Volume 1 Nomor 1 Juri 1999 ISSN 1411-1349

DASAR DISAIN SISTEM VAKUM MESIN BERKAS ELEKTRON (MBE)

Darsono, Suprapto, DjasimanPPNY,BATAN JL Babar=ri P.O. &:r 1008. Yogyalcarta55010

ABSTRAKDASAR DlSAlN SlSTEM VAKUM MESIN BERKAS ELEKTRON (MBE). Sistem vakum merupakan

bagian UJamaMBE karena tanpa ini elektron tak dopat diproduksi. Sistem vakum terdiri dari pompavokum. ruang vokum. pipa penghuhung. kran don tera vaJ.:um. UntUk mendisain sistem vakum MBEdiperlukan pengetahuan dasar tekn%gi vakum. Pada maka/ah ini dije/askanjenis-jenis pompa vakum,perhitungan kanduJaansipipa don wa/ctupemompaan sistem vakum kemudian dikaitkan dengan kriteriapemi/ihan pompa vakum MBE. Dari telaah studi disimpulkan bahwa untuk MBE 500 keVIIO mA yangnantinya akan diap/ikasikan untUkpelapisan kQ)u malca dengan memperhatikan fahor teknis danekonomis maka sebaiknya memakai pompa difUsi.

ABSTRACT

DESIGN FONDATION OF VACUUMSYS7E\1 FOR ELECTRON BEAM MACHINE Vacumsystem

is a main part of electron beam Machine because (EBM) the electron can not be produced without thisvacuum. Vacuumsystem consists of vacuumpump, conectingpipe, valve. and vacuum gauge. The designvacuum system ofEBM. basis knowledge and tecnology of vacuum is needed. Thepaper describes typesof vacuumpump. calculation of pipe conductance and pumping time of vacum system then there are usedas consideration of criteria to choose vacuum pump for EBM From the result of study. it is comelodedthatfor EBM of500 ke VII 0 mA which is going to usefOr wood coating and with consideration of economicand technisfOetor it is better to use dejJUsionpump.

PENDAHULUAN

Salah satu bagian utama mesin berkas elektron(MBE) adalah sistem vakum karena tanpa ini

berkas elektron sukar dihasilkan. Sistem vakumlebihmempengaruhi terhadap watak keluaranMBEdibanding komponen lainnya. Sistem vakumMBE terdiri dari pompavakum, ruang vakum, pipapenghubung, kran daD tern vakum. MengingatMBE sangat luas aplikasinya maka pompa vakumtinggi dan konstruksi sistem vakum merupakankriteria pemilihan disain. Misal jika MBEdiaplikasikan untuk pembuatan lapisan tipis makakontaminasi nap oli dari pompa harns dihindari.Untuk menghindari ini, biasanya dipasang "coldtrap" dan "baffles" diantara pompa vakum tinggidan ruangvakum (chamber). Sebaliknya jika MBEdiaplikasikan untuk "welding" dan "melting" makapemasangan "cold trap" dan "baffles" tidak perInkarena efisiensi pemompaan lebih serius dari padakontaminasi. Beban pemompaan juga merupakandasar yang digunakan untuk pemilihan ukuranpompa vakum tinggi. Makin besar volume ruangvakum yang akan divakumkan makin besar pulaukuran pompa vakum tinggi yang sebaiknyadigunakan.

9Perasi sistem vakum MBE berkisar 10,5sid 10'STorr tergantung aplikasi MBE, yang hanya

dapat dihasilkan oleh pompa vakum tinggi. Untukmendisain sitem vakum MBE diperlukanpengetahuan dasar teknologi vakum. Padamakalah ini diuraikan definisi besaranyang pentingpada sistem vakum,jenis-jenis pompa vakumtinggibeserta watak kecepatan pemompaannya,perhitungan konduktansi pompa, perhitunganwaktu pemompaan sistem vakum, dan komponenvakum yang dikaitkan dengan kriteria pemilihanpompa vakum MBE.

