SUMBER ION MULTICUSP UNTUK ADS 17 - inis.iaea.org
Transcript of SUMBER ION MULTICUSP UNTUK ADS 17 - inis.iaea.org
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