PENENTUAN KRITERIA DESAIN KOMPONEN UTAMA SIKLOTRON …

Penentuan kriteria desain komponen utama siklotron 13 Mev (Drs. Silakhuddin, M. Si.)

PENENTUAN KRITERIA DESAINKOMPONEN UTAMA SIKLOTRON 13 MeV

Silakhuddin

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan, BATAN , Yogyakartae-mail: [email protected]

ABSTRAK

PENENTUAN KRITERIA DESAIN KOMPONEN UT AMA SIKLOTRON 13 MeV. Suatu

bahasan untuk menentukan kriteria-kriteria desain dari komponen-komponen utama siklotron 13 MeVuntuk fasilitas PET (Positron Emission Tomography) telah dilakukan. Oari studi terhadap reaksi-reaksiuntuk menghasilkan radioisotop PET termasuk data tam pang lintang reaksinya dan contoh desain yangada di dunia maka ditetapkan siklotron yang menghasilkan proton dengan energi 13 MeV. Kriteriadesain untuk komponen-komponen utama dibahas menggunakan metode empirik dan semiteoritik sertaacuan-acuan dari desain siklotron PET. Metode empirik dilakukan dengan mengambil data-data danpengalaman operasi siklotron SATAN di Serpong. Metode semiteoritik mengacu pada dasar-dasar teorisiklotron dengan cara langsung menggunakan formula-formula yang sudah lazim. Komponenkomponen yang dibahas meliputi: sumber ion, sistem rf dee, sistem magnet dan ekstraktor. Hasilbahasan menunjuk pad a pilihan siklotron pemercepat ion negatif dengan sumber ion internal. Medanmagnetnya harus mengikuti pola relativistik dengan kutubnya berbentuk sektor-sektor. Oari hasilperhitungan diperoleh kuat medan magnet pada radius ekstraksi sebesar 12,745 kG dan di pusatmagnet sebesar 12,571 kG. Suatu mapping medan magnet diperlukan untuk menentukan nilai indeksmedan magnet guna mencegah te~adinya resonansi osilasi vertikal dan horizontal. Jumlah sektor padakutub magnet sebanyak 4 buah akan cukup leluasa untuk penempatan komponen-komponen sepertidua dee, sumber ion, ekstraktor dan beam probe. Konsekuensinya sudut dee sebesar 45° denganangka harmonik ke 4 dengan frekuensi operasi 78 MHz. Ekstraktor dengan multifoil dipilih untukmendapatkan efisiensi operasi.

Kata kunci: siklotron, PET, ion negatif, sumber ion, sistem rf dee, sistem magnet, ekstraktor multifoil.

ABSTRACT

THE DETERMINATION OF DESIGN CRITERIA FOR A CYCLOTRON 13 MeV MAINCOMPONENTS. The determination of design criteria for a proton cyclotron 13 MeV is discussed. Fromthe result of study on reactions of PET (Positron Emission Tomography) radioisotopes production,reactions cross-section and some design references, a design on proton cyclotron 13 MeV was decided.The design criteria of main components has been discussed using empirical and semitheoreticalmethodes, as well as some references of cyclotron for PET production. The empirical methode hasbeen carried out by using some data from operational experiences of SATAN Cyclotron at Serpong.Semitheoretical methode was carried out by using the common used formulas of cyclotron basic theory.The main components discussed are: ion source, rf dee, magnet, extractor and general layout ofcomponents. The result of discussion guides to a choice on a negative ion acceleration cyclotron withinternal ion source. The magnetic field must follow relativistic mode with sectors on the pole. From thecalculation it was obtained that magnetic field intensity at radius extraction is 12.745 kG and in the

innermost radius is 12.571 kG. A magnetic field mapping is required to determine the value of magneticfield index, so as to a resonance between vertical and horizontal oscillation can be avoided. The magnetpole consists of 4 sectors to make adequate space for components placement such for dees, ionsource, extractor and beam probe. Therefore the dee angle is 45°, using 4th harmonic number andfrequency of 78 MHz. A multifoil extractor is chosen to obtain an efficient operation.

Key words: Cyclotron, PET, negative ion, ion source, rf dee system, magnet system, multifoil extractor.

331

Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi IImiah Jabatan Peneliti

BABJ PENDAHULUAN

ISSN 2087-8079

Penggunaan siklotron untuk memproduksi radioisotop secara komersial telahmengalami beberapa tahapan generasi. Siklotron komersial generasi pertama sangat serupadengan siklotron-siklotron untuk riset. Generasi ini ditandai dengan pemercepatan ion positifdan penempatan target di dalam tangki siklotron secara langsung, bahkan di daerah magnetdi mana berkas partikel dipercepat tanpa melalui proses ekstraksi keluar dari orbit. Pada

sistem seperti ini terjadi sering dibukanya tangki siklotron untuk menpambil dan memasangkembali target dan radiasi yang ekstra tinggi di dalam tangki siklotron [ ,2J.

Generasi berikutnya ditandai dengan dilakukannya proses ekstraksi berkas partikelke luar orbit dan diarahkan ke target, baik target ditempatkan pada tepi tangki vakum maupunditeruskan ke saluran berkas. Proses ekstraksinya menggunakan deflektor elektrostatik padaion positif yang dipercepat. Pada sistem ini masih terjadi cukup tinggi radiasi residu yangterjadi di dalam tangki siklotron karena proses ekstraksi yang tidak sempurna.

Perkembangan yang merupakan langkah agak maju dan langkah antara ke generasiketiga adalah digunakannya ion negatif untuk dipercepat dan proses ekstraksi dilakukandengan proses stripping ion negatif pada foil karbon. Keunggulan relatif pada sistem iniadalah radiasi residu di dalam tangki siklotron sudah banyak dikurangi karena prosesekstraksi menggunakan foil dapat mendekati 100%. Sampai batas perkembangan ini,geometri siklotron masih agak besar karena susunan komponen yang belum kompak.Siklotron CS30 BATAN di Serpong buatan CTI adalah salah satu contoh dari generasi ini.

Siklotron komersial generasi ketiga dimulai pada pertengahan tahunsembilanpuluhan, dengan menawarkan sistem yang lebih kompak dan radiasi residu lebihrendah yang secara ekonomik akan mengurangi biaya-biaya instalasi dan proteksi radiasiyang cukup berarti. Aplikasi dari siklotron generasi ini dimaksudkan untuk memproduksiradioisotop-radioisotop berumur sangat pendek yang harus ditempatkan secara in situ ditempat-tempat fasilitas diagnostik, misalnya untuk fasilitas teknik PET (Positron EmissionTomography). Perkembangan terbaru dari generasi ini belum luas digunakan adalahkembalinya pada pemercepatan ion positif dan penggunaan proses self extraction padaproses ekstraksi. Pengembangan ini didasarkan pada kenyataan bahwa produksi berkas ionpositif jauh lebih besar dibandingkan berkas ion negatif di dalam sumber ion. Desain terakhirini memungkinkan intensitas berkas ion yang diekstraksi akan cukup besar sehingga akanmemberikan dampak komersial yang lebih unggul. Perusahaan IBA Belgia merupakan salahsatu pelopor dalam desain terbaru ini [1].

Studi desain siklotron di PTAPB BATAN mulai dilakukan untuk menanggapikecenderungan pemakaian siklotron dalam fasilitas diagnosis dengan teknik PET di rumahsakit di Indonesia. Suatu kelompok kegiatan telah dibentuk untuk dapat membuat suatudokumen BEDP (Basic Engineering Design Package) Siklotron 13 MeV untuk PET yangdimulai awal tahun 2009 dan direncanakan selesai pada tahun 2014. Penentuan kriteriadesain ini adalah merupakan tahapan awal dari kegiatan tersebut. Hasil dari penentuan

kriteria desain ini merupakan hasil iterasi pertama dan dapat berkemban~ di waktu kemudian.Ada empat radioisotop penting yang digunakan dalam teknik PET yaitu 1c,150,13Ndan 18F.Untuk maksud ini, dengan digunakan target-target yang diperkaya 180, 15Ndan 13Cyangdapat diperoleh secara komersial [3].

Pembahasan untuk menentukan kriteria desain menggunakan metode empirik yaituberdasar atas pengalaman operasi siklotron BATAN Serpong dan acuan-acuan desain didunia, dan metode teoritik yaitu menggunakan secara langsung formula-formula dasar yanglazim digunakan dalam siklotron. Tujuan dari pembahasan ini adalah dapat diperoleh suatuacuan awal untuk pembuatan desain dasar (basic design) dari sikloron untuk fasilitas PET,dengan sasarannya adalah diperoleh data tentang jenis dan spesifikasi umum darikomponen-komponen utama siklotron.

