ISSN 0216 -3128 147Suprapto, dkk.

~- -

PENINGKATAN KEMAMpUAN SUMBER TEGANGANTINGGI COCKROFT WALTON 300 kVnO mA MENJADI 500kV/20 mA UNTUK TEGANGAN PEMERCEPAT MBE

Suprapto, DjasimanPusat Penelitian dan Pengembangan Teknologi Maju

ABSTRAKPENINGKATAN KEMAMPUAN SUMBER TEGANGAN TINGGI COCKROFT WALTON 300 kVI20mA MENJADl500 kV/20 mA UNTUK TEGANGAN PEMERCEPAT MBE. Telah dilakukan peningkatansumber tegangan tinggi Cockroft-Walton300 kVI20 mA menjadi 500 kVI20 mA. Peningkatan kemampuansumber tegangan tinggi dilakukan dengan menambah jumlah tingkat pelipat tegangan dari // tingkatmenjadi /8 tingkat serra menaikkan kapasitas tahanan pengukur tegangan keluaran. Untuk masing-masingtingkat pelipat tegangan terdiri dari 2 kapasitor dan 2 rangkaian diode tegangan tinggi. Pelipat teganganini dibuat dengan menggunakan komponen utama kapasitor tegangan tinggi 0,22 ,uF150 k/: dan diode UF5408. Untuk menghindari timbulnya korona dan lucutan yang terjadi dilengkapi dengan elektrodetegangan tinggi dan cintin korona. Hasil pengujian menunjukkan bahwa tegangan keluaran yang Lelahdicapai untuk /6 tingkat adalah 350 kV pada tahanan beban simulasi 25 Mfl dan tegangan tingkat pertama28,5 kV serta frekuensi osilator 24 kHz. Pada kondisi ini tegangan don arus catu daya anode yang diper-lukan masing-masing adalah 5,5 kV dan 2,5 Amper. Pengujian tanpa beban untuk /6 tingkat didapatkantegangan keluaran 400 kV pada tegangan ~ingkat pertama pelipat tegangan 28,5 kV. Efisiensi sumbertegangan tinggi didapatkan 48 % pada daya keluaran 6,75 kW. Untuk pengujian tegangan keluaran yangdiharapkan yaitu 500 kV dengan jumlah tingkat pelipat tegangan /8 tingkat belum dapat dilakukan karenaketerbatasan sistem beban simulasi. Dari pengujian dapat diprediksi bahwa untuk mencapai tegangankeluaran 500 kV denganjumlah pelipat tegangan /8 tingkat diperlukan tegangan tingkat pertama sebesar3/,2 kV. Dengan demikian sumber tegangan tinggijenis Cockroft-Walton ini diharapkan dapat digunakansebagai tegangan pemercepat pada mesin berkas elektron untuk energi 500 keV.

ABSTRACTIMPROI'EMENT THE CAPACITY OF COCKROFT-WALTON HIGH VOLTAGE SOURCE FROM 300kV/20 nlA TO 500 kV/20 mA FOR ACCELERATING VOLTAGE OF ELECTRON BEAM MACHINE. Theimprovement capacity of Cockroft-Walton high voltage source from 300 kV/20 mA to 500 kV/mA has beencarry out. To improve the capacity of high voltage source was done by nleans of increasing the stagenumber of voltage mulptiplier from II to 18 and its output voltage measuring resistance. Each stage ofvoltage nlultiplier consist of 2 capasitors and 2 circuits of high voltage diode. This voltage multiplier is

constructed using main components of high voltage capasitor and high voltage diode each of 0.22 jJF/50 kVand UF 5408 respectively. To avoid stray discharge and corona it was provided with high voltage electrodeand corona ring. The test result indicated that the output voltage abtained from 16 stages was 350 kIf

according to operating condition of 25 Mil resistive load and first stage voltage of 28.5 kV with oscillatorfrequency of 24 Hz. That condition requires anode voltage and current of 5.5 kV and 2.5 A respectively.The no load test for 16 stages indicates 400 kV of output voltage and 28.5 kV first stage voltage. Efficiencyof high voltage source was 48 % at 6.75 kW of output power. The expected test of 500 kV with 18 stages ofvoltage multiplier can not be carried out because of some restrictives of loading system. From the test resultcan be predicted that the output voltage of 500 kV with 18 stages of voltage multiplier requires 31.2 kV offirst stage voltage. Then the expected high.voltage source of Cockroft-Walton is capable as accelerating

voltage source for Electron Beam Machine with energy of 500 kV.

