RANCANGAN SISTEM GRID PADA SUMBER ELEKTRON KATODA PLASMA

Agus Purwadi ISSN 0216 - 3128 63

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2014 Pusat Sains dan Teknologi Akselerator - BATAN

Yogyakarta, 10-11 Juni 2014

RANCANGAN SISTEM GRID PADA SUMBER ELEKTRON

KATODA PLASMA

Agus Purwadi PSTA- BATAN

Jl. Babarsari Kotak Pos 6101 Ykbb Yogyakarta55281 Agus.p@batan.go.id

ABSTRAK

RANCANGAN SISTEM GRID PADA SUMBER ELEKTRON KATODA PLASMA. Telah dirancang sistem grid pada Sumber Elektron Katoda Plasma (SEKP). Sistem grid dengan lubang emisi berkas elektron seluas (15 × 60) cm2, ukuran lubang grid tunggal (0,5×0,5) mm2 dan diameter kawat grid 0,25 mm, akan digunakan pada bejana generator plasma. Kalau jumlah lubang grid diketahui dan besar arus emisi elektron yang melalui tiap lubang grid juga diketahui, maka besar arus emisi elektron total yang keluar dari bejana generator plasma dapat ditentukan. Telah dihitung besar arus emisi elektron Ie fungsi jejari grid re = (0,28, 0,40, 0,49, 0,56, 0,63, 0,69) mm pada suhu elektron Te = 5 eV untuk berbagai harga kerapatan elektron plasma ne = (1015, 1016, 1017, 1018 ) m-3. Demikian pula untuk besar arus emisi elektron fungsi jejari grid re = (0,28, 0,40, 0,49, 0,56, 0,63, 0,69) mm pada kerapatan elektron ne = 1017 _m-3 _{untuk berbagai suhu elektron} plasma Te = (1, 2, 3, 4, 5) eV. Arus emisi elektron akan bertambah besar dengan bertambahnya baik jejari grid, suhu elektron maupun kerapatan elektron plasmanya.

Kata kunci : grid, katoda plasma, sheath, kerapatan plasma,temperatur plasma.

ABSTRACT

GRID SYSTEM DESAIN ON THE PLASMA CATHODE ELECTRON SOURCE_{. It has been designed} the grid system on the Plasma Cathode Electron Source (PCES). Grid system with the electron emission hole of (15 × 60) cm2_{, the single aperture grid size of (0,5×0,5) mm}2 _{and the grid wire diameter of 0,25 mm, will} be used on the plasma generator chamber. If the sum of grid holes known and the value of electron emission current through every the grid hole known too then the total value of electron emission current which emits from the plasma generator chamber can be determined. It has been calculated the value of elektron emission current Ie as function of the grid radius re =(0.28, 0.40, 0.49, 0.56, 0.63, 0.69) mm on the elektron temperature of Te = 5 eV for varying of the value plasma electron densities ne = (1015_{, 10}16_{, 10}17_{, 10}18 _{) m}-3_. Also for the value of electron emission current Ie as function of the grid radius re = (0.28, 0.40, 0.49, 0.56, 0.63, 0.69) mm on the electron density ne = 1017 m-3 for varying of the value of plasma electron temperatures Te = (1, 2, 3, 4, 5) eV. electron emission current will be increase by increasing grid radius, electron temperature as well as plasma electron density.

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

PENDAHULUAN

ada perkakas Sumber Elektron Katoda Plasma (SEKP), berkas elektron terbentuk oleh adanya emisi atau ekstraksi elektron dari permukaan plasma pada bejana generator plasma. Permukaan plasma dalam bejana generator plasma hanya elektron plasmanya yang ditarik keluar oleh anoda ekstraktor (arus berkas elekton plasma menuju anoda emitor) yang selanjutnya arus berkas elektron tersebut dipercepat menggunakan tegangan tinggi pemercepat menuju elektroda kolektor untuk dikeluarkan (dari ruang vakum) melalui jendela/window bejana plasma menuju target (bertekanan atmosferik). SEKP dengan keluaran berkas elektron berpenampang luas dan berarus besar akan sangat bermanfaat untuk aplikasi pada permukaan bahan datar yang luas. SEKP 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[1-2].

