FENOMENA FILAMENTARI PADA LUCUTAN PLASMA CETHUS

364 ISSN 0216 - 3128 _{Widdi Usada, dkk.}

FENOMENA

FILAMENTARI

PADA LUCUTAN

PLASMA

CETHUS

Widdi Usada, Suryadi, Agus Purwadi, Isyuniarto Pusat Teknologi Akseleratordan Proses Bahan. BATAN

ABSTRAK

FENOMENA FlLAMENTARI PADA LUCUTAN PLASMA CETHUS. Didalam makalah ini ditllnjllkkan fenomena lucutan filamentari pada lucutan plasma eet/llIs. Lllcutan plasma cethus berbentuk filamen ditunjukkan dari proses dadal listrik pada susunan tiga elektrode. yaitu anode, katode dan ditengahnya elektrode pemicu pada tekanan atmosferik. Karena lucutan celah cethus sedemikian cepat dalam orde I-Jdetik (I(T6detik) serta menghasilkan spektrum sinar UV yang sedemikian kuat intensitasnya maka untuk memperoleh citra fen omena filamentari pada celah cethus diperlukan sistem pemotret yang terdiri dari laser nitrogen pulsa dengan lebar pulsa dalam orde ndetik (1(T9 detik) dan filter optis khusus sehingga hanya sinar laser dan sinar yang frekuensinya lebih tinggi dari sinar laser terse but yang mampu menembusnya. Dalam eksperimen tersebut. diperoleh energi pelimpahan sebesar 0,/6 J,daya sebesar I MW, periode lucut 150 I-Jdetikdan filamentari lucutan yang semula berbentuk garis tipis kemudian mengembang membentuk lingkaran bergaris tebal. Seperti diketahui fenomena ini yang mendasari hampir semua proses aplikasi lucutan plasma.

ABSTRACT

FILAMENTARY

PHENOMENA

ON SPARK PLASMA DISCHARGE.

The

filamentary phenomena on spark plasma discharge is shown in this paper. Spark plasma discharge in the filamentary form is also shown by electrical breakdown processes on the three electrodes arrangement.

that are anode, cathode and trigger electrode located in between anode and cathode in atmospheric pressure. Since the spark plasma discharge produces high intensity UV light in a short time in the order of I-Jsec (I(T6sec.) so to get the image offilamentary phenomena, it is needed an optical camera system which consists of pulse nitrogen laser with pulsewidth in the order of nsec (I (T9 sec.) and special optical jilter such that only laser light and light with higher than laser frecuency can pass through. In this experiment, it is measured that the delivery energy of 0.16 J.delivery power of I MW, discharRe periode 0/150 Jlsec alld shown that in the very early the filll/llenlllry shows a velY thin lille alld ajierll'ards it dewlof}S to jimll a circle with a thick line. It is known that this kind of discharge is a basis for almost all plasma discharge application processes.

PENDAHULUAN

Fenomena

lucutan korona dan lucutan terhalang dielektrikfilamentari yang dijumpai pada

telah ban yak berjasa dalam aplikasi plasma untuk berbagai bidang seperti lingkungan, kesehatan, industri, pertanian, dan peternakan. Keistimewaan lucutan filamentari adalah dihasilkannya elektron yang cukup berlimpah dan cukup bertenaga sehingga mampu memberikan proses interaksi atomik dan molekuler yang memberikan radikal, ion, dan sinar dari sinar inframerah, sinar tampak sampai ultra-violet karena beroperasi pada tekanan atmosferik. Munculnya spesies radikal, ion dan sinar dengan jangkau gelombang cukup lebar inilah yang menen-tukan berbagai arah aplikasi plasma. Fenomena serupa juga terjadi pad a lucutan plasma cethus atau lucutan bunga api (spark plasma discharge).

Apli-kasi teknologi plasma yang diperlihatkan pad a lucutan plasma cethus seperti pada busi (spark-plug), celah cethus (spark-gap), adalah sebagai pemicu dan kendali sistem dan sebagai sumber sinar X, UV, sumber radikal, ion-ion. Meskipun lucutan plasma cethus sedemikian pendek umurnya namlln fenomena yang terkandung didalamnya masih kaya untuk diteliti sebagai contoh adanya fenomena filamentari yang dipaparkan dalam makalah ini.