DASAR TEORI VAKUM

Besaran Penting Sistem VakumUntuk membahas sistem vakum perIn

diketahui beberapa definisi besaran penting padasistem vakum, misal besaran pada watak pompavakum yang dapat dijumpai pada katalog pompavakum. Definisi besaran panting perIn dipahamiuntuk mengkalkulasi dan menginstal sistemvakum.

Besaran-besaran itu adalah:

1. Throughput: kuantitas gas dalam satuanvolume x tekanan yang melewati suatu bidangper satuan waktu. .

2. Mass flow (aliran massa): kuantitasmasing-masing molekul dalam satuankg.mol yang melewati bidang persatuanwaktu.

DASAR DISAIN SISTEM VAKUM MESIN MESIN BERKAS ELEKTRON(MBE) ,(Darsono. dkk.)

56

Volume 1 Nomor 1 Juli 19~

3. Volume flow rate (laju aliran volume):volume gas yang melewati suatu bidang persatuan waktu pada temperatur daD tekanantertentu.

4. Pumping speed (kecepatan pemompaan): lajuvolumetrik gas yang dilewatkan suatubidang atau throughput dibagi tekanan padsbidang tela vakum.

5. Conductance (konduktansi): throughputdibagi penurunan tekanan sepanjangkomponen misal pips penghubung

6. Ultimate pressure (tekanan ultima): hargatekanan vakum terendah yang dapat dicapaipads uji standar AVS (American VaccumSosiety).

Kalkulasi Sistem Vakum

Contoh instalasi sistem vakum terlihatpads gambar-J terdiri dari pompa rotan, pompadifusi, ruang vakumdaDkomponen vakum. Terlihatbahwa pips penghubung pads sistem vakum adsyang berbentuk tabung dan bentuk siku. Hal initentu mempunyai konduktansi yang berbeda.Besamya konduktansi berbagai bentuk dapatdijumpai diberbagai literatur (I, 2). Untukmengkalkulasi sistem vakum misal jika akanmenentukan waktu pemompaan sistem vakummaka pengetahuan mengenai kecepatanpemompaan pompa vakum, sumber gas yang adsdalam sistem vakum, konduktansi sistem vakum,volume roang vakum harus diketahui dengan pasti.

Kecepatan pemompaan pompa vakum

Kecepatan pemompaan didefinisikansebagai gas throughput dibagi tekanan pads bidangdari tela tekanan.

..

Gambar 1. Instalasi sistem vakum

ISSN 1411-1349

Keterangan :1. Pompa rotari2. Penangkap uap air3. Kran pembocor udara4. Kran pompa rotari5. Saluran "backing"6. Kran vakum rendah

7. Penghubung vakum rendah Penning8. "Head Pirani"9. Kran "backing"

10. Pompa difusi11. Kran vakum tinggj12. Ruang vakum13. Terminal kabellistrik14. Penyekat poros "seal"15. "Head"16.Jendela .

Untuk menentukan kecepatan pemompaansuatu pompa vakum dilakukan dengan carspengukuran uji standar AVS (American VacuumSociety). Kecepatan pemompaan suatu pompavakum pealing dalam mengkalkulasi daDmenginstal sistem vakum karena akan menentukanlama pemompaan. Gambar-2 memperlihatkankecepatan berbagai jenis pompa.

100

20

rf d'

80 >\ I\\\\

~80I..

;;;£0

10'

Gambar 2. Kecepatan pemompaan berbagaipompa vakum

Keterangan:1.Pompa rotari satu tingkat tanpa gas ballast.2. Pompa satu tingkat dengan gas ballast3. Pompa root's.4. Pompa pancaran5. Pompa difusi6. Pompa turbo molekul

Jika kecepatan pemompaan pompa vakumpads masukan dan konduktansi pips penghubungdiketahui mw kecepatan pemompaan pads ruangvakum (chamber) dapat dihitung. Atauwaktu yangdiperlukan untuk memvakumkan roang vakumpads volume tertentu dapat dihitung. Dari gambar2 suatu hal yang perlu diperhatikan ialah dalam

Presiding Pertemuan dan Presentasi IImiahTeknolo9i Akselerator dan AplikasinyaVol.1 No.1 Juli 1999: 56-01

57

Volume 1 Nomor 1 Juli 1999 ISSN 1411-1349

pemilihan pompa muka (fore pump) misal pomparotari untuk pompa vakum tinggi dari pompa difusiatau turbomolekul. Untuk menghasilkan tekananvakum operasi ultima yang cepat maka harusdipilih pompa muka dengan kevakuman serendahmungkin.

