UJICOBA SISTEM ELEKTRODE SUMBER ELEKTRON
BERBASIS KATODE PLASMA
Agus Purwadi, Bambang Siswanto, Wirjoadi, Lely Susita RM, Widdi Usada
PTAPB-BATAN
Jl. Babarsari Kotak Pos 6101 Ykbb 55010 Yogyakarta E-mail : gs_purwadi@yahoo.co.id
ABSTRAK
UJICOBA SISTEM ELEKTRODE SUMBER ELEKTRON BERBASIS KATODE PLASMA.Telah
dilakukan pengujian sistem elektrode sumber elektron berbasis katode plasma. Sistem elektrode terdiri silinder pejal katode dari bahan magnesium dan anode berbentuk kerucut dari bahan SS dan diantara katode anode dibatasi dengan cincin dari bahan teflon. Bejana plasma dari bahan SSberlaku sebagai anode dengan dibatasi silinder isolator dari bahan koprolon terhadap katoda igniter. Pengujian dilakukan pada tekanan vakum sekitar 5x10-2 torr, untuk tegangan igniter sekitar 10 kV dan sumber daya generator plasma bertegangan 840 V, hasil eksperimen menunjukkan terjadi lucutan busur dengan lebar pulsa 10 mdetik dan arus 4.5 A.
Kata-kunci :Plasma pulsa, igniter, lucutan busur.
ABSTRACT
TRIAL AND TEST ELECTRODE SYSTEM OF PLASMA CATHODE ELECTRON SOURCE.Trial and test electrode systemof plasma cathode electron source has been done. Electrode system consists of a magnesium rod as cathode and a SS cone anode, in between anode – cathode a ring teflon is applied. Plasma chamber as anode made of SS material is isolated by coprolon against igniter cathode. The test is done for vacuum pressure of 5x10-2 torr, for igniter voltage is 10 kV and plasma generator voltage is 840 V, experimental result shows that plasma arc discharge is occurred and its achieved discharge current is 4.5 A, and its pulsed width is 10 msecond.
Key-words:Pulse,plasma , igniter, arc discharge.
PENDAHULUAN
alah satu program institusi PTAPB-BATAN pada Bidang Teknologi Akselerator dan Fisika Nuklir (BTAFN) adalah rancang-bangun sumber elektron berbasis katode plasma (SEBKP). Untuk menunjang program tersebut pada tahun 2012 ini telah berhasil dirancang-bangun modul-modul komponen SEBKP tipe DUET[1], di antaranya komponen sistem elektrode. Hasil rancang-bangun sistem elektrode yang dibuat tim SEBKP PTAPB-BATAN dapat diperlihatkan pada Gambar 1.
Ditunjukkan pada Gambar 1.a. : susunan elektrode igniter/pemicu utama yang terdiri dari katode bahan kuningan (1) berbentuk silinder dengan panjang 49 mm dan diameter 4 mm, didepannya disambung katoda dari bahan
magnesium (2) bentuk siliner denganpanjang 20 mm dan diameter 6 mm (sebagai permukaan lucutan), kemudian isolator silinder teflon setebal 1 mm (3) dan sebagai anode dari bahan baja tahan karat (SS)berbentuk mangkok cekung (4) sudut 145o setinggi 2,5 mm dengan diameter 7,5 mm (sebagai permukaan lucut), dimana anode diselungkupi isolator dari bahan koprolonbentuk silinder denganpanjang 30 mm, diameter 32 mm dan tebal 2 mm.Pada Gambar 1.b. ditunjukkan foto katode magnesium tampak berupa batang putih di tengah. Pada Gambar 1.c. ditunjukkan foto sistem elektrode yang dilihat dari samping saat ditengkurapkan.
Terbentuknya plasma di dalam bejana plasma, terlebih dahulu terbentuk spot plasma di permukaan katode magnesium.[2]Dalam makalah ini akan disajikan hasil ujicoba sistem elektrode yang telah dirancang-bangun.
Gambar 1. Rancangan dan hasil konstruksi sistem electrode.
TATA KERJA
Untuk uji coba, bahan-bahan yang diperlukan adalah, 1 (satu) set sistem elektrode yang sudah terintegrasi dengan bejana plasma dengan sistem vakum, sumber daya igniter, sumber daya lucutan busur plasma, dan sebagai pengukur adalah probe pembagi tegangan serta osiloskop.Uji-coba yang pertama adalah pembentukan spot plasma dilakukan dengan memasukkan unit sistem elektroda pada ujung bejana generator plasma (dari
bahan SS, tebal 3 mm) bentuk silinder dengan diameter 40 mm dan panjang 400 mm. Pengujian dilakukanpada kondisi atmosferik dengan menggunakan Sumber Daya Igniter (SDI) yang kutub negatifnya dihubungkan dengan katode dan kutub positifnya dihubungkan dengan anode, seperti ditunjukkan Gambar2 Sumber daya igniter ini memberikan tegangan 10 kV dan lebar pulsa sekitar 4 µdetik, dengan frekuensi pengulangan sekitar 1 Hz.