DADAL

LISTRIK

P ADA

TEKANAN

ATMOSFERIK

Arus dadal listrik pad a sistem dua elektrode pelat sejajar (seperti diperlihatkan Gambar

I),

dapat didefinisikan sebagai[I.3.41

Dengan 10 adalah arus elektron mula-mula yang dipancarkan dari katode, 1adalah arus elektron, dan I] koefisien ionisasi yang didefinisikan sebagai banyaknya ion yang terbentuk saat sebuah elektron menumbuk atom atau molekul pad a beda tegangan 1 volt, V tegangan anode dan Voadalah tegangan anode saat arus mulai tidak sarna dengan nol,

r

= banyaknya elektron sekunder yang dihasilkan di katode setiap terjadinya tumbukan ionisasi di celah

1 10 eq(V-Vo)

(I-

r(eq(V-Vo)

-I)

(I)

antara anode dan katode yang disebut pula koefisien ionisasi Townsend kedua. Karena V = E d. dimana

E medan listrik dan d adalah jarak anatara kedua elektrode, maka terjadinya dadal listrik juga sebanding dengan medan listrik dan berbanding terbalik dengan tekanan atau kerapatan dan jarak antara kedua elektrode.

Untuk proses dadal listrik pada tekanan atmosferik maka proses yang terjadi disertai dengan avalan elektron yang selanjutnya mengembang dalam waktu relatif cukup lama dalam satuan Ildetik seperti ditunjukkan Gambar 2.

A K

+

1=

loe'1i.JI-JlO) (1- ·Je'1(Y-JlO).'\ - 1) Sumber Tegangan

Gambar I. Lucutan pada sistcm dua elektro-dc pelat sejajar.

Anoae

I I

i

\ I I (A) (B)

1~rtl

_~

_~.

_'

_..

:. ::, .~ o' , .

.

,

",

.'

Katoae (C)

!

Fotol'! .' d./~v"'-./·'"'·

if'

(0)

Gambar 2. Proses dadal listrik dan perkembangannya, dari proses pelipatan elektron (A), kcmudian diikuti dcngan pengcmbangan dan struktur avalan (B) tampak bahwa ion sudah kctinggalan jauh dibelakang elektron karena massanya jauh lebih besar ion bcrada diujung, selanjutnya diikuti avalan (pengumpulan) elektron dalam jumlah besar sampai diujung anode (C), dan (D) menunjukkan proses proses yang terjadi pasca avalan.

366 ISSN 0216 - 3128 _{Widdi Usada, dkk.}

LUCUTAN FILAMENTARI

Saat terbentuknya elektron, maka dalam perjalanannya pad a jarak x, setiap elektron akan menghasilkan sebanyak eox, dan sebanyak eox ion yang dianggap diam saja karena bermassa besar, ex adalah jumlah elektron yang terbentuk karena proses tumbukan. Karena memiliki keeepatan difusi aeak saat terjadinya proses ionisasi yang diakibatkan tumbukan elektron, maka ujung avalan elektron akan melebar saat avalan bergerak maju. Selain ion atom maupun molekul juga mengalami eksitasi. Atom-atom tereksitasi dapat memanearkan radiasi eahaya ultraviolet, yang apabila eahaya ini diserap oleh gas ada kemungkinan terjadi proses ionisasi juga, sehingga terbentuk pula elektron baru. Produksi elektron ini lagi-Iagi membentuk avalan elektron baru, tetapi jumlahnya sangat keci!.

Avalan-avalan elektron yang dihasilkan berdekatan dengan ion-ion positif dan utamanya di dekat anode, berada di dalam medan muatan ruang ion positif. Medan muatan ruang ini sangat besar, demikian pula kerapatan muatan ruangnya yang besamya sedikit diatas medan ambang sebanding dengan medan lueut yang dikenakannya. Medan ini mengganggu medan lueut sepanjang sumbu avalan, dan hasilnya adalah elektron ditarik ke dalam daerah muatan ruang positif, dan menjadi daerah peng-hantar listrik yang berawal dari anode. Ion positif yang tertinggal dibelakang elektron akan bergerak maju juga sehingga memperpanjang muatan ruang

Anoae

Katoae

menuju ke katode, dan juga menghasilkan elektron-elektron baru. Elektron ini juga akan menghasilkan foton, yang kemudian menghasilkan elektron lagi demikian tems menerus proses berlangsung. Dengan eara ini muatan positif ruang mengembang menuju katode dari anode sebagai filamen muatan ruang positifyang merambat diri. Karena rambatan muatan positif tergantung kepada fotoionisasi dalam gas, keeepatan perambatan filamen ini lebih besar daripada keeepatan avalan dan bertambah besar selagi filamen bergerak maju .. Proses pembentukan filamen diperlihatkan Gambar 3.