Kriteria desain yang akan dibahas meliputi komponen-komponen utama dan spesifikuntuk siklotron yaitu sumber ion, magnet, sistem rf dee dan ekstraktor. Tidak dibahas di sinisistem vakum yang merupakan sistem yang umum walaupun memegang peran yang sangatpenting. Pembahasannya juga tidak sampai pada masalah-masalah desain teknis danmaterial. HasHdari pembahasan ini diharapkan dapat dimanfaatkan bagi penyusunan dasardasar desain yang lebih rind.

332

Penentuan kriteria desain komponen utama siklotron 13 Mev (Drs. Silakhuddin, M.Si.)

BAB II DASAR-DASAR TEORI SIKLOTRON

2.1. Prinsip Dasar Pemercepatan Dalam Siklotron [4]

Siklotron beroperasi berdasarkan pemercepatan partikel bermuatan pada daerah gappotensial di antara dua elektroda dee yang berlangsung berkali-kali karena dua elektrodatersebut mempunyai potensial yang senantiasa berlawanan dalam frekuensi rf(radiofrequency). Prinsip operasi siklotron ditunjukkan pada Gambar 1.

edan magettegak

urus

Top View r = (mv)/ (qB)

osilatorrf

(1)

Gambar 1. Skema pemercepatan partikel di dalam siklotron

Pada arah tegak lurus bidang pemercepatan dipasang medan magnet sehinggamembuat gerak bolak-balik tersebut berbentuk lingkaran dengan radius r = mv/qB dengan mmassa partikel, v kecepatan partikel, q muatan partikel dan B kuat medan magnet. Karenasetiap kali setelah partikel melintas di antara 2 dee kecepatannya bertambah sehinggaradiusnya juga bertambah dan gerakan partikel akan berbentuk spiral. Semakin besar radiuspartikel energinya juga semakin besar dan akan mencapai maksimumnya pad a radiusmaksimum dari dee, yang kemudian diekstraksi keluar dari orbit.

Agar terjadi pemercepatan siklik secara stabil di dalam siklotron, harus dipenuhiadanya sinkkronisasi antara frekuensi pemercepat rf dari dee dengan gerakan revolusipartikel bermuatan dalam medan magnet yang dinyatakan dalam formulasi

qBf=-2rrm

dengan ffrekuensi rf dari dee (yang sama dengan frekuensi revolusi partikel), q muatan listrikpartikel, B kuat medan magnet dan m massa partikel. Untuk proton, dengan memasukkanmuatan dan massa proton, formula (1) menjadi

fp = 1,53 B

dengan fp dalam satuan MHz dan B dalam satuan kG. Untukpemercepatan maksimum R, energi maksimum yang dicapai adalah

q2 B2 R2E = -'----2m

untuk proton formula (3) memberikan

E = 04882 R2l' J

(2)

siklotron dengan radius

(3)

(4)

dengan Epdalam satuan MeV, B dalam satuan kG dan R dalam satuan meter.Kenaikan energi partikel pada radius yang lebih tinggi menyebabkan kenaikan massa

relativistik, maka agar tetap terjaga sinkronisasi antara frekuensi revolusi partikel denganfrekuensi rf dari dee maka nilai f harus dibuat tetap, konsekuensinya nilai B pad a persamaan

333

Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi IImiah Jabatan Peneliti ISSN 2087-8079

(5)

(1) harus ikut naik seiring naiknya nilai m yang sesuai dengan kenaikan radius revolusi. Jikamo adalah massa awal (= massa rehat) partikel berubah menjadi massa relativistik m" Boakan berubah menjadi B(r), dan harus berlaku hubungan

moc:+ E(r) B(r)

moc2 = Bo

di mana E(r) energi kinetik pada radius r, Bo medan magnet di r = 0 (pusat magnet) dan c.,kecepatan cahaya. Dengan menuliskan moc-= Eo, formula (5) ditulis

BeT) = BC) (1 + E(r))Eo

(6)

Kuat medan magnet dalam siklotron dibuat semakin besar dengan bertambahnya radiussesuai dengan kenaikan massa relativistik dari partikel yang dipercepat. Kondisi inidimaksudkan agar tetap sinkronnya revolusi gerak partikel dengan perubahan fase tegangandee atau sistem rf, dan pola medan magnet yang demikian disebut isokronus (isochronous).Formulasi lain dari medan magnet isokronus B(r) sebagai fungsi radius r adalah

BeT) = , 4~ pr7 (7)----c::-

dengan ffrekuensi rf dari dee.

2.2. Optika Dalam Medan Magnet [5]

Medan magnet isokronus tidak lagi seragam tetapi terjadi gradiensi dalam arah radialbaik besar maupun arahnya. Jarak kedua kutub atas dan bawah semakin dekat untuk radius

yang semakin besar dan gradiensi dalam arah menimbulkan komponen radial. Interaksi gayaLorentz komponen radial medan magnet (B,) dengan kecepatan partikel bermuatan q dalamarah tangensial (v) mengakibatkan terdorongnya partikel dalam arah vertikal (z). Gaya dorongtersebut menimbulkan gerakan partikel dalam arah vertikal yang dapat dinyatakan dalampersamaan

(8)

dengan

(9)

Jika n positif maka partikel akan mengalami gerak osilasi secara vertikal dengan frekuensi

sudut Wz = w-/n dan akan mengalami gerakan eksponensial naik atau keluar jika n negatif.Jadi syarat terjadinya kestabilan dinamik dari orbit secara aksial atau vertikal adalah

n>O (10)

Didefinisikan suatu parameter yang merupakan perbandingan antara frekuensi osilasi vertikal

dengan frekuensi orbit Uz = Wz = ...fir.W

Gradiensi besarnya medan magnet aksial ke arah radial menimbulkan gerakanpartikel dalam arah radial yang persamaan geraknya dinyatakan sebagai

(11 )

Bila n < 1 maka partikel akan berosilasi radial dengan frekuensi W,= WV 1 - n dan jika n>1 partikel akan bergerak secara eksponensial. Agar terjadi kesetimbangan yaitu tidak terjadigerakan eksponensial naik maka syarat yang harus dipenuhi adalah

n<1 (12 )

Jadi dari persamaan (10) dan (12) dapat diperoleh bahwa agar terjadi kesetimbangandalam arah aksial dan radial adalah:

334

Penentuan kriteria desain komponen utama siklotron 13 Mev (Drs. Silakhuddin, M.Si.)

O<n<1 (13)

Perbandingan antara frekuensi osilasi radial dengan frekuensi orbit: u,= w" = ...;1 - n .w

2.3. Medan Magnet Bervariasi Secara Azimut

cB

Pad a medan magnet isokronus di mana gradien pada arah radial r yaitu a: bernilaipositif, maka n yang pada persamaan (11) bernilai negatif, yang berarti berkas mengalamipenyebaran secara eksponensial. Kondisi demikian tidak dikehendaki supaya berkas tetapterkungkung selama pemercepatan. Untuk mencegah penyebaran berkas partikel padamedan magnet isokhronus murni maka diperkenalkan medan magnet yang intensitasnyabervariasi secara periodik dalam arah azimut atau yang disebut Azimuthally Varying Field(AVF).

Siklotron yang sekarang banyak digunakan adalah tipe siklotron dengan medanmagnet yang bervariasi periodik sepanjang arah azimut. Berbeda dengan siklotron padagenerasi awal di mana medan magnetnya seragam, siklotron AVF mempunyai variasi secaraazimut yang merupakan peningkatan yang menonjol atas siklotron medan magnet seragam.Variasi tersebut ditambahkan pada medan magnet dengan melekatkan sisipan berbentukirisan juring pada posisi azimutal periodik pada kutub magnet. Bagian sisipan dinamakan hill(bukit) yang bermedan magnet lebih kuat dan sisanya disebut valley (Iembah) yangbermedan magnet lebih lemah. Tujuan variasi medan magnet seperti ini adalah untukmenjaga terkungkungnya berkas ion yang dipercepat di sekitar median plane pemercepatan.Skema dari kutub magnet model AVF diperlihatkan pada Gambar 2 [6J •

./ Kutub, magnet

Gambar 2. Penampang kutub magnet model A VF

Komponen medan magnet horizontal memberikan pemokusan vertikal. Hal ini dimungkinkanuntuk mengkompensasi indeks medan negatif rata-rata akibat kenaikan medan magnetdengan naiknya radius. Dengan pemilihan unsur pemokusan dan variasi indeks medan,variasi medan magnet mengimbangi kenaikan mass a relativistik dan menghasilkan frekuensirevolusi yang konstan. Suatu siklotron AVF dengan kelakuan seperti ini dinamakan siklotronisokronus. Keuntungan tambahan dari siklotron AVF adalah pemokusan vertikal yang lebihkuat memungkinkan intensitas berkas yang lebih tinggi.