64 ISSN 0216 - 3128 Agus Purwadi

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2014  Pusat Sains dan Teknologi Akselerator  ‐ BATAN 

Yogyakarta, 10‐11 Juni 2014

nano hingga milli sekon) juga mampu menghasilkan kerapatan arus tinggi (hingga 100 A/cm2){3].

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 emitor pada bejana generator plasma. Untuk merancang anoda emitor harus disesuaikan dengan ukuran dan bentuk bejana generator plasmanya, khususnya yang berhubungan dengan luasan total lubang keluaran berkas elektron (jumlah total lubang grid) dengan luasan total anoda (dinding bejana generator plasma) yang dapat tertuju elektron. Karena kedua luasan tersebut ada hubungannya dengan salah satu syarat untuk elektron dapat atau tidaknya diekstrak atau diemisikan dari bejana generator plasma. Elektron yang telah diekstrak selanjutnya akan dipercepat dengan tegangan tinggi pemercepat (antara 150 kV hingga 200 kV), untuk mendaapatkan berkas elektron dengan energi tinggi (orde ratusan joule), kecepatan repititif pulsa sekitar 50 Hz dan lebar pulsa sekitar 40 µs. Anoda emitor dirancang bentuk kassa/grid dari bahan stainless steel mesh-40 berukuran lubang (0,5×0,5) mm2, seluas (15×60) cm2 _{dengan jarak antar lubang grid 0,25 mm}

yang hendak diklemkan pada bejana generator plasma. Bejana generator plasma (didalam bejana SEKP) yang diperlengkapi anoda emitor elektron dengan ukuran dan bentuk geometri tertentu tersebut diharapkan dapat menghasilkan arus berkas elektron dalam arti elektron dapat diekstrak dari bejana generator plasma dan arus berkas elektron dapat terdeteksi sampai dengan daerah percepatan. Arus berkas elektron sementara baru terekstraksi akibat adanya tegangan anoda (sekitar 1 kV) dan belum dipercepat dengan tegangan tinggi ekstraksi Ua

sehingga berkas elektron tersebut belum sampai di kolektor (target).

TEORI

Untuk penyederhanaan dalam rancangan sistem grid, plasma dalam bejana generator plasma secara keseluruhan dianggap homogen dan distribusi energi elektron adalah Maxwellian. Sedang keadaan yang paling khusus, plasma mempunyai potensial positip terhadap elektroda discas. Ini berarti bahwa ions diemisikan dari permukaan plasma (terbuka), sedang elektrons harus mengatasi halangan potensial untuk lolos dari permukaan plasma sampai dengan men-capai elektroda kolektor. Dalam proses pembentukan berkas plasma, penambahan tegangan ekstraksi atau tegangan pemercepat Ua harus menyebabkan

penam-bahan besar kecepatan dan energi dari ion dan elektron. Kalau dalam hal ekstraksi ion dari plasma, kondisi ini secara otomatis dipenuhi karena ion selanjutnya hanya dipercepat oleh medan listrik

eksternal, tetapi keadaan berbeda nyata kalau dalam hal ekstraksi elektron dari plasma. Sehingga feno-mena ekstraksi atau emisi elektron plasma dari per-mukaan plasma adalah lebih tidak sederhana kalau dibandingkan dengan ekstraksi ion dari plasma.

Skematik sederhana dari sumber elektron kato-da plasma, yang terdiri kato-dari komponen-komponen generator plasma, lubang emitor, kolektor ion atau elekron, permukaan emisi, tegangan ekstraksi dan berkas elektron seperti ditunjukkan pada Gambar 1. Elektron bersama dengan ion diasumsikan me-ninggalkan plasma (dari permukaan plasma di dekat anoda discas) yang akhirnya sampai di kolektor elektron/ion{4].