Setiap filamentari bergerak maju menuju katode, terbentuk avalan foto-elektron karena radiasi di katode yang diawali dengan proses ionisasi sedemikian banyaknya. Ion-ion positif yang dihasil-kan adihasil-kan menembaki katode dan memperbanyak elektron emisi. Jadi saat filamen muatan ruang mendekati katode, timbul proses penghantaran yang menjembatani eelah, dan karena medan listriknya kuat banyak elektron yang mengalami pereepatan berlarian menuju anode.

Sekarang dengan dimilikinya tegangan yang besar, maka menambah semakin intensnya proses ionisasi sehingga mampu dalam kolom filamen tersebut kerapatan elektron bahkan meneapai 10\8

sampai 1020 em-3, sehingga kolom filamen menjadi penghantar listrik yang tinggi. Keeepatan perambat-an pad a kolom filamen berorde 108m/detik.

·1 ••.. ".

ri)~·M,t~~;'U

,.!,:.fr" _{, ~"~~,,,f)}.'/<",

(~~":2~~.q

_"'<o~""

..~

.'.ij,'jf':y1 ',,:1 ~ w ;- .••• Q";.;}tJ,,:-t:. (,~ \. ---/.l).) ~~ •••• KatoJ.~ AnM'

_I

_~~---I

• ~

"-~_n

II: : : : : : : : : : : : I : : : : : : : : : : : I : : : : I I I I I I I I I I I I I I I I I I

I

---'r

KatoJ.~

Gambar 4. Lucutan filamentari pada sistem lucutan plasma terhalang dielektrik.

Dalam sistem lucutan plasma terhalang dielektrik yang terdiri dari susunan anode dan katode serta salah satu atau kedua elektrode dilapisi dengan bahan dielektrik, maka ban yak diperoleh lucutan-lucutan filamentari seperti tampak pada Gambar 4.

Dengan semakin banyaknya jumlah lucutan filamentari maka piranti tersebut lebih efisien karena semakin banyak elektron yang diproduksi, dan semakin sedikit lucutan filamentari dalam sistem tersebut semakin sedikit jumlah elektron yang diperoleh sehingga piranti tidak lagi efisien.

KapaJitor Q5 1.J0 kV

lLLaser~n

CD

TAT A PERCOBAAN

Untuk eksperimen lucutan plasma cethus maka gerlu disiapkan kapasitor cepat dengan energi 0,5 J2], sumber tegangan searah yang mampu

memberikan tegangan lebih besar 10 kV, sistem susunan 3 elektrode yang terdiri dari katode, anode, dan elektrode pemicu, Laser Nitrogen Pulsa, Koli-mator Berkas Laser, Lensa, Filter, Kamera Polaroid, Rangkaian Pemicu dan Rangkaian Penunda Waktu. Kemudian piranti-piranti terse but disusun seperti ditunjukkan pada Gambar 5.

ilnod/l

1

~Ei'''''od'

p'm;~

o

I."

~

Filter IUmera. Polaroid Rangkaian Pemic:u

368 ISSN 0216 - 3128

Gambar 6. Laser Nitrogen Pulsa dengan sistem kolimator.

Widdi Usada, dkk.

Laser Nitrogen Pulsa, Kolimator Berkas Laser, Lensa, Filter, Kamera Polaroid, bisanya disebut Sistem Laser Shadowgraphy. Laser nitro-gen yang dibuat dalam eksperimen ini mengguna-kan sistem Blumlein seperti ditunjukmengguna-kan Gambar 6. Gambar 6 memperlihatkan foto laser nitro-gen pulsa dengan sistem kolimatomya.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Susunan eksperimen seperti ditunjukkan Gambar 5. Sebagai sumber lueut adalah sistem 3 elektrode, elektrode pertama atau anode dihubungkan dengan kutub positif dari kapasitor 10

IlF yang diberi tegangan 10kV. Jarak an tara anode dengan elektrode pemieu yang dipasang ditengah sekitar 3 mm dan jarak katode dengan elektrode pemieu sekitar 2 mm. Katode dihubungkan dengan kutub negatif atau kutub yang ditanahkan. Dengan tegangan sekitar 10kV tidak terjadi lueutan antara anode dan katode. Seperti diketahui pada tekanan I atmosfer maka bila jarak anode-katode sekitar 1

mm dan diberi tegangan 3 kV baru akan terjadi lueutan. Oleh karena itu pada jarak anode-katode sekitar 5 mm dengan tegangan 10 kV sarna sekali tidak dikawatirkan terjadinya lueutan dadal. Jadi akan terjadi lueutan dadal bila beda tegangan antara anode-katode sekitar 15 kV.

