Volume 5. Nomor I, Oktober 2003 ISSNI4JI-J349

SISTEM PENYETOP BERKAS SEBAGAIPARAMETER IRRADIASI MBE 350keV, lOmA

PENENTU

Sigit HariyantoPusat Pene/itian dan Pengembangan Tekn%gi Maju P3TM -BATAN

ABSTRAKS/STEM PENYETOP BERKAS SEBAGA/ PENENTU PARAMETER /RRADIASI MBE 350 keV, 10 mA.Telah dilakukan pengujian waktu buka sistem penyetop berkas dan perhitungan parameter irradiasi MBEyaitu " koefffisien laju dosis permukaan , keda/aman penetrasi pada berbagai energi elektron sertapenggambaran secara grafik. Pengujian sistem penyetop berkas dilakukan dengan selang waktu 30 menitsampai 4 jam, hasil pengukuran menunjukkan bahwa terjadi perbedaan waktu sekitar 6 % denganstandard. Secara perhitungan dihasilkan koeffisien laju dosis pada permukaan target dengan tebal jende/a50 ,um,jarak celahfoiljendela ke target 5 cm, /0 cm dan /5 cm pada energi elektron antara 200 keV -600keV. Diperolehjuga hubungan antara dosis relatifterhadap kedalaman penetrasi elektron pada teganganpemercepat antara 200 kV sampai 400 kV. Dengan menganggap dosis relatif60%. tebalfoiljendela 50 J.lnl,jarakjendela -permukaan target /0 cm, diperoleh kedalaman penetrasi elektron yang masuk ke dalamtarget sebagaifungsi dari energi berkas elektron dari 250 keV sampai 400 keV.

Kata kunci " penyetop berkas, berkas elektron.

ABSTRACTBEAM SHU7TER SYSTEM TO DETERMINE IRRADIATION PARAMETER OF MBE 350 keV. 10 mA. Thetesting of open time beam shutter system of MBE 350 keV have been done and"c(llculation of irradiationparameter of MBE such as ..coefflcients of surface dose rate. depth penetration of electron at variousenergy. has been done and the result were presented graphically. The testing of beam shutter system wasdone for 30 minutes until 4 hours. and the result showed that the time difference with standard was 6%The coefflcient of surface dose rate was found by computation using thick of window foil 50 J.InI. The gapdistance of window foil -target was 5 -15 cm, at the electron energy of 200 ke V -600 ke V. It was alsofound that there was correlation between relative dose and electron depth penetration of accelerationvoltage of 200 kV -400 kV. By assumption that relative dose of 60%. window foil thick 50 fUll. gap ofwindow- target surface 10 cm, it was found that the depth penetration of electron into target as function ofelectron beam energy of250 keV -400 keV.

Key words: beam shutter. Electron beam.

PENDAHULUAN organik atau anorganik pacta dO3is tertentu akanmempengaruhi sifat fisis atau kimia dan terjadiperubahan stuktur bahan. Proses irradiasi denganefek tidak panas diaplikasikan pacta bidang industriantara lain untuk sterilisasi peralatan medis,pengawetan bahan makanan, pelapisan permukaan(surface treatment), ikatan silang (cross linking)pacta bahan karetJ isolator kabel/ bahan plastik,proses pelapisan dengan pengeringan (curing ofcutting)[IJ.

ewasa ini mesin berkas elektreon (MBE).banyak dimanfaatkan untuk teknik

irradlasi pada bermacam macam bahandengan menggunakan elektron yang

dipercepat. Proses irradiasi dengan menggunakanMBE sebagai sumber irradiator elektron merupakanjenis teknologi yang barn, jika dibandingkanmenggunakan irradiator cobalt atau sinar-X clanproses termal korivensional atau proses kimia.Mesin berkas elekron dapat dikatagorikan sebagaimesin pemroses yang dapat memberikan pengaruhpanas maupun tidak panas. Dalam proses panas,berkas elektron dimanfaatkan untuk melepaskanbahan pada titik kejadian oleh penguapan karenaperubahan suhu. Pada proses tidak panas terjadiapabila berkas elektron dikenakan pada suatu bahan