Gerak partikel pada daerah hill akan mempunyai radius gerakan yang lebih kecil danakan lebih besar pada daerah valley, sehingga gerakan satu siklus akan berbentuk poligonseperti ditunjukkan pada Gambar 3 dan pada Gambar 4 ditunjukkan bentangan dari hill danvalley [5] .

335


Valley

v

ISSN 2087-8079

H

~ IRfl I

IIi

~ - -!...2 - 2N

Bo

o

Gambar 3. Gerakan partikel dalam hill dan valley

11'

Gambar 4. Bentangan hill dan valley

8

Sistem hill dan valley ini dalam siklotron berfungsi untuk menjaga agar berkas tetapterfokus secara vertikal di sekitar orbit kesetimbangan melalui proses pemfokusan kuat yangdisebut Thomas focussing.

2.4. Pemercepatan Oleh Sistem RF Dee

Oalam siklotron dengan 2 dee bersudut 180°, energi tambahan (gain energy) protonper putaran adalah

b..E=4 Vdeecoscp (14)

dengan L1E energi tambahan dalam eV, Vdee adalah tegangan puncak dee dalam volt dan cp

adalah bed a fase terhadap fase puncak dari tegangan dee sewaktu partikel berada pada tepimasuk ke dee atau keluar dari dee.

Bentuk dari dee pada siklotron modern tidak lagi bersudut 1800 tetapi kurang dari 900

untuk penempatan komponen-komponen secara leluasa. Lebih lanjut untuk mengurangi jarakantar kutub magnet, penempatan dee berada pada posisi valley dari sektor magnet, danbesar sudutnya kira-kira sama dengan sudut dari valley. Bila sudut dari dee sebesar e,medan listrik di antara tepi dee tidak lagi lurus melainkan membentuk sudut dari arah semula

sebesar (1800 - 8)/2 = (900 - el2), dan formula pad a persamaan (14) menjadi

b..E = 4 Vdee sin (el2) cos cp (15)

Untuk mengefisienkan pemercepatan dalam hal ini mempertinggi b..E tanpa memperpesarVdee maka nilai (e/2) dinaikkan dengan mengalikan bilangan bulat h sedemikian sehingga

nilainya menjadi mendekati 90°. Secara umum untuk sudut dee e, formula (14) ditulis [7,8]

336

Penentuan kriteria desain komponen utama siklotron 13 Mev (Ors. Silakhuddin, M. Si.)

~E = 4 Vdss sin (h X e /2) cos i.p (16)

Untuk menerapkan formula terse but, frekuensi dari tegangan dee dibuat h kali frekuensirevolusi partikel. Nilai h disebut sebagai angka harmonik dari rf.

BAB III PENENTUAN KRITERIA DESAIN

3.1. PersyaratanDesain

3.1.1. Oesain penggunaan

Oalam dokumen Safety Reports Series No. 58 yang dikeluarkan oleh IAEAdisebutkan tentang jenis radioisotop utama yang digunakan dalam pencitraan dengan teknikPET seperti diperlihatkan pada Tabel1.

Tabel1. Radioisotop utama untuk pencitraan teknik PET

Radioisotop Waktu paro, menitEnergi gamma, MeV18F

109,80,63311C

20,40,95913N

9,961,194150

2,041,738

Karena waktu paronya yang tidak terlalu singkat dan energi sinar gammanya yangpaling rendah maka radioisotop 18F yang paling banyak penggunaannnya dalam bentuksenyawa radiofarmaka yang disebut FOG (fluoro deoxy glucose). Oalam dokumen tersebutjuga disebut kelaziman kuantitas FOG yang diinjeksikan kedalam pasien sebesar 185-555MBq (5-15 mCi) untuk pencitraan seluruh tubuh (whole body imaging).

Menurut IAEA-Tecdoc-1605 (October 2008), radiosotop-radioisotop pemancarpositron tersebut dihasilkan melalui penembakan berkas partikel bermuatan pada target yangsesuai. Partikel-partikel tersebut dipercepat dengan suatu linear accelerator (linac) ataupunsiklotron ukuran kecil (baby cyclotron). Siklotron dapat berupa fasilitas yang seflshieldedataupun fasilitas masif dalam suatu ruangan yang diperisai.

3.1.2. Persyaratan jenis, energi dan arus berkas partikel

Pemancaran positron terjadi karena pada intinya terjadi reaksi peluruhan positron,yaitu perubahan proton menjadi neutron disertai pemancaran positron dan neutrino. Prosesdemikian terjadi pada inti-inti yang tidak stabil karena jumlah proton di dalam inti tersebutyang masih melebihi jumlah neutronnya, sehingga memerlukan perubahan proton menjadineutron. Sehingga untuk membuat inti tidak stabil tersebut, pad a partikel stabil ditembakidengan proton.

Pad a Tabel 2 dapat terlihat tentang keperluan reaksi nuklir dan arus berkas dan yieldradioisotop untuk keperluan teknik PET yang dirancang oleh TRIUMF Vancouver Canada [3].

Tabel 2. Keperluan arus berkas proton untuk produksi pemancar positron

Reaksi AktivitasArus Berkas (Ep =11 MeV)15N(p,n)150

500 mCi (T1/2=2 men it)8 IJA160(p,a)13N

200 mCi (T1/2=10 menit)30 IJA14N(p,a)11C

1 Ci (T1/2=20 men it)25 IJA180(p,n)18F

1 Ci (T1/2=110 menit)15 IJA

Siklotron KIRAMS 13 dari Korean Insitute of Radiolo~ical and Medical Scienceberoperasi dengan energi proton 13 MeV dan arusnya 20 IJA J. Rumah sa kit pertama di

337


Indonesia yang memasang fasilitas siklotron untuk PET yaitu RS Gading Pluit, siklotronnyaberoperasi dengan energi proton 9,6 MeV dan arusnya 50 IJA [9]. Pengamatan pada datatampang lintang reaksi seperti pada Lampiran 1, 2 dan 3 dapat terlihat bahwa dengan berkasproton berenergi 13 MeV eukup untuk mendapatkan integrasi energi yang eukup besar. Halini karena pada proses produksi radioisotop berlaku rumusan thick target yield di mana

semakin luas daerah integrasi ener~i yang dapat dijangkau akan menghasilkan yield yanglebih besar. Khusus untuk produksi 8F, pada energi di atas 13 MeV kurva tampang lintangreaksinya sudah eukup turun sehingga hasil integrasinya tidak terlalu memberikan kontribusi.

Atas dasar aeuan-aeuan tersebut dan didukung pengamatan pada kurva tampanglintang reaksi maka penetapan energi berkas proton 13 MeV dengan arus 50 IJA adalaheukup memadai. Dengan demikian kriteria dasar dari komponen utama siklotron adalah

1. Partikel yang dipereepat : proton2. Energi proton : 13 MeV3. Arus berkas proton terekstraksi : 50 IJA

3.1.3. Persyaratan keselamatan

Reaksi dari partikel proton yang dipereepat dengan medium atau material di fasilitassiklotron akan menimbulkan radiasi khususnya sinar gamma. Fasilitas siklotron medikumumnya diklasifikasikan pada yang self-shielded dan non self-shielded. Pad a jenis pertama,pada siklotron disertakan perisai berat di sekelilingnya. Dengan mengaeu pada dokumenRadiation Protection in PET/CT yang dikeluarkan oleh IAEA, perisai tersebut berupa magnetbaja silinder setebal 15 em atau dari air yang didoping boron (boron-doped water) setebal 68em. Pada jenis kedua di mana siklotron ditempatkan pada suatu ruangan, dinding ruangandari beton setebal 60 em.

Konstruksi komponen-komponen di dalam siklotron dibuat sedemikian hingga dapatdiminimalkan timbulnya paparan radiasi residu. Pemilihan material juga didasarkan padasifatnya yang mempunyai tampang lintang reaksi dengan proton yang relatif lebih ked!.