Peranan elektrode pemieu adalah memberi-kan pulsa tegangan pieu agar terjadi lueutan dadal antara anode dan katode. Oleh karena yang dibutuhkan tegangan minimal 15 kV padahal tegangan anode kapasitor baru dipunyai 10 kV maka peranan elektrode pemieu adalah menyalur-kan tegangan negatif tambahan sedikitnya -5 kV

sehingga ada beda tegangan sekitar 10 - (-5) kY atau 15 kV. Tegangan negatif untuk elektrode pemieu diambil dari rangkaian listrik pemicu mampu memberikan tegangan sebesar -8 kY. Oleh karena itu bila rangkaian pemieu ditekan tombol pemieunya maka terjadi lueutan dari kapasitor ke sistem 3 elektrode dan terjadi ledakan cukup keras. Pengerahan energi listrik dengan eepat memberi-kan lueutan dadal yang menghasilmemberi-kan pulsa plasma .dan cahaya dengan spektrum gelombang yang cukup lebar jangkaunya dengan intensitas yang sangat tinggi pula.

Fenomena lueutan plasma yang cepa! tersebut ditangkap oleh laser nitrogen pulsa yang mempunyai panjang gelombang 254 nm dengan lebar pulsa sekitar 1 ndetik. schingga perubahan

plasma selama I nanodetik dapat ditangkap olch sinar laser dan informasi pcrubahan plasma !crscbu! direkam oleh kamera polaroid setclah melalui sistem optis yang dilengkapi dengan filter khusus. Filter khusus tersebut hanya bisa dilalui oleh sinar dengan panjang gelombang tertentu sekitar 250 nm, selain panjang gelombang tersebut semua berkas sinar yang masuk ditolaknya. Jadi hanya informasi yang dibawa sinar laser tersebut dapat diteruskan oleh . filter tersebut dan direkam oleh kamera polaroid.

Karena hanya kejadian selama orde nanodtik tersebut yang dapat di rekam oleh kamera, maka dengan l1}engendalikan perubahan waktu an tara peristiwa yang ditimbulkan uleh lucutan plasma plasma eethus dengan sinar laser yang datang kita dapat mengerti apa yang terjadi dialam lueutan plasma plasma eethus tersebut dari waktu kewaktu. Jadi fungsi sistem penunda waktu disini adalah membuat selisih waktu an tara penyalaan sistem

lucutan plasma plasma cethus dengan sinar laser yang dikenakan padanya. Dalam eksperimen yang dilakukan ini selisih waktu yang diambil ot dari 40 ndetik sampai 7,6 fldetik.

Apa yang kita lihat adalah sebagai berikut :

Elektrode Pemiw

Anode

Lucuta" fiJamM

Gambar 7. Filamentari pad a Lucutan

Plas-ma Cethus dengan at = 40

ndetik.

Dari Gambar 7 tampak bahwa selang waktu 01= 40 ndetik muncul dua filamen antara katode dengan elektrode pemicu dan sebuah filamen antara anode dengan elektrode pemicu. Warna putih ditengah adalah munculnya sinar dari plasma yang sedemikian kuatnya dan tentunya mempunyai pan-jang gelombang yang lebih pendek daripada sinar

laser nitrogen sehingga mampu menembus filter. Selanjutnya dengan mengubah ot lebih lama akan diperoleh gambar sebagai berikut :

Gambar 8. Filamentari pada lucutan plasma cethus dengan

al

= 200 ndetik.

. Dengan ditambahkannya bed a waktu ot se-besar 200 ndetik maka yang terlihat adalah fila-mentari bergerak melebar antara katode dengan elektrode pemicu demikian pula an tara elektrode pemicu dengan anode, dan justru semakin bertam-bah jumlah filamentarinya, jadi selain bertambah juga filamentari bergerak baik ke atas maupun ke

bawah. Gambar 9, 10, II memperjelas pendapat tersebut pada bed a waktu ot = 800 ,2000 dan 3600 ndetik.

Gambar 9. Filamentari pad a lucutan plasma cethus dengan at

=

0.8 J.1detik.

Gambar 10. Filamentari pada lucutan

plas-ma cethus dengan

al

= 2

J.1detik.

Gambar 11. Filamentari pada lucutan plas-ma cethus dengan

al

=

3,6 J.1detik.

Dari deretan gambar yang ditunjukkan di atas maka tampak bahwa lucutan plasma filamen-tari bergerak baik ke atas maupun ke bawah de-ngan pola seperti karet yang dijepit di kedua pinggimya dan direntangkan ke atas maupun ke bawah dan terbentuk pola Iingkaran. Dalam hal ini karet mewakili kumpulan plasma yang terikat oleh kedua elektrode, jadi kedua elektrode tersebut bertindak sebagai penjepitnya.

