, pelepasangas (out gassing) penguapan dan kebocoran.

a. Beban gas akibat kebocoranKebocoran pada sistem vakum dapat terjadi

antar sambungan dua komponen atau lebih.Sambungan komponen vakum dibedakan menjadi 2bagian yaitu sambungan tidak dapat dilepas dansambungan dapat dilepas. Sambungan tidak dapatdilepas yaitu sarnbungan dengan las dan brazing.Pada sambungan ini kebocoran yang terjadi sangatsulit ditentukan karena tergantung dari kualitassarnbungan tersebut. Untuk sambungan dapatdilepas yaitu sambungan dengan seal viton sepertiditunjukkan pada Gambar I.

F

Untuk mencapai tingkat kevakuman yang tinggi,sangat tergantung dari bahan-bahan yang digunakanuntuk komponen vakum, ruang yang divakum, lajupemompaan serta kecepatan pompa yang digunakan[I] Ada beberapa hal yang mempengaruhipencapaian tingkat kevakuman pada sistem vakum,an tara lain beban gas, konduktansi saluran, dan lajupemompaan efektif. Beban gas meliputi kebocoran,pelepasan gas (outgassing), dan permeasi.Konduktansi saluran adalah kemampuan dayahantar suatu komponen untuk melewatkan gas yangdi pompa dari ruang sistem vakum ke luar MBE.Sedang laju pemompaan tergantung darikemampuan pompa yang digunakan. Agar dapatdicapai tingkat kevakuman yang optimum perlulangkah-Iangkah untuk mengatasi beberapa haltersebut. Jika penyebabnya dari beban gas, diatasidengan pemasangan instalasi yang rapat sehinggatidak ada kebocoran. Jika penyebabnya darikonduktansi saluran, diatasi dengan komponen yangsaling berhubungan sedapat mungkin mempunyaiukuran lubang saluran yang sarna dan belokansesedikit mungkin. Begitu juga dengan lajupemompaan diatasi dengan memilih jenis sertakecepatan pompa di atas perhitungan kecepatanpompa efektif. Disamping hal-hal tersebut di atastingkat kevakuman yang dapat dicapai jugatergantung dari besar kecilnya ruang yang divakum.Untuk pemompaan awal, beban pompa ditentukanoleh volume gas yang ada di dalam ruang MBE,sedangkan beban pompa setelah pemompaan hinggamencapai kondisi mantap (steady state), bebanpompa tergantung dari akibat kebocoran dan(outgassing) yang dilepaskan oleh dindingkomponen-komponen vakum. Kecepatan dankemampuan optimum pompa vakum hanya dapatmempengaruhi lama waktu pemompaan. Untukmemperoleh tingkat kevakuman akhir agar sesuaidengan yang diinginkan maka dalam instalasikomponen vakum disamping hal-hal tersebut di atasjuga harus sangat teliti dalam pemasangan danbersih dari kotoran dan lemak-Iemak.

TINJAUAN PUSTAKA

Untuk memperoleh tingkat kevakumansesuai dengan yang diinginkan, maka harus dipertimbangkan beberapa hal yaitu :I . Beban gas2. Saluran pemompaan.3. Pompa yang harus dipilih4. Tingkat kevakuman yang di harapkan.orde 10's

sId 10.6mbar.

Beban gas merupakan beban pada sistemvakum dan merupakan beban pompa yang harusdikeluarkan dari dalam sistem vakum.

Gambar 2. Proses terjadinya permeasi

c. Beban gas akibat outgassingGas yang discbabkan oleh adanya difusi

dan desorpsi disebut pelepasan gas (outgassing).Desorpsi terjadi jika suatu molekul/atom gasmenempel pada permukaan tetapi tidak sampaimasuk dalam permukaan, yang selanjlltnya jika

divakumkan molekul/atom gas tersebut lepas daripermukaan dan memberikan sumbangan gas dalamsistem vakum.

d. Beban gas akibat penguapanPengllapan bahan di dalam sistem vakum

disebabkan karena adanya tekanan yang sangat

288 ISSN 1410 - 8178 Sukidi, dkk

PRO SIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator Dan Proses BahanYogyakarta, 28 Agustus 2008

rendah (kevakuman tinggi) pada suhu ruangan.Untuk bahan-bahan yang digunakan dalampembuatan komponen-komponen sistem vakum,penguapan akan terjadi bila tekanan parsial yangmengenai permukaan lebih kecil dari tekananpenguapan dari bahan tersebut.

2. Sistem Saluran

Konfigurasi dan dimensi saluran dalaminstalasi sistem vakum sangat berpengaruh denganbesar daya hantar (konduktansi). Untuk menentukanbesar konduktansi harus diketahui jenis aliran yangterjadi di dalam saluran tersebut. Jenis aliran iniditentukan berdasarkan bilangan Knudsen yaituperbandingan antara diameter saluran (D) danIintasan bebas rata-rata (A.). Aliran di dalam sistemvakum diklasifikasikan menjadi 3 bagian yaitualiran kental (viscous) dengan DIA. > 110, alirantransisi dengan 1 < DI A. < 110 dan aliran molekulardengan DO•.< I [2].Untuk kevakuman rendah yaitusaat pemompaan dengan pompa rotari, aliran yangterjadi adalah aliran kental (viscous). Kemudianuntuk k(:vakuman tinggi yaitu saat pemompaandengan pompa tllrbomolekul, aliran yang terjadiadalah aliran molekular. Dengan demikian,konduktansi yang terjadi ditentukan sesuai jenisalirannya.