Emisi elektron dari plasma dengan tanpa adanya perbedaan potensial antara anoda emitor dengan kolektor (Ua = 0) ditunjukkan pada Gambar

2. Terlihat pada Gambar 2 bahwa kalau φa adalah

potensial anoda (dinding generator plasma) dan φc

adalah potensial kolektor maka dengan tanpa adanya perbedaan potensial antara anoda emitor dengan kolektor (Ua = 0, φa = φc) rapat arus elektron ke

kolektor sama dengan rapat arus elektron ke anoda (je= jec= je0). Ketika Ua = 0, kolektor adalah bagian

dari anoda bejana discas dan sheath/selubung muatan (ruangan) positip yang memperlambat elektron-elektron dan mempercepat ion-ion. Untuk lolos dari plasma elektron harus dapat mengatasi penghalang potensial, oleh karenanya kerapatan arus elektron ke kolektor jec diberikan oleh Pers. (1) sebagai berikut :

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛−

=

e p e

ec

T

k

e

j

j

0

exp

ϕ

(1)

dengan

m T k n e

je e _π

8 4 1

0= (2)

je0 adalah kerapatan arus elektron termal plasma, e =

muatan elektron = 1,602

×

10-19 C, ne = kerapatan

plasma, k = tetapan Boltzmann = 1,381

×

1023 J/K, T = suhu plasma, me = massa elektron = 9,109

×

10

-31

kg.

Emisi elektron dari plasma dengan Ua > φp

ditunjukkan pada Gambar 3. Pada keadaan Ua > φp,

rapat arus emisi elektron jec = je0 mencapai harga

maksimum yang harganya sama dengan rapat arus elektron termalnya seperti ditunjukkan pada Pers. (2). Pada emisi tingkat ini berkas elektron terbentuk dan tenaganya bergantung pada tegangan terpakai Ua.

Seperti diketahui pada uraian di atas bahwa selain bergantung pada tegangan penarik Ua, emisi

Agus P

r 1. Skemati katoda P

ar 2. Emisi elek

tabilisasi mesh emisi pada ahkan plasma d n dari bagian plasma), elek an pada pinggi al seperti dis akan gambaran Pada Gambar

ketebalan she lasma terbuka. otensial, kerap dari pada kerap tasi penghalan emisi elektron emisi utama di bisa dinyataka

e

j

I

=

re adalah jejari

an sheath . alam keadaan emisi elektron dingan ukuran

an sheath ls[5].

uan dan Presen Pu

ik sederhana Plasma

ktron dari plasm

h yang berarti ketebalan ord dari elektroda n permukaan ktron dipancar

iran melalui pe sajikan pada

n skematik p 4 ditunjukkan eath, akan me Dengan tidak patan arus em patan arus unt ng dan oleh

n Ie yang lewa

itentukan oleh an dalam Pers.

dari lubang em

umum, tiga n plasma akan

n lubang em keluaran). Em

plasma terbu rkan dari bag enghalang/barr Gambar 4, y prinsip stabili n bahwa berta engurangi perm

k adanya peng misi adalah le tuk elektron y karena itu a at masing-mas bergantung p misi re terha

bar 4. Skemati

Jika lubang e ketebalan shea semua lobang melalui pengh ekstraksi elek terhadap arus untuk emisi i permukaan em anoda dan elek

= α

Ukuran kecil fisiensi ekstra

erganggu lagi ni akan memp lektron dengan Keadaan antar mengambil re≈

arga yang optim meninggalkan

ermukaan emi otensial. Bagi lasma terbuka ari plasma ad

uan dan Teknol N 

elektron dari p

φp

ik prinsip stabi

emisi jauh leb ath (re << ls),

g emisi dan e halang potensi ktron α (perba discas) tertent on, yakni oleh misi plasma Se

ktroda lain dar

a aksi elektron m

tu yang lain da am keadaan in : persulit untuk n parameter-par

ra a) dan

≈ ls, yang mana

mum. Dalam

plasma m

si terbuka dan an arus berkas fraksi berkas e dalah lebih ti

logi Nuklir 201

lasma dengan

lisasi grid.

