PEMILIHAN JENIS MATERIAL ELEKTRODA SUMBER ELEKTRON KATODA PLASMA

(1)

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya

Vol. 14, November 2012 : 166 - 176

166

PEMILIHAN JENIS MATERIAL ELEKTRODA SUMBER

ELEKTRON KATODA PLASMA

Lely Susita R.M., Sudjatmoko, B.A. Tjipto Sujitno, Bambang Siswanto, Wirjoadi

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Jl. Babarsari Kotak Pos 6101 Ykbb 55010 Yogyakarta E-mail : [email protected]

ABSTRAK

PEMILIHAN JENIS MATERIAL SISTEM ELEKTRODA SUMBER ELEKTRON KATODA PLASMA. Sistem elektroda yang dirancang adalah suatu sistem yang berfungsi untuk menghasilkan plasma pulsa di dalam bejana plasma secara terkendali, dan terdiri dari sistem elektroda ignitor dan sistem elektroda generator plasma. Sistem elektroda ignitor terdiri dari dua buah yang dipasang pada sisi kiri dan kanan bejana generator plasma yang berfungsi menginisiasi lucutan, dan sistem elektroda generator plasma sebagai pembentuk plasma di dalam bejana generator plasma. Sistem elektroda ignitor terdiri dari katoda, anoda dan isolator antara katoda dan anoda. Sistem elektroda generator plasma terdiri dari katoda yang juga sama dengan katoda elektroda ignitor dan anoda yang juga sebagai dinding bejana plasma. Material katoda untuk sistem elektroda ignitor paling baik menggunakan material Mg karena mempunyai laju erosi ion γi

paling rendah (11,7 µg/C) sehingga tidak mudah rusak (tererosi), serta mempunyai energi kohesif yang rendah (1,51 eV). Anoda pada sistem elektroda ignitor dan generator plasma dibuat dari material SS 304 non magnetik. Isolator antara katoda ignitor dan anoda ignitor terbuat dari teflon, karena mempunyai nilai resitivitas elektrik yang tinggi (>1018_{Ω cm), sedangkan material isolator pada sistem elektroda generator}

plasma terbuat dari poliamide (PA6), karena pada konstruksi isolator antara katoda ignitor dan anoda generator plasma memerlukan sifat mekanik (kekerasan) yang tinggi.

Kata kunci : Sistem elektroda, material elektroda, sumber elektron katoda plasma

ABSTRACT

MATERIAL SELECTION FOR ELECTRODES SYSTEM OF PLASMA CHATODE ELECTRON SOURCE. Designed electrodes system is a system is to function as a controlled pulsa plasma generator in plasma reactor tube and this consists of electrode ignitor and electrode plasma generator. Ignitor electrode system consists of two electrodes system which are placed on the right and left of the tube. Each of the system consists of ignitor electrode system which initiates the discharge and electrodes system which generate plasma. Ignitor electrode system consists of chatode, anode and isolator between chatode and anode. Electrode system for plasma generator consist of chatode with the same chatode of ignitor electrode and anode of plasma tube wall. Cathode material for ignitor electrode system is better made of Magnesium (Mg) material due to its lowest ion erosion rate (γ = 11.7 µg/C) so it is difficult to be eroded and it has low cohesive energy (1.51 eV). Anode at ignitor electrode system and plasma generator are made of non magnetic of SS 304 materials. Isolator between ignitor chatode and anode is made of teflon due to its high electric resistivity (>1018_{Ωcm) whereas isolator material for electrode system of plasma generator is made}

of poliamide (PA6), due to its high mechanical (hardness) properties.