Berkas elektron akan diiradiasikan kecuplikan melalui jendela pada corong pemayar.Untuk mengetahui lamanya wakro irradiasi berkaselektron mengenai cuplikan dapat diketahui darilamanya waktu buka/tutup sistem penutup berk(is.Selain itu fungsi dan sistem penyetop tersebutadalah untuk mengetahui/mengukur arus keluaranberkas elektron MBE, clan un~ menunjukkan batas

~-~~

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah TeknologiAkselerator don AplikasinyaVol. 5. No. J, Oktober 2003.. 26 -33

26

Volume 5, Nomor 1, Oktober 2003 /SSN /4/1-/349

Apabila berkas elektron mempunyai diameter d,setelah keluar jendela mengenai dudukan berkaskerapatan clara (Po) pada luasan terse but adalah :

Po = (4 UB IB)/;rdo;

tepi berkas atau panjang berkas. Parameter irradiasiberkas yang digunakan untuk mengiradiasi suatubahan antara lain; dosis/laju dosis, kedalamanpenetrasi, ukuran atau luas berkas elektron danwaktu irradiasi.

Pada makalah ini disajikan pengujian waktumembuka/menutup sistern penyetop berkas yangmewakili lamanya waktu irradiasi pada suatu bahan.Selain itu dibahas juga parameter irradiasi MBE 350ke V, lOrnA, dengan jarak yang bervariasi padasuatu bahan secara perhitungan dan secara grafik.Pengukuran arus berkas elektron pada penyetopberkas belum diketahui dengan tepat, karena berkaselektron belurn keluar dati jendela corong pemayar.Dengan data data tersebut dimaksudkan untukmemperoleh spesiflkasi berkas elektron yang akandimanfaatkan untuk proses irradiasi menggunakanMBE. !

dengan J = kerapatan arus.

Berkas merembes menjadi panas ke dalam dudukanamat dipengaruhi oleh faktor pengguna 1]A berkassetelah mengalami kerugian diatas, jangkau elektron(S), sehingga clara berkas elektron yang terserapbahan persatuan volume P A adalah :

P A = 1]A PolV = (1]A U B J)/S

DASAR TEOR!

Berkas elektron daTi mesin MBE keluarannyaakan melalui jendela pada corong dan langsungditerima oleh dudukan berkas. Berkas elektrondengan energi tertentu menumbuk dudukan penutupberkas elektron, sehingga akan terjadi konversienergi menjadi energi panas, sebagian berkas akanterhambur kembali (back scattering) dan sebagianlagi akan mengeksitasi atom atau molekulperrnukaan. Pada arus berkas elekron Is dantegangan pemercepat Us, dayaberkas elektron (Po)yang dihasilkan adalah (2);

Jangkau elektron adalah jarak tegak lurus daTiperrnukaan tumbukan sampai elektron berhentimem-berikan energinya. Jangkau elektrondipengaruhi oleh beberapa parameter antara lainkerapatan bahan yang ditumbuk, energi berkaselektron yang dating, dan massa bahan.. Secarapendekatan rumusan jangkau elektron dapatdisederhanakan terhadap pengaruh energi antara 10keY -100 keY, energi medium 100 keY -1 MeYclan energi diatas > 1MeV, sehingga diperolehhubungan sebagai berikut [2]:

I. S = 2,1 X 10-/1 UB1/p -]0 keV < e

UB<IOO keV

II. S = 6,67 X 10-// UBSIJ/p -100 keV <

e UB< I MeV (4)

III. S = lip (5,1 x 10 -7 UB -0,26) -

e UB> I MeV.

