PERHI TUNGAN $ISTEM SUMBER ION DAN $ISTEMDETEK$I ION PADA SPEKTROMETER MASSA

Sudjalmoko, Su~adji Sugiar~o

_Pusal Peneli~ian Nuklir Yogyakar~a

ABSTRAK

Telah dihi~ung jarak celah sumber ion dan celah kolek­~or ~erhadap ~epi balas seklor magnet. Berdasarkan per­hi~ungan diperoleh bahwa jarak sumber ion dan sislem deleksiion un~uk kondisi & = 25,5°, ¢ = 900 dan r = 300 mm sarnam m

dengan 500 mm. Dispersi massa unluk kondisi ~ersebu~ sarnadengan 500 mm, yang berlambah besar dengan fak~or dua a~a­bila dibandingkan dengan dispersi massa unluk kondisi &=0 .

ABSTRACT

For ~he conslruc~ion of ion source and ion de~ec~ionsyslem, lhe dislance of ion source and ion colleclor slilsfrom ~he edge of magnelic seelor have been calculaled.Based on lhe calculalion il is oblained lhal lhe dislance ofion source and deleclion syslems for & = 26,5°, ¢ = 900 andm

r = 300 mm is 600 mm.m

The mass dispersion for ~hese condi-

~ion is 600 mm, which increase by lwo faclors if comparedwi~h ~he mass dispersion for condilion & = 0°.

I. PENDAHULUAN

Unluk mengelahui kandungan bahan diperlukan sualu alal

analisis. Speklromeler massa lelah dikelahui mempunyai po-

~ensi yang linggi sebagai alal analisis, karena mempunyai

kernampuan mencapai jangkauan pengukuran massa yang besar,

resolusi linggi dan kepekaan besar. Oleh karena ilu Badan

Tenaga Alom Nasional lelah menelapkan pembualan speklromeler

massa menjadi salu kegialan Proyek Penelilian Aplikasi Ra­

diasi Ion Dalam Induslr i di PPNY pada Pelila IV. yang di-

.mul ai 1 Apr'i1 ·'1984 sampai dengan 31 Marel 1989.

72

73

Pada lahun I, II, III dan IV Lelah dikerjakan pembualan

bagian Sumber Ion, Magnel Analisalor Ion, Koleklor Ion,

Pemandu Berkas Ion dan Konslruksi Sislem Hampa. Bagian­

bagian ini merupakan bagian-bagian ulama dari speklromeler

massa, dan supaya dapal digunakan sebagai sislem analisis

massa maka perlu dikonslruksi menjadi salu unil speklromeler

massa. Konslruksi sislem speklromeler massa lersebul me­

rupakan kegialan penelilian lahun ke V dari Pe1ila IV.

Dalam maka1ah ini dibahas salah salu bagian yang cukup

penling dalam konst.rl.lksisislem speklromeler massa, yailu

pemasangan sislem sumber ion dan sislem deleksi ion lerhadap

magnet. analisalor ion alau sering disebul dengan sislem ana­

1isis massa. Unll.lkmemasang sislem sumber ion dan sislem

deleksi ion lersebut. harl.lsdilent.l.lkanbesarnya jarak celah

sumber ion Ccelah benda) dan jarak ce1ah ko1eklor ion Cce1ah

bayangan). Penent.uan jarak t.ersebul berkai lan dengan pe­

ngurangan adanya aberasi Cpe1ebaran) bayangan. Agar supaya

kepekaan alal dapat. diperbesar, diperlukan pemrokusan ke

arah radial dan aksia1 (st.igmat.icrocusing) dari sistem ana­

1isis mass~, sehingga bayangan radial dan aksial lerbent.l.lk

bersamaan pada celah ko1ekt.or. Kondisi pemrokl.lsanlersebul

dapat. dilent.ukan dengan menggunakan metode pendekalan Sharp

Cut-off Fringing Field (SCOFF).

