ANODA EKSTRAKTOR ELEKTRON PADA BEJANA GENERATOR PLASMA DAN PENENTUAN BESAR ARUS BERKAS ELEKTRONNYA

(1)

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya

Vol. 14, November 2012 : 152 - 160

152

ANODA EKSTRAKTOR ELEKTRON PADA BEJANA

GENERATOR PLASMA DAN PENENTUAN BESAR ARUS

BERKAS ELEKTRONNYA

Agus Purwadi, Widdi Usada, Bambang Siswanto, Sukidi

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan – BATAN

Jl. Babarsari POB 6101 Ykbb, Telp. (0274) 488435, Yogyakarta 55281 E-mail : gs_purwadi@yahoo.co.id

ABSTRAK

ANODA EKSTRAKTOR ELEKTRON PADA BEJANA GENERATOR PLASMA DAN PENENTUAN BESAR ARUS BERKAS ELEKTRONNYA. Telah dirancang bangun anoda ekstraktor elektron bentuk grid/kassa dari bahan SS-304 (mesh-40) dengan ukuran lubang grid (0,5x0,5) mm2_{dan jarak antar lubang grid}

masing-masing 0,20 mm. Lembaran grid seluas (30x600) mm2 _{dipasang pada sisi bejana generator plasma}

yang berada di dalam bejana Sumber Elektron Katoda Plasma. Bejana generator plasma tersebut diharapkan dapat menghasilkan arus berkas elektron sekitar Ie = 50 amper (A). Telah dihitung bahwa

supaya bejana tersebut menghasilkan arus berkas elektron sebesar Ie = 49,9 A maka kerapatan elektron

plasmanya ne=1018/m3 dan suhu elektron plasmanyaTe = 10 eV serta supaya Ie = 47,4 A maka kerapatan

elektron plasmanya ne=1,5x1018/m3 dan suhu elektron plasmanyaTe = 4 eV. Besar harga arus berkas

elektron Ie dapat diukur secara empirik dengan menggunakan koil Rogowski.

Kata kunci : arus plasma, kerapatan plasma, suhu plasma, grid, sheath

ABSTRACT

ELECTRON EXTRACTOR ANODE ON GENERATOR PLASMA TUBE AND DETERMINATION OF ITS ELECTRON BEAM CURRENT VALUE. It has been designed and contructed the electron extractor onode of grid/kassa form made of SS-304 (mesh-40) with grid hole size of (0,5x0,5) mm2_{and distance between grid}

hole each other of 0,20 mm. Grid sheet as width as (30x600) mm2_{is placed on the side of plasma generator}

tube in the tube of Plasma Cathode Electron Source. It is hoped that the plasma generator tube can be able to produce electron beam current round about of 50 ampere (A). It has been accounted that the tube in order to produce electron beam current of Ie = 49,9 A then its plasma electron density ne is of 1018/m3 and

its plasma electron temperature Te is of 10 eV and in order to produce Ie = 47,4 A then its plasma electron

density ne is of 1,5x1018/m3 and its plasma electron temperature Te is of 4 eV. The value of electron beam

current Ie can be measured empirically by using Rogowski coil.

Keywords : plasma current, plasma density, plasma temperature, grid, sheath.

PENDAHULUAN

umber Elektron Berbasis Katoda Plasma (SEBKP) merupakan suatu pembangkit berkas elektron. Pada SEBKP berkas elektron dibentuk oleh adanya emisi atau ekstraksi elektron dari permukaan plasma. Permukaan plasma pada bejana generator plasma hanya plasma elektronnya ditarik keluar menuju daerah pemercepat oleh anoda ekstraktor. Selanjutnya plasma elektron dipercepat menggunakan tegangan pemercepat orde ratusan kilo-volt (kV) menuju target setelah melalui jendela/window bejana plasma. SEBKP dengan

keluaran berkas elektron berpenampang luas dan berarus besar akan sangat bermanfaat untuk aplikasi pada permukaan bahan datar yang luas. SEBKP dapat digunakan dalam teknologi-teknologi radiasi seperti modifikasi struktur permukaan bahan, pemompaan media aktif laser-laser gas, pengelasan keramik, pembangkit radiasi elektromagnetik, teknologi radiasi dan kimia plasma serta dalam bidang-bidang lainnya.[1]