KaJkuJasi konduktansi bentuk tabung

1) Untuk gas dalam rentang kekentalan (viscous)Besamya konduktansi ini untuk aliran

kental (viscous) ialah

C = 1iI128 [ D4/T1lJP

dalam satuan cgssecara praktis ditulis C = 3.27 x 10-2 [D /(TlLJPdlmana :P =tekanan rata pada tabung =(pI + P2)12(Torr)L = panjang tabung (cm)D = diameter tabung (em)TI=koefisien kekentalan (poise)PI & P2 =tekanan pada masing-masing ujungtabung.

2) Untuk gas dalam rentang molekulerPada rentang ini molekul-molekul bergerak

lurus secara acak diantara tumbukan dengandinding tabung. Dengan mengasumsi bahwakecepatan hanyut molekul merata clan mengikutidistribusi Maxwell-Boltzman, Knudsenmenyatakan bahwa

C = 3,81 (flM}lfl W/L)

dengan: T = suhu,M = massagasUntuk udara pada temperatur 20°C (TIM)lfl : 3,18

jadi C = 12,1D3/L (liter/sec.)D & L dalam cm. Terlihat bahwa untuk rentang

. molekuler konduktansi tidak tergantung tekanan.

Somber gas daJam sistem vakum

Suatu sistem vakum terdiri dari pompavakum, teravakum, kran (valve) clanpipa-pipa yangmenciptakan daerah bertekanan rendah. Untukmengekpresikan watak sistem vakum pada aksipemompaan, berbagai somber gas yang ada dalamsistem harns dipertimbangkan. Somber gas dalamsistem vakum adalah:a) Molekul gas pada tekanan awal atmosfir

dalam sistem{Q).b) Gas menerobos sistem akibat bocor (Qr. ).c) Gasdari "outgassing"bahansistem(QD)pada

ruang vakum.d) Gas/uap berasal dari tekanan uap bahan pada

ruang vakum (Qv)

e) Gas masuk ke sistem dengan menembusdinding, window bahan sistem (bukan karenabocor) (Qp).

Kuantitas gas berasa1 dari b) sid e) merupakanfungsi konstruksi sistem vakum.Jumlah total gas dalam sistem (QG)

QG= QL + Qo + Qv -+-Qpuntuk interval waktu tertentu konstan.

Kalkulasi waktu pemompaan sistem vakum

1)Pemompaan dalam rentangkekentalan (Viscous)

Dengan mengasumsikan kecepatanpemompaan pompa konstan . maka kecepatanpemompaan dicapai melalui koncluktansi pipa Cyang menghubungkan pompa clan ruang denganvolume V.

1. = 1 ( 1_.l ) [[{spiEl + p2]I/z

V E P Pi + . P

. .l [[(Sp;E) + p2]I/z - [(Sp;E) + pp]1Iz].,..Sp P Pi

+.l[lnPi + {{Sp/E)2 + pp]1Iz]Sp P + [(Sp/Ei + p2]Yz

P = tekana pada ruang (chamber) pada waktu tPi = tekanan awal

Sp = Kecepatan pemompaan pompa vakumE diperolehdarikonduktansipipaC =(1tII28) [D4/(ML) ] [(p + PP)l2]C=E(p+PP)/2-Jadi E = (1tII28)D /(TlL)dengan D =diameter pipa

L = panjang pipa

TI = koefisien viskositas

Pp = tekanan pada masukan pompaJika pompa dihubungkan langsung (L=O) ke

ruang, maka D /L = - jadi E = -. Maka daripersaman diatas waktu pemompaanpemvakuman

t = (V/Sp) In (Pi/P)

2) Pemompaan dalam rentang molekulerPemompaan dalam rentang molekuler

dibatasi oIeh kesetimbangan antara beban gas clankecepatan pemompaan itu sendiri jugakesetimbangan dalam ruang vakum. Waktu yangdiperlukan untuk memvakumkandari tekanan awalPi menjadi P adalah

t = L (l + &!.)In Pi - PuSp C P-Pu

.dimana Sp = kecepatanpemompaanC =

DASAR DISAIN SISTEM VAKUM MESIN MESIN BERKAS ELEKTRON~B~ .