Keyword ; electrode system, electrode material, plasma chatode electron source

PENDAHULUAN

esin pemercepat elektron sering disebut Mesin Berkas Elektron (MBE) adalah satu jenis teknologi baru yang telah dikembangkan dalam dua dekade yang lalu sebagai sumber radiasi pada proses iradiasi suatu produk industri. Pemanfaatan MBE dalam bidang industri telah berkembang pesat di negara-negara maju, terutama dalam proses pengeringan pelapisan (curing of coatings) permukaan bahan, proses

pembentukan ikatan silang pada plastik, karet dan bahan isolasi kabel, proses vulkanisasi karet alam, sterilisasi peralatan medis, pengawetan bahan makanan, modifikasi tekstil dan graft poly-merization. Apabila dibandingkan dengan proses termal konvensional ataupun proses kimia, maka proses iradiasi elektron mempunyai beberapa keunggulan antara lain: menghasilkan kualitas produk yang lebih tinggi, tidak menimbulkan polusi pada lingkungan, hemat energi, reaksi-reaksi terjadi pada suhu kamar, proses yang terjadi mudah

M

(2)

PEMILIHAN JENIS MATERIAL ELEKTRODA SUMBER ELEKTRON KATODA PLASMA

Lely Susita R.M., dkk.

167 dikontrol, biaya operasi lebih rendah untuk produksi

masal.[1]

Pada saat ini sebagian besar MBE meng-gunakan sumber elektron dengan filamen yang dipanaskan, dilengkapi tabung akselerator, sistem pemfokus dan sistem pemayar; sehingga harga MBE cukup mahal, bentuknya cukup besar dan kurang kompak, serta berkas elektron yang mengenai permukaan bahan yang diradiasi masih kurang seragam. Untuk meningkatkan homogenitas dan efisiensi dari berkas iradiasinya serta kemudahan dalam pengoperasiannya maka jenis MBE juga berkembang, satu diantaranya adalah MBE pulsa yang menggunakan sistem sumber elektron berbasis katoda plasma. MBE jenis ini bentuknya kecil dan kompak, dan harganya relatif murah karena tidak menggunakan tabung akselerator, sistem pemfokus dan sistem pemayar. Dalam perkembangannya aplikasi berkas elektron pulsa cukup luas seperti dalam bidang industri MBE pulsa dapat digunakan dalam bidang kesehatan untuk industri pengolahan lateks karet alam, modifikasi permukaan pada industri semikonduktor dan polimer, serta industri pangan untuk pasteurisasi tanpa merusak tekstur dan nutrisi, juga netralisasi limbah. Komponen MBE pulsa terdiri dari bejana sumber elektron yang di-lengkapi dengan elektron window, sumber elektron katoda plasma, sistem tegangan pemercepat dan pompa vakum. Sumber elektron katoda plasma yang juga disebut anoda berongga mempunyai dua sistem elektroda ignitor di sisi kiri dan kanan bejana gene-rator plasma dan sistem elektroda genegene-rator plasma

dengan grid yang dipasang di bawah dinding bejana generator plasma yang juga berperan sebagai anoda.

Dalam makalah ini akan disajikan tentang deskripsi sistem elektroda dan jenis material elektroda yang berkaitan dengan persyaratan rancangan sistem elektroda yang meliputi kriteria dadal, hukum Paschen, laju erosi ion dan proses pembentukan plasma dari generator plasma.

DESKRIPSI SISTEM ELEKTRODA

Sistem elektroda yang dirancang untuk sumber elektron katoda plasma adalah suatu sistem yang berfungsi untuk menghasilkan plasma pulsa di dalam bejana plasma secara terkendali. Sistem elektroda terdiri dari dua sistem elektroda yaitu sistem elektroda ignitor dan sistem elektroda generator plasma, seperti ditunjukkan pada Gambar 1. Sistem elektroda ignitor yang menginisiasi lucutan terdiri dari dua buah elektroda ignitor yang dilengkapi dengan dua unit sistem catudaya lucutan ignitor (IDPS). Sistem elektroda ignitor terdiri dari katoda, anoda dan isolator antara katoda dan anoda. Sistem elektroda generator plasma sebagai pembentuk plasma dalam bejana plasma dilengkapi dengan dua unit sistem catu daya lucutan busur (ADPS) dan sistem deteksi arus lucutan dan kerapatan plasma. Sistem elektroda generator plasma terdiri dari katoda yang juga sama dengan katoda elektroda ignitor dan anoda yang juga sebagai dinding bejana plasma.

Gambar 1. Sistem elektroda sumber elektron katoda plasma.