kedokteran/kesehatan, pelapisan kayu, karet, busadan lain- lain. Mesin berkas elektron yang diguna-kan untuk pelapisan kayu mempunyai rentangenergi elektron antara 150 ke V sampai 350 ke V .Sedangkan mesin berkas elektron untuk pengolahankaret (ban mobil), busa plastik dan pengolahan gashuang industri mempunyai rentang energi elektron

PENDAHULUANM esin berkas elektron adalah suatu alat untuk

menghasilkan arus berkas elektron denganenergi tertentu sesuai dengan tujuan penggunaan-nya. Adapun penggunaan mesin berkas elektronantara lain dalam bidang industri kabel, alat-alat

-Prosiding Pertemuan dan Presentasl IImlah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir

P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Junl 2002

148

ISSN 0216 -3128 Suprapto, dkk.

konstruksi dan karakterisasi pelipat tegangansumber tegangan tinggi 300 kV/20 mA telahdilakukan, karena MBE 300 keY akan ditingkatkanmenjadi 500 keY maka perlu peningkatan sumbertegangan pemercepatnya. Dalam makalah inidibahas peningkatan kapasitas sumber tegangantinggi Generator Cockroft-Walton dari 300 kV/20mA menjadi 500 kV /20 mA agar dapat digunakanuntuk tegangan pemercepat MBE hingga mencapaienergi 500 keY.

Secara garis besar prinsip kerja generatorCockroft-Walton adalah mengubah tegangan ACdari PLN rnenjadi tegangan DC tegangan tinggidengan cara menggandakan dan sekaligusmenyearahkan tegangan AC. Untuk penggandaandaD penyearahan tegangan AC digunakan pelipattegangan. Pelipat tegangan ini terdiri dari susunankapasitor dan diode tegangan tinggi.

Berdasarkan rancangan untuk menghasilkantegangan 500 kV diperlukan 20 tingkat pelipattegangan pada tegangan operasi maksimumkapasitor tegangan tinggi 30 kV. Namun padarealisasi konstruksinya adalah 11 tingkat untuk 300kV.(3) Tegangan keluaran maksimum dari sumbertegangan tinggi Cockroft-Walton adalah(4)

antara 300 keY sarnpai 1.000 keV.(I) Salah satu carauntuk memberikan energi kepada elektron yangdihasilkan oleh sumber elektron di dalam mesinberkas elektron adalah dengan sumber tegangantinggi yang dirangkai dengan sistem pemercepat.Dengan cara ini besamya energi elektron yang telahdipercepat di dalam sistem pemercepat adalahsebanding dengan besamya tegangan tinggi yangdigunakan sebagai tegangan pemercepat.

Pembuatan mesin berkas elektron yang barupertama kali dilakukan di P3TM -BATANdirencanakan untuk digunakan di bidang pelapisankayu. Untuk itu mesin berkas elektron yang akandibuat mempunyai rentang energi elektron sampai300 keV. Namun demikian mesin berkas elektronini akan dikembangkan hingga mencapai energi 500keV, agar dapat digunakan di bidang yang lainmisalnya : pelapisan karel, pelapisan busa plastikdan pengolahan gas huang industri. Untuk meng-hasilkanenergi elektron sebesar 300 keY diperlukansumber tegangan tinggi sebagai tegangan pemer-cepat sebesar 300 kV.

Sumber tegangan tinggi dengan tegangankeluaran sebesar 300 kV berdasarkan perancangantelah ditentukan jenis sumber tegangan tinggigenerator Cockroft-Walton dengan pelipat teganganseperti ditunjukkan pacta Gambar 1.(2) Sumbertegangan tinggi jenis generator Cockroft-Waltonmempunyai bagian-bagian utama pelipat tegarigan,osilator daya dan catu daya osilator daya. Untuk

/!;"aks = 2 n E (I

dan

Vmins = 2n E -I1V -t5V (2)

KeteranganI. K.gka Pelipat Tegangan

2. Ka,asitor Tegangan Tinggi

3. DiQda Tegangan Tinggi

4. Ci"cin Korona

5. El~troda HV.

Gambar 1. Skema Pelipat Tegangan Sumber Tegangan Tinggi Cockroft-Walton.