bih kecil dari sheath menye elektron diem ial. Disini efi andingan arus tukan seperti h h perbandingan

e terhadap luas

ri sistem discas

i tak mengiz melebihi beb

apat diangap d ni efisiensi eks

(

ϕ

pl−

ϕ

a

)

/kTe

]

mum (satu sa parameter p p besar yang memperoleh b rameterstabil.

b) yakni d a α= 0,5 meru keadaan ini ele melalui kedu melalui pengh elektron dari l elektron yang k

M

plasma) yang anoda emitor/ Gambar 5. A dinding bagia (terletak di dal tampak). A komponen uta akan dibahas terhadap besar dari permuka pengaruhnya t kerapatan elek Gambar 2 d tegangan pena arus emisi elek lama besar aru eksponensial). digunakan bah 40) berukuran grid bentuk lin (15×600) mm2 dengan jarak a ukuran dianet lubang grid y sebesar 0,25 m emitor (1,00 × lubang grid u ditunjukkan pa

Gambar

Pertemuan dan

ang di ping Jadi arus potensial boleh

an potensial.

DAN TATA

ncang bangun i dari dua sis

akan dilengk /grid adalah s Anoda emitor an bawah bej lam bejana SEK Anoda emitor

ama dalam pera pengaruh uk r arus emisi el an plasma (g terhadap param ktron plasmany diatas walau arik Ua (orde

ktron telah mu us tersebut se

Pada rancan han SS-304 b lubang (0,5×0 ngkaran denga

2

yang diklem antar lubang gr ter kawat grid yang satu de mm maka un 1,00) mm2 aka untuk setiap ada Gambar 6.

r 5. Bejana SE

n Presentasi Ilm Pusat Sain

ggir (melalui elektron yan h diabaikan kar

A KERJA

n bejana SEK tem elektroda kapi dengan eperti ditunjuk

akan dipasang jana generato KP, pada Gam merupakan s angkat SEKP y kuran lubang lektron yang t generator plas meter plasma ya. Menurut t dengan tanp ratusan kilo v uncul walaupu emakin menuru ngan anoda em bentuk kassa/g 0,5) mm2 _(iden

an jejari 0,28 m mkan pada beja rid 0,25 mm (m d). Kalau ja engan yang la ntuk media/lua an ada 1 lubang

luasan media

EKP model DU

ISSN 02

miah – Penelitian ns dan Teknolog Yogyakarta, 10

halangan ng melalui

rena

besar-KP model penghasil komponen kkan pada gkan pada r elektron mbar 5 tidak

salah satu yang mana emitornya erekstraksi sma) serta

(suhu dan teori, pada pa adanya

volt) besar un semakin

un (bentuk mitor akan grid (mesh-ntik dengan mm) seluas ana anoda, merupakan arak antara

ain adalah asan anoda g grid (satu (luas media (15 × 60) c diketahui, m keluar dari b

HASIL D

Menur tron yang m pada param kerapatan el jejari grid dalam beja temperatur dimana 1 eV plasma ne ad ini dapat d setiap luban tertentu, V untuk menen grid dalam

engetahuan dan ‐ BATAN 

mpang emisi el total) yang di cm2, maka pad 0.000 mm2 ×

Lubang grid (0 dari kawat k mm (1 lubang media).