Keterangan gambar :

1. Bejana plasma yang juga disebut anode berongga; 2. Anode pemicu; 3. Isolator; 4. Katoda sebagai sumber spot plasma; 5. Grid ekstraktor elektron; 6. Pemegang jendela; 7. Jendela elektron dari bahan Ti/Be; 8. Sumber daya pemicu, 10 kV, 100 mJ; 9. Sumber daya generator plasma; 10. Tegangan pemerecepat elektron; 11. Plasma spot; 12. Plasma.

(3)

Vol. 14, November 2012 : 166 - 176

168 Sistem elektroda penghasil plasma,

mempunyai dua sumber daya yaitu sumber daya ignitor (8) dan sumber daya generator plasma (9). Sumber daya ignitor (8) mempunyai spesifikasi tegangan 10 kV, dan energi 100 mJ mengalirkan tegangan melaui anoda (2) dan melalui isolator (3) akan membentuk spot plasma (11) di permukaan katoda (4) melalui proses lucutan permukaan, pada bejana plasma (1) dengan tekanan gas sekitar 10-4

Torr. Kemudian spot plasma (11) yang terbentuk akan dihamburkan oleh tegangan sumber daya generator plasma (9) dan hamburan spot plasma yang dipercepat tegangan sumber daya generator plasma akan mengionkan gas dalam rongga bejana plasma terbentuk lucutan busur plasma (12) di sekitar daerah anoda berongga (1), dan bila kedua sistem elektroda berjalan serempak maka keseluruhan ruang anoda akan terbentuk lucutan busur plasma. Oleh tegangan pemercepat (10) elektron yang lolos melalui grid (5) akan dipercepat sampai mampu menembus jendela Ti/Be (7) yang selanjutnya dimanfaatkan untuk iradiasi bahan.[2]

PEMBAHASAN

Jenis Material Sistem Elektroda 1. Material katoda

Untuk bejana plasma dengan tekanan sekitar 10-4_{Torr, berdasar aturan Paschen, tegangan dadal}

antara katoda dan anoda sangat besar (sekitar ratusan kV untuk jarak elektrode beberapa cm).[3]

Tegangan dadal gas (the gas breakdown voltage) VBr ditentukan sebagai fungsi dari perkalian tekanan

gas p dan jarak antar-elektroda d. Telah dilakukan pengukuran tegangan dadal gas Ar dan He untuk tiga jenis material katoda Ag, Mg, Al oleh Mohamed Ali Hassouba dkk.[4]_{Tegangan dadal gas}

Ar yang diukur dalam kisaran pd 26 hingga 530 Pa cm (0.2 hingga 4.0 cm torr) sedangkan untuk gas He dari 133 hingga 2400 Pa cm (1.0 hingga 18 cm torr) untuk tiga jenis material katoda Ag, Mg, Al, ditampilkan pada Gambar 2 dan 3.

Dari hasil pengukuran tersebut, menunjukkan bahwa tegangan dadal minimum (VBr)min Ar untuk

ketiga material katoda terjadi pada nilai (pd)min = 80

Pa cm (0,6 torr cm), sedangkan (VBr)min He untuk

ketiga macam katoda, terjadi pada nilai (pd) min =

530 cm Pa (4 cm torr). Tegangan dadal minimum (VBr)min tergantung pada jenis material katoda. Hal

ini dapat dikaitkan dengan perbedaan fungsi kerja (work function) dari ketiga material katoda. Tegangan dadal minimum (VBr)min meningkat untuk

work function material katoda yang lebih besar seperti ditunjukkan pada Tabel 1.

(4)

169

Gambar 3. Kurva Paschen untuk lucutan He menggunakan katoda Ag, Mg dan Al.

Tabel 1. Work function φ dan tegangan dadal minimum (VBr)min untuk jenis katoda dan gas yang berbeda.