(Darsono, dkk.)

58

Volume 1 Nomor 1 Juli 1999 ISSN 1411-1349

konduktansi pipa antara ruangvakum clanmasukan pompa

Pu = Tekanan ultima ruang vakum(tekanan vakum maksimum yangdapat dicapai)

V = VolumeruangvakumPersarnaandiatas menganggap bahwa Sp

konstan clan tidak tergantung pada P. Jugamenganggap bahwa tekanan terendah padapompa sangat kecil jika dibandingkan Pu.Persamaandiatas dapat ditulis menjadi

P = (Pi -Pu) expo{-(SplV)/t (J + SF/C)} + Pu

Terlihat bahwa untuk waktu pemompaanyang lama tekanan P menujuPu ditentukan bebangas. Jadi menggambarkan pemompaan transien.

P = Pi exp [ -(SlV)tJ

clankeadaan ajegP=Pu=Qo/S

S = kecepatan pemompaan sistem vakum

SN = lit, t = konstantawaktupemompaanHarga t waktu pemompaan yang

mengurangitekananpadanisbahtertentu.Misalwaktu yang diperlukan untuk memvakumkantekanan 10 kali tekanan mula'

t J/2= 2,3 (V/S)

JENIS POMPA VAKUM

Untuk memvakumkan suatu sistem vakumdigunakan suatu pompa vakum. Secara garis besarpompa vakum dibagi menjadi 3 jenis pompa antaralain:1. Pompa-pompa mekanik2. Pompa uap3. Pompa-pompa ionik clan sebagainya.

Dalam makaJah ini dibahas duajeois pompa

yaitu pompa-pompa mekanik dan pompa-pompauap, sedangkan pompa yang lain tidak dibahas.

Pompa-pompa mekanikMacam-macam pompa mekanik yang

banyak digunakanuntuk pompa vakum adalah:pompa sudu (vane) putar, pompa sudu Iuncur,pompa putar pengisap, pompa root's dan pompaturbo molekuler. Bagan pompa- pompa iniditunjukkan pada gambar-3.

Pompa sudu putar (gambar-3a) mempunyaidua sudu yang berputar didalam stator berbentuksilindris secara eksentrik, pompa ini banyakdigunakan untuk pompa pra vakum. Kevakuman

akhir yang dapat dicapai adalah 10-2Torr untukpompa satu tingkat clan 10-4 Torr untuk pompadua tingkat.

Sedangkan pompa sudu luncur (gambar-3b)hanya mempunyaisatu sudu untuk memisahkanruangan didalam silinder menjadi dua bagian yaitusisi masuk daDsisi keluar. Pada operasinya rotorberputar secara eksentrik sehingga menyebabkanperubahan volume ruangan disisi masukdaDkeluar.Perubahan volume ini menyebabkan langkah isapclanlangkah keluar.

I~'a. pompa sudu putar b. pompa sudu luncu

- ~=$:. .=$:=~

---c. pompa putar pengisap d. pomparoot's

e. pompa turbo molekuler

Gambar-3 : Bagan pompa-pompa mekanik

Untuk pompa putar pengisap (gambar-3c)prinsip kerjanya sarna dengan pompa sudu luncuT.Untuk pompa root's (gambar-3d) biasanyadigunakan sebagai pompa boster yaitu dipasangdiantara pompa pra vakum dan pompa difusi ataupompa turbo molekuler. Daerah kerjapompa root'sberkisar dari 10 Torr sampai 104 Torr. Untukmemindahkan gas yang dipompa, digunakan duapenolak (baling-baling) yang berputar satu sarnalain dengan beda rase 90° didalam rumah pompa.Sedangkan pompa turbo molekuler (gambar-3e)terdiri atas celah- celah sudu bertingkat dalam arabaksial yang berputar daD sudu- sudu tetap padacakram. Kecepatan keliling sudu yang berputarsangat tinggi yaitu sekitar 80 mldetik. Pompa ini