II. LANDASAN TEORI

Sislem anal isis massa yang berupa sebuah sek lor magnet.

pembelok memperlihat.kan siral-sifal sepert..ilensa opt..ikdan

akan memt'okuskan berkas ion pada sislern deleksi ion. Se1ain

ilu seklor magnet.. juga berfungsi sebagai sislem pemisah

massa, sehingga jika berkas ion dari sumber ion memasuki

seklor magnel akan dipisah-pisahkan massanya dan hanya salu

harga m/e yang lerfokuskan pada sualu ni1ai medan magnellerlenlu.

74

Jika ion-ion bergerak memasuki sualu medan magnel sera-

gam, maka lintasannya akan berbenluk lingkaran. Ion-i on

tersebut. sebel um memasuk i sek lor magnel 1ebih dahul u di-percepat oleh sualu legangan pemercepat.. Pemercepat ler-

sebul memberikan energi pada berkas ion sampai beberapa ribu

eleklron-vol t.. Apabi 1a energi awal ion yang kel uar dar ib· d 1 k ., (1)sum er ~on sama engan no , ma a energ~ ~on

12

2 7mv = 10 eV (erg) (1)

m = massa ion (amu)

v = kecepalan ion (cm/delik)

e = muat.an ion (coulomb)

v = tegangan pemercepal (voll, 1 voll = 1 joule coulomb7

= 10 erg/coulomb).

Apabi 1a ion -ion di1ewa lkan dalam meda.n magnel B yang

tegak lurus arah vektor kecepat.an ion, maka ion lersebul

akan dibelokkan dalam lint.asan melingkar sebagai akibat. alas

usaha menciplakan keselimbangan gaya senlripelal dan gaya

senlrifugal. Dalam hal ini berlaku

82R2m =

20,721V

at.au

1-2

R =

143,95 (mY)

8 (2)

(3)

8 adal ah medan magnel dal am gauss dan R adal ah jar i-jar ilinlasan ion dalam cm.

Persamaan (2) dan (3) lersebul di alas adalah persamaan

fundamenlal dari sualu speklromeler massa fokus lunggal.

Dari persamaan t.ersebut lerlihat. bahwa ion-ion dengan mualan

dan energinya sarna akan mengikuli sualu linlasan yang jari-

jarinya berbeda sesuai dengan massanya. Dengan cara Inl

75

medan magnet dapat digunakan untuk pemilah atau penganalisismassa. Supaya diperoleh spektrum massa suatu cuplikan,

nilai tegangan pemercepat ion atau besarnya medan magnet.harus divariasi dengan menggunakan sistem pemayaran Cscann-

ing). Dal am konstruksi ini di pi 1i h tekni k pemayaran medan

magnet karena lebih mudah dikerjakan.

A. Metoda pendekalan SCOFF

Pada pendekatan SCOFF diandaikan bahwa besarnya medan

magnet adalah homogen di dalam sektor magnet dan sama dengannol di 1uar sek tor magnet. Lintasan ion dalam ruang bendadan r uang bayangan ber upa gar is 1ur us, dan pada saa t me­

lewati medan magnet di dalam sektor magnet berbenluk lintas-an 1i ngkar an dengan jar i - jar i r .m

Berkas ion setel ah ke-

luar dari sistem analisis massa difokuskan pada celah ko-lektor. Supaya i ntensi tas ber kas i on yang di ler i ma 01eh

kolektor cukup besar diusahakan terjadi dua arah pemokusan.yailu pemokusan ke arah radial dan ke arah aksial. Sel ai n

ilu dengan lercapainya kondisi lersebut, akan diperoleh dis-. d d . h 1 b' h b (2,3>pers1 massa an aya p1sa yang e 1 esar.

Unluk mencapai kondisi dua arah pemokusan, berkas ionyang datang dan keluar pad a sektor medan magnel dibuat mem­

benluk sudul miring E terhadap garis normal tepi batasmedan. Persamaan lintasan ion untuk pendekalan radial orde

perlama dalam ruangan bayangan(3) Clihal gambar 1 dan 2).

= r (M ~ + M(D + x (N ~ + N ~)m J. m 2 2 J. m 2

M = si n( ¢ ) + rcos( ¢ ) +si n( ¢ ) t] (l /r )J. m L m m m m

M = 1 - cos(¢ )2 m

y adalah lintasan ion pada pemokusan ke arah radial2

~ = f1m/(2m )o

(4)

76

N =-1j.