370 ISSN 0216-3128 _{Widdi Usada, dkk.} Dari data eksperimen ditunjukkan bahwa Va

= ]0 kV dan Co=10 nF, maka energi kapasitor

w,

W = Y2 CoV02 = 0.5 J

dan energi sebesar itu dilimpahkan kepada sistem plasma cethus dan saluran transmisi, yang besar induktansi totalnya (L) sekitar 29 nH sedangkan induktansi plasma cethusnya (Lpc) sekitar 13 nHIS] , maka arus yang lewat pada sistem plasma cethus adalah

I

=

(0,5 J/21 nH) ~

=

5 kA

dan energi yang dilimpahkan kepada sistem plasma cethus

sedangkan periode lucut T adalah

T

=

21r ~ LCo = 150 ndetik

Jadi daya P yang dilimpahkan kepada sistem plasma cethus adalah

P = WIT::::: I MW

sehingga daya listrik tersebut mendorong plasma yang semula bentuk silinder seperti yang diperlihatkan Gambar 8 kemudian membentuk pola lonjong dan akhirnya seperti lingkaran seperti diperlihatkan Gambar II. Karena lucutan yang terjadi antara dua elektrode maka proses pem-bentukan yang mula-mulai garis lurus kemudian silinder dan terkakhir membentuk lingkaran seakan-akan seperti karet atau tali terikat yang ditarik ditengah tali tersebut, dengan simpul ikatnya kedua elektrode terse but. Karena dorongan sedemikian kuat maka kecepatan regangan tali atau lucutan filamentari tersebut juga sedemikian cepat.

KESIMPULAN

Lucutan plasma sedemikian cepat ternyata memperlihatkan gejala filamentari. Karena proses sedemikian cepat maka untuk memperoleh rekaman filamentari diperlukan sistem kamera yang sangat cepat. Kamera biasa hanya dapat mencitrakan perubahan yang terjadi dalam perubahan waktu milidetik, maka untuk melihat perubahan dalam orde waktu mikrodetik diperlukan sistem pemotret laser atau yang biasa disebut sistem laser shadowgraphy. Laser yang digunakan adalah laser . nitrogen yang mempunyai lebar pulsa dalam orde

nanodetik, sehingga setiap gejala yang berubah dalam orde mikrodetik dapat ditangkapnya. Dalam lucutan plasma cethus ini diperoleh energi pelim-pahan sebesar 0,16 J,daya sebesar I M W, peri ode lucut 150 J.Ldetikdari energi sumber sebesar 0,5 J, dan filamentari lucutan yang semula berbentuk garis tipis kemudian mengembang membentuk Iingkaran ~ergaris tebal. Pencitraan dengan sistem laser shadowgraphy ini perlu dimanfaatkan untuk melihat rapat cacah filamentari pada sistem lucutan plasma ozonizer, sehingga dapat diketahui seberapa besar efisiensi piranti generator ozon yang telah dibuat.

ACUAN

I. WIDDI USADA, SURY ADI, AGUS

PUR-WADI, ISYUNIARTO, Kajian Fenomena

Lucutan Fi/amentari, Dipresentasikan pada The

81h National Meeting Of Accelerator

Techno-logy And Its Application, P3TM-SA TAN, Yogyakarta, November 21-22,2005.

2. WIDDI USADA, SURY ADI, AGUS

PUR-WADI, Desain dan Konstruksi Laser Nitrogen Pulsa dan Aplikasinya Pada Spark Plasma Dengan Teknik Laser Shadowgraphy, Prosiding Pertemuan dan Presentasi I1miah, PPNY-SATAN, Yogyakarta 14-16 Mei 1991 hal. 417-422.

3. ANONIMOUS, Breakdown of Gaseous

Insulation.

4. SEELY, S., Radio Electronics, Electrical Dis-charges in Gases, Chapt. 10, McGraw-Hili, International Student Edition, 1956.

5. SMITH, AJ., SURY ADI, SINGH, J., LEE, S.. A Simple High Current Discharge, in Procs. 2nd

trpical College On Applied Physics: Laser and Plasma Technology, edited by Lee. S.

at ai,

World Scientific Publication, 1988.

TANYAJAWAB

Budi Santosa

- Dapatkah metode Shadow Graphy digunakan untuk menghitung kerapatan partikel pada lucutan plasma Cethus.

Widdi Usada

- Shadow graphy tidak terlampau peka terhadap perubahan kerapatan partikel. Sangat sulit untuk menentukan kerapatan partikel dengan cara ini.