Prosiding Pertemuan daDPresentasi IImiahTeknologiAkseferator daDAplikasinyaVoJ.1No.1 Juli 1999: 56-61

59

Volume 1 Nomor 1 Jun 1999

biasanya mempunyai beberapa tingkat yaitu sekitar9 tingkat. Perbandingan kompresi tiap tingkatsekitar 5. sehingga dengan jumlah tingkat inimempooyai perbandingan kompresi 59. Pompaturbo mo/ekul mampu memberikan tekanan ultima10-10Torr. Pompa ini memerlukan pompa mukadengan tekanan vakum 10 Torr agar dapatdioperisakan. Keunggulan pompa turbo molekulterhadap pompa vakum lainnya ialah waktupengoperasian cepat, kontaminasi uap oli rendah.perawatan relatif mudah. Namoo struktur bahansudu bisa berubah sehingga perlu pengecekanminimal 2 tahun sekali. Disamping itu sudu ini bisapatah bila terjadi kotoran di antara celah sudu tetapclanputar.

Pompa nap (pompa difusi)

Bagan pompa difusi ditunjukkan padagambar 4. Pada pompa difusi ini minyak difusiditempatkan pada bagian bawah (bejana climb).selanjutnya minyak difusi dipanaskan sampaiterjadi pendidihan. Akibatnya uap minyak difusinaik ke atas melalui taboog tengah clanselanjutnyadengan dipasangnya "nozle" (celah sempit) uapminyak difusi akan memancar ke arab sisi pompamembentuk tabir uap. Pada dinding- dindingpompa difusi dipasang suatu pendingin untukmendinginkan uap minyak difusi tersebut. Akibat'pendinginkan ini uap minyak difusi mengembunclankembali ke bejana didih. Pancaran uap minyakdifusi ini menyebabkan moleku-molekul gasdisekitar "nozIe" tertarik ke bawah bersamaan uapminyak difusi. Dengan demikian akan terjadipenghampaan ruangan di atas tabir dan begitu pularuangan sistem yang dihubungkan. Pompa inimemerlukan pompa muka dengan tekanan vakum10 Torr agar dapat dioperisakan.

,...; ...- n~J ,.:"

: :::

)1

t...' .1 t\-.! I

." ,..' ~ ~ ,i~11'

. , I.J ,. I.( I ::, ,I I; i I .

"""""

... P- d'I-'" "",M' II. P- dtl-("'" U...,Ioa'

Garnbar 4: Bagan pompa difusi

ISSN 1411-1349

KRITERIA SELEKSI POMPA VAKUM MBE

Kriteria seleksi pompa vakum untuk MBEbiasanya memperhatikan beberapa kriteria berikutini yaitu:1. Tekanan operasi ultima MBE orde 10-5- 10-8

Thrr .

2. Segi aplikasi MBE3. Volume ruang vakum MBE4. Ekonomi

Agar berkas elektron dapat diproduksisdiperlukan vakum tinggi yaitu minimum orde 10-Torr. ini merupakan syarat mutlak. Biasanyadigunakan pompa difusi atau pompa turbomolekul.Kemudian MBE mempunyai aplikasi yang sangatluas. apabila MBE diaplikasikan untuk pembuatanlapisan tipis maka faktor kontaminasi daTipompavakum ke mang vakum hams diperhatikan. Untukkeperluan aplikasi ini biasanya digunakan-pompaturbomelekul karena pompa ini mempuyai proteksiuap oli ke mang vakum paling rendah dibandingpompa lainnya. Apabila akan memakai pompadifusimaka perlu dipasang "coldtrap" clan"baffles"antara pompa difusi clan ruang vakum. Namun iniberarti menambah roans vakum clan akanmengakibatkan waktu pemompaan sistem vakumlama. Untuk aplikasi MBE selain lapisan tipisfaktor kontaminasi uap oli pompa vakum ke roansvakum tidak begitu serius. Walaupun faktorkontaminasi barns ditekan serendah mungkinkarena jika tidak maka uap oli ini lama-lama akanmelapisi window keluaran berkas elektron. Jika initerjadi maka daya henti dari window menjadi besar.ini berarti tenaga berkas elektron akan berkurang.