N = sin(¢ )+(l-cos¢ )t2 m m

sedangkan persamaan lintasan ion pada pemokusan ke arah

aksial dalam ruangan bayangan orde pertama adalah

z =r [L: C( + L:(6/r )] + x [T a + T (6/r )]2 m" zm 4 m 2 3 zm 4 m

L: = 1 /r3 m m

(5)

L: =4 tg £' - tg £"

T = 1 - (tg £' + tg £")( 1 /r )., m m

T = - tg £' - tg £"4

..

adalah jari-jari pembelokan lintasan utama.

Gambar 1. Sistem koordinat dari lintasan berkas ion. rm

EEoo

I'""')

\I

•...E

77

Et1)

+'Q)

-...;-Q)

78

B. Jarak benda dan jarak bayangan

Suat.u hal yang sangat. pent.ing dalam spekt.romet.er massa

adal ah susunan simet.ri, di mana jarak benda sama dengan

jarak bayangan.

syarat.-syarat. yait.u

Dalam susunan simet.ri harus dipenuhi

1. jarak benda sama dengan jarak bayangan : 1'= 1" ,m m

2. perbesaran sudut. sama dengan perbesaran lat.eral

M = M = - 1ang tol

3. Sudut. masuk/keluar dari berkas ion pada sekt.or magnet.

e' = e", sehingga t.ge'= t.ge"= t.ge

Dal am persamaan (4) sumbangan dar i bagi an yang se­

bandi ng dengan ex pada y akan 1enyap unt.uk x = - r (M /N ).m 22m 1 1Hal i ni berart.i bahwa berkas ion yang massa dan mua t.annya

sama, yang keluar dari celah benda pada jarak benda l' darim

t.epi bat.as sekt.or magnet. dalam ruangan benda, berkas ion

t.ersebut.akan difokuskan pada jarak bayangan

1" = x =m 2

r (M /N )m 1 1 (6)

Sedangkan pemfokusan orde pert.ama dalam arah aksial akan di­

peroleh pada jarak bayangan aksial

1" = - r CL /T )zm m 3 3

C. Dispersi massa

(7)

Apabi 1a di t.injau semua ion dal am ber kas ion mempunyai

energi yang sama yait.u sama dengan eV, dan massanya adalah

m = m + bm, maka harga {3 dalam pendekat.an orde pert.amaoadal ah (2)

(3 = bm/(2m )o(8)

79

Dengan memas ukkan persamaan (6) da1am persamaan (4) diper ­

oleh

= r [Mm 2 (M /1'1) N ] (bJn/2m )1 1 2 0

Dispersi massa da1am arah y pada jarak bayangan2

saluan ~m/m unluk berkas ion energi lungga1 ada1aho

D = ~ r [M - (M /N ) N ]m 2 m2 112

1"m per-

(9)

Besar dispersi massa mempengaruhi kemampuan sislem ana­

1isis massa unluk memisahka.n ion-ion dari massa yang salu

dengan massa 1ainnya, yang sering disebul dengan daya pisah.

Se1ain ditenlukan oleh dispersi massa, daya pisah juga

sangal dilenlukan oleh adanya pe1ebaran bayangan dan 1ebar

ce1ah benda serla ce1ah bayangan, dan besarnya daya

pi sah (2.3>

R =D

m

s'IM I + s"tat2

+ A Ct11 m

(10)

s'=1ebarce1ahbenda

s"

=1ebarcelahbayangan

2

aberasisudulordeduadenganA Ct=

1 1m

A

=r [H -CM /N ) N ]11m 111 1 11

I I I. PEMBAHASAI'·I

Dalam konslruksi sist~em speklromeler massa, khususnya

pemasangan sislem sumber ion dan sislem deleksi ion, jarak

benda alau celah sumber ion dan jarak bayangan alau celah

ko1eklor harus dilenlukan secara lepal. [)engan ini diharap-

kan bahwa ion-ion sele1ah dipisah-pisahkan oleh sislem ana­

1isis massa akan lerfokus secara sempurna pada ko1eklor ion.

