SIMULASI LINTASAN BERKAS ELEKTRON PADA IRADIATOR

ELEKTRON PULSA (IEP) DENGAN TEGANGAN PEMERCEPAT 200 KV

MENGGUNAKAN SOFTWARE SIMION 8.1

ARUM SEKAR KINASIH

M0213013

SKRIPSI

PROGRAM STUDI FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

September 2017

SIMULASI LINTASAN BERKAS ELEKTRON PADA IRADIATOR

ELEKTRON PULSA (IEP) DENGAN TEGANGAN PEMERCEPAT 200 KV

MENGGUNAKAN SOFTWARE SIMION 8.1

ARUM SEKAR KINASIH

M0213013

SKRIPSI

Diajukan untuk memenuhi sebagian

persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains

PROGRAM STUDI FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

September 2017

iv

PERNYATAAN

Dengan ini saya menyatakan bahwa isi intelektual Skripsi saya yang

berjudul “Simulasi Lintasan Berkas Elektron pada Iradiator Elektron Pulsa (IEP)

200 kV/ 30 A menggunakan Software SIMION 8.1” adalah hasil kerja saya dan

sepengetahuan saya hingga saat ini, Skripsi tidak berisi materi yang telah diajukan

untuk mendapatkan gelar kesarjanaan di Universitas Sebelas Maret atau di

Perguruan Tinggi lainnya kecuali telah disebutkan di bagian terima kasih. Isi

skripsi ini boleh dirujuk atau difotokopi secara bebas tanpa memberi tahu penulis.

Surakarta, 29 Agustus 2017

ARUM SEKAR KINASIH

v

MOTTO

“Kebanggaan kita yang terbesar adalah bukan tidak pernah gagal, tetapi bangkit

kembali setiap kita jatuh.”

Confucius

“Tujuan pendidikan itu untuk mempertajam kecerdasan, memperkukuh kemauan

serta memperhalus perasaan.”

Tan Malaka

“Jika kamu gagal di percobaan ke x, mungkin kamu akan sukes di percobaan ke

x+1. Oleh karena itu, jangan pernah berhenti mencoba.”

Anonymus

“Karena selama hidup kita belajar.”

Faldo Maldini

“Jangan pernah hidup untuk dirimu sendiri. Selagi jiwa dan ragamu masih ada,

teruslah berjuang untuk kebaikan dan kebermanfaatan. Negarawan Muda, belajar

merawat Indonesia.”

Arum Sekar Kinasih

The pain you feel today is the strength you feel tomorrow

vi

PERSEMBAHAN

Dengan penuh rasa syukur kepada Allah swt, karya ini saya persembahkan

kepada:

1. Kedua orang tua, adik, beserta segenap keluarga besar saya yang

mendoakan dan sangat mendukung saya untuk mengerjakan skripsi ini

dengan penuh semangat.

2. Bapak Fuad Anwar selaku Dosen Pembimbing 1 yang telah bersedia

membimbing saya dengan baik selama pengerjaan skripsi saya.

3. Bapak Suprapto dari PSTA-BATAN selaku Dosen Pembimbing 2 yang

telah bersedia membimbing saya dengan baik selama pengerjaan skripsi

saya.

4. Bapak Suharyana, Ibu Riyatun, teman-teman Grup Riset Nuklir dan Radiasi

serta teman-teman Grup Riset Teori dan Komputasi yang telah bersedia

berbagi ilmu.

5. Pembimbing akademik, Bapak Iwan Yahya yang telah memberikan arahan.

6. Sahabat saya Desinta, Qisma, Dian, Saiva, Silvi, Lela, Annashr, Sella Tiana,

Tara, Desi, Afra, dan Latifah.

7. Teman-teman Entitas Mahasiswa Fisika 2013.

8. Mba Triana Rahmawati, Mas Siswandi, Nimas, Suta, Desi, Sofi, Isna, Imaf,

Rina, Imam dan seluruh teman-teman komunitas Griya Schizofren dan

YouthProject.