Apabila dibandingkan dengan mesin berkas elektron yang beroperasi secara kontinyu, maka rancang bangun sistem SEBKP adalah lebih sederhana karena SEBKP tidak menggunakan

S

(2)

ANODA EKSTRAKTOR ELEKTRON PADA BEJANA GENERATOR PLASMA DAN PENENTUAN BESAR ARUS BERKAS ELEKTRONNYA

Agus Purwadi, dkk.

153

sistem pemfokus dan juga magnet pembelok. Demikian pula untuk produk-produk berkas yang semacam, SEBKP mempunyai keuntungan lebih terhadap sistem katoda panas, dan jauh lebih mudah untuk membentuk kehomoginan luasan daerah emisi plasma. SEBKP selain beroperasi dalam bentuk pulsa (orde nano hingga milli sekon) juga mampu menghasilkan kerapatan arus tinggi (hingga 100 A/cm2_{) serta tidak bergantung pada kondisi vakum}

dengan tekanan gas operasi pada jangkauan yang lebar (sampai 10 Pa ).

Khusus untuk rancang bangun anoda ekstraktor elektron pada bejana generator plasma SEBKP, telah dilakukan dengan terlebih dahulu studi pustaka penggunaan anoda ekstraktor dari bahan stainless steel (SS) dengan berbagai bentuk geometri dan ukuran lubang gridnya[2]_{. Rancang}

bangun anoda ekstraktor disesuaikan dengan bentuk bejana generator plasmanya, yang diperkirakan berkas elektron dengan energi tinggi (orde ratusan joule), untuk tegangan pemercepat antara 150 kV hingga 200 kV, kecepatan repititif pulsa sekitar 50 s -1_{dan jangka waktu pulsa sekitar 40 µs. Karena}

diharapkan tampang lintang berkas elektron pulsa nantinya dapat besar/luas maka sistem lucutan yang mampu menghasilkan elektron yang efisien, ekstraksinya stabil serta distribusi kerapatan elektron pada berkas bisa optimum, adalah hanya dengan metode penggunaan grid/kassa sebagai anoda ekstraktor pada bejana generator plasmanya. Telah dirancang bangun anoda ekstraktor bentuk kassa/grid dari bahan kassa SS mesh-40 berukuran lubang (0,5x0,5) mm2_{, seluas (30x600) mm}2 _yang

diklemkan pada bejana generator plasma, dengan jarak antar klem 50 mm disepanjang sisi lembaran grid. Bejana generator plasma (didalam bejana SEBKP) yang diperlengkapi anoda ekstraktor elektron dengan ukuran dan bentuk geometri tertentu tersebut diharapkan dapat menghasilkan besar arus berkas electron sekitar 50 ampere (A).

TEORI

Arus berkas elektron (pulsa) Ie besarnya akan

bergantung pada harga parameter plasma dalam

bejana generator plasma (kerapatan ne dan

temperatur elektron Te), geometri ekstraktor

(diantaranya ukuran jejari lubang grid) serta tegangan pemercepat plasma. Untuk penyeder-hanaan, plasma dalam bejana generator plasma secara keseluruhan dianggap homogen dan distribusi energi elektron adalah Maxwellian. Eksperimen telah menunjukkan bahwa pengaruh pancaran elektron pada parameter plasma menjadikan potensial plasma berubah. Ekstraksi elektron dari plasma dapat juga dipengaruhi oleh variasi kerapatan plasma, naik atau turunnya arus lucutan, osilasi frequensi tinggi serta dalam keadaan ketidak stabilan operasi lucutan. Dalam kenyataan SEBKP ukuran dari masing2_{lubang tunggal anoda}

ekstraktor dibatasi dengan dimensi yang sebanding dengan tebal sheath yang terbentuk di dekat elekroda tersebut. Suatu cara untuk memperoleh ini harus menutup permukaan emisi plasma dengan grid metal halus berukuran mesh sebanding ketebalan sheath dekat elektroda[3]_.