Material Katoda φ(eV) (VBr)min (Volt)

[gas Argon] (VBr)min (Volt) [gas Helium] Perak (Ag) 4,26-4,74 213 168 Magnesium (Mg) 3,66 192 162 Aluminium (Al) 3,6 182 152

Spot plasma di permukaan katoda mem-punyai ukuran mikrometer dan berintensitas cukup tinggi. Parameter dari spot plasma adalah laju erosi ion (ion erosion rate), dapat ditentukan dengan cara mengukur arus ion maksimum pada kondisi lucutan busur. Dari hasil eksperimen yang dilakukan oleh Savkin, KP.[5]_{, laju erosi ion merupakan}

karakteristik dari bahan katoda dan tidak tergantung dari besarnya arus lucutan busur. Laju erosi ion umumnya lebih besar untuk unsur dengan energi kohesif rendah. Bahan-bahan yang mempunyai energi kohesif lebih besar memerlukan energi lebih besar untuk transformasi fasa bahan katoda padat menjadi plasma.

Laju erosi ion dari material katoda dapat ditentukan dengan cara mengukur arus ion total Ii, arus

lucutan Iarc, dan distribusi muatan (charge state

distribution) Qi, berdasarkan rumus

i i i i i arc i i Q e M Q e M I I ⋅ = ⋅ = α γ , (1)

dengan normalisasi arus ion αi = Ii/Iarc

,

Mi adalah

massa atom dari material katoda, e adalah muatan keunsuran (1,602 x 10-19_coulomb).

Hasil penelitian laju erosi ion untuk berbagai bahan katoda disajikan pada Tabel 2.[5]

(5)

Vol. 14, November 2012 : 166 - 176

170

Tabel 2. Nilai normalisasi arus ion dan laju erosi ion pada arus lucutan 100 A. Material Katoda Energi Kohesif

(eV/atom) αi (%) γi (µg/C) C 7,37 11,3 13,5 Mg 1,51 8,3 11,7 Al 3,39 8,3 14 Ag 2,95 6,0 27,8 Ti 4,85 6,8 15,2 V 5,51 5,7 12,8 Cr 4,10 8,0 18,2 Fe 4,28 6,0 16,9 Ni 4,44 4,8 14,5 Co 4,39 5,0 15,3 Cu 3,49 6,8 19,3 Zn 1,35 8,2 40,0 Zr 6,25 4,8 15,9 Nb 7,57 6,2 18,0 Cd 1,16 5,8 43,9 Ta 8,1 6,3 35,5 W 8,99 5,0 27,1 Pb 2,03 5,8 67,4 Bi 2,18 5,8 94,0

Dari data pada Tabel 2 dapat diketahui bahwa material katoda untuk sistem elektroda ignitor paling baik menggunakan material Mg karena mempunyai laju erosi ion γi paling rendah (11,7

µg/C) sehingga tidak mudah rusak (tererosi), serta mempunyai energi kohesif yang rendah (pada energi 1,51 eV telah terbentuk plasma). Semakin besar arus menuju katoda maka semakin besar spot plasma yang dihasilkan sehingga semakin besar pula partikel magnesium tererosi.

2. Material Anoda

Kriteria dari bahan anoda pada sistem elektroda adalah

1. Tahan terhadap suhu tinggi 2. Tahan terhadap korosi

3. Mempunyai permukaan yang relatif luas 4. Sifat daktilitas (keuletan) tinggi, sehingga

dapat dengan mudah dibentuk.

Material anoda pada sistem elektroda ignitor adalah stainless steel (baja tahan karat) austenit

yang sering digunakan dalam aplikasi yang memerlukan material bukan magnet. Stainless Steel (SS) adalah paduan besi dengan minimal 12 % kromium. Komposisi ini membentuk protective layer (lapisan pelindung anti korosi) yang merupakan hasil oksidasi oksigen terhadap krom yang terjadi secara spontan. Meskipun seluruh kategori SS didasarkan pada kandungan krom (Cr), namun unsur paduan lainnya ditambahkan untuk memperbaiki sifat-sifat SS sesuai aplikasinya.

Berdasarkan fasanya, stainless steel dapat dibagi menjadi enam kelompok: martensit, martensit-austenitik, feritik, feritik-austenitik, austenitik dan precipitation hardening steels. Kelima nama kelompok yang pertama mengacu pada komponen dominan dari struktur mikro baja (steel). Nama kelompok terakhir mengacu pada baja yang dikeraskan dengan mekanisme khusus yang melibatkan pembentukan endapan dalam struktur mikro baja. Dan hanya ada satu kategori dari baja tahan karat yang non-magnetik yaitu: baja austenitik, sedangkan yang lain adalah bersifat magnetik.[6-7]_{Tabel 3 menampilkan komposisi}

(6)

171 untuk berbagai kelompok baja tahan karat (stainless

steel).