~

Dengan: p = kerapatan bahan (g/cm3)

S = jangkau elektron (cm)

UB = tegangan pemercepat (volt)

(1)= Us- Is

Pada Gambar 1 ditunjukkan penetrasi massa persatuan luas Sp sebagai fungsi dari energi elektroneUB dari basil pengukuran (1), pendekatan sesuairumus I (3), pendekatan sesuai rumus II (2), clanpendekatan sesuai III (4).

Energi yang terserap pada bahan mempunyaiagihan tidak merata, berarti daya yang terserap persatuan volume merupakan fungsi dari jarak. Secarapendekatan daya berkas elektron yang diserappersatuan volume PA (z) pada jarak z dituliskansebagai berikut [2] :

Berkas elektron yang dihasilkan oleh sumberelektron, kemudian dipercepat melalui jendela danakhimya mengenai dudukan berkas akan mengalamiatau terjadi kerugian daya. Kerugian energi ataudaya tidak terelakkan pada proses ini, yang terdiridari beberapa hal berikut ini :

I. Kerugian daya adanya jejak berkas dari katodake jendela, kerugian ini terjadi disebabkanhamburan dari sisa gas danjendela.

II. Kerugian serapin terjadi pada foil jendela danberikutnya pada celah udara atrnosfir antarajendela dengan dudukan berkas.

III. Kerugian karena pemayaran pada slatmembelokkan berkas elektron. 9/4 (z/S -1/3): (5)P A(Z) PA mak =

ISSNJ4JJ-J341

5.

NomorVolume

Penetrasi massa persatuan luas Sp dengan energi elektron eU,

Selain itu laju dosis tergantung dari kerapatan arusberkas atau arus berkas dibagi dengan luasan berkaselektron.

dengan : PAmuk = 4/3 l]A UB J, harga maksimum dayayang terserap per satuan volume pada jarak z = S/3di perrnukaan, z = j arak dari perrnukaan bahan, S =jangkau elektron, J = rapat arus berkas, l]A = bagian

berkas yang terserap.

Salah satu parameter dalam teknik irradiasiberkas elektron adalah dosis dan laju dosis. Dosisadalah energi yang terserap per satuan mass a bahandigunakan sebagai ukuran untuk menentukan energiyang diperlukan terjadinya perubahan kimia/fisikabahan yang diiradiasi, hubungannya dengan lajudosis DL adalah :

DL = K 1/(Bx W) (8)

dengan.. I = arus berkas elektron, K = konstantalaju dosis, B = lebar berkas, W = panjang pernayar.

Waktu irradiasi, arus berkas elektron, daD luasberkas merupakan parameter yang menentukandalam proses irradiasi daD dapat dipantau ataudimonitor oleh sistem penyetop berkas MBE.

METODOLOGI(6)= DL X t

Susunan lengkap sistem penyetop berkasMBE ditunjukkan pada Gambar 2. Bagian penyetopberkas daTi kotak Al dengan ukuran 200 x 1220 x30 IlUIl, yang dikenai langsung oleh berkas e~ektron.dipasang dibawah keluaran jendela corong pernayar.Untuk menggerakkan sistem tersebut digunakanmotor AC 125 W. putaran 1800 rpm, clan diturunkanputarannya sekitar sepertiga pululmya(3]. Motordihubungkan dengan roda penggerak yangdilengkapi engkol dengan lengan ayun untuk

Dosis dan laju dosis mempunyai keterkaitan denganenergi yang diserap per satuan volume Evatau dayayang diserap per satuan volume p dengan kerapatanp, atau :

Ev = p D atau p = p DL (7)

D

= dosis total, DL = laju dosis, t = waktudenganJirradiasi.