Metoda pembentukan arus elektron plasma dalam bejana generator plasma dinamakan stabilisasi sheath atau stabilisasi mesh. Stabilisasi mesh yang berarti pemilihan ukuran lubang emisi pada ketebalan orde sheath (yang memisahkan plasma dari elektroda keluaran). Emisi elektron dari bagian permukaan plasma terbuka (batas plasma), elektron dipancarkan dari bagian pusat dan pada pinggiran melalui penghalang/barrier potensial seperti disajikan pada Gambar 1, yang merupakan gambaran skematik prinsip stabilisasi grid.

Pada Gambar 1 ditunjukkan bahwa bertam-bahnya ketebalan sheath, akan mengurangi permukaan plasma terbuka. Dengan tidak adanya penghalang, kerapatan arus emisi adalah lebih besar dari pada kerapatan arus untuk elektron yang mengatasi penghalang dan oleh karena itu arus berkas emisi elektron Ie yang lewat masing-masing

lubang emisi utama ditentukan oleh luas permukaan plasma terbuka: 2 ) (e s ex e j r l I = π − (1)

Disini re adalah jejari dari lubang emisi dan ls adalah

(3)

Vol. 14, November 2012 : 152 - 160

154

Gambar 1. Ilustrasi skematik prinsip stabilisasi grid.

Pada asumsi bahwa ( φpl – φa) / k Te >>1 dan

potensial fall antara plasma dan elektroda emisi adalah negatip, sheath dekat elektroda dapat dianggap ionik dan ketebalan ls dapat juga

diestimasikan dari persamaan kerapatan arus ion terhadap anoda yang ditentukan dari relasi Bohm dan hukum Child Langmuir untuk arus ion

(

)

34 14 2 1 ) ( / e a pl o s _n ekT l ε ⎟ ϕ −ϕ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ =

(2)

Pada mekanisme stabilisasi, dianggap bahwa pada proses fluktuasi random emisi elektron plasma menyebabkan arus emisi elektron naik. Ini akan melibatkan bertambahnya potensial plasma (dibandingkan terhadap anoda ekstraktor) dan oleh karena itu menurut persamaan (2) expansi sheath dekat elektroda (anoda ekstraktor). Expansi sheath dalam lobang sebaliknya menghasilkan pengurangan luasan permukaan plasma terbuka dan menurut persamaan (1) akan mengurangi arus emisi elektron, karena itu mengkompensasi fluktuasi random. Hal ini dapat ditunjukkan, bahwa fluktuasi bertanggungjawab untuk menurunnya arus elektron akan juga dikompensasi dengan persesuaian perubahan dalam ketebalan sheath. Jadi tampak bahwa ada umpanbalik negatip antara sheath dan parameter emisi yang memberikan stabilisasi arus emisi.

Dalam keadaan umum, tiga perbedaan mekanisme emisi elektron plasma akan bergantung pada perbandingan ukuran lobang emisi re terhadap

ketebalan sheath ls.

a. Jika lobang emisi jauh lebih kecil dari pada ketebalan sheath (re << ls), sheath menyelimuti

semua lobang emisi dan elektron dipancarkan melalui penghalang potensial. Disini efisiensi ekstraksi elektron α (perbandingan arus emisi terhadap arus discharge) tertentukan seperti halnya untuk emisi ion, yakni oleh perbandingan

luas permukaan emisi plasma Se terhadap luas

total anoda dan elektroda lain dari sistem discharge Sa :

(

e a

)

e S S S + = α (3)

Ukuran kecil lobang emisi tak mengizinkan efisiensi ekstraksi elektron melebihi beberapa persen.

b. Keadaan tertentu yang lain dapat diangap dengan re >> ls

Dalam keadaan ini efisiensi ekstraksi elektron adalah:

(

e a

)

[

(

pl a

)

e

]

e S S e kT

S / exp ϕ ϕ /

α = + − (4)

Yakni α mendekati maksimum (satu satuan). Tetapi tingkat dimana parameter plasma terganggu lagi menjadi cukup besar yang mana ini akan mempersulit untuk memperoleh berkas elektron dengan parameter-parameterstabil. c. Keadaan antara a) dan b) yakni dengan

mengambil re ~ ls, yang mana α = 0,5. Dengan

efisiensi ekstraksi elektron yang pantas, stabilisasi grid dari parameter plasma terjadi dalam pengukuran penuh dan perubahan dalam parameter plasma berkonsekuensi terhadap emisi elektron.

Dianggap emisi elektron plasma melalui suatu lubang emisi sederhana dengan mem-perhatikan distribusi potensial medan listrik radial serta diasumsikan bahwa distribusi kecepatan elektron plasma adalah mendekati Maxwellian, arus emisi elektron Ie dapat dituliskan sebagai :

(

)

( )

∫

− = e e r T k r e e e e e e kT m n r e rdr I 0 2 1 , 2 / 2 ϕ π π (5)

dimana φ’(r) merupakan distribusi medan listrik radial dalam daerah emisi.

(4)

155

Ada tiga macam mekanisme elektron dapat lolos dari plasma, bergantung pada perbandingan antara tebal sheath dekat elektroda dengan jejari lubang emisi (grid). Keluaran plasma dipisahkan dari daerah percepatan elektron dengan ruang berpotensial minimum dimana elektron diperlambat oleh medan listrik. Pada daerah elektroda keluaran plasma, penghalang potensial tak dapat mengembang dalam daerah muatan ruang negatip. Tetapi suatu potensial minimum dapat diatur oleh medan listrik elektroda keluaran (anoda) seperti ditunjukkan pada Gambar 2. Emisi elektron sangat mungkin diperbesar dalam suatu luasan Se di dekat

lobang emisi dimana besar penghalang potensial adalah minimum. Emisi elektron pada Persamaan (5) dalam keadaan ini dapat ditulis sebagai:

(

)

(

)

kTe e s e e e e e e kT m n r l e I ϕ π π − − = _/₂ 1₂ 2 ₍₆₎

Untuk keadaan ini arus emisi adalah arus elekron yang telah mengatasi penghalang potensial dalam suatu luasan Se. Ketika penghalang potensial untuk

elektron secara total dikuasai oleh medan ekstraksi elektron atau ketika parameter plasma adalah sedemikian sehingga relasi ls < re dipenuhi bahkan

pada saat potensial kolektor masih nol, elektron dikeluarkan dari bagian permukaan plasma terbuka, di bagian pusat lubang emisi re dan juga melalui

penghalang potensial di sekelilingnya. Sistem emisi ini secara skematik ditunjukkan pada Gambar 3.

Gambar 2. Skema sistim emisi elektron pada

daerah grid dengan penghalang potensial.

Gambar 3. Skema sistim emisi elektron pada

daerah grid tanpa penghalang potensial.

Persamaan emisi untuk keadaan ini mempunyai bentuk:

(

)

1₂

(

)

2 2 / e e e s e e e kT m n r l I = π π −

(

)

_∫

( )

− − + e s e e r l r T k e e e e m n r e dr T k e ϕ π 12 2 / (7)

Arus elektron yang lewat penghalang potensial dapat diabaikan karena halangan potensialnya sangat besar, sehingga Persamaan (7) dapat lebih disederhanakan menjadi :

(

)

1₂

(

)

2 2 / _e _e _e _s e e e kT m n r l I =

π

− (8)

Terlihat pada Persamaan (8) bahwa luasan permuakaan emisi plasma π (re – ls )2 sehinga arus

emisi elektron Ie sangat bergantung pada ketebalan

sheath ls. Ketika kondisi ls << re dipenuhi, elektron

dikeluarkan dari permukaan plasma terbuka, hanya bergantung pada ukuran lobang emisi menurut persamaan:

(

)

1₂ 2 2 / e e e e e e kT m n r I =

π

(9)

Dalam anggapan ketiga keadaan diatas, arus emisi Ie sebanding dengan kerapatan plasma ne,

tidak peduli apakah elektron dikeluarkan melalui penghalang potensial atau dari permukaan plasma terbuka. Tetapi pengaturan arus dalam hal ls << re

hanya mungkin dengan memvariasi ne , padahal

(5)

Vol. 14, November 2012 : 152 - 160

156 diatur/dikontrol dengan memvariasi tinggi

penghalang potensialnya. Kontrol arus emisi elektron plasma lewat variasi kerapatan plasma ne

adalah lebih sering dilakukan dibandingkan dengan memvariasi arus lucut yang banyak ketidak keberhasilannya.

METODA DAN TATA KERJA

Anoda ekstraktor elektron bentuk grid berfungsi sebagai pengontrol arus emisi elektron plasma yang diekstrak/dikeluarkan dari bejana generator plasma. Anoda ekstraktor ini dipasang pada bagian bawah bejana generator netron pada sistem SEBKP yang dirancang dalam model DUET seperti diperlihatkan pada Gambar 4[4]

.

Sumber elektron berbasis katode plasma terdiri dari dua sistem elektroda penghasil plasma di sebelah kiri dan kanan, sistem tersebut ditunjukkan pada Gambar 4, yakni pada nomor 2,3 dan 4. Sistem elektroda penghasil plasma, mempunyai dua sumber daya yaitu sumber daya pemicu (8) dan sumber daya generator plasma (9). Sumber daya pemicu mempunyai spesifikasi tegangan 10 kV, dan energi 100 mJ mengalirkan tegangan melalui anode (2) dan melalui isolator Teflon (3) akan membentuk spot plasma (11) di permukaan katode (4) melalui proses lucutan permukaan, pada bejana

generator 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 anode berongga (1), dan bila kedua sistem elektrode berjalan serempak maka keseluruhan ruang anode 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.

Dalam makalah ini seperti dijelaskan dalam bab sebelumnya hanya dibahas salah satu komponen SEBKP saja yakni anoda ekstraktor SEBKP. Pada rancang bangun anoda ekstraktor digunakan bahan SS-304 bentuk kassa/grid (mesh-40) berukuran lubang (0,5x0,5) mm2_{(identik dengan grid bentuk}

lingkaran dengan jejari 0,28 mm) seluas (30x600) mm2 _{yang diklemkan pada bejana anoda, dengan}

jarak antar lubang grid 0,20 mm. Kalau jarak antara lubang grid yang satu dengan yang lain adalah sebesar 0,20 mm maka untuk media/luasan anoda emisi bejana plasma seluas (0,70 x 0,70) mm2_akan

ada 1 lubang grid, seperti ditunjukkan pada Gambar 5.

(6)

157

Besar arus emisi elektron Ie yang melalui

lubang grid menurut Persamaan (9) akan bergantung pada parameter plasma seperti suhu elektron Te,

kerapatan elektron ne serta bergantung pada ukuran

jejari grid re. Sedang besaran-besaran lain

merupakan konstanta yang harganya telah tertentu yakni untuk e = muatan elektron = 1,602 x 10-19_{C, k}

= tetapan Boltzmann = 1,37 x 10-23_{J/K dan m}

e =

massa elektron = 9,11 x 10-31_kg.

Karena jumlah lubang grid dalam luasan anoda ekstraktor (30x600) mm2_{dan besar arus emisi}

elektron yang melalui tiap lubang grid dapat dihitung, maka besar arus emisi elektron total yang keluar melalui anoda ekstraktor pada bejana generator plasma dapat ditentukan.

