Fajar Hidayat Budi Santosa, dkk. ISSN 0216 - 312849-

STUD I SIMULASI UNTUK EVALUASI GEOMETRI PAD ARUANG IONISASI SUMBER ION SIKLOTRON

Fajar Hidayat Budi SantosaProgram Pasca Sarjana Universitas Gadjah Madae-mail: fjr.hdyt@gmail.comSilakhuddinPusat Sa ins dan Teknologi Akselerator BATAN

ABSTRAK

STUD! SIMULASl UNTUK EVALUASI GEOMETRI PADA RUANG /ONlSASl SUMBER /ON

SIKLOTRON. Ruang ionisasi dalam suatu sumber ion merupakan ruang yang di dalamnya molekul atauatom gas diionkan, terdiri atas housing katoda dan ruang anoda Studi yang dilakukan secara simulasimenggunakan program komputer berbasis CFD dimaksudkan untuk menilai kemungkinan melakukanmodifikasi geometri head yang sudah dibuat untuk mendapatkan unjuk kerja yang lebih baik. Hasil anaUsismenunjukkan bahwa geometri head dengan panjang housing 42 mm dan tinggi 16 mm merupakan geometriyang optimum. Dari hasil anaUsis ditunjukkan juga bahwa perubahan geometri yang simetri dari ruangantidak mempengaruhi distribusi tekanan gas yang merata di dalam ruangan terse but.

Kata-kata kunci: siklotron, sumber ion, head ,housing katoda, evaluasi geometri, tekanan gas.

ABSTRACT

SUMULATION STUDY FOR EVALUATION OF THE GEOMETRY ON THE CYCLOTRON IONSOURCE IONIZATION CHAMBER. Ionization chamber of an ion source is a chamber in which themolecules or atoms of gas to be ionized, consisting of cathode housing and the anode chamber. The study arecarried out by simulation methode using CFD-based computer program intended to assess the possibility ofmodifYing the geometry of the head that was constructed to obtain a better performance. The results ofanalysis indicate that the geometry of the head that the length of the housing 42 mm and height 16 mm is theoptimum geometry. It can be also concluded that the symetry change of the chamber geometry do not affectsignificantly on the even distribution of gas pressure in the chamber.

Keywords: cye/otron, ion source, head, cathode housing, geometry evaluation, gas pressure.

PENDAHULUAN

Sumber ion jenis PIG untuk siklotron DECY 13telah didesain, dikonstruksi dan diuji fungsinya.Uji cob a sumber ion tersebut telah dilakukan dan

dihasilkan arus ion H' sebesar 35yA pada kondisiparameter-parameter pengujian, artinya bukan padaparameter operasi siklotron[1]. Untuk keperluanpengembangan lebih lanjut, masih diperlukanbeberapa inforrnasi mengenai karakteristik darisumber ion tersebut, salah satunya adalah untukmenjawab pertanyaan apakah geometri head sudahcukup optimum dalam pembentukan ion-ion,

Ruang head pada sumber ion jenis PIG terdiriatas housing katoda (cathode housing) dan ruanganoda (anode chamber), dan produksi ion-ion atauplasma terjadi pad a ruang anoda. Dalampembentukan ion-ion tersebut, faktor tekanan gasmemegang peran yang penting. Tekanan gas yangkurang akan menyebabkan sulit terbentuknya plasma,dan tekanan yang terlampau tinggi akanmenimbulkan tegangan dadal yaitu terjadi jatuh

tegangan di antara anoda dan katoda di dalam headsumber ion. Kondisi yang diinginkan adalahterjadinya plasma di ruang anoda yang disebabkanproses glow discharge (lucutan nyala) yang lazimnyaterjadi pada tekanan minimum 10,4 Torr danmaksimum pada tekanan 10-1 Torr [2].

Pad a makalah ini disajikan tentang hasil-hasilsimulasi dari pengaruh variasi geometri housingkatoda terhadap distribusi tekanan gas di dalam ruanghead sumber ion. Karena di dalam ruang anoda darisumber ion terse but merupakan tempat terbentuknyaplasma, maka pengamatan distribusi tekanan di ruangini lebih ditekankan. Pengaruh dari laju alir gasterhadap tekanan di ruang anoda juga disimulasikan.Simulasi menggunakan perangkat lunak yangberbasis Computational Fluid Dinamics (CFD). Darihasil-hasil tersebut akan dapat dinilai apakahgeometri head yang sekarang ini telah dibuat masihdiperlukan perubahan untuk optimasi. Kriteria yangdipakai untuk menentukan optimasi adalah nilaitekanan gas dan distribusi nilai tekanan di dalamruang plasma.