ah lubang grid ron yang mela maka besar aru

bejana plasma d

DAN PEMBA

rut persamaan melalui satu lub meter plasma

lektron ne sert

tu yakni untu

9

C, k = tetapa = massa elektr dalam bentuk ×0,50 mm) a atif sama) den 28 mm (2,8 × 1 ijadikan sebag ng grid bentu kan memerluka uk media luasa mm2, 3 mm2 sing luasan n jumlah luban nerator plasma Variasi luasan m

ntukan jejari g tampang linta

A

n Teknologi Nuk

lektron pada b irencanakan ad da bejana plasm

1 lubang/ mm

,50 mm×0,50 m kassa SS berd

grid setiap 1

d diketahui da alui tiap luban us emisi elektro dapat ditentuka

AHASAN

(14) besar aru bang grid akan

seperti suhu ta bergantung arameter-param r plasma ad ma Te sekitar

an untuk kerap 1018) m-3. Sed an konstanta y uk e = muatan an Boltzmann = ron = 9,11 × 10 bujur sangka adalah identik ngan grid bent 10-4 m), oleh k gai standar/pat uk lingkaran d an luasan 1 mm a yang ukur media masing grid dan banya

ang emisi ele

Agus Purwadi

klir 2014 

ejana plasma dalah sebesar ma akan ada m2 = 90.000

mm) terbuat iameter 0,25

mm2 luasan

an besar arus ng grid juga on total yang an.

us emisi elek-n bergaelek-ntuelek-ng

elektron Te,

pada ukuran meter plasma

dalah untuk (1 - 10) eV patan elektron

dang besaran-ang besarnya n elektron = = 1,37 × 10-23 0-31 kg.

ar berukuran (besar harga tuk lingkaran karenanya hal tokan bahwa dengan jejari m2_{, dan akan}

a yakni untuk n seterusnya. d ini akan

luasan enoda rannya telah g-masing grid

Agus Purwadi ISSN 0216 - 3128 67

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2014  Pusat Sains dan Teknologi Akselerator  ‐ BATAN 

Yogyakarta, 10‐11 Juni 2014

generator plasma seluas media 15 cm × 60 cm. ditunjukkan pada Tabel 1.

Untuk rancangan penentuan arus emisi elektron yang melalui grid dapat dilakukan dengan mem-variasi harga parameter plasma dalam bejana plasma ; suhu elektron Te, kerapatan elektron ne, serta ukuran

jejari gridnya re. Pada Tabel 2 ditunjukkan besar arus

emisi elektron (Ie) sebagai fungsi jejari grid pada

kerapatan elektron plasma ne = 10 17

m-3 untuk berbagai harga suhu elektron Te. Pada Tabel 3

ditunjukkan besar arus emisi elektron (Ie) sebagai

fungsi jejari grid pada suhu elektron Te = 5 eV untuk

berbagai kerapatan elektron plasma ne.

Grid diklemkan/dipasang pada dinding bejana

plasma (plasma emitter/katoda plasma) bagian

bawah, berfungsi sebagai pengontrol arus emisi elektron plasma yang diekstrak/dikeluarkan dari bejana plasma. Untuk mendapatkan besar arus emisi elektron yang diharapkan, perlu ditetapkan harga

parameter plasma (ne dan Te) dalam bejana plasma

serta ukuran grid yang digunakan.

Tabel 1. Besar jejari grid untuk masing-masing

luasan media grid dan jumlah grid pada bejana plasma ertampang lintang emisi elektron (15

×

60) cm2

Luas media grid

(mm2)

Bejana plasma dengan luasan emisi elektron (15

×

60) cm2

Jejari grid re (m) Jumlah grid

1 2,80

×

10-4 90.000

2 4,00

×

10-4 _45.000

3 _4,90

_×

₁₀-4 _30.000

4 _5,60

_×

₁₀-4 _22.500

5 _6,30

_×

₁₀-4 _18.000

6 _6,90

_×

₁₀-4 _15.000

Tabel 2. Harga arus emisi elektron (Iem) sebagai fungsi jejari lubang re (pada ne =10 17

m-3) untuk suhu elektron Te

(1, 2, 3, 4, 5) eV.