Gambar 5. Lubang grid (0,50 mm x 0,50 mm)

dengan jarak antara lubang grid yang satu dengan yang lain adalah sebesar 0,20 mm.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Telah dirancang bangun bejana SEBKP model DUET seperti ditunjukkan pada Gambar 6. Di bagian dalam SEBKP ini terdapat bejana generator plasma yang salah satu bagian utamanya terdapat anoda/grid ektraktor elektron plasma. Anoda/grid ekstraktor berbentuk lembaran kassa seluas 30 mm x 600 mm tersebut dengan lubang grid bentuk bujur sangkar (0,50 mm x 0,50 mm) dan jarak antar lubang grid sejauh 0,20 mm dipasang/diklemkan pada bejana generator plasma, seperti ditunjukkan pada Gambar 7.

Gambar 6. Rancang bangun bejana SEBKP

model DUET.

Lubang grid dalam bentuk bujur sangkar berukuran (0,50 mm x 0,50 mm) adalah identik dengan bentuk lingkaran dengan jejari 0,28 mm (2,8 x 10-4_m),

sehingga dengan persamaan (9) besar arus emisi elekton Ie yang melalui lubang tersebut dapat

ditentukan[5]_{. Karena digunakan lembaran grid}

seluas 30 mm x 600 mm dengan jarak antar lubang grid yang satu dengan lainnya sejauh 0,20 mm maka dalam luasan lembaran tersebut ada sebanyak 36.735 lubang grid. Pemilihan ukuran geometri pada parameter anoda ekstraktor adalah telah memenuhi syarat untuk terjadinya emisi elektron, karena dari hasil perhitungan besar efisiensi ekstraksi elektron α (perbandingan arus emisi terhadap arus discharge) menurut persamaan (3) di atas yakni dengan memasukkan harga Se (luas

permukaan emisi plasma) = banyak lubang grid (36.735) x luas lubang grid (0,25 mm2_{) dan harga S}

a

(luas total anoda pada sistem lucutan) = 18.000 mm2

diproleh harga α = 0,51, merupakan efisiensi ekstraksi elektron yang pantas, dimana pemilihan luasan grid (0,5 x 0,5) mm2_{atau pemilihan jejari}

grid re = 0,28 mm boleh dikatakan telah mendekati

(7)

Vol. 14, November 2012 : 152 - 160

158

Gambar 7. Rancang bangun lembaran grid

ukur-an 30 mm x 600 mm (lubukur-ang grid 0,50 mm x 0,50 mm, jarak antar grid 0,20 mm) yang dipasang pada bejana generator plasma.

Dengan memasukkan data besaran-besaran fisis pada Persamaan (9) untuk muatan elektron e =1,602 x 10-19_{C, tetapan Boltzmann k =1,37 x 10}-23

J/K, jejari grid re =2,8x10-4 m, massa elektron me =

9,11 x 10-31_{kg maka dapat diperoleh besar arus}

emisi elekton Ie tertentu, karena diketahui bahwa

harga yang optimum untuk suhu elektron Te dan

kerapatan elektron ne pada bejana generator

elektron bertekanan rendah adalah sudah tertentu yakni untuk Te = (1-10) eV dan ne = (1015-1018) m-3.

Sampai saat ini anoda ekstraktor elektron belum digunakan/dioperasikan dalam sistem SEBKP, sehingga pengukuran besar arus emisi elektron dengan menggunakan koil Rogoswski (sudah dirancang bangun oleh Tim Peneliti SEBKP) belum dilakukan. Namun untuk mendapatkan harga Ie sekitar 50 A dengan anoda ekstraktor yang telah

mempunyai bentuk dan ukuran geometri tertentu (seperti telah disebutkan di atas), maka dengan menerapkan persamaan (9) dapat ditentukan harga parameter plasma Te dan ne (dalam bejana generator

plasma) penyebab timbulnya arus emisi elektron sekitar 50 A tersebut.

Dengan menggunakan lembaran grid seluas 30 mm x 600 mm, jejari grid (0,50 mm x 0,50 mm) dan jarak antar lubang grid yang satu dengan lainnya sejauh 0,20 mm, pada Tabel 1 ditunjukkan hasil perhitungan besar arus emisi elektron (Ie)

sebagai fungsi suhu elektron Te = (1 eV s.d. 10 eV)

dimana 1 eV= 11.600 K dan fungsi kerapatan elektron ne = (1017 – 1019) m-3.

