Prosiding Seminar Nasional ke-9 Teknologi dan Keselamatan PLTN Serlo Fasi/itas NllklirJakarta, 2(} AgliSIlls 20D] ISSN: 0854 -29I 0

SUMBER ION MULTICUSP UNTUK ADS

~ 17Kasmudin, Silakhuddin

Pusat Pengembangan Sistem Reaktor Maju - BAT AN

ABSTRAKSUMBER ION MULI1CUSP UNTUK ADS. Suatu fasilitas Accelerator DrivenSystem (ADS) memerlukan pasokan berkas proton intensitas yang tinggi dari somberion. Sumber ion jenis multicusp dapat menghasilkan berkas proton dalam beberapa mAclan emittansi yang kecil sebagaimana diperlukan dalam suatu akselerator untuk ADS.Dcsain awal dari sumber ion jenis tersebut sudah dilakukan. Desain ini mengikutiprinsip desain pada fasilitas akselerator JAERI Takasaki. Somber ion ini ditargetkanmampu menghasilkan berkas ion ringan, misalnya alpha hingga 1 IDA. .

ABSTRA CT

MULT/CUSP ION SOURCE FOR ADS. An Accelerator Driven System (ADS)facilityneeds high intensity proton beamfrom an ion source. Multicusp ion source can supplyproton beam of some mA and small emittance as it is required on an accelerator forADs. Preliminary design of the multicusp ion source has been carried out. The designfollows the design of accelerator facility in JAERI Takasakl. The ion source is hopedcanprovide light ion beam e;g. alpha untill pA.

141

Prosiding Seminar Nasional ke-9 Teknologi don Keselamatan PLTN Serlo Fasilitas NllklirJakarta, 20 AglIstlis 2003 ISSN: 0854 -29J0

PENDAHULUAN

ADS (Accelerator Driven Reactor System) adalah sistem reaktor yang

dikendalikan oleh akselerator. Komponen utama ADS meliputi akselerator proton,

target spallasi, clan reaktor subkritik. Dalam hal ini akselerator berfungsi untuk

menghasilkan arus proton berenergi tinggi yang ditembakkan ke target spallasi dari inti

berat sehingga terjadi reaksi inti (spallasi) clan dihasilkan neutron. Neutron yang

dipanearkan dari proses spallasi inilah yang dijadikan sumber neutron bagi

berlangsungnya reaksi fisi dalam reaktor daya atau sumber neutron untuk pembakaran

limbah.

ADS memerlukan arus proton yang tinggi untuk menghasilkan fluks neutron

yang tinggi pula sebagai syarat untuk berlangsungnya reaksi subkritis yang eukup

efektif bagi pembangkitan daya atau pembakaran limbah. Untuk menghasilkan arus

proton tinggi diperlukan sumber ion yang dapat menghasilkan arus proton tinggi pula

yang salah satunya adalah sumber ion multicusp. Oleh karena itu ADS pada umumnya

menggunakan akselerator dengan sumber ion jenis multicusp tersebut. Sumber ion

multicusp coeok untuk mengionisasi atom:atom gas dengan nomor atom kecil, seperti

atom gas hidrogen (H2) atau helium (He).

Akselerator ADS mempunyai ukuran panjang sehingga emittansi berkas ion

dari sumber harus dibuat sekecil mungkin sehingga ketika ditembakkan ke target

spallasi lebih tepat sasaran (berkasnya tidak terlalu melebar) clan sesuai dengan yang

diharapkan. Emittansi yang kecil ini dapat dilakukan dengan pengungkungan plasma di

dalam chamber sumber ion denganjaring-jaring medan magnet (disebut multicusp).

SUMBER ION MULTICUSP

Tergantung pactajenis material yang akan diionisasi, maka terdapat beberapa

jenis sumber ion untuk akselerator. Misal untuk jenis material gas sering dipergunakan

sumber ion jenis tumbukan elektron, yaitu jenis sumber ion di mana ionisasi terjadi

antara elektron bebas dengan atom-atom gas. Sedang untuk material lain terdapat jenis

sumber ion seperti ionisasi termaI, ionisasi dengan laser, ionisasi dengan medan listrik

(lueutan), ionisasi tumbukan atom, clan ionisasi radiasi foton (fotoionisasi). Berikut ini

342

Prosiding Seminar Nasional ke-9 Teknologi dan Keselamatan PLTN Serlo Fasilitas NI/klirJakarta. 20 Agl/sttls 2003 /SSN.. 0854 - 29/0

akan ditinjau clan dibahas lebih lanjut tentang sumber ion tire tumbukan electron yang

disebut multicusp.