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002

dengan V maks adalah tegangan keluaranmaksimum, V mins tegangan keluaran minimum, n

jumlah tingkat pelipat tegangan, E amplituda osilasitegangan AC yang masuk ke pelipat tegangan, AV

penurunan tegangan dan liV tegangan ripple.Penurunan tegangan dan tegangan ripple padasumber tegangan tinggi ini diakibatkan oleh adanyaarus beban. Besarnya penurunan tegangan dantegangan ripple adalah(4)]

tegangan kqluaran dapat mencapai 500 kV ditambahmenjadi 18 tingkat. Susunan kapasitor dan diode

pada pelipat tegangan sumber tegangan tinggi jenisGenerator Cockroft-Walton yang dibuat sebagai

tegangan pemercepat mesin berkas elektronditunjukkan pada Gambar 2. Kapasitor tegangantinggi yang digunakan buatan Maxwel{ Labora-tories, Inc, USA mempunyai nilai kapasitansi/tegangan ~perasi maksimum 0,22 ~F/50 kV.Sedangkan untuk pembuatan satu rangkaian diodetegangan ti~ggi terdiri dari diode UF 5408 sebanyak50 buah di$usun secara serio Dengan peningkatanini diperlukan penambahan kapasitor dan diode

tegangan tlnggi masing-masing 14 buah karenauntuk tiap tingkat pelipat tegangan terdiri dari 2kapasitor dan 2 diode tegangan tinggi.

~

I ( 2nJ n2 n )AV = R 3+2-6 (3)

dan

-~~~,., 2) ,oV = (4)

I

dengan 1 adalah arus keluaran maksimum, ffrekuensi osilasi tegangan AC yang masuk kepelipat tegangan dan C kapasitansi kapasitor pelipattegangan. Menurut persamaan 1, semakin besarjumlah tinghkat (n) semakin tinggi tegangankeluaran (V maks) yang dapat dicapai. Namun

jumlah tingkat pelipat tegangan dibatasi karenaadanya faktor-faktor di dalam pelipat tegangan itusendiri. Jumlah tingkat maksimum (nmaks) daripelipat tegangan ditentukan dengan men-deferensialkan persamaan 1 sebagai berikut<4)

~dn

= 0 (5)

sehingga didapatkan

Agar tegangan operasi dari tiap-tiap diode UF 5408sarna, rnaka pada rangkaian diode tegangan tinggiini dipasaQg rangkaian pernbagi tegangan yangdibuat dari 'tahanan 10 MQ. Pernbuatan dilakukandengan cara rnerangkai secara paralel tiap-tiap diodeUF 5408 d~ngan tahanan 10 MO seperti ditunjuk-kan pada G~rnbar 3. Dengan dernikian penarnbahandiode UF 5408 dan tahanan pernbagi teganganrnasing-rnasing sebanyak 700 buah.

(6)n'l/uks

Dari uraian diatas, untuk meningkatkan tegangankeluaran sumber tegangan tinggi Cockroft-Waltondapat dilakukan dengan menaikkan amplitudotegangan masukan pelipat tegangan (E) dan dengan

meningkatkan jumlah pelipat tegangan (n). Namunkarena keterbatasan tegangan operasi kapasitor

tegangan tinggi yang digunakan pada pelipattegangan. Sedangkan tegangan operasi padakapasitor telah mencapai kondisi optimum, makauntuk peningkatan ini hanya dapat dilakukan

dengan meningkatkanjumlah pelipat tegangan (n).

TAT A KERJA DAN PERCOBAAN Gambar 3. Rangkaian tahanan pembagi te-gangan pada diode tegangan tinggi.Diode tegangan tinggi terdiri ata!.'

tahanan 10 Af12 sebanyak 50 buahdan diode UF 5408 sebanyak 50buah,

Kapasitor dun Diode Tegangan Tinggi

Jumlah tingkat pelipat tegangan untuk

tegangan keluaran 300 kV adalah 11 tingkat, agar

Prosiding Pertemuan dan Presentasilimiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002

ISSN 0216 -3128 Supraplo, dkk.150

korona dibuat daTi pipa kuningan diameter 2,54 cm.Cincin korona mempunyai diameter nominal 82,5cm dan jumlahnya sarna dengan kapasitor yangdipasang yaitu 36 buah. Elektrode HV berfungsiuntuk menghindari terjadinya lucutan pacta terminaltegangan tinggi yang disebabkan oleh medan listrikyang ditimbulkan pacta terminal tersebut. Cincinkorona berfungsi untuk membagi gradien tegangandaTi elektrode HV ke tanah (ground) dan mencegahterjadinya korona pacta terminal di dalam untaidiode dan kapasitor tegangan tinggi.