--Prosiding Pertemuan dan Presentasi llmiah TeknologiAkselerator dan AplikasinyaVol. 5, No. J, Oktober 2003.. 26 -33

28

diinginkan beroperasi secara rnanual, rnaka saklarnyala ditckan daD roda berputar untuk menjalankanengkol sambil menjalankan penyetop berkas terbuka.Pada saat penyetop berkas terbuka, berkas elektronyang dihasilkan MBE diirradiasikan ke target.Larnanya waktu irradiasi ditentukan oleh terbukanyasistem penyetop berkas. Jika waktu irradiasi sudahsesuai dengan yang dikehendaki, tombol resetditekan untuk mengembalikan penyetop berkas kekeadaan normal. Waktu irradiasi atau lamanyamembuka sistem penyetop dapat diatur dengan orde5 x I detik,5 x I menit, 5 x I jam, daD 5 x IOjam.

menggerakkan penyetop berkas. Untuk membatasigerakan digunakan saklar pembatas yang diletakkanpada ujung kanan-kiri roda pemutar. Hasilnyadiperoleh suatu gerakan penyetop berkas selangkahberhenti sesuai yang diinginkan.

Untai listrik sistem penggerak iniditunjukkan pada Gambar 3. yang dapat digerakkansecara m.mual clan dilengkapi dengan penentu waktupenyetop berkas dengan skala orde detik, menit clanjam. Pada keadaan normal posisi penyetop berkastepat di bawah jendela corong pernayar berfungsisebagi detektor arus berkas elektron. Kalau

Gambar 2. Sistem penyetop berkas pad a MBE.

SAKLARPEMBATAS

Gambar 3. Untai listrik sistem penggerak.

29-

SISTEM PENYETOP BERKAS SEBAGAI PENENTUPARAMETER IRRADIASI MBE 3S0keV, lamA

Sigit Hariyanto .

Parameter berkas elektron yang dapatdiperoleh dari MBE adalah tegangan pemercepatdan arus berkas elektron yang diukur pada sistempenyetop berkas. Tebal jendela dari titaniwn adalah50 !lm sedangkan jarak udara dari foil titaniwn dapatdivariasi dimulai dari jarak 5 cm, 10 cm, 15 cm danseterusnya sesuai kebutuhan. Untuk mendapatkanparameter irradiasi MBE 350 keY, 10 mA yaitu:dosis atau laju dosis, penetrasi elektron pada bahandengan berbagai jarak dari jendela ke target dapatdiperoleh secara perhitungan dan grafik. Dari rumus4 dan rumus 5 di atas dan dengan menggunakanprogram Matlab untuk menggambar diperolehhubungan antara dosis relatif terhadap kedalamanpenetrasi elektron pada berbagai teganganpemercepat. Selanjutnya dengan menggunakanrunlUS 3 sampai rumus 8, pada jangkau elektron dariberbagai energi diperoleh hubungan antara konstanta

laju dosis dan energi elektron dengan berbagai jarakfoil jendela-target.

HASIL DAN PEMBAHASAN i

Hasil pengujian waktu irradiasi atau waktuterbukanya sistem penyetop berkas ditunjukkan pactaGambar 4. Pada garis putus-rutus menunjukkanpengujian waktu buka penyetop berkas, bahwawaktu terbukanya penyetop berkas beroperasi secaraterkontrol dengan menggunakan penentu waktu(timer). Kalau dibandingkan dengan menggunakanstopwatch yang dianggap sebagai standard, actaperbedaan waktu kurang lebih 2 menit untukpengukuran 30 menit atau secara keseluruhanmencapai 6%. Untuk memperoleh waktu terbukanyapenutup berkas lebih akurat sesuai yang diinginkandapat dioperasikan secara manual, dengan caramenekan tombol on clan tombol reset.

250

200 STIOPWATC~~'cOJ.§. 150

::>I-~~ 100

/'/"50

3 4 5 6

PENGUKURAN7 8 9 10

Gambar 4. Waktu terbukanya sistem penyetop berkas setiap orde 30 menit.

Untuk mendapatkan parameter irradiasi yaitudosis atau laju dosis tidak bisa secara langsung,terlebih dulu dicari koeffisien laju dosis K secaraperhitungan. Dari persamaan 3 sampai 8, akandiperoleh persamaan laju dosis pada permukaantarget setelah melewati jendela foil titanium dancelah udara antara foil -target:

_~ (ZIPI +ZgPg _.!.114 Sp 3)

4UbK =3ps-ll , .J (9)

K = koeffisien laju dosis, Z[ = tebal foil, p[ =kerapatan foil, Zg = jarak celah foil -target, Sp =penetrasi elektron, 1= arus berkas, W = lebar berkas,L = panjang berkas.