Dalam sumber ion multicusp, ion-ion positif dihasilkan dari tumbukan elektron

dengan partikel-partikel gas dalam chamber ionisasi. Ionisasi tumbukan elektron dapat

menghasilkan kerapatan ionisasi yang besar walaupun energi elektron dalam tumbukan

hanya mampu melepaskan elektron-elektron yang ikatannya lemah seperti terdapat pacta

atom-atom gas dengan Bomar atom keci!. Komponen utama sumber ion mullicusp

terdiri dari katoda sebagai pemancar elektron, anoda sebagai penutup chamber (ruang)

plasma, beberapa kutub magnet yang disusun untuk membentuk jaring-jaring (cusp)

medan magnet di dalam chamber plasma, clan sebuah elektroda ekstraksi untuk

mengekstraksi ion-ion dari chamber plasma. Karena adanya tegangan positif antara

anoda clan katoda, elektron bergerak dari katoda ke anoda clan akan mengionisasi gas

yang acta di dalam chamber. Karena medan magnetnya transversal, elektron bergerak

dengan lintasan spiral sehingga akan menyebabkan lebih banyak ionisasi molekul-

molekul gas dalam chamber.

Konfigurasi jaring-jaring medan magnet akan memantulkan elektron ketika

bergerak mendekati anoda clan banyakpya jarring-jaring medan magnet akan

menentukan banyaknya pantulan. Pemantulan ini akan meningkatkan probabilitas

terjadinya ionisasi molekul-molekul gas. Karena jarring-jaring medan magnet ini

pulalah yang mcnyebabkan elektron-elektron terkungkung di dalam plasma clan ini

dapat dimanfaatkan sebagai kompensasi berkurangnya efisiensi ionisasi pada tekanan

rendah.

Tegangan negatif pacta elektroda ekstraksi sedikit lebih lemah dibandingkan

dengan tegangan anoda, sehingga ion-ion positif mengalir dari chamber plasma clan

kemudian tegangan tinggi positif ekstraktor (yang dihubungkan ke tanah) menyebabkan

ion-ion tertarik keluar atau terekstrak ke potensial ground clan memenuhi sebagian

elektroda ground, Antal'a elektroda ekstraksi clan elektroda ground acta elektroda penarik

(puller) dengan tegangan negatif yang ditujukan untuk membentuk sistem lensa

bersama-sama dengan elektoda ekstraksi clan elektroda ground. Tegangan negatif puller

juga membatasi elektron-elektron tertarik oleh potensial positif chamber plasma

sehingga tidak menumbuk chamber. Posisi relatif elektroda puller terhadap elektroda

ekstraksi mempunyai pengaruh besar terhadap pancaran beam, Jarak antara elektroda

puller clan elektroda ekstraksi, geometri puller, beda tegangan elektroda puller clan

ekstraksi, clan intensitas sinal' ion merupakan level pertama dari optika beam clan

343

II .

Prosiding Seminar Nasional ke-9 Teknologi dan Keselamatan PLTN Serra Fasilita:; NuklirJakarta, 20 Agllstlls 2003 ISSN: 0854 -2910

hubungan dari parameter-parameter tersebut dirumuskan dengan persamaan Child-

Langmuir:

J = xy3/2/d2

di mana: J adalah kerapatan arus ion yang dipisahkan

x adalah konstanta yang tergantung pada massa ion

V adalah heclategangan alltara elektroda ekstraktor clanpuller

d adalah diameter puller

BEBERAP A CONTOH DESAIN SUMBER ION

Desain JAERI Tokai (1)

Gambar 1 menunjukkan tampang muka dari desain JAERI TOKAI yang terdiri

dari generator plasma berbentuk setengah silinder berdiameter 340 mm dan panjangnya

340 mm dengan jaring-jaring medan magnet (multicusp) yang kuat. Plasma dibentuk

oleh lucutan busur menggunakan delapan filamen tungsten. Suatu filter magnet, yang

dibentuk oleh magner-magnet permanen samarium-cobalt(Sm-Co), membagi generator

plasma ke dalam dua daerah clan menguball distribusi energi elektron sedemikian untuk

menghasilkan ion-ion negatif. Laju produksi ion negatif ditingkatkan dengan

menempatkan sedikit cesium ke dalam generator plasma. Sumber ion dapat

l11enghasilkanarus ion negatifhidrogen sebesar 36 mA pada tegangan ekstraksi 50 kV.