Untuk melihat dengan lebih jelas bahwa perubahan arus berkas/emisi elektron Ie sangat besar

dipengaruhi oleh perubahan kerapatan elektron (ne)

maka data pada Tabel 1 disajikan dalam bentuk grafik seperti ditunjukkan pada Gambar 8.

Tabel 1. Harga arus berkas elektron (Ie) sebagai fungsi suhu elektron Te = (1 eV s.d. 10 eV) dan kerapatan elektron plasma ne = (1017 – 1019) m-3.

Suhu Elektron

(K)

Arus Berkas Elektron (Ampere) Kerapatan ne=1017m-3 Kerapatan ne=1018 m-3 Kerapatan ne=1,5x1018 m-3 Kerapatan ne=3x1018m-3 Kerapatan ne=1019 m-3

1,16E+04 1,58E-02 1,58E+01 2,37E+01 4,74E+01 1,58E+02

2,32E+04 2,23E-02 2,23E+01 3,35E+01 6,70E+01 2,23E+02

3,48E+04 2,73E-02 2,73E+01 4,10E+01 8,20E+01 2,73E+02

4,64E+04 3,16E-02 3,16E+01 4,74E+01 9,47E+01 3,16E+02

5,80E+04 3,53E-02 3,53E+01 5,30E+01 1,06E+02 3,53E+02

6,96E+04 3,87E-02 3,87E+01 5,80E+01 1,16E+02 3,87E+02

8,12E+04 4,18E-02 4,18E+01 6,27E+01 1,25E+02 4,18E+02

9,28E+04 4,47E-02 4,47E+01 6,70E+01 1,34E+02 4,47E+02

1,04E+05 4,74E-02 4,74E+01 7,11E+01 1,42E+02 4,74E+02

(8)

159

Gambar 8. Arus berkas elektron (Ie) sebagai fungsi suhu elektron Te = (1 eV s.d. 10 eV) dan

kerapatan elektron plasma ne = (1017 – 1019) m-3.

Dari hasil perhitungan pada Tabel 1 dapat ditunjukkan bahwa untuk anoda ekstraktor yang dirancang bangun dengan bahan SS-304 serta bentuk dan ukuran geometri tertentu (seperti yang telah disebutkan di atas), maka untuk besar arus emisi elekton Ie yang melalui anoda ekstraktor

(seluas 30 mm × 600 mm) sebesar Ie = 49,9 A akan

terjadi pada parameter plasma suhu elektron Te = 10

eV (116.000 K) dan kerapatan elektron plasma ne =

1018_m-3_{dan atau besar arus emisi elekton I}

e = 47,4

A akan terjadi pada parameter plasma suhu elektron Te = 4 eV (46.400 K) dan kerapatan elektron plasma

ne = 1,5 × 1018 m-3.

Sebagai pembanding nantinya, arus berkas elektron yang melewati anoda ekstraktor elektron hasil rancang bangun tersebut, secara empirik juga akan diukur secara langsung dengan bantuan alat ukur koil Rogowski, yang telah dibuat sendiri oleh Tim SEBKP. Koil Rogowski merupakan solenoid dengan jumlah lilitan tertentu yang dibengkokkan sehingga menjadi bentuk torus, sedang arus berkas Ie yang akan diukur adalah yang mengalir melalui

bagian dalam torusnya, seperti ditunjukkan pada Gambar 9.[6]

Gambar 9. Koil Rogowski.