Tahanan Pengukur Tegangan Tinggi

Dalam pengukuran tegangan tinggi sampai500 kV tidak dapat dilakukan secara langsungmelainkan harus digunakan suatu piranti tersendiri.Piranti yang digunakan untuk pengukuran tegangantinggi ini adalah tahanan pengukur tegangan tinggi.Karena tegangan yang diukur meningkat yaitu dari300 kV menjadi 500 kV dan untuk 300 kVdigunakan tahanan pengukur 6 G.Q, maka tahananpengukur juga harus ditingkatkan. Peningkatantahanan pengukur dilakukan dengan meningkatkannilai tahanan pengukur dari 6 G.Q menjadi 10 G.Q(10.000 M.Q) agar didapatkan arus yang terukurmelalui tahanan sebesar 50 IJ.A. Tahanan pengukurtegangan tinggi ini dibuat dengan tahanan 10 M.Qyang acta dipasaran sebanyak kurang lebih 1000buah disusun secara serio Tahanan pengukur ini

dibagi menjadi 50 rangkaian, setiap rangkaianterdiri kurang lebih 20 buah tahanan 10 M.Q.

Pengujian I

Untuk menguji fungsi sumber tegangantinggi jenis Cockroft-Walton yang akan digunakansebagai tegangan pemercepat pad a mesin berkaselektron dilakukan dengan menggabungkan osilatordaya dan pelipat tegangan serta dengan bebansimulasi. Rangkaian pengujian ini ditunjukkan padaGambar 4. Pengujian dengan beban simulasimenggunakan tahanan beban yaitu tahanan karbon10 kQ/0,5 W sebanyak 40.000 buah disusun secaraseri-paralel, sehingga dengan susunan ini didapatkannilai tahanan beban sebesar 25 MD./20 k W .

Tegangan masukan pelipat tegangan berupategangan sinusoidal yang dihasilkan oleh osilatordaya. Osilator daya ini dibangun dengan komponenutama tabung triode tipe ITK 15-2 yang mempunyaiamplitudo dan frekuensi tegangan keluaran masing-masing adalah 15 kV dan 24 kHz. Amplitudotegangan keluaran osilator daya sebagai teganganmasukan pelipat tegangan dapat divariasi dari 0,5kV sampai 15 kV, sehingga dalam pengujian pelipattegangan dapat divariasi tegangan keluaran yang

dihasilkan.

Kerangka Pelipat Tegangan, Elektrode HVdan Cincin Korona

Kerangka pelipat tegangan tidak mengalami

perubahan yang berarti daD hanya perubahan-perubahan kecil yaitu penambahan slot-slot rak

kapasitor daD penambahan cincin korona agar

sesuai dengan jumlah pelipat tegangan yangditambahkan. Kerangka pelipat tegangan dibuat

dari bahan pleksiglas dengan tebal 15 mm. Untuk

menempatkan kapasitor tegangan tinggi pactakerangka pelipat tegangan, dibuat slot-slot rak dari

profil pleksiglas yang jumlahnya sesuai dengankapasitor tegangan tinggi yang dipasang. Elektrode

HV dibuat dari plat kuningan tebal 3 mm daD cincin

111- Tal 8ob&a

"Cl.L

.c

')..

--Proslding Pertemuan dan Presentasilimiah Penelitlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta. 27 Junl 2002

ISSN 0216 -3128Suprapto, dkk. ISI

HASIL DAN PEMBAHASAN Dalam pengujian sumber tegangan tinggiCockroft-Walton dilakukan variasi amplitudategangan masukan pelipat tegangan terhadaptegangan dan arus keluaran yang dihasilkan. Untukpengujian ini arus keluaran 'tidak diukur secaralangsung melainkan dengan perubahan tegangankeluaran p~a tahanan beban tetap maka arus bebanakan berub!ih. Untuk melakukan variasi teganganmasukan pelipat tegangan dilakukan denganmengatur tegangan anode. Karena pengukuranamplituda tegangan masukan sangat susah, sehinggadalam pengujian ini yang dapat dilakukan adalahpengukuran tegangan pada tingkat pertama daripelipat tegangan. Hasil pengujian variasi teganganmasukan terhadap tegangan keluaran dan arus bebanuntuk 16 tingkat ditunjukkan pada Gambar 5 dan 6.Pada Gambar 5 ditunjukkan pengukuran tegangankeluaran dengan be ban tahanan simulasi sebesar 25M Q dan pada Gambar 6 pengukuran tegangankeluaran tanpa beban. Sedangkan pad a Gambar 7menunjukkan hasil pengujian efisiensi sumbertegangan tinggi Cockroft- Walton fungsi dayakeluaran. Untuk gambar 8 adalah hasil pengujianvariasi tegangan tingkat pertama terhadap tegangananode dan arus anode tabung triode ITK 15-2.