4[ ( Z Z ) 2 ] Dengan memasukkan data-data tegangan pemercepat

DL: =~ l-~ [p[ + 'PI. -1. -1- (200-400 kV), penetrasi elektron, tebal foil titanium

3pS 4 Sp 3 W.L 50 J.lm, celah udara foil-target (5-15 c'm), kerapatan

foil clan udara, akan diperoleh koeffisien laju dosis.dengan Pada Gambar 6 ditunjukkan graflk hubungan antara

~~~~

30Prosiding Pertemuan dan Presentasi I/miah Tekn%giAkse/erator dan Ap/ikasinyaVol. 5. No. J. Oktober 2003 ..26 -33

Volume 5, Nomor I, OkJober 2003 /SSN /4//-/349

luasan berkas elektron yang dimonitor di sistempenyetop berkas atau dikalikan lagi dengan waktuirradiasi untuk mendapatkan dosis.

koefisien laju dosis fungsi energi elektron pada jarakfoil-target berbeda-beda.

Untuk memperoleh 'laju dosis, mengalikankoeffisien K dengan arus berkas dan dibagi dengan

~E-c:Q)

E-.\~ .

E"0 .~ .~!a(/)

0 :()

:>..,~-J

u.u.w0~

100 200 300 400 500 600

ENERGIELEKTRON(KeV)

700 800

Gambar 5. Koeffisien lajo dosis terhadap energi berkas elektron.

Gambar 6. Distribusi dosis relatif terhadap penetrasi elektron pada bahan.

/SSN /4/1-/349Volume 5, Nomor 1, Oktober?JJ~

efektif berdasarkan Siegfried dkk,[2.4) adalah sekitar60%, karena adanya kerugian energi yang tidalterelakkan antara lain: distribusi dosis terhadapkedalarnan penetrasi, kerugian e:1ergi adanya jejakberkas dari katoda ke jendela yang disebabkanhamburan sisa gas, clan kerugian karena pernayaranpada saat membelokkan berkas elektron. Sehinggadiperoleh kedalarnan penetrasi total untuk teganganpemercepat antara 200 kV -400 kV yaitu dari 0.36

gr/cm2 -0,08 gr/cm2.

Dosis relatif adalah rasio antara dosiselektron terserap bahan pada jarak z dari perrnukaanyang akan diirradiasi dengan dosis serap yangdihasilkan MBE pada perrnukaan bahan. Rwnusandosis relatif diperoleh daTi persamaan 3 clan 5, clandengan menggunakan program Matlab diperolehgrafik hubungan distribusi dosis relatif terhadappenetrasi elektron pada bahan ditunjukkan padaGambar 7.

Pada prakteknya dosis relatif maksimwn yangdiradiasikan pada bahan yang menghasilkan paling

Gambar 7. Kedalaman penetrasi bahan terhadap energi elektron.

seperti pada Gambar 7. Gambar 5 daD 7 merupakankumpulan dati parameter parameter irradiasi MBE350 key/tO mA, dan diharapkan sebagai dasar untukmengaplikasikan mesin berkas elektron yang ~edangdiinstal.

Kerapatan titaniwn foil Pf = 4,518 gr/cm3,udara Pudara = 0.00125 gr/cmJ. pada ketebalan foil =50 !lm, clan celah udara dari foil-target = 10 Cm,akan diperoleh kedalaman penetrasi masing-masing0,0226 gr/cm2dan 0,0125 gr/cm2 (jumlah penetrasi0,035 gr/cm1.

Dari data kedalaman penetrasi total dariGambar 6 dikurangi dengan penetrsi pada bahan foilclan udara, akan diperoleh penetrasi pada target ataubahan ayang akan diirradiasi. Pada teganganpemercepat 250 kV -400 kV dengan kenaikan 50 kVdiperoleh penetrasi pada target 0,015; 0,35; 0,55 clan0,75 gr/cm2. Kalau keda1aman penetrasi yangberpengaruh pada bahan target dari grafIk Gambar 6dipilih sesuai dengan energi elektron, akan diperolehhubungan antara energi berkas elektron terhadappenetrasi pada bahan yang akan diirradiasi MBE