80

Unluk menenlukan jarak benda dan jarak bayangan diguna­

kan persamaan (6). Dengan memasukkan harga-harga M dan N1 1serla unluk sislem simelri CIN = I' = 1 ) diperoiehm m m

r1

m= ~m l

T =

l C~ ¢ )g- 2 mt

=19sCll)

Persamaan (11) adaiah jarak benda alau jarak bayangan unluk

pemokusan pada arah radial, sedangkan jarak benda dan jarak

bayangan untuk pemokusan pada arah aksiai diperoleh dari

persamaan (7) dengan memasukkan harga ~ dan T, dan diperoleh3

1 =zm

rTn

3t - T (12)

Dispersi massa diperoieh dari persamaan (9) dengan me­

masukkan harga-harga M , M , N dan N memberikan212 1

D =m

rm

1 - Ct/T) (13)

Dispersi massa dalam persama~n (13) dapal dilenlukan harga

maksimumnya jika dipiIih &; = 26,5° dan ¢ Csudul lilikm

• ) 90° (3, 4> De d' k' d' .magne\..-=. ngan enu'l.an l.spersl.massa

D = 2 rm m

Dalam sislem anaiisis massa yang lelah dibual, besar jari-

rmjari pembelokan

D = 600 mmm

= 300 mm sehingga diperoieh

Sekarang apabila harga-harga &; = 26,5° dan ¢ = 90° dim

masukkan ke dalam persamaan (11) dan (12) diperoleh

(a) jarak benda dan jarak bayangan pada pemokusan ke arah

radi al 1 = 2 r = 600 mm,m m

81

Cb) jarak benda dan·jarak bayangan pada pemokusan ke arah

aksial 1 = 2 r = 600 mrn.zm m

Berdasarkan hasil-hasil ~ersebut ~erliha~ bahwa pemokusan ke

arah radial dan aksial ~erjadi pada sa~u ~empa~ yang sarna,

yai ~u di c-elah kolektor. Dengan demikian supaya terjadi dua

arah pemokusan, maka sis~em sumber ion dan sistem deteksi

ion harus di1e~ak kan pada jarak 600 mm ~erhadap tepi ba~as

sek ~or magne~. Kons~ruksi pemasangan sis~em sumber ion dan

sis~em de~eksi ion dapa~ diliha~ dalarn gambar 1.

Besar aberasi sudu~ orde dua di~en~ukan dari persarna-(3>an

A Ct2 = r [M - CM /N ) N ]11m m 11 1 1 11

T + 2~T - t

Apabila dipilih besar sudu~ keluar berkas ion pada saal

keluar dari celah sumber ion Ct = 0,0174 radial, daya pisahm

berlarnbah besar dengan dipersernpi~nya celah benda dan celah

bayangan. Hasil perhilungan besar daya pisah ~erhadap per-

ubahan celah benda dan celah bayangan digambarkan dalam

garnbar 3.

t0­

cr:....-

c 1.500U1

U1

cE

-§.~ 1.000c.c>-

-8

,- Al1O<,~ = -0,36553

Daya pisah rnassa vs lebar celah un~ukdan kolek~or

5000,02

Gambar 3.

0,04 0,06 0,08 0,10 0,14 0,16 mmIebar telah (s)­sumber ion

82

Perlu dicalal di sini bahwa sislem analisis massa yang

digunakan adalah seklor magnel yang

magnel seragam dengan sudul pembelokan

menghasilkan

¢> = 90°.m

medan

Hasil

pengukuran dislribusi medan magnel yang lelah dilakukan

terlihat dalam gambar 4. dan lepi balas kulub magnel

dipotong miring sehingga berkas ion masuk/keluar pada sektor°

magnet dengan sudut & = 26.5 .