3. Kevakuman Akhir

Kecepatan pemompaan serta jenis pompayang digunakan sangat berpengaruh terhadappencapaian tingkat kevakuman akhirP]

TATA KERJA DAN PENGUJIAN

1. Peralatan Uji

Alat yang digunakan untuk menguji sistemvakum adalah pompa rotari untuk memompa daritekanan atmosfer sampai pada tingkat kevakumanrendah (orde 10'2 sid 10'3 mbar). Indikator penunjukmenggunakan pirani meter yang mempunyaikemampuan penunjukkan sampai dengan 1. 10,3mbar. Sedangkan untuk menguji tingkat kevakumantinggi dengan menggunakan pompa turbomolekul

yang mempunyai kemampuan pencapaian tingkatkevakuman 10'2 sampai dengan 10' mbar. Danindikator penunjuknya menggunakan pening meteryang mempunyai kemampuan penunjukkan sampaipada 10-9 mbar. Alat uji kedua pompa tersebut jugamerupakan bagian dari sistem vakum.

2. Prosedur Pengujian

a. Pt:riksa apakah semua sambungan yang akandiuji telah tersambung dengan baik

b. Pt:riksa apakah alat uji telah terpasang padakomponen yang akan di uji

c. Periksa apakah alat ukur uji (meter vakum)telah tersambung dengan baik

d. Periksa apakah kemampuan alat ukur telahsesuai.

e. Jika semua telah tersambung dan terpasangdengan baik baru dapat dilakukan langkahpengujian selanjutnya yaitu:

f. Hidupkan pompa rotari untuk uji vakumrendah jika hasilnya belum memenuhi yangdipersyaratkan (lO'2mbar) periksasambungan yang divakum, jika hasilnya baiklanjutkan langkah berikutnya.

g. Setelah mencapai kevakuman 10.2 mbardilanjutkan dengan pompa turbomolekuluntuk mendapatkan kevakuman orde 10'5sid10-6mbar atau lebih.

h. Catat data hasil yang diperoleh yaitu tingkatkevakuman dan lama waktu pemompaan.

i. Lakukan pengujian berulang-ulang (Iangkah1 sid 9) sehingga diperoleh tingkatkevakuman yang optimal.

Sistem vakum hasil instalasi komponenvakum pada kerangka mesin berkas elektronditunjukkan pada Gambar 3.

Keterangan .1. Sumbere!eklron2. Tabung akseleraior3. Pemlokus

4. pemayar

3 5. ScanrJiog Horn6. Pompa rotan7. Pompa 1urtJoMo1eku'

Gambar 3. Sistem vakum Mesin Berkas Elektron300keV/20 mA

HASIL DAN PEMBAHASAN

Pengujian instalasi sistem vakum dilakukandengan cara bertahap yaitu satu per satu pada saatkomponen tersebut selesai di pasang, dimulai darikomponen yang merupakan bagian utama darikomponen sistem vakum. Dalam hal ini untuk MBElateks yang merupak&n bagian utama adalah baseplate, sehingga dimulai dari base plate yang dipasang pada kerangka. Base plate mempunyai duasisi lubang, satu sisi dihubungkan dengan tabungakselerator dan sisi yang lain di hubungkan dengantabung pemfokus. Jadi masing-masing sisi ditutupterus dilakukan uji vakum. Jika bagian ini telahdilakukan uji vakum hasilnya baik, maka dapatdilakukan pemasangan (instalasi) komponenberikutnya. Komponen berikutnya adalah pemfokus

Sukidi, dkk. ISSN 1410 - 8178 289

PRO SIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator Dan Proses Bahan

Yogyakarta, 28 Agustus 2008

pada base plate, setelah terpasang di lakukan ujivakum, jika menghasilkan kevakuman yang baik,maka dapat dilanjutkan dengan pemasangankomponen yang lain. Dan begitu berturut-turutsetelah pemfokus adalah corong pemayar, window,tabung akselerator dan sumber elektron. Begitudalam melakukan uji vakum secara bertahap satupersatu komponen. Disamping pengujian dilakukansatu persatu komponen, juga dilakukan pengujiansetelah komponen terinstalasi semua pada kerangkaMBE.