Pada Gambar 9 ditunjukkan bahwa koil Rogowski mempunyai resistansi koil rc, induktansi

koil Lc dan aliran arus induksi i, sedang dibagian

ujungnya dipasang resistan r yang berinduktansi sangat rendah. Besar arus lucut (bentuk pulsa) yang terjadi pada sistem dapat diukur menggunakan koil Rogowski dan alat bantu osiloskop. Arus akan tertampil pada osiloskop dalam bentuk sinus teredam, dengan besar arus lucut yang dapat dirumuskan sebagai

(9)

Vol. 14, November 2012 : 152 - 160 160 ) ( 2 ) ( ₀ 0 t V n A C R a t I_e µ π =

dimana Ie(t) = besar arus pulsa, a = jejari mayor

torus, R = resistansi integrator, C = kapasitan integrator, V0(t) = tegangan keluaran, µ0.= tetapan

permeabilitas = 1,26 × 10-6_Hm-1_{, A = luas tampang}

lintang minor torus, n = jumlah lilitan torus.

KESIMPULAN

1. Telah dirancang bangun anoda ekstraktor/grid bentuk kassa dari bahan SS-304, berukuran lubang (0,5x0,5) mm2_{, seluas (30x600) mm}2

yang dipasang pada bejana generator plasma. Pemilihan ukuran geometri pada parameter anoda ekstraktor adalah telah memenuhi syarat untuk terjadinya emisi elektron, karena dari hasil perhitungan telah diperoleh besar harga efisiensi ekstraksi elektron, α = 0,51.

2. Perubahan kerapatan elektron (ne) akan sangat

dominan pengaruhnya terhadap perubahan arus berkas/emisi elektron Ie. Harga Ie pada orde

puluhan dan ratusan dapat diperoleh pada kerapatan elektron orde ne = 1015 cm-3.

3. Kalau diharapkan dapat dihasilkan arus Ie sekitar

50 A maka hendaknya diusahakan bejana generator plasma dioperasikan pada ne=1015/cm3

dan Te = 10 eV untuk memperoleh Ie = 49,9 A

dan atau ne=1,5 × 1015/cm3 dan Te = 4 eV untuk

memperoleh arus Ie = 47,4 A.

4. Harga arus berkas elektron Ie dapat diperoleh

secara empirik dengan menggunakan koil Rogowski.

UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis mengucapkan terima kasih kepada Pengelola Program Insentif PKPP-2012 yang telah membiayai penelitian ini. Demikian pula kepada Prof. Efim Oks, Prof. Sudjatmoko dan semua rekan-rekan di Bidang TAFN, PTAPB-Batan Yogyakarta, atas segala bantuan, saran dan kritik, penulis mengucapkan banyak terima kasih.

DAFTAR PUSTAKA

[1] EFIM OKS, Plasma Cathode Electron Sources (Physic, Technology, Application), Institute of High Current Electronics (IHCE), Russian Academy of Sciences, 2/3 Akademichisky Ave, 634055 Tomsk, Russia, May 2006.

[2] AGUS PURWADI, AMINUS SALAM,

Penentuan Parameter Plasma Atas Dasar Hasil Perhitungan Besar Arus Emisi Berkas Elektron, Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir, PTAPB Batan Yogyakarta, 04 Juli 2012.

[3] KOROLYOV, A.N ET AL., Design of Compact System With Wide Electron Beam For Radiation Technology, Proceeding of Particle Accelerator Conf. PAC 2001. hal.30-32.

[4] WIDDI USADA, Rancangan Detil Sumber Elektron Berbasis Katoda Plasma, Laporan Intern PTAPB-BATAN, Yogyakarta, 2011. [5] EFIM OKS, Batan Accelerator School-2011,

PTAPB-BATAN, Yogyakarta, 5-9 Desember 2011.

[6] HUDDLESTONE, RH AND LEONARD, SN., Plasma Diagnostic Techniques, Acadenic Press, New York, 1965.

TANYA JAWAB

Sunardi

− Mengapa harus digunakan grid sebagai anoda ekstraktor?

Agus Purwadi

− Karena diharapkan pada sistem lucutan bisa dihasilkan elektron yang efisien, ekstrasinya stabil dan distribusi kerapatan elektron pada berkas bisa optimum sehingga tampang lintang berkas elektron (pulsa) lebar / luas dicapai.