3.2. Basis Desain

Hingga saat ini belum ada pembakuan mengenai desain komponen-komponensiklotron. Kriteria desain yang disusun ini mengaeu pad a desain siklotron jenis KIRAMS (theKorea Istitute of Radiological and Medical Sciences), hal ini karena dokumen-dokumen yangmemuat informasi tekniknya relatif lebih banyak dibandingkan jenis yang lain. Fasilitassiklotron KIRAMS juga sudah masuk dalam dokumen Directory of "Cyclotrons Used forRadionuclide Production in Member States, 2006 Update" yang dikeluarkan IAEA dalamtahun 2007. Adapun pokok-pokok desain dari siklotron jenis KIRAMS adalah [7.8.10]

a. Pemereepatan ion negatifb. Sumber ion internal

e. Jumlah dee 2 buah, angka harmonik 4d. Sektor magnet berjumlah 4 (simetri 4).

3.3. Metodologi

1. Metode empirik, berdasar pengalaman operasi siklotron CS-30 BATAN daninformasi-informasi yang diperoleh dari pustaka tentang operasi fasilitas siklotronlainnya serta hasil komunikasi pribadi dengan tenaga ahli dalam teknologisiklotron

2. Metode semiteoritik, tidak dianalisis berdasar teori fisika siklotron akan tetapiberdasar formula-formula yang lazimnya dipakai dalam desain siklotron

3. Metode simulasi, menggunakan computer code dalam hal ini program PoissonSuperfish untuk menentukan distribusi medan magnet dan medan listrik.

3.4. PenentuanSpesifikasi

3.4.1. Jenis pemercepat

Untuk menghasilkan proton dari suatu siklotron, dapat digunakan siklotronpemereepat ion positif (selanjutnya disingkat SPIP) dan siklotron pemereepat ion negatif

338

Penentuan kriteria desain komponen utama siklotron 13 Mev (Ors. Silakhuddin, M.Si.)

(disingkat SPIN). Pada Tabel 3 diperlihatkan perbandingan karakteristik antara SPIP danSPIN.

Tabel 3. Karakteristik kualitatif SPIP dan SPIN

Parameter SPIPSPIN

1.

Kestabilan kurangbaik2.

Keperluan kevakuman lebih rendahtinggi3.

Efisiensi ekstraksi rendahtinggi4.

Paparan radiasi residu tinggirendah

Karena ada 3 keunggulan yang dimiliki pad a SPIN yaitu dari segi kestabilan, efiseiensiekstraksi dan paparan radiasi radiasi residu, maka SPIN menjadi pilihan yang ditetapkan.

3.4.2. Sumber Ion

3.4.2.1. Sistem internal dan eksternal

Dua metode untuk menginjeksikan ion ke dalam ruang pemercepatan adalah secarainternal dan eksternal. Sumber ion internal ditempatkan di dalam tangki vakum dankomponen utamanya yaitu ruang ionisasi (ruang plasma) pada bagian pusat pemercepatan.Komponen ini ditopang oleh holder yang menghubungkan dengan komponen penggerakposisi yang berada di luar tangki vakum. Saluran injeksi gas ke dalam ruang ionisasi dansaluran air pendingin dilekatkan pada holder ini.

Pada sumber ion eksternal, seluruh komponen sumber ion berada di luar tangkivakum. Berkas ion yang dihasilkan kemudian diinjeksikan dengan permercepatan awalhingga beberapa puluh kV melalui komponen inflektor ke dalam ruang pemercepatan.Inflektor berfungsi untuk mengubah arah injeksi yang vertikal menjadi arah gerakan horizontalsetelah berada di dalam ruang siklotron.

Pada Tabel 4 ditunjukkan perbandingan kualitatif antara sistem sumber ion internaldan eksternal.

Tabel 4. Perbandingan kualitatif sistem sumber ion internal dan eksternal

Parameter Sistem InternalSistem Eksternal

1. Konstruksi

sederhanalebih rumit2. Efisiensi berkas ion

lebih tinggirendah3. Pembebanan vakum

besarlebih kedl4. Paparan radiasi

lebih tinggirendah

5. Biaya investasilebih rendahtinggi

6. Biaya perawatanlebih rendahlebih tinggi

Dengan pertimbangan keunggulan yang lebih dalam hal konstruksi sederhana, efisiensiberkas ion yang tinggi dan biaya, biaya investasi dan perawatan yang lebih rendah, makasistem internal merupakan spesifikasi yang dipilih.

3.4.2.2. Jenis sumber ion

Beberapa tipe sumber ion mempunyai intensitas tinggi untuk menghasilkan H- yangdapat digunakan secara eksternal, seperti jenis duoplasmatron, sumber Ehlers, PIG (PenningIon Gauge) katode dingin dan multicusp. Opsi untuk tipe internal terbatas pada PIG katodadingin dan jenis Ehlers. Cara kerja kedua jenis sumber ion hampir sama, perbedaannyaadalah diperlukan katoda panas pada jenis Ehlers.

Jenis sumber ion jenis PIG lebih sederhana dibanding jenis Ehlers, sehingga secarasederhana dapat diperkirakan bahwa biaya yang diperlukan untuk jenis PIG akan lebih kedl.Jenis PIG dipilih dalam desain ini.

339


3.4.2.3. Posisi sumber ion

ISSN 2087-8079

Oitinjau dari pemasangan sumber ion internal, dapat seeara radial yaitu dari sisisam ping tangki siklotron ataupun seeara aksial dari puneak tengah magnet. Ataspertimbangan kemudahan dalam perawatan maka dipilih pemasangan seeara radial.

3.4.2.4. Keluaran arus berkas sumber ion

Oalam proses pemereepatan siklik pad a tangki siklotron, sebagian berkas akanhilang dalam perjalanan akibat tumbukan dengan molekul-molekul gas sisa, proses inidikenal dengan stripping lost. Besar stripping lost untuk beda radius tertentu ditentukan olehkerapatan molekul gas sisa yang berarti ditentukan oleh tingkat kevakuman pada tangkisiklotron (P). Tingkat kevakuman pada siklotron untuk fasilitas PET umumnya berkisar pada10.6 Torr. Beberapa eontoh, fasilitas-fasilitas berikut beroperasi dengan kevakuman:~ ~ ~PETraee 5 x 10 Torr, MiniTraee 5 x 10 Torr, ROS-111 3 x 10 Torr dan Cyclone 10/53 x

10.6 Torr [11]. Parameter-parameter lain yang menentukan adalah besar gain energy (t.Vo)yaitu besarnya tambahan energi pada partikel untuk satu kali periode putaran partikel padasiklotron. Jika arus berkas ion terekstraksi yang diperlukan minimal sebesar 'eks pada radiusReks, maka arus berkas minimal keluaran dari sumber ion pada puller dari dee '1 pada radiusR1 dapat dihitung dengan rumus [12.13]

I = I e .dV 0 (1 7)skz 1

dengan P kevakuman dalam satuan 10.6 Torr dan t.Vo tambahan energi berkas per satusiklus pemereepatan dalam satuan MeV dan Reks dan R1 dalam meter. Oengan arus berkasterekstraksi 'eks = 50 !-lA, di anggap P = 1. 10.6Torr, R1 = 0,015 m dan perkiraan Reks dan t.Vamasing-masing 0,41 m dan 0,16 MeV, maka besar minimum dari arus berkas ion yang keluardari sumber ion 11 adalah

SO

I1 = e-O,02074

501=--1 0,97947

11 = 51,048 ItA

Jadi untuk mendapatkan arus terekstraksi 50 !-IA eukup diperlukan arus keluaran sumber ion51,05 !-lA, dengan eatatan bahwa pemereepatannya sempurna.

3.4.3. Magnet

3.4.3.1. Kuat medan magnet

Untuk menentukan kuat medan magnet didasarkan pada formula (2) denganmenentukan dulu nilai f yaitu frekuensi dari sistem rf. Oi pasaran suatu tabung rf yangberoperasi pada daerah 100 MHz dapat diperoleh, tetapi penetapan f dihindari dari daerahfrekuensi komunikasi radio siaran untuk menghindari keboeoran yang dapat mengganggupenggunaan komunikasi publik. Jika diambil frekuensi rf pada frekuensi dasar f = 19,5 MHz,maka berdasar formula (2) nilai kuat medan magnet

19,5B = -- = 12 745 kG.

1,53 '

Jika Bmaks=12, 745 kG ditetapkan sebagai medan magnet rata-rata pada radius terluar (radiusekstraksi berkas partikel) dan pada radius ini diharapkan energi proton sebesar 13 MeV,maka berdasarkan persamaan (4) radius ekstraksi sebesarR = 40,8 em.