B ( kG )

1=8 A7

1= 6 A5

1.1: 4 A3

1=2 A

Cm2 4 6 8 10 12 14

Gambar 4. Grafik dislribusi medan magnel B vs perubahanjarak dari perlengahan kutub ke pusal kelengkungan

IV. KESI MPULAN

Berdasarkan perhitungan yang telah dilakukan dapat di­

ambil kesimpulan

1. Dispersi massa unluk sudul masuk/keluar berkas ion pada

sektor magnel & = 0° Calau berkas ion masuk/keluar tegak

lurus tepi balas seklor magnel) besarnya sarna dengan

r(~? Dengan demikian konslruksi sistem speklromeler massam

yang diker jakan mampu memberikan dispersi massa lebih

besar dari speklromeler biasa C& = 00), yaitu naik dengan

faklor dua.

83

J:>e.ngannai knya di sper si massa maka dengan

sendirinya akan memperbesar kemampuan daya pisah dari

sislem analisis massa.

2. Lelak sumber ion dan lelak 5islem deleksi ion adalah

sejauh 600 mm lerhadap lepi balas seklor magnel. Pada

kondisi ini lerjadi dua arah pemokusan, yailu pemokusan

pada arah radial dan aksial, sehingga inlensilas berkas

ion yang sampai di sislem deleksi ion akan lebih besar

dan akan mempermudah sislem deleksinya.

UCAP AN TERI MA KASI H

Pada kesempalan ini penulis ucapkan lerima kasih ke­

pada saudara Sumaryadi dan saudara Unlung Margono yang lelah

bekerja dengan lekun sehingga konslruksi speklromeler massa

dapal dilakukan dengan baik. Tidak lupa juga kepada rekan-

rekan leknisi yang lain, baik langsung maupun lidak langsunglelah membanlu konstruksi ini.

ACUAN

1. McDowell, C.A., 1963, "Mass Speclromelry",Book Company, Inc., New York.

McGr aw-Hi 11

Sudjalmoko, 1988, "Penentuan Sifal-sifal Oplile IonSislem Analisis MassaUnluk Spekl.romeler Massa",S-2, Universilas Gadjah Mada, Yogyakarla.

4. Finnigan MAT, 1983, "Mass Speclromeler for Ullrahigh Pre­ci sion Gas Anal ysi s", Model 271/45.

2.

3.

Tasman, H.A., 1961, "Ion Opticswilh Virtually Enlarged Radius",

of Mass SpeclromelersThesi s, Leiden.

PadaTesis

5. Matsuda, H., and Wollnik, H., 1966, "ExlendedField Effecl of Deflecling Magnel" , Nucl. Insl.

Fringingand Melh.

6. Ezoe, H., 1970, "Fringing Field Effecl ~f J:>e.fleclingMag­nel", The Review of Scienlific Inslrumenls, Volume 41,Number 7, 952-956.

7. Bosi, G., 1970, "The Trajeclories of Charge Parlicles inMagnelic Fringe Fields", Universile de Monclon, Monclon,New Brunswick, Canada.

84

TANYA JAWAB

1. Iyos Subki

- Harap diuraikan spesifikaSi spektrometer massa yang

akan dibu.at.

JAWABAN

- Spesifikasi

Unt u.k apa ?!

Dispersi massa Om = 600 mm, su.du.tsektor

magnet ¢ = 900, ob~iqu.e incidence e =a m.26,5 , daya pisah CsementaraJ Rp - 500

600

- Spektrometer yang dibu.at ada~ah u.ntu.kana~isis gas.

2. Pram.udita Aneeraita

- Berapa reso~u.si spektrometer massa yang direncanakan ?!

Jika ce~ah diperkeci~ resoLu.si

denean intensitasnya ?!

JAWABAN

dapat naik, baeaim.ana

Rencana akan dapat mencapai ni~ai daya pisah Rp= 1500

1600 dan in.i dapa t d icapa i denean s istem. penea tu.r~ebar ce~ah.

Karen.a besarnya daya pisah se~ain bergantu.ne pada ce~ah

ju.ea bereantu.ne pada dispersi massa, maka u.ntu.kmem.per­

besar daya pisah Creso~u.si~ tidak per~u. mem.bu.atce~ah

terLaLu. sem.pit, sehingea intensi tas berkas ion masih

cu.ku.pbesar.