Gnhlel C,lnlet

Gambar 1. Somber ion desain JAERI Tokai

344

Prosiding Seminar Nasional ke-9 Teknologi don Keselamatall PLTN Serlo Fasi/ilas NuklirJakarta, 20 AglIstus 2003 /SSN: 0854 -29/0

Desain SNL (2)

Sumber ion multicusp di SNL (Sandia National Laboratories), New Mexico -

USA, termasuk tipe cusp magnet cincin tunggal (single ring magnetic cusp). Filamen

bertindak sebagai katoda clanelektroda ring sebagai anoda, keduanya terbuat dari bahan

tungsten (Gambar 2). Reflektor dibuat dari molybdenum clan lempengan celah terbuat

dari molybdenum clan juga nitrida borron. Perisai panas yang juga terbuat dari

molybdenum, membantu mendistribusikan panas ke mantel air pendingin (tidak

ditunjukkan dalam gambar). Cincin tunggal megnet intensitas tinggi memberikan

medan 2 kG pada bagian dalam dinding perisai panas clan 100 G di dekat filamen clan

celah. Medasn magnet nol dibuat pada sumbu sumber. Kecuali untuk anoda clankatoda,

komponen-komponen sumber berada pada potensiallistrik mengambang.

Sumber ion ini beroperasi pada tekasnan 0,25 Pa, clan pada tekanan ini

menghasilkan arus deuteron 200 mA ketika dipasang tegangan busur 150 V clanarus 10A.

APERTU

~E. j' PLATE. \

/ \./ "--' " -

-

~," ./" /

:1f"7\/

:fA'~RING

SUPPORT ANDFEEDTHROUGH

.........-.2 em

Gambar 2. Sumber ion desain SNL

Desain LBL (3)

Desain LBL (Lawrence Berkeley Laboratory), University of California,

Berkeley, California, menggunakan chamber stainless steel berbentuk silinder yang

didinginkan dengan air, panjang 28 cm~ diameter 20 em (Gambar 3). Bagian ujung

chamber ditutup dengan sistem ekstraksi tiga grid. Chamber dikelilingi oleh 10 kolom

"211<

-~-~

Prosiding Seminar Nasional ke-9 Teknologi dun Keselamatan PLTN Serlo Fasi/itas NlIklirJakarta. 20 Agllstlls 2003 ISSN: 0854 -29J0

magnet keramik atau samarium cobalt. Plasma "steady state" dihasilkan oleh ionisasi

elektron-elektron primer yang diemisikan oleh filamen tungsten berdiameter 0,05 cm

clan dibias dengan tegangan 60 V terhadap chamber (anoda). Oalam operasi normal,

grid ekstraksi dibiarkan pada tegangan listrik mengambang. Temperatur elektron,

kerapatan, clanpotensial plasma diatur menggunakan probe langmuir aksial.

Jto pump

0 IOemL J

Gambar 3. Somber ion desain LBL

Illstalasi di JAERI Takasaki (4)

Sumber ion multicusp di JAERI Takasaki adalah desain IBA Belgium. Chamber

sumber silindris (panjang 15 cm diameter dalam 10 cm) terbuat dari tembaga. Suatu

filamen tungsten panjang 15 cm terpasang pada sumber pusat chamber. Plasma busur

dikungkung oleh empat baris 10 magnet samarium-cobalt pada sisi luar chamber clan6

pada ujung chamber. Sistem ekstraksi terdiri atas elektroda ekstraksi clan elektroda

puller yang dapat bergerak sehingga gap keduanya dapat divariasi. Sumber dengan

sederhana dapat dikendalikan utamanya adalah tegangan filamen, arus busur, laju alir

gas clanposisi puller. Umur dari filamen adalah beberapa ratus jam.

346

IONEXTRACTOR

probe

filamlnt

plrmanenfmaQnet

Prosiding Seminar Nasional ke-9 Teknologi clanKeselamatan PLTN Serta Fasilitas Nuklil'Jakarta, 20 Agllstlls 2003 ISSN.. 0854 - 2910

-----

S.Cougntt

I

puller(inside)

insulator

-----.

cha.ber

t

OJ]] ~bul

,T

Glaserlens

0l

50CI

J

Gambar 4. Diagram instalasi sumber ion multicusp JAERI Takasaki

DESAIN SUMBER ION MULT/CUSP YANG DIRENCANAKAN

Desain yang hendak direalisasikan pacta prinsipnya mengikuti desain JAERI

Takasaki. Pertimbangannya didasarkan pacta kesederhanaan konstruksi dan informasi

desain yang lebih lengkap. Gambar 5 berikut adalah gambar desain sumber ion

multicusp untuk ADS tersebut.