Dari hasil pengujian (Gambar 5) ditunjukkanhasil penguJian generator Cockroft- Walton untuk 16tingkat pelipat tegangan. Dalam pengujian inidihasilkan tegangan keluaran sampai 350 kV,namun pada tegangan tersebut menunjukkan bahwakenaikan tegangan keluaran tidak sebanding dengankenaikan tegangan masukan (yang diukur tegangantingkat 1). Hal ini disebabkan karena mulai padategangan sekitar 350 kV, korona yang terjadi pactatahanan beban cukup besar sehingga membebanisumber tegangan tinggi dan memperbesarpenurunan tegangan yang terjadi pacta pelipattegangan. Berdasarkan persamaan 3, penurunantegangan berbanding lurus dengan arus beban.Akibat korona pada beban simulasi yang semakinbesar, maka menyebabkan arus be ban tegangantinggi semakin besar sehingga penurunan tegangansemakin besar. Penurunan tegangan ini tidak dapatdihindari karena besaran-besaran yang lain kecualiarus beban adalah tetap. Besamya arus korona yangterjadi tidak dapat diukur karena arus koronamerupakan arus liar yang tidak dikehendaki.Sedangkan indikasi adanya arus korona semakinbesar ditunjukkan oleh adanya suara desis pad arangkaian tahanan beban simulasi dan peningkatantegangan keluaran tidak linear terhadap kenaikan

tegangan masukan pelipat tegangan. Pengujiandengan beban simulasi ini tidak dapat dilakukansampai pada tegangan keluaran 500 kV dengan arusbeban 20 mA karena keterbatasan beban simulasiyang acta dan besamya korona yang terjadi. Untuk

Oalam peningkatan tegangan keluaransumber tegangan tinggi Cockroft-Walton dapatdilakukan dengan 2 cara: Pertama denganmenaikkan amplituda tegangan masukan pelipattegangan dan kedua dengan meningkatkan jumlahtingkat pelipat tegangan. Cara pertama dapatdilakukan jika tegangan pada kapasitor pelipattegangan tidak melewati tegangan operasi mak-simum. Berdasarkan spesifikasi teknis kapasitor

pelipat tegangan, tegangan operasi kapasitormaksimum 50 kV. Untuk tegangan keluaran 300kV dengan jumlah tingkat pelipat tegangan II

tingkat, kapasitor dioperasikan pada teganganmaksimum 30 kV untuk menjaga agar dalamkondisi aman. Agar tidak terjadi kerusakan padakapasitor, maka dilakukan dengan cara yang keduayaitu meningkatkan jumlah pelipat tegangan. Untuk

menentukan jumlah tingkat pelipat tegangan agardidapatkan tegangan keluaran 500 kV dihitungdengan persamaan I dan 2. Oari perhitungandengan persamaan I untuk tegangan masukanpelipat tegangan 15 kV atau tegangan operasikasitor 30 kV didapatkan 16,67 tingkat. Untuk

mengatasi adanya penurunan tegangan (persamaan2), maka jumlah tingkat untuk 500 kV dibuat 18tingkat. Jumlah tingkat pelipat tegangan ini masihjauh di bawah jumlah tingkat maksimum yangdiperbolehkan berdasarkan persamaan 5, ber-dasarkan persamaan ini jumlah tingkat maksimumadalah 62,9 tingkat. .

Untuk menentukan besamya nilai tahananpengukur tegangan tinggi ditentukan berdasarkanhukum Ohm ~' = I .R.. Besamya nilai tahananpengukur sangat berkaitan dengan arus yangmengalir melalui tahanan tersebut dan dayaterdesipasi. Arus yang mengalir melalui tahananpengukur tidak boleh terlalu besar karena akanmembebani sumber tegangan tinggi yang diukur.01 samping itu, jika arus yang mengalir terlalu besarmenyebabkan daya terdesipasi pacta tahananmenjadi besar dan tahanan akan panas. Untukmengatasi hal ini nilai tahan dibuat sebesar mungkindan arus yang mengalir lewat tahanan sekecilmungkin. Namun demikian hal ini sangatlah sukardilakukan, karena alat ukur arus yang acta dipasaranmempunyai jangkauan 50 ~A atau lebih untuk skalapenuh sehingga harus mempertimbangkan alat ukuryang ada dipasaran. Untuk mendapatkan arusmelalui tahanan pengukur 50 ~A pacta tegangan 500kV diperlukan tahan pengukur 10 G'o'. Tahananpengukur ini dibuat dengan tahanan karbon 10.M'o'disusun secara seri dan dikalibrasi dengan suinbertegangan tinggi 10 kV model Hipotronics 8/0 C

buatan Hipotronics, Inc, USA.