No Jejari r_(m) e

Suhu elektron Plasma Te ( oK )

/ Arus Emisi Elektron 1×11600//I

em (A)

2×11600/ Iem

(A)

3×11600/ Iem

(A)

4×11600/ Iem

(A)

5×11600/ Iem

(A)

1 2,80×10-4 59,1 83,6 102,0 118,0 133,0

2 4,00×10-4 121 171,0 209,0 241,0 272,0

3 4,90×10-4 181,0 256,0 313,0 362,0 408,0

4 5,60×10-4 236,0 334,0 409,0 473,0 533,0

5 6,30×10-4 299,0 423,0 518,0 598,0 675,0

6 6,90×10-4 _{359,0 507,0 621,0 718,0 809,0}

Tabel 3.

Harga arus emisi elektron (Iem) sebagai fungsi jejari lubang re (pada Te= 5 eV) untuk kerapatan

kerapatan elektron ne = (10 15

,1016,1017,1018 m-3.

No Jejari re

(m)

Kerapaan elektron Plasma ne (m -3

) / Arus Emisi elektron 1015 _{/ I}

e (A) 1016 / Ie (A) 1017 / Ie (A) 1018 / Ie (A)

1 2,80 × 10-4 1,33 13,30 133,00 1330,0

2 4,00 × 10-4 2,72 27,20 272,00 2720,0

3 4,90 × 10-4 4,08 40,80 408,00 4080,0

4 5,60 × 10-4 5,33 53,30 533,00 5330,0

5 6,30 × 10-4 6,75 67,50 675,00 6750,0

6 6,90 × 10-4 8,095 80,90 809,00 8090,0

KESIMPULAN

1. Untuk jejari grid sebesar re = 0,40 mm, suhu

elektron Te = 5 eV (1 eV = 11600 K) dan

kerapatan plasma ne = 10 17

m-3 diperoleh besar arus berkas emisi elektron plasma sebesar Ie =

272 A. Sedang untuk jejari grid dan suhu elektron yang sama (re = 0,40 mm, Te = 5 eV)

pada kerapatan plasma ne = 10 18

m-3 diperoleh besar arus berkas emisi elektron plasma Ie = 2,72

kA.

2. Arus emisi elektron akan bertambah besar

dengan bertambahnya baik jejari grid, suhu elektron maupun kerapatan elektron plasmanya.

3. Perubahan kerapatan elektron plasma akan

peru-68 ISSN 0216 - 3128 Agus Purwadi

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2014  Pusat Sains dan Teknologi Akselerator  ‐ BATAN 

Yogyakarta, 10‐11 Juni 2014

bahan besar arus emisi elektron bila dibandin-gkan dengan perubahan baik jejari grid maupun suhu elektronnya

4. Luasan grid tidak terbatas hanya dalam bentuk lingkaran namun bisa dalam bentuk luasan bujur sangkar, asal diketahui besar arus emisi elektron tiap lubang grid dan jumlah grid persatuan luasnya.

DAFTAR PUSTAKA

1. Purwadi R, (2006) Application of

Plasma-Cathode elektron Beam for Large Area Treatment of Natural Rubber, Nagata Seiki, Ltd.

2. Y.E. Krasik, D. Yarmolich, J.Z. Gleizer, V.

Vekselman, Y. Hadas, V.T. Gurovich, and J. Felsteiner, Physics of Plasmas 16, 057103 (2009) 057103-1 – 057103-11

3. DAN M. GOEBEL, ”Plasma Cathode elektron

Guns” , Work performed at HRL, HUGHES RESEARCH LABORATORIES, Jan. 1997

4. Efim Oks, Lecture 6 Introduction of Plasma

Cathode elektron Source, presented in BATAN Accelerator School, Yogyakarta, Indonesia, 5th -

9th

December (2011)

5. Efim Oks, ”Plasma Cathode elektron Sources

(Physic, Technology, Application)”, Institute of High Current elektronics (IHCE), Russian Academy of Sciences, 2/3 Akademichisky Ave, 634055 Tomsk, Russia, May 2006.

Tjipto Sujitno

− Apa fungsi utama grid

− Apakah bisa dihitung arus yang hilang akibat

tumbukan elektron dengan grid

Agus Purwadi

− Grid berfungsi untuk menentukan/mengontrol besarnya arus ekstraksi berkas elektron yang terekstraksi