340


Untuk Biso = Bmaks = 12,745 kG yang bersesuaian dengan energi kinetik maksimumE(rmaksJ = 13 MeV, dan dengan memasukkan massa rehat protonEo = 938,256 MeV, maka dengan menggunakan formula (6) kuat medan magnet di daerahpusat akan sama dengan

Be= 12,571 kG.

Kuat medan harus mengikuti pola kenaikan massa relativistik sebagai fungsi radiusyang mengikuti persamaan (7) dengan intensitas awal Bo = Be dan intensitas maksimum dariBr sebesar Bmaks.

3.4.3.2. Simulasi menggunakan Superfish

Sebelum ini sudah ditetapkan radius ekstraksi yaitu sebesar 40,8 em dan ini adalahbatas di mana medan magnet masih sedapat mungkin relatif homogen. Kutub magnetsesungguhnya harus dibuat lebih besar dari radius ekstraksi. Titik batas homogenitas medanmagnet sangat ditentukan oleh gap di antara permukaan kutub. Dengan menggunakan gapsebesar 6 em, hasil dari analisis Superfish menunjukkan bahwa jika diinginkan pada radiusekstraksi 40,8 em merupakan batas homogenitas medan magnet, maka radius kutub magnetharus dibuat sebesar 45 em. Hasil simulasi ditunjukkan pada Gambar 5.

IB-I180.----

------....-- I

---- ~--. - - .•.....•

~-u ....j\

/ ~-~::- ' . ..-~ --._-u---- _~_ I~£o" -:;::::::::."':' ::::::::-:--.. ~- '.."- /~:.------ - -

-'';':--=--=====--~ '-, "~:~~~ "-.',",' \

'//

"]

/ / ~~-~<~>.~~,

'.,~/';/ ~~~~~:~~~ .'

["I 0- ~?~b~~~~\' I: %'-,",,§E ': ~ ~ \

<:::~/'~:-~ ~,~,.,"~ %'"'~='~,. '~/ ~ - ~~~~ ••_::-\'<.. ~~:,.~~~~~.10

,. ,-~~.~.\"10

-10

-10

-aD -£0 -10 -18 10 10 80 100

-10

-10

Gambar 5. HasH simulasi dengan program Superfish pada magnet model H siklotron

3.4.3.3. Sektor-sektor magnet

Intensitas medan magnet yang sudah dihitung di atas masih merupakan medanmagnet isokhronus rata-rata. Agar terjaganya stabilitas berkas selama pemereepatan,magnet dibuat sektor-sektor. Dengan adanya sektor-sektor maka berkas partikel senantiasaterjaga diameternya di sekitar orbit kesetimbangan. Semakin besar bed a medan magnetantara hill dan valleyakan semakin besar komponen medan magnet tangensial Be. Semakinkuat bedan medan tersebut maka semakin besar sudut yang terbentuk antara arah orbit realdan orbit kesetimbangan ketika berkas melewati batas hill dan valley, yang berarti semakinbesar komponen keeepatan ke arah radial vr. Dan akhirnya gaya Lorentz yang mengungkungpartikel di sekitar orbit kesetimbangan semakin kuat.

Jumlah sektor ditentukan dengan mempertimbangkan penempatan komponenkomponen: 2 buah dee, sumber ion, ekstraktor dan beam probe. Dua buah dee memerlukanruang pada 2 valley. Ekstraktor yang mengekstraksi berkas ke arah 3 buah targetmemerlukan gerak azimut seeara leluasa sehingga memerlukan ruang pad a valley tersendiri.Kemudian sumber ion dan beam probe dapat menempati satu valley. Sehingga diperlukan 4valley di dalam kutub magnet. Dengan empat sektor (N = 4) yang simetri, sehingga masing-

341

Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi I/miah Jabatan Peneliti ISSN 2087-8079

masing hill dan valley bersudut 45°, Tetapi agar ruang valley dapat dimasuki dee seeara

penuh, maka sudut valley dibuat sedikit lebih besar yaitu 46,5° dan sudut hill 43,5°.Jarak antara hill ditetapkan berdasarkan pertimbangan bahwa jaraknya sedekat

mungkin untuk mendapatkan kuat medan magnet yang besar tetapi masih harus lebih besardari 2 kali amplitudo osilasi berkas partikel yang berdasarkan aeuan adalah 3 em. Untuk itudi sini ditetapkan jarak antara hill adalah dh = 4 em. Hubungan medan magnet rata-rata Bodengan medan magnet di pusat hill Bh dan medan magnet di pusat valley Bv dinyatakandalam formula [7J:

Zn N8h N8v- .----T--Bo Bh Bv (18)

di mana Bh dan Bv masing-masing adalah sudut pelengkungan partikel pada hill dan valley.Untuk mengetahui besarnya Bh dan Bv diperlukan formulasi yang eukup rumit, dan untukpendekatan Bh dan Bvdianggap sama dengan sudut hill dan valley. Medan magnet rata-rata(Bo) pada radius terluar yaitu sebesar Bmaks = 12,745 kG, maka dari persamaan diatas didapat:

yaitu:

0,157 = 0,967 I l,a:a:a---Br.. I ~,

Nilai Bh ditetapkan sebesar 19,9 kG (yang masih di bawah nilai kejenuhan pad a 21kG), maka nilai Bv menjadi sebesar 9,3 kG. Selanjutnya berdasarkan kesebandingan:

B.jBh= dtldv

maka diperoleh jarak antara valley sebesar dv= 8,5 em.

3.4.4. Sistem RF dee

3.4.4.1. Geometri dee, angka harmonik dan frekuensi operasi

(19)

Geometri di sini adalah sudut dan radius dee. Besar sudut dari dee mengikuti besarsudut valley. Bila diambil konstruksi simetri 4 di mana ada 4 hill dan 4 valley, 2 dee dapatdipasang di 2 valley dan 2 valley yang lain dapat dipasang sumber ion dan beam probe.

Sudut valley tersebut ditentukan 46,5° dan juga sudut dee (B) dibuat kurang sedikit yaitu

sebesar 45°, maka berdasar formula (16) di atas di mana diperlukan sudut (h x B/2) sebesar

90° untuk kondisi paling efisien, maka angka harmoniknya h = 4. Frekuensi revolusi partikelyang telah dipilih pada sistem magnet adalah sebesar 19,5 MHz, berarti operasi rf daritegangan dee adalah 4 x 19,5 MHz = 78 MHz.

Radius dee menentukan energi maksimum dari proton yaitu sebesar 13 MeV yaitudieapai pada radius 40,8 em, dan radius dari dee dibuat sedikit lebih besar yaitu 42 em.Besarnya gap Uarak permukaan atas dan bawah dari dee) ditentukan sebesar 3,5 em, yaitusedikit lebih besar dari 2 kali amplitudo dari osilasi vertikal dari berkas partikel yangberdasarkan aeuan sekitar 3 em. Dengan memperhitungkan ketebalan bahan dee dansaluran pipa pendingin air sebesar kira-kira 0,75 em, ketebalan total dee menjadi 5,5 em.Mengingat gap pada valley magnet sudah ditetapkan sebesar 8,5 em, maka jarak antarapermukaan dee dengan permukaan valleyadalah sebesar 1,5 em.

3.4.4.2. Tegangan dee

Tegangan dee akan menentukan seberapa banyak revolusi partikel hingga meneapaienergi maksimum. Semakin keeil tegangan dee akan semakin banyak jumlah putaran danberkonsekuensi rapatnya jarak antar putaran yang bertetangga menu rut hubungan [14,15]

b.R '" (M) (2q Vo sin 'Ps IE)

342


dengan f1R jarak pisah pada radius R, q muatan ion, CPs adalah lebar fase partikel relatifterhadap fase rf, Va tegangan puneak dee dan E energi partikei. Oari formula terse but, jarakpisah berbanding lurus dengan radius dan berbanding terbalik dengan energi, tetapi karenaenergi berbanding kuadrat dengan radius maka sebagai hasH akhir jarak pisah berbandingterbalik dengan radius. Ini berarti pada energi maksimum yang dieapai pad a radiusmaksimum, daya pisah akan paling keeil pada energi maksimum.

Seeara teori tegangan dee yang tinggi menjadi pilihan, akan tetapi tegangan tinggi deedipengaruhi oleh seberapa jarak antara permukaan dee dengan valley untuk menjaga tidakadanya loneatan listrik di antara kedua permukaan. Pengalaman operasi di Siklotron CS 30BATAN , dengan jarak sebesar 1 em, tegangan normal untuk tidak terjadinya loneatan listrikadalah sebesar 22 kV atau maksimum sebesar 25 kV. Maka untuk desain ini di mana jarakyang sudah ditentukan adalah 1,5 em, maka ditetapkan tegangan dee yang aman adalahsebesar 30 kV.