Sifat Mekanik Stainless Steel

SS dapat dibagi menjadi empat kelompok dengan sifat yang sama dalam setiap kelompok: martensit dan feritik-martensit, feritik, austenitik-feritik dan austenitik.

Perbedaan sifat mekanik SS terlihat pada kurva tegangan-regangan seperti ditunjukkan pada Gambar 4. Baja martensit mempunyai kekuatan tarik (tensile strengths) tinggi tetapi sifat daktilitasnya (keuletan) rendah, sedangkan kekuatan baja austenitik rendah dan daktilitasnya sangat baik. Baja feritik-austenitik dan feritik mempunyai sifat mekanik di antara baja martensit dan austenitik.

Tabel 3. Komposisi untuk berbagai kategori baja tahan karat.

Kategori Baja Komposisi (Berat %) Sifat Kekerasan Sifat Kemagnetan C Cr Ni Mo Lainnya Martensit ›0,10 ›0,17 11-14 16-18 0-1 0-2 - 0-2

V Dapat dikeraskan Magnet

Martensit-Austenit ‹0,10 12-18 4-6 1-2 Dapat dikeraskan Magnet

Kategori Baja Komposisi (Berat %) Sifat Kekerasan Sifat Kemagnetan C Cr Ni Mo Lainnya Precipitation Hardening 15-17 12-17 7-8 4-8 0-2 0-2 Al

Al, Cu, Ti, Nb

Dapat dikeraskan Magnet Ferit ‹0,08 ‹0,25 12-19 24-28 0-5 - ‹5 - Ti Tidak dapat dikeraskan Magnet Ferit-Austenit (Duplex) ‹0,05 18-27 4-7 1-4 N, W Tidak dapat dikeraskan Magnet Austenit ‹0,08 16-30 8-35 0-7 N, Cu, Ti, Nb Tidak dapat

dikeraskan Bukan Magnet

(7)

Vol. 14, November 2012 : 166 - 176

172 Sifat Fisik Stainless Steel

Tabel 4 dan Gambar 5-7 menunjukkan nilai berbagai sifat fisik dari stainless steel.

Tabel 4. Sifat fisik untuk berbagai tipe stainless steel. Sifat Fisik Tipe Stainless Steel

Martensit Ferit Austenit Ferit-Austenit

Densitas (g/cm3_{) 7,6-7,7}_7,6-7,8_7,9-8,2_0,8

Modulus Young (MPa) 220 220 195 200

Ekspansi Termal (×10-6/°C) 200-600°C 12-13 12-13 17-19 13

Konduktivitas Termal (W/m°C) 20°C 22-24 20-23 12-15 20

Kapasitas Panas (J/kg°C) 20°C 460 460 440 400

Resistivitas (nΩm) 20°C 600 600-750 850 700-850

Sifat Magnet Maget Magnet Bukan Magnet Magnet

Gambar 5. Modulus elastisitas stainless steel tipe Austenit.

Gambar 6. Konduktivitas termal stainless steel

(8)

173 Dari Gambar 6 dan Tabel 4 terlihat bahwa

konduktivitas termal baja austenit paling rendah dibandingkan dengan baja martensit, baja ferit dan baja ferit-austenit. Sedangkan dari Gambar 7 ditunjukkan bahwa ekspansi termal baja austenit jauh lebih tinggi daripada jenis baja lainnya. Hal ini dapat menyebabkan tegangan termal pada aplikasi dengan fluktuasi suhu, perlakuan panas dan pada pengelasan (welding).[8]

Komponen anoda pada sistem elektroda ignitor dan anoda pada sistem elektroda generator plasma yang merupakan dinding bejana plasma dibuat dari material SS 304 (kelompok baja tahan karat austenitik), karena SS 304 mempunyai sifat daktilitas (keuletan) tinggi sehingga dapat dengan mudah dibentuk, sifat mampu las yang baik (weldability) dan non magnetik.