Dari hasil pengujian diperoleh data uji yang

ditunjukkan pada Gambar 4 yaitu tingkatkevakuman akhir yang dapat dicapai dengan pomparotari 8 x 10.3 mbar. Tahapan capaian dalampengujian dengan pompa rotari sebagai berikut :dalam waktu 5 menit telah dapat dicapai 5.xlO'

Imbar. Begitu cepat perubahan yang terjadi hingga4.X 10.2 mbar pada men it ke 10 yang ditandaidengan slope yang begitu tajam antara men it ke 5hingga menit ke 15. Pada menit ke 15 kondisitingkat kevakuman masih menaik hingga dicapaikevakuman 8.x 10'3mbar. Pada menit ke 20

kevakuman hampir mendekati titik jenuh yangditandai dengan tidak ada peningkatan kevakuman

yang dicapai yaitu 8 xl 0.3 mbar dan bahkan posisiini sudah menunjukkan pencapaian pada kondisikesetimbangan (steady state) yang ditandai dengangaris mendatar hingga pada men it ke 50.

10000

1000

j 100E~ 10

0.01

0.001o 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Waktu Imenit)

Gambar 4. Tingkat kevakuman dengan pomparotary

Dari hasil pengujian dengan pompaturbomolekul diperoleh data uji yang ditunjukkan

pada Gambar 5, yaitu tingkat kevakuman akhiryang dapat dicapai dengan pompa turbomolekul 3.10.6 mbar. Tahapan capaian dalam pengujiandengan pompa turbomolekul sebagai berikut :tingkat kevakuman awal untuk pompa turbomolekuladalah merupakan tingkat kevakuman akhir dari

pompa rotari yaitu 8. 10·3mbar. dalam waktu 4menit tingkat kevakuman yang dapat dicapai 7.10'4mbar. Begitu cepat perubahan yang terjadi hingga4.x I0.5 mbar pada menit ke 8 yang ditandai denganslop yang begitu tajam antara men it ke 4 hinggamen it ke 10. Pada menit ke 12 kondisi tingkal

kevakuman masih menaik hingga dicapaikevakuman 8.x 10·6mbar. Pada menit ke 20

kevakuman masih menaik dan pada menit ke 30hampir mendekati titik jenuh yang ditandai dengantidak begitu kentara peningkatan kevakuman yangdicapai yaitu 3 x I0.6 mbar,. dan bahkan posisi inisudah kelihatan mencapai pada kondisikesetimbangan (steady state) yang ditandai dengangaris mendatar hingga pada menit ke 42.

0.1

2 .E.c! 0.0001

~ " O.OOOOt

Waktu (menrt)

Gambar 5. Tingkat kevakuman dengan pompaturbomolekul

Dari pengujian awal instalasi sistem vakumMBE 300keV/20mA menggunakan pompa rotaridan pompa turbomolekul diperoleh tingkatkevakuman akhir 3. 10-6mbar. Berdasarkan hasil

pengujian tersebut maka dapat dikatakan bahwainstalasi sistem vakum MBE 300keV/20mA sudah

memenuhi syarat sistem vakum untuk opt:rasi MBEyaitu tingkat kevakuman orde 10'6mbar.

KESIMPULAN

Setelah dilakukan pengujian awal terhadaphasil instalasi sistem vakum pada kerangka MBE300 ke V/20 mA dapat disimpulkan sebagai berikut :I. Tingkat kevakuman yang dapat dicapai dengan

pompa rotari 8.10.3 mbar, tingkat kevakuman inisudah cukup baik dan dapat memenuhi kriteriauntuk langkah selanjutnya yang dipersyaratkanuntuk operasi pompa turbomolekul.

2. Tingkat kevakuman yang dapat dicapai denganpompa turbomolekul adalah 1,5. 10'6mbar,tingkat kevakuman ini sudah memenuhi kriteriadari tingkat kevakuman akhir dari sistem vakumMBE 300keV/20mA yaitu orde 10.6 mbar untukkondisi MBE siap dioperasikan.

3. Dengan data-data hasil uji tingkat kevakumanyang diperoleh seperti di atas maka dapatdisimpulkan bahwa instalasi sistem vakum yang

dilakukan pada kerangka MBE 300keV/20mAcukup baik.

UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis mengucapkan terima kasih kepadaternan-ternan di Bidang Teknologi Akselerator dan

290 ISSN 1410 - 8178 Sukidi, dkk

PRO SIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator Dan Proses BahanYogyakarta, 28 Agustus 2008

Fisika Nuklir, Bidang Elektro Mekanik, dankhususnya Kelompok Teknologi RancangbangunAkselerator, atas bantuanya sehingga instalasisistem vakum MBE 300keV/20mA untuk industri

lateks pada kerangka MBE dapat di selesaikandengan baik.

ACUAN

1. O'HANLON, J.F., A User's Guide to VacuumTechnology, John Wiley & Sons, New York(1989).

2. ROTH, A., Vacuum Technology, North­Holland Publishing Company, New York( 1979).

3. ROL, P.K., Pengantar Teknik Vakum(diterjemahkan oleh Peter Soedojo), GajahMada University Press, Yogyakarta (1977).

TANYA JAWAB

Sumaryadi~ Berapa vakum yang diinginkan untuk proses

MBE lateks?

Sukidi~ Vakum akhir yang diinginkan minimal dalam

orde J (f5 mbar dan lebih tinggilebih baik.

Sukidi, dkk. ISSN 1410 - 8178 291