3.4.5. Ekstraktor

3.4.5.1. Posisi ekstraktor

Oi dalam siklotron isokronus, medan magnet bertambah dengan kenaikan radiusguna mengkompensasi kenaikan massa relativistik. Oi dekat pinggir kutub magnet, medanmagnet yang real menyimpang jauh dari medan magnet ideal, mula-mula naik meneapaimaksimum dan mulai menurun tajam menuju nolo Ketika medan real mulai turunmeninggalkan medan ideal, fase partikel mulai ketinggalan terhadap fase tegangan

pemereepat dee. Ketika ketinggalan fase meneapai 90°, pemereepatan berhenti, titik inidinamakan batas pemereepatan. Pada radius lebih besar, indeks medan n = - RIB dB/dRmeneapai nilai 1. Titik ini adalah batas pemokusan radial sebagaimana disyaratkan padapersamaan (13). Lewat titik ini, medan magnet tak dapat lagi menjaga berkas partikel danberkas partikel lepas dari pengaruh medan magnet. Radius di mana n meneapai nilai 1disebut batas ekstraksi mandiri. Jika gap kutub magnet eukup besar, seperti umumnyaditemui pada siklotron saat ini, turunnya medan sangat pelan, dan batas pemereepatan terjadipada radius yang seeara lebih kedl dari batas ekstraksi mandiri. Oi antara radius bataspemereepatan dan radius ekstraksi mandiri inilah proses ekstraksi dilakukan, dan daerahtersebut adalah posisi di mana foil ekstraktor ditempatkan.

3.4.5.2. Model ekstraktor

Ketika berkas menumbuk foil karbon, panas yang tinggi terjadi pada foil tersebut.Panas ini, kombinasi dengan tumbukan proton, akhirnya mengubah struktur dari foil karbon.Oleh karena itu foil karbon akan rusak dan harus sering diganti. Bila hanya ada satu foilterpasang maka akan sering menarik ekstraktor keluar dari tangki vakum, yang berakibatkurang efisien operasi dan kemungkinan mengganggu kevakuman. Untuk itu sangatdiperlukan suatu ekstraktor dengan foil ganda (multifoil) yang umumnya berjumlah 4 danterpasang melingkar pada suatu carousel yang dapat diputar dari luar, sehingga bila suatu foiltelah tak layak dapat digantikan dengan foil berikutnya tanpa menarik sistem ekstraksi keluar.Pad a Gambar 6 diperlihatkan model ekstraktor multifoil.

Probe ekstraksi

Gambar 6. Ekstraktor multifoil

343


Ekstraktor jenis ini dapat digerakkan secara radial dan azimutal. Gerak radialdiperlukan untuk memvariasi energi partikel, walau dalam variasi yang kecil, sedangkangerak azimutal diperlukan semaeam steering dari lintasan ekstraksi agar tepat pada target.

3.4.6. Stasiun target

Jumlah stasiun target disesuaikan dengan jumlah jenis isotop PET yang hendak

diproduksi. Untuk isotop-isotop PET seperti tereantum pada Tabel 1, minimal di~erlukan 3stasiun target. Satu target untuk target gas nitrogen dalam produksi 11C dan 1 O. Tar&etkedua untuk gas CO2 dalam produksi 13N dan dan terakhir untuk air yang mengandung 0diperkaya untuk produksi 18F.

3.4.7. Tata letak komponen-komponen

Dalam desain fasilitas siklotron berupa non self shielded ditempatkan pada suaturuangan berdinding beton setebal 70 em. Dari uraian pembahasan tentang komponenkomponen utama di atas, dibuat desain awal tata letak komponen-komponen utama darisiklotron 13 MeV untuk produksi PET seperti pada Gambar 7 dan 8 [3].

FOIL

EKSTRAKTOR

YOKE

TANGKI VAKUM

SUMBER ION

oL j ....L..l.L ..L~..L

METER

V ALLEY

HILL

DEE

RFINPUT

Gambar 7. Penampang Tampak Atas Konsep Oesain Siklotron 13 Me V

344


rYOKE AT ASI

/YOKE BAWAH

"., POI\IPA VAKUM

METER

Gambar 8. Penampang Tampak Samping Konsep Oesain Siklotron 13 MeV

BAB IV PEMBAHASAN

Kriteria-kriteria desain dari suatu siklotron pemercepat proton sampai energi 13 MeVuntuk fasilitas produksi radioisotop PET telah ditentukan dan dapat dibahas sebagai berikut:

4.1. Jenis Pemercepat

Telah ditentukan jenis pemercepat adalah siklotron pemercepat ion negatif (SPIN),selanjutnya akan dibahas aspek kestabilan dan efisiensinya.

4.1.1. Tinjauan kestabilan

Kestabilan operasi menjadi hal yang penting bagi suatu siklotron yang dipasang padarumah sakit. Pertama karena sumber daya manusia yang menangani akan tersedia dalamjumlah yang terbatas dan kedua karena kebutuhan untuk memenuhi pelayanan yang primadari pasien. Efisiensi dalam menghasilkan arus berkas berarti akan memberikan kontribusibagi kelayakan ekonomi bagi fasilitas pelayanan rumah sakit. Dan akhirnya paparan radiasiyang relatif kedl dibandingkan pemercepat ion positif akanmemenuhi standar fasilitas radiasiyang berprinsip "as low as reasonably achievable" (ALARA).

Pada SPIP diperlukan waktu tuning pada proses ekstraksi minimal 30 menit. Hal inikarena sistem ekstraksinya memakai tegangan listrik tinggi yang menyebabkan terjadinyaloncatan (spark) listrik. Loncatan-Ioncatan demikian menyebabkan tegangan ekstraktor seringjatuh. Posisi ekstraktor yang jauh dari beam port juga menyebabkan pengaturan arah berkasyang terekstraksi agak sulit. Kedua kondisi tersebut menyebabkan waktu tuning yang lama.Loncatan-Ioncatan listrik dari ekstraktor ion positif menyebabkan juga ketidakstabilan padategangan dee. Bila intensitasnya tinggi dapat menyebabkan trip yaitu matinya sumbertegangan tinggi dee. Pengalaman operasi pada SPIP CS 30 menunjukkan bahwa sumbertegangan tinggi dari sistem rf mati setiap satu jam [16], sehingga sekalipun spesifikasi dari

siklotron tersebut dapat menghasilkan arus proton 60 IJA1 tetapi karena ketidakstabilantersebut maka arus rata-rata operasi hanya sebesar 33,8 IJA [ 7],

345


Pada SPIN yang digunakan untuk menghasilkan proton, ion yang dipercepat adalahH. Proses ekstraksi H untuk keluar dari orbit siklotron tidak lagi menggunakan deflektorelektrostatik melainkan menggunakan foil karbon. Proses ekstraksi pada SPIN sama sekalitidak menggunakan tegangan tinggi elektrostatik sehingga tidak menimbulkan ganggunanpada kestabilan karena tegangan tinggi.

4.1.2. Efisiensi ekstraksi

Proses ekstraksi pad a SPIP menggunakan deflektor yaitu suatu pasangan elektrodetegangan tinggi (yang biasanya potensial negatif untuk menarik ion positif) dan elektrodeground. Kedua elektrode terpisah oleh celah selebar kira-kira 3 mm di ujung awal dan kirakira 5 mm diujung akhir. Melalui celah ini berkas dilewatkan untuk diekstraksi ke arah beamport. Karena melalui celah yang sempit inilah, banyak bagian berkas yang tersangkut didinding celah dan mengurangi kuantitas berkas yang terekstraksi. Kerugian dari banyaknyaberkas yang tersangkut adalah rendahnya efisiensi ekstraksi dan tingginya radiasi di dalamtangki siklotron khususnya di bagian ekstraktor ini. Pengalaman pada fasilitas siklotron CS-30BATAN menunjukkan bahwa paparan radiasi pada komponen ini hingga 4000 mR. Efisiensiekstraksi pada SPIP tidak akan lebih dari 70% dan bahkan untuk fasilitas yang sudah lamadapat kurang dari 50% [18]. Proses ekstraksi ion positif diperlihatkan pada Gambar 9.

-- berkasterekstraksi

60 kV

Deflektor

Gambar 9. Proses ektraksi ion positif dengan deflektor.