111'7

Prosiding Seminar Nasiollal ke-9 Tekllologidall Keselamatan PLTN Serta Fasilitas NlIklirJaknrta. 20 AgllStllS2003 ISSN: 0854 -29J0

CD

CD

+

I

Gambar 5. Desain sumber ion 11l11ltiCIiSpyang direncanakan

348

+

r-S.-.....

\i / (j; r0'\

\

+- i/1/,

"

\ I

{0t I+ r--I /1

"".....

'\,+- I

\,hll -CD1 I

NL/

Prosiding Seminar Nasional ke-9 Teknologi don Keselamatan PLTN Serlo Fasilitas NuklirJakarta. 20 AglIstlls 2003 ISSN: 0854 -2910

Keterangan desain :

1. Katoda

2.

Katoda terbuat dari filamen tungsten dengan panjang 150 mm terdiri dari 3

kawat berbentuk gulungan di mana masing-masing kawat berdiameter 0,75 mm.

Filamen dicatu dengan arus 100 A clanheclapotensial kedua ujungnya 10 V.

Chamber plasma (sebagai anoda)

Chamber plasma yang juga berfungsi sebag'li anoda berbentuk silinder terbuat

dari tembaga dengan panjang 138 mm clandiameter 98 mm, serta terhubung ke

tegangan 300 V terhadap katoda.

3.

Di permukaan luar anoda dipasang 10 magnet cobalt samarium, yang masing-

masing magnetnya terdiri dari 4 kutub yaitu utara-selatan-utara-selatan (U-S-U-

S). Tujuan penyusunan ini adalah untuk membentuk jarring-jaring medan

magnet di dalam chamber. Gas yang akan diionisasi dimasukkan melalui pipa

berdiameter 1,6 mm yang terhubung ke chamber.

Elektroda ekstraksi

4.

Elektroda ekstraksi berbentuk cakraI? terbuat dari tembaga yang di tengahnya

terdapat lubang ekstraksi berdiameter 7,5 mm. Bagian ini diisolasi dari anoda

dengan cincin pyrex clan dari ground dengan (di bagian depan) dengan bahan

polyetilen. Tegangan anoda adalah -310 V clan maksimum 30 kV terhadap

bagian ground. Melalui cincin pyrex pantulan sinar plasma dapat dilihat.

Elektroda puller

Elektroda puller berbentuk kerucut 45° terbuat dari stainless steel dengan

diameter lubang puller 6,5 mm. Elektroda puller bertegangan negatif (sekitar

beberapa ratus volt) terhadap ground.

Elektroda ground

Elektroda ground diposisikan downs/earn sehingga tegangannya 0 V

equipotensial sedekat mungkin dengan elektroda puller. Elektroda pulier danb

elektroda ground dapat bergerak sebagai satu kesatuan ketika dikendalikan

dengan system motor di depan batas antara elektroda ekstraksi clan elektroda

5.

puller.

Prosiding Seminar Nasional ke-9 Teknologi d(111Keselamatan PLTN Serta Fasilitas NlIklirJakarta, 20 Agllstll.r 2003 ISSN: 0854 -2910

KESIMPULAN

Telah didesain suatu sumber ion jenis multicusp yang direncanakan dapat

menghasilkan berkasi ion alpha untuk fasilitas ADS skala keci!. Semua komponen dapat

diadakan dan direkayasa di dalam negeri. Untuk tahap awal, sumber ion ini diharapkan

mampu menghasilkan arus berkas alpha hingga 1 mA.

DAFTAR PUSTAKA

1. H. Oguri et aI, "Development of a High Brightness Neghative Hydrogen Ion

Source", Proceeding of 10th Symposium on Ace. Science an Tech., October

25 - 27, 1995, Hitachinaka, Japan.

2. J. P. Brainard and J. B. O'Hagan, "Single-ring Magnetic Cusp Ion Source", Rev.

Sci. Instrum 54 (11), November 1983.

3. K. Wehlers and K. N. Leung, "Increasing the Efficiency of a muIticusp ion

source", Rev. Sci. Instrum. 53(9), September 1982.

W. Yokota et aI, "Operation of ECR and MuIticusp Ion Sources for JAERI AVF

Cyclotron", The 8th Symp, On A~celerator Science and Technology, 1991,

Saitama, Japan.

4.

DISKUSI:

PERTANYAAN : (Azizul Khakim - BAPETEN)

- Apakah intensitas neutron yang ke/uar bisa diatur sesuai dengan kebutuhan?

JA W ABAN : (Kasmudin - P2SRM BATAN)

- Intensitas neutron yang ke/uar dari target spallasi bisa diatur dengan mengatur

intensitas alfa. Intensitas alfa itu sendiri bisa diatur dengan

mengaturlmengubah-ubah bedapotensia/ elektrodapuller.

350