Material Isolator

Fungsi yang paling penting dari material isolator adalah untuk mengisolasi/memisahkan bagian bagian yang bertegangan satu sama lain dan terhadap bumi (ground). Namun demikian selain berfungsi sebagai isolator, material ini harus mampu menahan beban mekanis, mampu menahan beban panas maupun tahan terhadap korosi. Beban-beban tersebut seringkali terjadi secara simultan, sehingga efek bersama dari berbagai parameter tersebut harus diketahui. Bergantung pada jenis aplikasinya, ada beberapa persyaratan yang harus dipenuhi. Sebagai contoh karakteristik elektrik yang harus dipenuhi meliputi (1) memiliki kekuatan elektrik yang tinggi (2) memiliki dielektrik losses yang rendah (hal ini dimaksudkan untuk mencegah terjadinya pemanasan lebih pada material isolasi, (3) memiliki konstanta dielektrik yang sesuai dan (4) memiliki kekuatan tracking yang tinggi selama terjadinya tekanan pada permukaan material, hal ini dimaksudkan untuk mencegah terjadinya tracking atau erosi. Sedangkan karakteristik mekanik meliputi (1) kekuatan tensil yang tinggi (misal pada isolator saluran udara), (2) memiliki kekuatan tarik yang tinggi (isolator pada gardu induk), (3) memiliki kekuatan tekan yang tinggi (isolator pedestal pada antenna), atau kekuatan menahan tekanan (isolator CB dengan tekanan internal). Karakteristik mekanik seperti modulus elastisitas, kekerasan dan lain sebagainya merupakan karakteristik yang sangat berhubungan dengan tekanan dan perancangan yang sesuai. Peralatan listrik sering kali mengalami kenaikan suhu pada operasi normal sebagaimana pada kondisi gangguan atau dimaksudkan untuk dioperasikan pada temperatur tinggi. Spesifikasi dari sifat termal yang harus diperhatikan meliputi kekuatan bertahan terhadap panas yang tinggi, konduktivitas termal yang tinggi, koefisien ekspansi termal yang rendah,

dan kekuatan terhadap busur api yang tinggi. Material isolator seharusnya juga tidak sensitif terhadap kondisi lingkungannya. Oleh karena itu material isolasi hendaknya memiliki beberapa sifat lain seperti ketahanan terhadap ozone, imper-meabilitas, bersifat higroskopik/daya serap air rendah dan sifat kestabilan terhadap radiasi.

Dalam sumber elektron katoda plasma, isolator digunakan untuk sekat antara katoda dan anoda dan akan menerima beban tekan, radiasi, lingkungan reaktif (plasma), beroperasi pada suhu plasma yang cukup tinggi dan dioperasikan pada tegangan tinggi pula (150 kV). Berdasar pada pertimbangan tersebut maka sebagai isolator dipilihlah Teflon (PTFE) atau Poliamide (PA6). Material Teflon

Nama Teflon merupakan nama dagang, nama ilmiahnya adalah politetraflurotilena dan disingkat dengan PTFE. Polimer jenis ini dihasilkan dari proses polimerisasi adisi senyawa turunan etilen yaitu tetrafluoroetilena (CF2 = CF2). Teflon sangat tahan terhadap bahan kimia, tahan panas, mem-punyai koefisien gesek yang rendah (tidak mudah aus), mempunyai permukaan yang sangat halus (licin), sifat ini menjadikan Teflon sangat cocok untuk diaplikasikan dalam pembuatan segel (seal) temperatur tinggi, isolator maupun bagian dari bantalan (bearing). Bagian ini banyak digunakan dalam bidang semikonduktor, angkasa luar, maupun proses industri kimia maupun proses pengolahan industri makanan. Teflon merupakan jenis isolator yang terbuat dari bahan organik yang mampu beroperasi di atas suhu1800_{C hingga maksimum}

2600_{C. Tipe, warna maupun bentuk Teflon yang}

tersedia dipasaran disajikan pada Tabel 5. Sedang sifat-sifat Teflon seperti sifat mekanik, termal mau-pun sifat elektrik disajikan pada Tabel 6 dan 7.[9,10]

Material Poliamide (PA6)