Proses ekstraksi pada SPIN menggunakan suatu foil karbon yang dilewati olehberkas ion negatif. Ion H akan kehilangan semua dari 2 elektron yang dipunyainya danberubah menjadi ion rt atau proton yang kemudian akan dibelokkan oleh medan magnet tepidari siklotron ke arah beam port. Pengalaman operasi menunjukkan bahwa efisiensi modelekstraksi ini adalah 100% [19,20]. Efisiensi yang tinggi pada SPIN berdampak pada efisiensiyang lebih baik dalam proses produksi. Sebagai ilustrasi, fasilitas Cyclone 30 buatan IBAmenghasilkan daya berkas terekstraksi sebesar 15 kW dari konsumsi daya 100 kW [20].

Keuntungan lainnya adalah juga efek paparan radiasi yang lebih kedl bagi personel. Prosesekstraksi ion positif diperlihatkan pad a Gambar 10.

Gambar 10. Proses ekstraksi ion H negatif dengan foil.

346


4.2. Sistem Sumber Ion

4.2.1. Sistem internal dan eksternal

D Karena sebagian besar komponen sumber ion ini berada di dalam tangki vakummaka akan memberikan beban pada proses pemvakuman tangki. Gas yang diinjeksikan kedalam tangki vakum juga memberikan kontribusi beban kevakuman. Hal-hal inilah yangmerupakan kelemahan dari sistem internal sedangkan keuntungannya adalah efisiensi yangrelatif tinggi dari penggunaan berkas ion yang dihasilkan kemudian dipercepat. Pad a Gambar11 diperlihatkan pemasangan sumber ion internal [21],

Gambar 11. pemasangan sumber ion internal.

Pada sistem eksternal, bentuk saluran berkas di dalam inflektor cukup rumit(electrostatic helicoid inflector) dan banyak berkas yang hilang pada proses infleksi ini. Pada

siklotron Cyclone 30 ISA, keluaran dari sumber ion eksternal sebesar 2 mA men~hasilkanberkas internal 500 IJA, berarti kira-kira 75% berkas hilang pada proses infleksi [2 . Sistemeksternal memerlukan sistem pemompaan vakum tersendiri. Jadi kelemahan sistem eksternaladalah efisiensi penggunaan berkas yang dihasilkan rendah. Instrumentasi sistem eksternallebih rumit karena diperlukan komponen pemercepat awal, sistem inflektor dan sistempemompaan vakum ini memerlukan biaya tambahan pada sistem akselerator. Pada Gambar12 diperlihatkan injeksi berkas dari sumber ion eksternal ke dalam siklotron melaluiinflektor [21].

Gambar 12. Injeksi berkas dari sumber ion eksternal

347


Keunggulan dari sistem eksternal adalah tidak ada beban gas pada tangki siklotronoleh sistem sumber ion. Sistem eksternal juga memungkinkan dilakukannya perawatan danpengujian tersendiri tanpa mengganggu sistem tangki siklotron. Dengan sistem eksternaldimungkinkan juga untuk menempatkan beberapa sumber ion. Jadi 2 sistem yaitu internaldan eksternal mempunyai keuntungan dan kelemahan tergantung dari sisi mana ditinjau.

Pada sistem internal, untuk menopang beban kevakuman yang tinggi mutlakdiperlukan sistem pompa vakum pada tangki siklotron yang lebih tinggi kecepatanpemvakumannya dibandingkan pad a sistem eksternal. Jadi kalau ditinjau hanya sistem tangkivakum akan diperlukan biaya yang lebih pada sistem internal. Akan tetapi pada sistemeksternal juga diperlukan sistem pompa vakum untuk sumber ion dan saluran injektor kesiklotron, juga diperlukan biaya yang lebih dari sekedar biaya sistem vakum pada tangkisiklotron. Efisiensi penggunaan berkas pada sistem internal lebih baik dari pada sistemeksternal. Adanya sistem injektor dan inflektor pada sistem eksternal, yang tidak ditemukanpada sistem internal, menambah keunggulan sistem internal. Ringkasnya, jika biaya dankesederhanaan instrumentasi maka sistem internal akan lebih menjadi pilihan dibandingkansistem eksternal.

4.2.2. Sumber ion jenis Penning dan pemasangan secara radial

Kerugian sumber ion jenis Penning adalah umur dari katodenya yang lebih pendeksehingga frekuensi perbaikannya juga lebih sering. Tetapi harga bahan katoda tidaklahterlampau mahal sekalipun dari bahan tantalum, bahkan bahan dari aluminiumpun dapatdigunakan walau unjuk kerjanya tidak sebagus tantalum. Jadi jenis sumber ion Penningmenjadi pilihan yang layak. Pada Gambar 13 diperlihatkan skema sumber ion Penning.

~ Icatoda atas

gas

w• H+

!Icatoda bawah

B

Gambar 13. Skema Sumber Ion jenis Penning

Pemasangan sumber ion secara aksial adalah tidak memerlukan tempat yang khususbidang horizontal. Keuntungan lainnya adalah terhindarnya tangkai (holder) sumber ion daripaparan radiasi akibat tembakan berkas partikel pada energi yang lebih tinggi. Pemasangansecara radial memerlukan tempat secara horizontal yang sejajar dengan penempatan dee.Tetapi dengan membuat sudut dee yang 90° atau bahkan kurang, masalah tempat tidakmenjadi kendala. Jadi pemasangan secara radial akan menjadi pilihan yang lebih baik. Efekpaparan radiasi dikurangi dengan membuat tangkai terdiri atas dua batang atas dan bawah,dan memungkinkan berkas lewat di antara dua batang. Pemasangan secara radial akan jugalebih mudah dalam pelepasan dan pemasangan sewaktu perawatan atau perbaikan.Pemasangan sumber ion secara radial seperti diperlihatkan pada Gambar 11.

4.2.3. Penentuan arus berkas

Dari hasil perhitungan efek stripping lost pad a tangki siklotron diperlukan keluaranarus berkas dari sumber ion sebesar 51 IJA untuk dapat terekstraksi arus berkas proton

348


sebesar 50 IJA. Dalam perhitungan yang dibuat oleh Schneider et al [3J diperoleh hasil bahwaberkas ff yang hilang selama pemercepatan sebesar 5% pada kondisi vakum 1x10-5 Torr.Akan tetapi berdasarkan pengalaman operasi Siklotron BATAN Serpong, kehilangan berkasion tersebut dapat mencapai 30% pada kevakuman 2,1 x10-6 torr [22]. Jadi secara faktualbahwa untuk memperhitungkan keluaran berkas minimal yang harus keluar dari sumber iontidak dapat hanya memperhitungkan efek berkas hilang karena stripping lost saja. Sebabkehilangan yang lain dapat diakibatkan dari menabraknya berkas ion pada dinding atas danbawah dee.

4.3. Sistem Magnet

Hasil perhitungan medan magnet yang didasarkan pada kisaran frekuensi sistempembangkit rf yang ada di pasaran diperoleh nilai sebesar 12.745 kG pada radius ekstraksi.Dengan kuat medan magnet sebesar itu, untuk menghasilkan proton 13 MeV diperlukanradius ekstraksi sebesar 40,8 em.

Medan magnet untuk siklotron adalah jenis elektromagnet sehingga akan dapatdilakukan tuning untuk sinkronisasi dengan frekuensi rf dee. Untuk dapat melakukan tuningsecara halus (fine tuning), kuat medan magnet ini juga bekerja pada daerah di mana medanmagnet tidak sangat terpengaruh oleh perubahan arus listrik pembangkit. Untuk material besilunak, kurva hubungan antara kuat medan magnet dan arus listrik berbentuk linear hingga10 kG, dan mulai agak datar di atas 10 kG menuju ke daerah jenuh [41. Penetapan medanmagnet juga tidak di daerah jenuh karena sulit dilakukan tuning, karena di dareah jenuhberarti besar medan magnet tidak dapat dikendalikan dengan pengaturan arus listrikpembangkit magnet. Dari segi ekonomis, semakin besar medan magnet berarti diperlukanbiaya yang lebih tinggi untuk kumparan dan arus listrik, sehingga penetapan medan magnetditentukan di daerah sedikit lebih besar dari batas linearitas. Dengan demikian dengan nilai

B = 12,745 kG sudah memenuhi kriteria teknis maupun ekonomis. Selanjutnya, efekremanensi medan magnet akibat titik operasi melewati daerah linear dapat diatasi denganmembalik arus listrik pembangkit medan magnet sedemikian hingga medan magnet menjadinol.