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah - Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2014Pusat Sains dan Teknologi Akselerator - BATAN

Yogyakarta,10-11juni2014

50 ISSN 0216 - 3128 Fajar Hidayat Budi Santosa, dkk.

(1)

TEORI

Pengaruh Tekanan Gas Terhadap LajuIonisasi

Untuk sumber ion jenis PIG, Je dapat diambil darirapat arus lucutan elektron antara katoda dan anoda. Vadalah bagian volume dimana atom-atom gasterionisasi, yang tidak harus sarna dengan volumeruang ionisasi.

Nilai na dapat dihitung dari persamaan:

yang memungkinkan untuk mempelajari dinamikadari benda-bend a atau zat-zat yang mengalir.

Secara definisi, CFD adalah ilmu yangmempelajari cara memprediksi aliran fluida,perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomenalainnya dengan menyelesaikan persamaan-persamaanmatematika (model matematika). Pada dasarnya,persamaan-persamaan pada fluida dibangun dandianalisis berdasarkan persamaan diferensial parsial(PDE = Partial Differential Equation) yang me-representasikan hukum-hukum konservasi massa,momentum, dan energi [4].

CFD sebenarnya mengganti persamaan-persamaan diferensial parsial dari kontinuitas,momentum, dan energi dengan persarnaan-persamaanaljabar. CFD merupakan pendekatan dari persoalanyang asalnya kontinum (memiliki jumlah sel takterhingga) menjadi model yang diskrit Uumlah selterhingga).

Perhitungan/komputasi aljabar untuk memecah-kan persamaan-persamaan diferensial parsial ini adabeberapa metode (metode diskritisasi), diantaranyaadalah:

a. Metode beda hingga (finite difference method)b. Metode elemen hingga (finite elements method)c. Metode volume hingga (finite volume method)d. Metode elemen batas (boundary element method)e. Metode skema resolusi tinggi (high resolution

scheme method).

Metode diskritisasi yang dipilih umumnya menen-tukan kestabilan dari program numerik/CFD yangdibuat atau program software yang ada. Olehkarenanya diperlukan kehati-hatian dalam caramendiskritkan model khususnya cara mengatasibagian yang kosong atau diskontinyu. Fluent sendirimenggunakan metode volume hingga.

(2)P

kT

Dalam sumber ion jenis PIG (PenningIonization Gauge) dimana ionisasi terbentuk karena

tumbukan elektron, jumlah atom atau molekul tangdiionisasi tergantung pada parameter-parameter[3 :1. Rapat arus elektron (Ampere/m2), (Ie)2. Volume efektifionisasi (V)3. Jumlah atom/molekul per satuan volume ruang

ionisasi (na)4. Tampang lintang ionisasi (0";)

Laju pembentukan ion dalam ruang ionisasi:

dengan P adalah tekanan gas, k tetapan Boltzmann =1,38.10'23 J/K dan Tsuhu plasma dalam K.

Dari persarnaan (1) dan (2) tersebut terlihat bahwalaju ionisasi dalam sumber ion dipengaruhi olehtekanan gas di dalam ruang ionisasi atau ruangplasma. Dan tekanan dari gas dipengaruhi olehgeometri dari ruang ionisasi.

Computational Fluid Dynamics (CFD)Metode perhitungan untuk menghitung

besarnya tekanan gas di dalam ruang head secaraanalitik tidak mudah, bahkan mungkin tidak dapatdilakukan mengingat bentuknya yang tidaksederhana. Oleh karena itu untuk menentukanhubungan antara geometri dari ruang head sumberion dengan tekanan gas digunakan perangkat lunakkomputer yang berbasis metode ComputationalFluid Dynamics (CFD).

CFD dapat didefinisikan menjadi dua kata yaitucomputational dan fluid dynamics. Computationaladalah segal a sesuatu yang berhubungan denganmatematika dan metode numerik atau komputasi,sedangkan fluid dynamics adalah dinamika darisegala sesuatu yang mengalir. Ditinjau dari istilah diatas, CFD bisa berarti suatu teknologi komputasi

METODE PENELITIAN

Konstruksi Head Sumber Ion

Komponen head adalah komponen inti sumberion karena disini proses pembentukan ion terjadi,terdiri atas ruang anoda, katoda dan housing katoda.Gambar konstruksinya seperti pada Gambar 1.