Poliamida merupakan keluarga polimer yang membentuk hubungan amida (CO-NH) selama polimerisasi dan disebut Poliamida (PA). Yang paling penting anggota keluarga PA adalah nilon, yang kedua adalah nilai utama nilon adalah 6, angka 6 menunjukkan jumlah atom karbon dalam monomer. Sifat dari PA 6 ini kuat, sangat elastis, tangguh, abrasi perlawanan, self pelumas. Sifat-sifat ini membuat PA6 mempunyai Sifat-sifat mekanik yang stabil bahkan sampai pada suhu 12500_{C. salah}

satu kekurangan dari PA6 adalah bahwa ia sangat mudah menyerap air dengan disertai sifat degradasi. Sifat-sifat mekanik, elektrik dan termal PA 6 disajikan pada Tabel 7.[11]

(9)

Vol. 14, November 2012 : 166 - 176

174

Tabel 5. Beberapa Tipe, Warna dan Bentuk dari Teflon. Type (Tipe) Colur (warna) Shape (Bentuk)

Virgin, Carbon-filled Bronze, Glass-filled and Etched

White, Black and Brown Sheet (Lembaran), Rod (Lonjoran), Hollow (Rongga), Tubing (Tabung), and Strip (Sirip)

Tabel 6. Sifat-Sifat (Mekanik, Termal dan Elektrik) Teflon dan Matetrial Sejenisnya.

N o

Description Unit PTFE (Teflon)

PE PC POM PP PVC PA6

Mechanical Properties (Sifat Mekanik)

1 Density g/cm3 2,18 0,97 1,2 1,41 1 1,4 1,7 2 Coefisient of Friction - 0,05 0,2 0,31 0,032 0,25 - 0,36 3 Tensile Strength MPa 33,4 22,1 40 60 33 55 76 4 Elongation of Break % 500 400 110 35 148 33 30 5 Ball Indentation Hardness N/mm2 30 38 80 140 75 75 165 6 Notched Charpy Impact Strength J/cm 1,55 2,79 1,44 0,53 1,26 5,29 (izod) 1,95 7 Modulus of Elasticity N/mm2 700 700 2300 3200 1450 3000 3100

Thermal Properties (Sifat Termal)

1 Max Continuous Operating Temperatur 0_C 260 80 125 110 90 60 100 2 Linear Expansion Factor @ 230_C K-1 1,7x104 1x104 0,7x104 1x104 1,5x104 0,8x104 0,8x104 3 Thermal Conductivity @ 230_C W/m* K 0,21 0,4 0,19 0,31 0,22 0,14 0,23 Electrical Properties 1 Volume Resistance Ohm.cm > 10 18 _{> 10}15_>₁₀17_>₁₀15_>₁₀16_>₁₀15 > 1015 2 Surface Resistance Ohm > 1014 > 1014 > 1015 > 1013 > 1013 > 1013 > 1013 3 Dielectric Strength kV/m m 11 45 27 55 127 20 26,4

(10)

175

Table 7. Sifat-Sifat Poliamide PA 6. Mechanical properties

Quantity Value Unit

Young’s modulus 2300-2500 MPa

Tensile strength 48-85 MPa

Elongation 100-320 %

Compressive strength 46-90 MPa

Fatigue 31-34 MPa

Bending strength 110-120 MPa

Impact strength 0,44-3 J/cm

Yield strength 35-40 MPa

Physical properties

Quantity Value Unit

Thermal expansion 83-120 e-6/K

Thermal conductivity 0.245-0.,27 W/m.K

Specific heat 1.592-1.7 J/kg.K

Melting temperature 220-223 °C

Glass temperature 50-75 °C

Density 1120-1140 Kg/m3

Resistivity 1e+17 – 1e+20 Ohm.mm2_/m

Breakdown potential 17-35 kV/mm

Dielectric loss factor 0.04-0.06 Friction coefficient 0.38-0.45

Refraction index 1.53-1.53

Shrinkage 0.3-2 %

Water absorption 2-4 %

Material isolator antara katoda ignitor dan anoda ignitor terbuat dari teflon, karena mempunyai nilai resitivitas elektrik yang tinggi (>1018_{Ω cm),}

sedangkan material isolator pada sistem elektroda generator plasma dibuat dari poliamide (PA6), karena konstruksi isolator antara katoda ignitor dan anoda generator plasma memerlukan sifat mekanik (kekerasan) yang tinggi.