9. Yusrina, Mas Yogi, Doni, Mba Astha, Priyani, Dias, Mas Arif, Mas Bara,

dan rekan-rekan Forum Negarawan Muda.

10. Mbak Nurul, Cory, Tika, Mbak Ori dan teman-teman Kos Soewondo.

11. Keluarga besar Fisika FMIPA UNS.

vii

Simulasi Lintasan Berkas Elektron pada Iradiator Elektron Pulsa (IEP)

dengan Tegangan Pemercepat 200 kV menggunakan Software SIMION 8.1

Arum Sekar Kinasih

Program Studi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam,

Universitas Sebelas Maret

ABSTRAK

Telah dilakukan simulasi lintasan berkas elektron pada Iradiator Elektron Pulsa

(IEP) 200 kV menggunakan software SIMION 8.1. Pada penelitian ini, simulasi

dilakukan pada grid dan window IEP. Grid berfungsi sebagai katoda, sedangkan

window berfungsi sebagai anoda. Simulasi ini dilakukan untuk memperoleh hasil

berkas elektron yang optimum, yaitu berkas elektron yang memiliki luasan

terbesar tetapi tidak menumbuk window. Variasi yang dilakukan yaitu pada

geometri grid, tegangan pemercepat antara grid dan window, serta arus berkas

elektron.Variasi geometri ini dilakukan dengan memberikan elektroda tambahan

dengan variasi sudut. Variasi geometri grid ini yaitu geometri non elektroda

pemfokus (sesuai rancang bangun IEP), geometri elektroda pemfokus sudut

Pierce (67,5o), sudut 60

o, sudut 45

o, dan sudut 30

o. Variasi tegangan pemercepat

yang diberikan yaitu 100 kV, 150 kV, 200 kV, 250 kV, dan 300 kV. Variasi arus

yang diberikan yaitu 10 A, 20 A, dan 30 A. Dari simulasi yang telah dilakukan,

diperoleh variasi geometri yang menghasilkan berkas elektron optimum yaitu

geometri elektroda pemfokus sudut 45o, sedangkan pada variasi tegangan

pemercepat dan arus, variasi yang menghasilkan berkas elektron paling optimum

yaitu pada tegangan pemercepat 300 kV dengan arus berkas 10 A dan 20 A.

Variasi tersebut menghasilkan luasan spot berkas elektron yang sama, yaitu

712,7±0,2 cm2.

Kata kunci: Iradiator Elektron Pulsa, berkas elektron, SIMION

viii

Simulation of Electron Beam Trajectory from Pulse Electron Irradiator (IEP)

use Accelerate Voltage 200 kV use Software SIMION 8.1

Arum Sekar Kinasih

Program Studi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam,

Universitas Sebelas Maret

ABSTRACT

Simulation of electron beam trajectory from Pulse Electron Irradiator (IEP) use

SIMION 8.1 have been done. Simulation The electron beam simulated on this

research is the elecron beam that came out from the grid and moved to the

window of IEP, grid as the cathode and window as the anode. The purpose of the

simulation is to know the optimum electron beam. The optimum simulation is the

electron beam that didn’t hit the window and has the maximum area. The grid

geometry, acceleration voltage, and electron beam current are varriated. Grid

geometry varied by means giving electrode with some different angle. The grid

geometry varations are non electrode geometry (according to IEP design),

electrode geometry with angle 67,5o (Pierce electrode), 60

o, 45

o, 30

o.

Acceleration voltage variated on 100 kV, 150 kV, 200 kV, 250 kV, and 300 kV.

Electron beam current variated on 10 A, 20 A, and 30 A. The result of the

simulation of variated the grid geometry shows that the optimum grid geometry is

the grid geometry with angle 45o. The simulation of acceleration voltage and

electron beam current variations shows on 300 kV with electron beam current 10

A and 20 A, the electron beam are the optimum. The electron beam area from

these variations are 712,7±0,2 cm2.

Keyword: Electron Pulse Irradiator, electron beam, SIMION

ix

KATA PENGANTAR

Puji syukur kepada Allah SWT atas segala limpahan nikmat dan karunia-

Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan Skripsi. Sholawat dan

salam senantiasa penulis haturkan kepada Rosulullah SAW sebagai pembimbing

seluruh umat manusia.