KESIMPULAN

Berdasarkan basil pembahasan tentangsistem penyetop berkas sebagai penentu parameterirradiasi MBE 350 keV/IOmA diatas dapat diatasdapat disimpulkan bahwa :

-Pengujian waktu buka sistem penyetop berkassebagai penentu waktu irradiasi, kalaudibandingkan dengan waktu standard terdapatperbedaan sekitar 6%.

Prosiding Pertemuan dan Presentasi J/miah TeknologiAkselerator dan AplikasinyaVol. 5, No. J, Oktober 2003: 26 -33

32

Pada operasi MBE dengan energi maksimum350 keY, diperoleh kocffisien laju dosis padapermukaan 2,4 Mrad m2/menitmA., pada jarak10 cm darijendela.

TANYAJAWAB

Kedalarnan penetrasi elektron rnaksimurn padatarget atau bahan yang akan diirradia-si

diperoleh 0,055 gr/cm2. ,

Subarkah

-Pada saat MBE beroperasi maksimum berapakedalaman pada target yang dihasilkan?

-Bagaimana tebal cuplikan yang diinginkanapabila berkas elektron masuk ke dalam?

UCAP AN TERIMAKASIH

Pada kesempatan ini penulis mengucapkanterimakasih yang sebesar-besarnya kepada staffteknisi di kelompok teknologi akselerator yang telahmembantu clan berdiskusi dalam menyelesaikan clan

berpartisipasi, sehingga dapat terselesaikannyamakalah ini.

Sigit H.

-Pada sa at MBE beroperasi maksimum 350 keY,dengan faktor efisiensi kedalaman 60%, diperolehkedalaman pada target 0,05 gr/cm2,

-Tebal cuplikan = 0,05 / P Cm, dengan p = ke-

rapatan cuplikan dengan satuan gr/cm3,

ACUAN

DJOKO SLAMET P, Teknologi Mesin BerkasElektron untuk Surface Treatment, TeknologiAkselerator clan Pemanfaatannya, Juni 2003.

Lely Susita RM

-Untuk proses iradiasi, salah satu parameter yangmenentukan hasil akhir adalah dosis. Bagaimanacara menentukan dosis dalam penelitian ini?

-Biasanya satuan untuk kedalaman penetrasiadalah cm Mengapa pada rnakalah tertulis satuankedalarnan glcm2?

:2]

SIEGFRIED SCHILLER etc., Electron BeamTechnology, John Willey & Sons, New York,1982.

[3] SIGIT HARlY ANTO, dkk., Konstruksi SistemPenyetop Berkas Mesin Berkas Elektron350kV/IOmA, Lap. Teknis. 2002.

[4] 85NHV-4240, The Handbook of Electron BeamProcessing, Nissin High Voltage Co.,Ltd, 1985.

Sigit H.

-Untuk mendapatkan dosis, hams dicari dulu lajudosis dikalikan dengan waktu irradiasi.Sedangkan laju dosis = K I/A, dengan K =koefisien laju dosis, I = ams elektron, A = luas

berkas elektron. K berbagai fungsi energi dengantebal foil 50 11m, clan berbagai jarak jendela-targetdiperoleh dari tabel Gambar 5.

-Untuk memperoleh kedalaman dalam cm, dibagidengan kerapatan target yang akan diirradiasi.

SISTEM PENYETOP BERKAS SEBAGAI PENENTUPARAMETER IRRADIASI MBE 3.10ke V, 10mA

Sigit Hariyanto

33