KESIMPULAN

Berdasarkan pembahasan tersebut di atas dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut :

Sistem elektroda sumber elektron katoda plasma adalah suatu sistem yang berfungsi untuk menghasilkan plasma pulsa di dalam bejana plasma secara terkendali. Masing-masing sistem elektroda tersusun atas sistem elektroda ignitor yang menginisiasi lucutan dan sistem elektroda pembentuk plasma.

Sistem elektroda ignitor terdiri dari katoda dengan menggunakan material Mg (magnesium), anoda terbuat dari material SS 304 non magnetik, dan isolator antara katoda dan anoda dari teflon. Sistem elektroda generator plasma terdiri dari katoda ignitor untuk inisiasi terbentuknya plasma dari material Mg, anoda yang merupakan dinding bejana plasma dibuat dari material SS 304 non magnetik, isolator antara katoda ignitor dan anoda generator plasma dibuat dari poliamide (PA6).

UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak Widdi Usada, Bapak Agus Purwadi dan Bapak Aminus Salam atas bantuan baik teori maupun teknis sehingga dapat memahami sumber elektron berbasis katoda plasma. Terima kasih kepada Bapak Heri Sudarmanto, Bapak Saefurochman, dan Bapak Untung Margono atas bantuan diskusi dan teknis dalam membahas

(11)

Vol. 14, November 2012 : 166 - 176

176 masalah sistem elektroda ignitor maupun generator

plasma.

DAFTAR PUSTAKA

[1] SUDJATMOKO, "Rancang Bangun Sumber Elektron Katoda Plasma", Proposal Program Insentif Proliptek 2012.

[2] WIDDI USADA, AGUS PURWADI, LELY SUSITA, "Karakteristik Spot Plasma Pada Lucutan Busur Plasma", Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir, Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN, Yogyakarta, 2012.

[3] V F PUCHKAREV and M B BOCHKAREV, "Cathode Spot Initiation Under Plasma", J. Phys. D: Appl, Phys. 27 (1994) 1214-1219. Printed in the UK.

[4] MOHAMED ALI HASSOUBA, F. FAHMY

ELAKSHAR and A. ABUWALI

GARAMOON, "Measurements of The Breakdown Potentials for Different Cathode Materials in The Townsend Discharge", FIZIKA A 11 (2002)2, 81-90, Egypt.

[5] K.P. SAVKIN, "Measurements of Ion Erosion Rate of Cathode Material in a Vacuum Arc Discharge", Intense electron and ion beams, 2005.

[6] BÉLA LEFFLER, "Stainless-Stainless Steels and Their Properties".

[7] D. PECKNER, I. M. BERNSTEIN, "Hand-book of Stainless Steels", McGraw-Hill, 1977.

[8] H. NORDBERG, "Mechanical Properties of Austenitic and Duplex Stainless Steels", in Stainless Steel 93. Innovation Stainless Steel, Florens, 1993. [9] http://id.wikipedia.org/wiki/teflon [10] http://en.wikipedia.org/wiki/polytetra-fluoroethylene [11] http: //www.matbase.com/material/polymers/ engineering/pa-6/prope

TANYA JAWAB

Widdi Usada

− Adakah unsur / material selain Mg yang bagus untuk bahan katode ?

Lely Susita

− Berdasarkan penelitian laju erosi ion untuk berbagai bahan katoda yang dilakukan oleh Savkin K.P dan disajikan pada Tabel a, ditunjukkan bahwa beberapa material katoda mempunyai energi kohesif rendah (mudah membentuk spot plasma) antara lain Al, Ag, Zn, Cd, Pb, dan Bi tetapi nilai laju erosi ion materia tersebut sangat besar artinya materil Al, Ag, Zn, Cd, Pb, dan Bi mudah tererosi, karena semakin besar spot plasma yang dihasilkan maka semakin besar pula partikel material tersebut yang tererosi.