Prosiding Pertemuan dan Presentasillmiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002

152 ISSN 0216 -3128 Suprapto, dkk.

sebanding dengan kenaikan tegangan masukan. Halini menunjukkan bahwa tegangan keluaran naiksecara linear terhadap kenaikan tegangan masukan.Jika kapasitorl tegangan tinggi dioperasikan 70 %dari teganga~ operasi maksimum (kapasitaskapasitor 0,2~ J1F/50 kV) yaitu dengan teganganoperasi 35 ~V, maka berdasarkan perhitungandidapatkan ~gangan keluaran masing-masingadalah 560 kV untuk 16 tingkat dan 630 kV untuk18 tingkat.

pengujian sampai 500 kV clan ares beban 20 mAharus dengan beban simulasi yang tidak terjadikorona atau dengan beban sesungguhnya.

Pada Gambar 6 menunjukkan bahwa untukpengujian tanpa beban dari generator Cockroft-Walton pada pelipat tegangan 16 tingkat, tegangankeluaran yang dihasilkan adalah 400 kV padategangan masukan 28,5 kV. Dari basil pengujianuntuk tanpa behan, kenaikan tegangan keluaran

~

350

E~::i~ti~~~~J--~--§a~

Q~bbQ

E-

300 ...

250

200

150

100

503010 15 20 1

Teg. tingkat-l (kV~

255

Kurva tegangan keluaran vs. tegangan ti1gkat / (/6 tingkat dan

tahanan beban 25 M fl). .cGambar 5.

450

400

350

300

250

200

150

100

50

0

---~--~Q~oil~

25 3010 15 rlO

Teg. tingkat-l (kY)

0 5

Gambar 6. Kurva tegangan keluaran vs. tegangan tingkat41 (16 tingkat tanpa beban),

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002

ISSN 0216-3128Suprapto, dkk. /53

diijinkan yaitu 6,5 A (berdasarkan spesifikasi teknistabung triode ITK 15-2).[7] Jika dilakukan prediksiuntuk tegangan keluaran 500 kV pada arus be ban 20mA (sesuai yang direncanakan), maka arus anodeadalah 3,8 A:mper pada tegangan anode 5,5 kV danefisiensi sumber tegangan tinggi Cockroft-Walton48%.

Hasil pengujian efisiensi (Gambar 8)ditunjukkan bahwa efisiensi berkisar antara 30 %sampai 48 % yaitu dengan bertambahnya dayakeluaran efisiensi semakin besar, efisiensimaksimum sebesar 48 % terjadi pada daya keluaran6,75 kW. Pengujian efisiensi ini dilakukan padategangan keluaran 300 kV dan arus beban 22,5 mAkarena disesuaikan dengan tahanan beban yang adadan sebelum terjadi korona yang besar. Didapat-kannya efisiensi hanya 48 % disebabkan karenaadanya rugi-rugi pada osilator daya, trafo frekuensitinggi dan penurunan (drop) tegangan pada pelipattegangan. Rugi-rugi pada osilator daya disebabkanadanya tegangan ambang yaitu tegangan yang harusdiberikan sampai osilator dapat beroperasi untukmerubah tegangan DC menjadi tegangan AC dalambentuk gelotnbang sinusoidal. Akibat teganganambang ini maka memberikan perbandingantegangan masukan (anode) dan tegangan keluaran(tegangan yang berosilasi) akan semakin besar padategangan anode yang semakin besar. Dengantegangan anode yang semakin besar memberikantegangan keluaran (osilasi) yang semakin besarsehingga daya keluaran semakin besar dan efisiensimeningkat pada daya besar (kondisi operasioptimum). Disamping adanya tegangan ambangpada osilator, daya DC dari catu daya anode tidaksemuanya dirubah menjadi daya AC dalam bentuktegangan dan arus sinusoidal. Akibat daya DC yangtidak dapat diubah menjadi daya AC menyebabkanadanya daya terdesipasi menjadi panas di dalamtabung triode ITK 15-2.