Skripsi yang penulis susun sebagai bagian dari syarat untuk mendapatkan

gelar Sarjana Sains ini penulis beri judul “Simulasi Lintasan Berkas Elektron pada

Iradiator Elektron Pulsa (IEP) dengan Tegangan Pemercepat 200 kV

menggunakan Software SIMION 8.1”. Terselesaikannya Skripsi ini adalah suatu

kebahagiaan bagi saya. Setelah sekitar 8 bulan penulis harus berjuang untuk bisa

menyelesaikan Skripsi ini tepat waktu. Dengan segala suka dan dukanya, pada

akhirnya Skripsi ini terselesaikan. Kepada berbagai pihak yang telah membantu

penulis menyelesaikan Skripsi ini, penulis ucapkan terima kasih. Atas bantuannya

yang sangat besar selama proses pengerjaan Skripsi ini, ucapan terima kasih

secara khusus penulis sampaikan kepada:

1. Bapak Susilo selaku Kepala PSTA-BATAN Yogyakarta.

2. Bapak Fuad Anwar selaku Pembimbing 1.

3. Bapak Suprapto dari PSTA-BATAN selaku Pembimbing 2.

4. Institusi PSTA-BATAN Yogyakarta yang telah memberikan akses

menggunakan software SIMION 8.1

5. Bapak Suharyana dan Ibu Riyatun yang telah memberikan bimbingan.

6. Rekan-rekan grup riset, Desinta, Dian, Qisma, Aulia, Andi, Elma, Saiva.

Semoga Allah SWT membalas jerih payah dan pengorbanan yang telah

diberikan dengan balasan yang lebih baik. Aamiin.

Penulis menyadari akan banyaknya kekurangan dalam penulisan Skripsi ini.

Namun demikian, penulis berharap semoga karya kecil ini bermanfaat.

Surakarta, 31 Agustus 2017

Arum Sekar Kinasih

x

PUBLIKASI

Makalah skripsi saya yang berjudul “Simulasi Lintasan Berkas Elektron pada

Iradiator Elektron Pulsa (IEP) dengan Tegangan Pemercepat 200 kV

menggunakan Software SIMION 8.1” telah disubmit pada repository UNS dengan

URL sebagai berikut:

https://digilib.uns.ac.id/dokumen/detail/57949/Analisis-simulasi-lintasan-berkas-

elektron-pada-iradiator-elektron-pulsa-iep-dengan-varasi-geometri-elektroda-

pemfokus-menggunakan-software-simion-81

xi

DAFTAR ISI

Halaman

HALAMAN JUDUL ................................................................................................................. i

HALAMAN PENGESAHAN .................................................................................................. ii

HALAMAN PENGESAHAN PUSAT SAINS DAN TEKNOLOGI AKSELERATOR

BATAN..................................................................................................................................... iii

HALAMAN PERNYATAAN ................................................................................................ iv

HALAMAN MOTTO .............................................................................................................. v

HALAMAN PERSEMBAHAN ............................................................................................. vi

HALAMAN ABSTRAK ........................................................................................................ vii

HALAMAN ABSTRACT ..................................................................................................... viii

KATA PENGANTAR ............................................................................................................. ix

PUBLIKASI.............................................................................................................................. x

DAFTAR ISI............................................................................................................................ xi

DAFTAR TABEL ................................................................................................................. xiii

DAFTAR GAMBAR ............................................................................................................. xiv

DAFTAR SIMBOL ............................................................................................................... xvi

BAB I PENDAHULUAN ......................................................................................................... 1

1.1 Latar Belakang ........................................................................................................ 1

1.2 Batasan Masalah ..................................................................................................... 3

1.3 Perumusan Masalah ................................................................................................ 4

1.4 Tujuan Penelitian .................................................................................................... 4

1.5 Manfaat Penelitian .................................................................................................. 5

BAB II DASAR TEORI........................................................................................................... 6