Pembentukan pola medan magnet akan menentukan besarnya n yang menentukanterjadinya osilasi partikel di sekitar lintasan orbit. baik arah vertikal maupun radial. Padafrekuensi-frekuensi tertentu dapat terjadi coupling kedua osilasi (vertikal dan radial) danmenyebabkan resonansi. Kondisi resonansi harus dicegah karena amplitudo gerak partikeldapat melampaui batasan-batasan rongga dari dee. Jadi walaupun nilai n sudah dibatasiseperti pada persamaan (13) yaitu 0< n < 1, masih terdapat nilai-nilai n yang harus dihindari.

Dengan nilai-nilai Wz = cu,j"ii dan w, = w-...l1 - n., kondisi-kondisi yang harus dihindariadalah:

1. w, = Wz yang terjadi bila -...11 - n = ....;n. atau n = 0,5.

2. w, = 2wz yang terjadi bila ...;1- n = 2..[ii. atau n = 0,2

3. Wz = 2w,yang terjadi bila ,/n = 2-...11 - n. atau n = 0,8

4. w, = 3wz yang terjadi bila 'Ii1- 11. = 3....;n, atau n = 0.1

5. Wz = 3w, yang terjadi bila ....;n = 3-../1 - n, atau n = 0,9.

Suatu data pemetaan medan magnet secara radial dan azimutal perlu diperolehuntuk memastikan nilai-nilai indeks magnet yaitu besaran yang menggambarkan gradiensimedan magnet pada suatu radius, pada nilai-nilai 0.5; 0,2; 0.8; 0.1 dan 0,9 tidak terjadi.

Bentuk sektor-sektor magnet simetri 4 yang terdiri atas 4 hill dan valley akan

membuat pemokusan berkas partikel. Dengan simetri 4 tersebut, dee mempunyai sudut 45°dengan frekuensi operasi 78 MHz pada harmonik ke 4.

4.4. Sistem RF Dee

Tegangan yang telah ditetapkan sebesar 30 kV. Sedangkan pada siklotron untukPET yang komersial tercantum spesifikasi dari operasi tegangan dee paling kecil sebesar 40kV (dengan geometri sistem dee yang hampir sama), yang sudah tentu dengan penjagaankebersihan dan kelembaban standar di negara maju. Dengan tegangan yang tinggi makaperhatian perlu diberikan untuk menjaga kebersihan dan kelembaban agar tidak sering terjadi

349


loncatan-Ioncatan arus listrik dari dee ke ground. Jadi penentuan tegangan dee harusmempertimbangkan kondisi manajemen pengoperasian dan perawatan. Dari pengalamanoperasi pad a siklotron CS 30 BATAN, memberi pelajaran bahwa infrastruktur dan manajemenlokal belum dapat tepat sama untuk menyamai kondisi operasi di negara maju. Dalam desainini, dengan mempertimbangkan kondisi infrastruktur yang belum canggih maka penetapannilai tegangan dee sebesar 30 kV merupakan nilai yang moderat.

BAB V KESIMPULAN

Kriteria-kriteria desain dari komponen-komponen suatu siklotron pemercepat berkasproton energi 13 MeV dan arus sebesar 50 IJA untuk fasilitas produksi radioisotop PET telahditentukan berdasarkan formula-formula dasar teori siklotron dan secara teknis mengacupada desain siklotron di luar negeri khususnya dari siklotron KIRAMS Korea sertapengalaman dalam penanganan operasi Siklotron CS 30 BATAN. Komponen-komponen yangsudah ditentukan kriterianya baru komponen utama jadi belum termasuk komponenkomponen bantu seperti sistem vakum, perisai, sumber-sumber daya dan infrastruktur.Dengan pertimbangan kestabilan operasi, efisiensi dalam menghasilkan berkas ion dankemudahan dalam perawatan, sistem siklotron pemercepat ion negatif dengan sumber ioninternal jenis PIG dan dipasang secara radial menjadi kriteria yang ditetapkan. Kriteriadesain untuk magnet dan sistem rf dee adalah sistem 4 sektor dengan dee sepenuhnya adadi daerah valley. Untuk mendapatkan energi proton 13 MeV, kuat medan magnetnnyasebesar 12,745 kG pada radius ekstraksi 40,8 cm dan sistem rf dee beroperasi padafrekuensi 78 MHz harmonik ke-4. Hasil-hasil penentuan kriteria desain ini dan dengandilakukan pengembangan-pengembangan lebih lanjut dapat dipakai sebagai acuanpenyusunan desain dasar fasilitas siklotron untuk fasilitas PET.

DAFT AR PUST AKA

[1] W. KLEEVEN et ai, "Self-Extraction in a Compact High-Intensity H+ Cyclotron at IBA",Proceedings of EPAC 2000, Vienna, Austria, p 2530-2532

[2] http://www.epaper.kek.jp/p95/ARTICLES/FAG/FAG07.PDF: BF. MILTON and N.R.STEVENSON, "Cyclotrons for Isotope Production", 25 Mei 2009

[3] H.R. SCHNEIDER et aI., " Design Note of A Compact H- Cyclotron for PET IsotopeProduction", TRIUMF, Vancouver, Canada November 1986 p 1

[4] J.J. LIVINGOOD, "Principles of Cyclic Particle Accelerators", D. Van Nostrand Company,Inc, New York, 1961

[5] H. WIEDERMANN, "Particle Accelerator Physics", Springer-Verlag Heidelberg, 1993, p58-60

[6] S. HUMPHRIES, Jr, "Particle Acceleration", John Wiley and Sons, 1999 p 514-516[7] http://www.accelconf.web.cern.ch/Accel Conf/a981AP AC98/6D051 .PDF:

a. S. OH et ai, " Initial Design of a 13 MeV Cyclotron for Positron Emissionb. Tomography: Design of The Dee System", 25 Mei 2009

[8] W.Y. YANG and M. YOON, " Magnetic Field Calculation For A 13 MeV PET Cyclotron",Proceeding of the 1999 Particle Accelerator Conference, New York, 1999

[9] Lembar informasi dari Fasilitas PET -CT Dan Cyclotron RS Gading Pluit, 2009[10] J.S. CHAI et ai, "New Design and Development of 13 MeV PET Cyclotron in Korea",

Proceedings of the Particle Accelerator Conference, New York, 1999[11] D. SCHL YER, "Cyclotron Comparison", Bahan Kuliah Batan Accelerator School 2008,

PTAPB BATAN.

[12] M.L. MALLORY et ai, "Cyclotron Internal Ion Source with DC Extraction", 1973 IEEEp147

[13] H. SURY ANTO dan SILAKHUDDIN, "Pengaruh Tingkat Kevakuman Terhadap StrippingLoss ion H- ", Jurnal Fisika HFI vol. 2 no. 4 hal 62-68 (Desember 1999)

[14] S. HUMPHRIES, Jr, "Particle Acceleration", John Wiley and Sons, 1999 p509

350


[15] J.M. van NIEWLAND, " Extraction of Particles from a Compact Isochronous Cyclotron",De Technische Hogeshool Eindhoven, Nederland, 1972, p 34.

[16] Buku Laporan Tahunan Proyek Pengembangan Teknologi Produksi Radioisotop danRadiofarmaka Tahun 1995/1996, Pusat Produksi Radioisotop BAT AN , hal. 131

[17] SILAKHUDDIN, "Evaluasi Operasi Siklotron BATAN Pada Tahun Pertama PascaKomisioning", Bulletin BATANTahun XIII No.3, Juli 1992

[18] Log Book Operasi Siklotron CS 30 BATAN Tahun 1990-1994, Instalasi Siklotron, PusatProduksi Radioisotop BATAN

[19] SILAKHUDDIN dan T. HERYANTO, "Status Operasi Siklotron BATAN PascaModifikasi", Prosiding PPI Teknologi Akselerator dan Aplikasinya, P3TM BATAN ,Yogyakarta (1998)

[20] http://www.accelconf.web.cern.ch/accelconf/eOO/PAPERS/WEP48B18.pdf: P. COHILISand Y. JONGEN, " High Beam Intensities for Cyclotron - Based RadioisotopeProduction", 26 Mei 2009

[21] www.accelconf.web.cern.ch/accelconf/c04/data/CYC2004 .../20A3.pdf: Y. JONGEN,"New Cyclotron Developments at IBA", 27 Mei 2009

[22] SILAKHUDDIN dan T. HERYANTO, "Status Operasi Siklotron BAT AN PascaModifikasi", Prosiding PPI Teknologi Akselerator dan Aplikasinya, P3TM BATAN,Yogyakarta (1998)

351

PENENTUAN KRITERIA DESAIN KOMPONEN UTAMA SIKLOTRON …

Documents