Ruang head terdiri atas housing katoda(selanjutnya disebut housing saja) dan ruang anodaatau kolom plasma. Lobang gas yang akandimasukkan terletak pada sisi housing. Katodabertegangan positif 2 kV terhadap housing dananoda. Tegangan tersebut menyebabkan lucutanatom-atom gas dan terbentuk plasma pada ruanganoda.

Ukuran detil acuan housing dan anoda padahead sumber ion ditunjukkan pada Garnbar 2 [5].

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah- Penelitian Dasar IImuPengetahuan dan Teknologi Nuklir 2014Pusat Sains dan TeknologiAkselerator - BATAN

Yogyakarta,10-11 juni 2014

Fajar Hidayal Budi Santosa, dkk.

Keter"n9·m:1, Housing k

52 TSSN 0216 - 3128Fajar Hidayat Budi Santosa, dkk.

nya eukup diambil setengah bagian. Demikian jugakarena sifat simetri azimutal, maka pemodelannyadilakukan pada Gambar 2 dimensi. Setelah selesaidibuat model kemudian dilakukan meshing yaitudibuat elemen-elemen kecil yang berguna dalamproses perhitungan. Gambar model dan hasilmeshing ditunjukkan pada Gambar 3.

Gambar 3. Model rongga rongga head danmeshing.

Dalam model tersebut, gas dimasukkan melaluilubang I (inlet) yang berdiameter 1 mm dan gaskeluar melalui lubang 0 (outlet) yang berdiameter1,2 mm. Untuk georrietri aeuan mempunyai ukuranp=42 mm dan t=16 mm.

Proses Perhitungan

Dengan program solver dihitung distribusitekanan di sepanjang sumbu rongga anoda berdasarnilai-nilai parameter tetap yaitu besar aliran gasmasuk dan tekanan di aliran keluar. Perhitungandilakukan dengan memvariasi variabel bebas yaitugeometri housing, dengan hasil yang diamati(variabel terkait) adalah tekanan gas pada kolomplasma. Setiap perubahan geometri diulangi lagiprosedur pertama di atas.

Variasi geometri housing yang mempengaruhitekanan gas seeara sederhana dapat memperbesaratau memperkecil panjang dan tinggi rongga housing.Untuk memperbesar panjang tidak dimungkinkankarena akan menghalangi putaran awal berkas ion.Sebaliknya untuk memperkeeil tinggi housing tidakdimungkinkan karena akan menjadikan jarak antarakatoda yang bertegangan tinggi dengan dindinghousing menjadi terlalu' dekat. Jadi yangdimungkinkan adalah memvariasi panjang menjadilebih kecil dan memvariasi tinggi housing menjadilebih besar.

Parameter tetap yang diberlakukan dalamsimulasi ini adalah:

1. Keeepatan aliran masuk dari gas (VinJel = 0,105m/s)

2. Tekanan vakum di keluaran gas (POll/PilI = 0,105m/s)

3. Diameter masukan gas 0,00] m4. Diameter keluaran gas 0,00]2 m

Parameter pertama ditentukan berdasarkan simulasipendahuluan bahwa nilai keeepatan tersebutmerupakan nilai minimum terbentuknya plasma padasumber ion yaitu pada kira-kira ]0.4 Torr. Parameterkedua ditentukan berdasar operasi yang urnurn padasiklotron pemereepat ion negatif. Parameter ketigadan keempat adalah berdasar desain aeuan yang ada.

Langkah-Iangkah variasi geometrinya adalah:

I. Dengan tinggi housing awal ]6 mm, divariasipanjangnya mulai dari panjang aeuan sebesar 42mm diperkeeil menjadi 35 em, 30 em, 25 em dan20 em. Setiap ukuran panjang dilihat distribusitekanan di sepanjang sumbu aksial ruang anoda,dengan mengambi] 4 titik yaitu titik - titikA,B,C,D dan E seperti tertera pada Gambar 3.