2.1 Partikel Bermuatan .................................................................................................. 6

2.2 Gerak Partikel Bermuatan dalam Medan Listrik .................................................... 6

2.3 Plasma sebagai Sumber Penghasil Elektron Pulsa .................................................. 7

2.4 Iradiator Elektron Pulsa ........................................................................................ 11

2.5 Pengaruh Geometri Elektroda pada Berkas Elektron ........................................... 13

2.6 SIMON 8.1 ............................................................................................................ 16

xii

2.6.1 Penentuan Medan Potensial ...................................................................... 16

2.6.2 Metode Komputasi .................................................................................... 17

2.6.3 Metode Fast Voltage Adjustment .............................................................. 18

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ............................................................................ 19

3.1. Tempat dan Waktu Penelitian ................................................................................ 19

3.2. Alat dan Bahan ...................................................................................................... 19

3.3. Prosedur Penelitian .............................................................................................. 19

3.3.1. Penginstallan software Notepad++ dan SIMION 8.1 ............................. 22

3.3.2. Pembuatan Geometri Grid dan Window dari Iradiator Elektron Pulsa

(IEP) ........................................................................................................ 22

3.3.3. Pendefinisian dan variasi input .............................................................. 26

3.3.4. Running simulasi .................................................................................... 30

3.4. Teknik Analisis ..................................................................................................... 31

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ............................................................................... 32

4.1. Simulasi Lintasan Berkas Elektron ....................................................................... 32

4.2. Pengukuran Spot Berkas Elektron untuk Variasi Geometri Elektroda .................. 37

4.3. Pengukuran Panjang dan Lebar Berkas Elektron pada Variasi Tegangan dan Arus

Berkas .................................................................................................................... 41

BAB V PENUTUPAN ............................................................................................................ 45

5.1. Kesimpulan ........................................................................................................... 45

5.2. Saran ..................................................................................................................... 46

DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................................. 47

LAMPIRAN............................................................................................................................ 49

xiii

DAFTAR TABEL

Gambar 4.1 Spot berkas elektron sampai pada window untuk variasi geometri

elektroda pada tegangan pemercepat 200 kV dan arus berkas 30 A ..................... 37

Gambar 4.2 Keterangan berkas elektron ............................................................... 40

Gambar 4.3 Hasil pengukuran panjang spot berkas elektron pada variasi tegangan

pemercepat dan arus berkas pada geometri elektroda sudut 45o. ........................... 41

Gambar 4.4 Hasil pengukuran lebar berkas elektron pada variasi tegangan

pemercepat dan arus berkas pada geometri elektroda sudut 45o ........................... 41

Gambar 4.5 Hasil perhitungan luasan spot berkas elektron .................................. 44

xiv

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1 Dioda ion ........................................................................................... 10

Gambar 2.2 Kemungkinan posisi dari batas plasma ............................................. 11

Gambar 2.3 Sistem SEBKP model DUET ............................................................. 12

Gambar 2.4 Elektron terekstraksi dari plasma oleh grid yang memiliki potensial

positif .................................................................................................................... 13

Gambar 2.5 Kondisi batas di antara daerah aliran elektron (beam) dan daerah

bebas muatan ......................................................................................................... 14

Gambar 2.5 Titik-titik pada potential array 2D .................................................... 18

Gambar 3.1 Tahapan simulasi ............................................................................... 21

Gambar 3.2 Desain geometri Iradiator Elektron Pulsa (IEP) menggunakan

Solidworks secara 3D tampak luar ......................................................................... 23

Gambar 3.3 Desain geometri Iradiator Elektron Pulsa (IEP) menggunakan

Solidworks secara 2D pada penampang melintang ............................................... 23

Gambar 3.4 Geometri (a) grid dan (b) window pada IEP ..................................... 24

Gambar 3.5 Perbandingan rancangan homogenisasi lubang grid (a) dan hasil

pembuatan geometri pada SIMION 8.1 setelah dilakukan homogenisasi ............ 25

Gambar 3.6 Tampilan geometri grid dan window pada SIMION 8.1 .................... 25