Hal lain yang perlu diperhatikan dalampemilihan pompa vakum adalah volume ruangvakum MBE. Hal ini berhubungan dengan ukuranpompa vakum atau kecepatan pemomopaan.Untuk mendapatkan kecepatan pemompaan yangcepat maka diper\ukan pompa vakum ukuran besaruntuk volume yang besar. Namun bisamenggunakan pompa vakum ukuran menengahapabila menggunakan pompa turbo molekul.karena dewasa ini telah diproduksi pompaturbomolekul dengan kecepatan rotor sampaidengan 42000 RPM.

Hal yang paling penting dalam pemilihanpompa vakum untuk MBE ialah segi EKONOMI.baik dari segi harga alat, maupun perawatan. Darisegi harga pompa turbo molekullebih mahal jikadibanding dengan pompa difusi. demikianjuga darisegi perawatan pompa difusi lebihmudah.Dari segiumur alat kedua pompa ini berimbang. Beberapakeunggulan pompa turbo molekul dibandingkandengan difusi ialah pengoperasian pompa vakum

60DASAR DISAIN SISTEM VAKUM MESIN MESIN BERKAS ELEKTRON(MBE)(Darsono, dkk.)

Volume1 Nomor 1 Juli 1999 ISSN 1411-1349

lebih cepat dan sederhana juga polusi uap oli kesistem vakum lebih rendah.

KESIMPULAN

Dari uraian diatas maka untuk MBE 500keV/I0 mA yang nantinya akan diaplikasikanuntuk pelapisan kayu maka dengan memperhatikanfaktor teknis clan ekonomis maka sebaiknyamemakai pompa difusi.

ACUAN

1. ROTH, A Vacuum Technologi.North-Holand Publishing Company, 1976.

2. O'HANLON, JOUN f.A User's Guide toVacuum Technology, John Wiley & Sons,1989.

3. ROL. P. K. , Teknik Vakum, Gajah MadaUniversity Press, 1977.

TANYAJAWAB

Sudarti

Kebutuhan vacum MBE untuk suatu tujuandalam aplikasinya masing-masing adalah sudahtertentu (menurut masing-masing kebutuhan).

Mengingal vacum tersebul adaJah sudah lerlenlubesarnya, sehingga clapal dipilih sistem vakumyang tertentupula. Apakoh permasalahan "dasardisain sistem vacum MBE" tersebut akan diangkal?

Darsono

Permasalahan dasar disain sistem vakumMBE dibahas, dalam rangka pemilihan pompavakum tinggi yang tepat sesuai dengan aplikasiMBE 500 keV/ 10mA Dan periu diketahui bahwasistem vakum dan pompa vakum sangat berbeda

Tri Mardji Atmono

Selama ini yang soya kelahui sebagaipene/iti kita menggunakan pampa vakum denganmudah membe/i bukan dengan membual sendiri.Tetapi bapak me11)'ajikanmakalahluraian.tenlangpompa vaJmmclandisainnya. Apakah relevansinyadengan perancangan mesin berkas elektron ?mohonpenjelasan

Darsono

Kami tidak akan mendisain pompa vakumtetapi merancang (disain) sistem vakum. Padasistem vakum ada pompa vakum daDini kita belinamun agar pemilihan pompa vakum dengan tepatperlu dipahami dasar desain sistem vakum

Presiding Pertemuan dan Presentasi IImiahTeknologiAkselerator dan AplikasinyaVol.1No.1 Juli 1999: 56-61

61