2. Dengan mengambil nilai panjang housing yangdistribusinya terbaik, nilai tinggi housingdiperbesar dari nilai aeuan ]6 mm menjadiberturut-turut 20 mm, 25 mm dan 30 mm. Dalamhal ini juga akan diambil distribusi tekanan yangpaling rata.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Untuk mengetahui bahwa simulasi berprosesdengan benar maka terlebih dahulu disimulasikanvektor keeepatan dari aliran gas di dalam housingdan ruang anoda, hasilnya ditunjukkan pada Gambar4.

Dari gambar tersebut terlihat bahwa aliran gasyang masuk mengarah ke ruang anoda dan keluarmelalui lubang aliran keluar. Mula-mula konsentrasialiran keeil dengan keeepatan tinggi kemudiankonsentrasinya membesar dengan keeepatanmenurun dan kembali konsentrasinya mengeeildengan keeepatan yang naik pada bagian lubangkeluar. Besar keeepatan di housing tampak hampirnol. Dengan fenomena seperti itu dapat dikatakanbahwa simulasi berproses dengan benar.

Variasi Panjang HousingData-data kuantitatif dari distribusi tekanan

sepanjang sumbu ruang anoda ditunjukkan padaTabel ].

Prosiding Pertemuan dan Presentasi I1miah- Penelitian Dasar I1muPengetahuan dan Teknologi Nuklir 2014Pusat Sains dan TeknologiAkselerator - BATAN

Yogyakarta,10-11juni 2014

Fajar Hidayat Budi Santosa, dkk. ISSN 0216 - 3128 53

Gambar 4. Hasil simulasi vektor kecepatan aliran gas.

Tabel 1. Data kuantitatif distribusi tekanan gassepanjang sumbu ruang anoda dalamsatuan pascal, dengan variasi panjanghousing.

Panjang Tekanan gas (Pa) pada titik-titik:housing, nun

ABCDE

20

1,23 x 10"1,23 xIO"I ,23 X 10"1,23 xIO"1,23 x 10-'

25

1,17xIO"1,17xlO"1,17xIO·21,17xIO':I,J7xIO"

30

1.22x 10.01.22x 10-21,22xIO-21.22xl0·~1,22xIO-2

35

1,23x10'01,23xIO"1,23xlO':l.Z3xIO':1,::?:3xIO·2

42

U6XIO"1,36xI0"1.36xlO·21,36xI0':1,36xI0"

Dari data-data pada Tabel I tersebut terlihat bahwapada variasi panjang hOl/sing antara 20 hingga 40mm menghasilkan distribusi tekanan gas yang sarnadi sepanjang sumbu rongga anoda. Dengan kata lainperubahan panjang hOl/sing tidak berpengaruh padadistribusi yang merata dari tekanan di rongga anoda.Jika diamati secara kuantitatif, pada panjang 42 mmmemberikan tekanan yang relatif lebih besardibandingkan panjang hOl/sing yang lebih pendek.Karena tekanan yang lebih besar dari I x 10'4 Torrhingga tekanan I x 10-1 Torr akan menghasilkanintensitas plasma yang lebih baik dibandingkantekanan di bawahnya, maka disini dapat dikatakanbahwa untuk ukuran panjang hOl/sing 42 mmmerupakan ukuran yang tepat untuk desain headsekarang ini. Pengamatan terhadap kelima hasilvariasi panjang dapat dikatakan bahwa distribusitekanan di hOl/sing juga cukup merata, kecuali padaukuran panjang 20 mm, tetapi perbedaan itu kira-kirahanya 50%.

Variasi Tinggi Housing

Hasil-hasil simulasi untuk ukuran tinggihOl/sing 16 mm dan 30 mm dari distribusi tekanansepanjang sumbu ruang anoda ditunjukkan padaTabel 2.

Tabel 2. Data kuantitatif distribusi tekanan gassepanjang sumbu ruang anoda dalamsatuan pascal, dengan variasi tinggihousing.

Tinggi Tekanan gas (dalanl Pa) pada litik-titik:

hOllsmg,

ABCDE

rom 16

1.36 x 10"1,36 xlO"1,36 xIO,'1,36 xlO"1.36 xlo-'

20

l.27xl0·'1.27xI0"l.27xI0,'1,27xlO"1,44xl0"

25

l,56xIO"1,56xlO"1,56 x10·21,56XIO"1,56xlO"

30

l.27xI0·'1,27xI0-'1,27xlo-'1,27xlo-'I,4Sxlo-'

Dari data-data pada Tabel 2 tersebut terlihat bahwapada variasi tinggi housing antara 16 hingga 30 mmjuga menghasilkan distribusi tekanan gas yang sarnadi sepanjang sumbu rongga anoda, sebagaimanadiperoleh pada variasi panjang housing. Memangpada tinggi 30 mm tekanan pada titik E berbedadengan titik-titik yang lain, tetapi perbedaan tersebutkira-kira hanya 10%.