Gambar 3.7 Geometri grid non elektroda 2D(a) dan 3D (c) .................................. 27

Gambar 3.8 Geometri grid elektroda sudut Pierce 2D(a) dan 3D (c), dan sudut 60o

2D (b) dan 3D (d) ................................................................................................... 27

Gambar 3.9 Geometri grid elektroda sudut 45o 2D(a) dan 3D (c), dan sudut 30

o

2D (b) dan 3D (d) ................................................................................................... 28

Gambar 3.10 Proses Refine ................................................................................... 28

Gambar 3.11 Proses Fast Adjust ............................................................................ 29

Gambar 3.12 Proses input partikel pada define particle ....................................... 29

Gambar 4.1 Garis ekipotensial pada geometri non elektroda (a), elektroda

pemfokus sudut Pierce (b), 60o (c), 45

o (d), dan 30

o (e) ........................................ 32

xv

Gambar 4.2 Garis ekipotensial di daerah pada geometri non elektroda (a) dan

elektroda pemfokus sudut Pierce(b), 60o (c), 45

o (d), dan 30

o (e) ......................... 33

Gambar 4.3 Garis ekipotensial di daerah pada geometri non elektroda (a) dan

elektroda pemfokus sudut Pierce(b), 60o (c), 45

o (d) tampak 3D ......................... 33

Gambar 4.4 Garis ekipotensial di daerah pada geometri elektroda pemfokus sudut

30o tampak 3D ....................................................................................................... 34

Gambar 4.5 Hasil simulasi lintasan berkas elektron tampak 3D, sumbu X-Y (b),

dan sumbu X-Z (c) ................................................................................................. 34

Gambar 4.6 Conton cross-section .......................................................................... 35

Gambar 4.7 Perbesaran pada cross-section ........................................................... 36

Gambar 4.8 Pembelokan lintasan berkas pada perubahan sudut eleketroda

pemfokus ................................................................................................................ 36

Gambar 4.9 Hubungan panjang spot berkas elektron terhadap sudut elektroda,

pada tengangan pemercepat 200 kV dan arus berkas 30 A ................................... 38

Gambar 4.10 Hubungan lebar berkas spot elektron terhadap sudut elektroda pada

tegangan pemercepat 200 kV dan arus berkas 30 A ............................................. 38

Gambar 4.11 Hasil simulasi lintasan berkas elektron pada variasi geometri non

elektroda (a), elektroda Pierce (b), dan elektroda sudut 60o (c) ............................. 40

Gambar 4.12 Hasil fly’m berkas elektron pada variasi geometri elektroda sudut

45o (a) dan elektroda sudut 30

o (b) ......................................................................... 40

Gambar 4.13 Hubungan panjang spot berkas elektron terhadap tegangan

pemercepat pada geometri sudut elektroda pemfokus 45o .................................... 42

Gambar 4.14 Hubungan lebar spot berkas elektron terhadap tegangan pemercepat

pada geometri elektroda sudut 45o ........................................................................ 43

xvi

DAFTAR SIMBOL

= Gaya Lorentz

= Muatan partikel

= Medan listrik/ elektrostatik

= Kecepatan partikel

= Medan magnet

= Momentum

= Perubahan waktu

= Perubahan jarak

= Perbandingan kecepatan cahaya dengan kecepatan partikel

= Energi kinetik

= Kecepatan cahaya

= Beda potensial pemercepat ion

= Rapat arus ion menuju kolektor

= Muatan ion

= Kerapatan plasma

= Suhu elektron plasma

= Massa ion

= Ketetapan Boltzman

( ) = Potensial pada bidang ekipotensial

= Rapat arus emisi

= Tetapan Child

= Sumbu bidang batas daerah berkas (aliran) elektron dengan daerah

bebas elektron arah

= Sumbu bidang batas daerah berkas (aliran) elektron dengan daerah

bebas elektron arah

= perbandingan muatan elektron dengan massa elektron ( ⁄ )

= konstanta dielektrik

= rapat arus berkas elektron

= tegangan yang diberikan pada katoda-anoda

xvii