Simulasi Lintasan Berkas Elektron pada Iradiator Elektron Pulsa (IEP) dengan tegangan Pemercepat 200 kV menggunakan Software SIMION 8.1 - UNS Institutional Repository

  

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

  

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

  

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

  

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.

  

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

  o o o o

  Pierce (67,5 ), sudut 60 , sudut 45 , dan sudut 30 . 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

  o

  geometri elektroda pemfokus sudut 45 , 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

  2 712,7±0,2 cm .

  Kata kunci: Iradiator Elektron Pulsa, berkas elektron, SIMION vii

  

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),

o o o o

electrode geometry with angle 67,5 (Pierce electrode), 60 , 45 , 30 .

  

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

o

the grid geometry with angle 45 . 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

  2 these variations are 712,7±0,2 cm .

  Keyword: Electron Pulse Irradiator, electron beam, SIMION

  viii 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

  

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:

  

  x

  

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

  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

  

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 ..................... 37Gambar 4.2 Keterangan berkas elektron ............................................................... 40Gambar 4.3 Hasil pengukuran panjang spot berkas elektron pada variasi tegangan

  o

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

Gambar 4.4 Hasil pengukuran lebar berkas elektron pada variasi tegangan

  o

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

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

  xiii

  

DAFTAR GAMBAR

  Halaman

Gambar 2.1 Dioda ion ........................................................................................... 10Gambar 2.2 Kemungkinan posisi dari batas plasma ............................................. 11Gambar 2.3 Sistem SEBKP model DUET ............................................................. 12Gambar 2.4 Elektron terekstraksi dari plasma oleh grid yang memiliki potensial positif .................................................................................................................... 13Gambar 2.5 Kondisi batas di antara daerah aliran elektron (beam) dan daerah bebas muatan ......................................................................................................... 14Gambar 2.5 Titik-titik pada potential array 2D .................................................... 18Gambar 3.1 Tahapan simulasi ............................................................................... 21Gambar 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 ..................................... 24Gambar 3.5 Perbandingan rancangan homogenisasi lubang grid (a) dan hasil pembuatan geometri pada SIMION 8.1 setelah dilakukan homogenisasi ............ 25Gambar 3.6 Tampilan geometri grid dan window pada SIMION 8.1 .................... 25Gambar 3.7 Geometri grid non elektroda 2D(a) dan 3D (c) .................................. 27

  o

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

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

  o o

Gambar 3.9 Geometri grid elektroda sudut 45

  2D(a) dan 3D (c), dan sudut 30

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

Gambar 3.10 Proses Refine ................................................................................... 28Gambar 3.11 Proses Fast Adjust ............................................................................ 29Gambar 3.12 Proses input partikel pada define particle ....................................... 29Gambar 4.1 Garis ekipotensial pada geometri non elektroda (a), elektroda

  

o o o

  pemfokus sudut Pierce (b), 60 (c), 45 (d), dan 30 (e) ........................................ 32 xiv

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

  o o o

  elektroda pemfokus sudut Pierce(b), 60 (c), 45 (d), dan 30 (e) ......................... 33

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

  o o

  elektroda pemfokus sudut Pierce(b), 60 (c), 45 (d) tampak 3D ......................... 33

Gambar 4.4 Garis ekipotensial di daerah pada geometri elektroda pemfokus sudut

  o

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

Gambar 4.5 Hasil simulasi lintasan berkas elektron tampak 3D, sumbu X-Y (b), dan sumbu X-Z (c) ................................................................................................. 34Gambar 4.6 Conton cross-section .......................................................................... 35Gambar 4.7 Perbesaran pada cross-section ........................................................... 36Gambar 4.8 Pembelokan lintasan berkas pada perubahan sudut eleketroda pemfokus ................................................................................................................ 36Gambar 4.9 Hubungan panjang spot berkas elektron terhadap sudut elektroda, pada tengangan pemercepat 200 kV dan arus berkas 30 A ................................... 38Gambar 4.10 Hubungan lebar berkas spot elektron terhadap sudut elektroda pada tegangan pemercepat 200 kV dan arus berkas 30 A ............................................. 38Gambar 4.11 Hasil simulasi lintasan berkas elektron pada variasi geometri non

  o

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

Gambar 4.12 Hasil

  fly’m berkas elektron pada variasi geometri elektroda sudut o o

  45 (a) dan elektroda sudut 30 (b) ......................................................................... 40

Gambar 4.13 Hubungan panjang spot berkas elektron terhadap tegangan

  o

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

Gambar 4.14 Hubungan lebar spot berkas elektron terhadap tegangan pemercepat

  o

  pada geometri elektroda sudut 45 ........................................................................ 43 xv

  = 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 xvi xvii