Berdasarkan pengujian tanpa beban untuk 16tingkat menghasilkan tegangan keluaran 400 kVpada tegangan masukan 28,5 kV, maka diharapkanuntuk 18 tingkat dapat menghasilkan tegangankeluaran 500 kV pada tegangan operasi kapasitorsebelum mencapai 70 % (35 kV) yaitu 31,2 kV..Oalam pengujian tanpa beban hanya dilakukansampai pada tegangan keluaran 400 kV. Hal inidisebabkan karena jika tegangan dinaikkan sampai500 kV sesuai dengan yang direncanakan, akankesulitan membuang muatan yang tersimpan padakapasitor dan sangat berbahaya.

Pengujian tegangan dan arus anode tablingtriode ITK 15-2 digunakan untuk mengetahuitegangan operasi dari tabling triode tersebut padasaat sumber tegangan tinggi dioperasikan. Hasilpengujian ini ditunjukkan pada Gambar 7. Daripengujian tegangan keluaran tanpa beban (Gambar6), untuk menghasilkan tegangan keluaran 400 kVdengan jumlah pelipat tegangan 16 tingkatdiperlukan tegangan pada tingkat pertama sebesar28,5 kV. Pada tegangan tingkat pertama dari pelipattegangan 28,5 kV diperoleh tegangan anode 5,5 kV(Gambar 7). Sedangkan tegangan operasi maksi-mum tabung triode ITK 15-2 berdasarkan spes i-

fikasi teknis adalah 12 kV(7), sehingga teganganoperasi anode dari tabung triode ITK 15-2 adalah 46% dari tegangan operasi maksimum. Oari pengujiantegangan anode sekaligus dilakukan pengujian arusanode tabung triode ITK \5-2. Pacta tegangananode 28,5 kV, arus anode terukur 2,5 amper. Pactakondisi ini, tegangan keluaran sumber tegangantinggi adalah 350 kV pacta beban 25 M.G..Walaupun tegangan keluaran 350 kV pacta tahananbeban 25 M.G. tidak berarti arus beban 350 kV/25M.G. = 14 mA melainkan lebih besar dari 14 mAkarena adanya arus korona pada tahanan beban yangtidak dapat diukur. Pada pengujian ini, arus anodeterukur jauh lebih kecil dibanding arus anode yang

~~c(

~

~PI:s8-AI

~

Gambar 7. Kurva tegangan dan arus anode vs. tegangan tingkat-J.

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Junl 2002

ISSN 0216 -3128154 Suprapto, dkk.

50

40

~...,.~aI'w~w

30

20

10

00 1 2 3 4 1 5

Daya keluaran (kW)

Gambar 8. Kurva efisiensi vs. daya ke/uPran.

6 7

UCAP AN TERIMA KASIHDengan demikian tabung triode ITK 15-2perlu didinginkan dengan air pendingin dari chiller.Sedangkan rugi-rugi pada trafo frekuensi tinggidisebabkan karena adanya daya eksitasi yaitu arusdan tegangan di sisi primer yang diperlukan untukmenghasilkan induksi awal sampai kumparan di sisisekunder mulai menghasilkan arus dan tegangankeluaran serta adanya kebocoran fluks magnet. .

Penulisl mengucapkan terima kasih kepadasaudara Heri ISudarmanto, Untung Margono, DwiMulyanto, S~hirdjo star Bidang Akselerator danSubroto star Balai Elektromekanik, Pusat Penelitianclan Pengem~angan Teknologi Maju Yogyakartayang telah membantu dalam pembuatan,pengkonstruksian clan karakterisasi pelipat tegangansumber tegangan tinggi jenis Generator Cockroft-Walton.KESIMPULAN

Hasil pengujian menunjukkan bahwategangan keluaran yang telah dicapai untuk 16tingkat adalah 350 kV pada tahanan beban simulasi25 M.D. dan tegangan tingkat pertama 28,5 kV sertafrekuensi osilator 23,8 kHz. Pada kondisi initegangan dan arus catu daya anode yang diperlukanmasing-masing adalah 5,5 kV dan 2,5 Amper.Pengujian tanpa beban untuk 16 tingkat didapatkantegangan keluaran 400 kV pada tegangan tingkatpertama pelipat tegangan 28,5 kV. Efisiensi sumbertegangan tinggi didapatkan 48 % pada dayakeluaran 6,75 kW. Untuk pengujian tegangankeluaran yang diharapkan yaitu 500 kV denganjumlah tingkat pelipat tegangan 18 tingkat belumdapat dilakukan karena keterbatasan sistem bebansimulasi. Dari pengujian dapat diprediksi bahwauntuk mencapai tegangan keluaran 500 kV denganjumlah pelipat tegangan 18 tingkat diperli,lkantegangan tingkat pertama sebesar 31,2 kV. Dengandemikian sumber tegangan tinggi jenis Cockroft-WaltCJ>n ini diharapkan dapat digunakan sebagaitegangan pemercepat pada mesin berkas elektronuntuk energi 500 keV.