Pengamatan terhadap kelima hasil variasi tinggimenghasilkan suatu data secara visual bahwadistribusi tekanan di housing juga cukup merata.Hasil ini sarna seperti yang diamati pada variasipanjang.

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah- Penelitian Dasar IImu pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2014Pusat Sains dan TeknologiAkselerator - BATAN

Yogyakarta,10-11 Juni 2014

54 ISSN 0216 - 3128 FajarHidayatBudiSantosa,dkk.

TANYAJAWAB

ISSN 1411-1349,Yogyakarta, 20 I 1.

2. Rovey J.L., Design Parameter Investigationof aCold Cathode Penning Ion Source for GeneralLaboratory Applications, Journal of PlasmaScience and Technology, 17(3),2008.

Slamet Santosa

- Apakah sudah dilakukan variasi geometri, isiangas, tegangan yang dijadikan parameter simulasi?Kalau belum mohon dilakukan dan diamatipengaruh terhadap ion yang terbentuk (sumberion diinginkan untuk menghasilkan arus yanglebih besar).

3. Goebel, D.M., Wirz, R.E., & Katz, 1., AnalyticalIon Thruster Discharge Performance Model,Journal of Propulsion and Power, 23 (5) (2007) 5.

4. Tuakia, F, Dasar-dasar CFD MenggunakanFLUENT, Informatika, Bandung, 2008.

5. Silakhuddin, Rancangbangun Prototipe SumberIon Siklotron J 3 Me V Untuk Siklotron ProduksiRadioisotop Untuk Fasilitas DiagnostikKedokteran Nuklir PET, Laporan ProgramInsentifP! PKPP, PTAPB BATAN, Yogyakarta,2010.

PTAPB-BATAN,13,

Suatu ruang dari head sumber ion telah diamatipengaruh perubahan geometri ruangannya terhadapdistribusi tekanan gas di dalamnya. Dari simulasiyang telah dilakukan pada geometri housing katodadari sumber ion diperoleh data bahwa variasi panjangdan tinggi housing tidak berpengaruh secara nyataterhadap distribusi yang merata pada ruang headtersebut. Geometri head yang sekarang sudah dibuatyaitu dengan panjang housing katoda 42 mm dantinggi 16 mm merupakan geometri yang relatifoptimum dibandingkan ukuran-ukuran yang lain.

KESIMPULAN

UCAP AN TERlMA KASm

Analisis HasH Secara Umum

Jika kasus geometri head sumber ion dipakaiuntuk kasus yang lebih umum yaitu suatu ruanganyang di dalamnya terdapat sirkulasi gas, makadistribusi di daJam ruangan tekanan gas tetap meratasekalipun dilakukan perubahan geometri ruangannya.Tetapi hasil ini baru dapat dibuktikan untuk kondisi-kondisi:

1. Perubahan geometri yang simetri, dan2. Untuk ruangan yang ukuran gas masuk dan

keluarnya keci!.3. Sirkulasi gas hanya dalam ukuran beberapa puluh

cc/menit.

Terima kasih disampaikan kepada Rio SuryaDarmawan yang telah membuat gambar darigeometeri head sumber ion.

DAFTAR PUST AKA

1. Silakhuddin dan Sunarto, Eksperimen Uji PadaDaya Tinggi Dari Head Sumber Ion UntukSiklotron, Prosiding Pertemuan dan PresentasiI1miah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya,

Fajar Hidayat Budi Santosa

Penelitian yang sudah dilakukan saat ini adalahstudi simulasi untuk evaluasi geometri padaruang ionisasi sumber ion siklotron, jadi masihdibatasi pada struktur geometrinya saja,sehingga kedepannya perlu dilakukan penelitianlebih lanjut untuk variasi tegangan sebagaiparameter simulasi. Jadi dapat diperolehinformasi mengenai arus yang dihasilkandidalam sumber ion siklotron.

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah - Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Tekno1ogi Nuklir 2014Pusat Sains dan Teknologi Akselerator - BATAN

Yogyakarta, 10-11juni 2014