DAFTARPUSTAKA

I. Electron Beam Processing System, Brosur dariNissin -I1igh Voltage Co. Ltd, Japan, (1995).

2. SUPRAmO, dkk., Perancangan SumberTegangalJ Tinggi 300 kV/20 mA sebagaiTegangah Pemercepat pada Me.\.in Berka.\.Elektron, Makalah disajikan pada seminar$ehari Pqrancangan Mesin Berkas Elektron 300kV/IO rPA, PPNY -BATAN, Yogyakarta,

(1996).

3. SUPRAJTO, dkk., Konstruksi dan Karak-terisasi iPelipat Tegangan Sumber TeganganTinggi :300 kVI20 mA Untuk TeganganpemercJpat MBE 300 keVIJO mA, Jurnal Fisika,Himpun\m Fisika Indonesia, Volume 3, no. I,

(2000).

4. CRAGdS, J. and MEEK, J.M., High VoltageLaboratbry Technique, Butterworths, Ltd,

London~ (1953).

Prosiding Pertemuan dan Presentasilimiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002

ISSN 0216-3128Suprupto, dkk. 155

5 Damunir

-Bagaimana cara kerja mesin pemercepat elektrondaD apa kegunaan di segi industri terutamakesehatan.

MILMAN, J. and HALKIAS, CHRISTOS C.,Electronic Devices and Circuits, Mc Graw Hill,

Inc, (1967).

LIVINGSTON, M.S., et.al., ParticleAccelerator, Mc Graw-Hill, New York, (1962).

, Thomson Tubes Electroniques

Catalog, Velizy Cedex, Ft"ance, (1990).

6.

7.

TANYAJAWAB

Suprapto-Prinsip kerja mesin pemercepat elektron adalah

berkas elektron keluar dari sumber elektrondimasukan dan dipercepat di dalam tabungakselerator. Tabung akselerator agar dapatmempercepat elektron diberi tegangan tinggisesuai dengan energi elektron yang diperlukan.Energi elektron ini akan sebanding dengan

besarnya tegangan pemercepat.

-Aplikasi di bidang industri terutama kesehatanadalah untuk sterilisasi alaI-alaI kedokteran danbahkan untuk energi J 0 Me V (Linac) dapatdigunakan untuk terapi kanker.

Sigit Hariyanto-Bagaimana kondisi ripple tegangannya setelah

peningkatan tegangan tingginya?

-Daya keluarannya makin bertambah atauberkurang dalam peningkatan ini?

Jati Susilo-Bagaimana aplikasinya terhadap industri secara

jelas (detail) dan apa efek samping yangditimbulkan.

Suprapto-Tegangan ripple setelah peningkatan akan lebih

besar dibanding sebelum dilakukan peningkatan.Berdasarkal1 persamaan 4, tegangan rippleberbanding lurus dengan arus beban dan jumlah

tingkat pelipat tegangan.

-Daya keluaran semakin bertambah karenategangan keluaran bertan;zbah dun arus beban

letup.

Rony D.

-Apakah mungkin dengan switching.

Suprapto-Untuk sumber tegangan tinggi ini be/urn dapat

diap/ikasikan do/am industri. Seete/ah sumber

tegangan tinggi dirangkai sebagai teganganpemercepat pada MBE maka MBE-nya yangdapat diap/ikasikan di industri. Misa/nya untukpengo/ahan karel, kayu. /atek don un/uksteri/isasi a/at-alai kedokteran serlo pengawetan

buah-buahan.

-Efek samping misa/nya pada pengawetan buah-buahan hampir tidak ada, karena do/am irradiasibuah-buahan untuk pengawetan hanya padaku/itnya.

Suprapto-Dengan switching memungkinkan. karena

osilator yang menggunakan komponen utama

tabung elektron ITK 15-2 dapat diganti dengan.\'witching menggunakan komponen utama IGRT

.dan prinsip kerjanya hampir sarna.

-Proslding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002