Gambar 3. Skema eksperimen pengujian lucutan busur plasma dan rangkaian ekivalennya.
Spot di katode magnesium ditunjukkan.Pengujian kedua adalah pengujian lucutan busur plasma yaitu pembentukan plasma di bejana plasma. Lucutan busur plasma muncul setelah pembentukan spot, maka spot ini menginisiasi pembentukan lucutan plasma di bejana plasma, yang muncul dari pelucutan sumber daya generator plasma (SDGP). Gambar 3 memperlihatkan skema eksperimen uji coba pembentukan lucutan busur plasma di bejana plasma dan rangkaian ekivalennya. Kutub negatif dari SDGP terhubung bersama dengan katode, kutub positifnya dihubungkan dengan anode bejana plasma. SDGP memberikan tegangan sekitar 840 V, dengan lebar pulsa berdasar rancangan 100 µdetik.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Uji-coba Pembentukan Spot PlasmaHasil uji-coba pengujian pembentukan spot plasma dengan skema rangkaian seperti ditunjukkan Gambar 2, memperlihatkan hasil yang cukup baik seperti ditunjukkan Gambar 4.
Terlihat pada Gambar 4 spot cukup besar muncul di pinggir katode magnesium meskipun tidak muncul di tengah magnesium. Spot akan membesar bila kapasitor pada SDI diperbesar. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa titik nyala spot tidak tetap di suatu titik pada permukaan katode magnesiumtetapi berpindah-pindah dari titik yang satu ke titik yang lain,hal ini karena di titik (dan
sekitar) bekas terjadinya spot pada katoda tersebut (terkontaminasi/timbul jelaga akibat adanya tenaga panas hasil benturan partikel bermuatan dengan katoda sehingga terjadi semacam isolator). Oleh karena itu kualitas konduktor di titik bekas terjadinya spot menjadi berkurang dan titik spot berikutnya otomatis akan berpindah tempat dan terjadi di titik lain yakni di permukaan katoda magnesium yang relatip mempunyai sifat konduktor yang lebih tinggi. Tetapi nyala spot yeng selalu berpindah-pindah ini bukan menjadi halangan (tidak berpengaruh) terhadap proses beroperasinya sistem SEBKP, karena yang utama adalah munculnya spot plasma di permukaan magnesium akan memicu sumber daya generator plasma untuk bekerja, sehingga terbentuk lucutan busur plasma di seluruh ruang bejana plasma.
Gambar 4. Foto spot di katode magnesium dari
Uji-coba Lucutan Busur Plasma[3]
Peralatan, susunan peralatan, terjadinya pembentukan lucutan dan pulsa tegangan lucutan dari hasil uji-coba lucutan busur plasma ditunjukkan pada Gambar 5, Pengujian lucutan busur plasma pada bejana plasma,dilakukan dengan terlebih dahulu menyusun sistem elektrode (di dalam bejana generator plasma) berada dalam bejana plasma tervakum. Bejana plasma luar yang dihubungkan dengan saluran vakum tersebut dibuat dari bahan SS (tebal 3 mm) bentuk silinder dengan diameter 205 mm dan panjang 780 mm.Selanjutnya dengan skema rangkaian seperti diperlihatkan Gambar 3 uji-coba dilaksanakan. Tekanan vakum sekitar 5x10-2 torr.Gambar 5.c. menunjukkan terjadinya lucutan busur pada bejana plasma yang tampak adanya nyala pada bagian dalam bejana, dan lebar pulsa tegangan ditunjukkan Gambar 5.d., Lebar pulsa tegangan ADPS diperkirakan 5x2 mdetik = 10 mdetik, jauh lebih besar dari yang dirancang sebesar 100 µdetik.
Dengan data di atas dapat diperkirakan besarnya hambatan ρL yang dapat diperoleh berdasar persamaan 1 2 . 2 ρLnC τ = (1)
Dengan n =10, C1 = 1 µF, n adalah jumlah loop, maka dapat diperoleh nilai ρL yaitu
Ω = = × × = = − − 45.45 2 . 2 10 10 10 2 . 2 10 2 . 2 3 6 2 1 C n L τ ρ (2)
Kemudian untuk menghitung besarnya induktansi L1 dapat digunakan persamaan
1 2
1 C
L =ρL (3)
Dan kalau dihitung besarnya adalah mH 07 . 2 10 45 . 45 2 6 1 2 1 = = × = − C L ρL (4)
Gambar 5. Peralatan, susunan peralatan, terjadinya pembentukan lucutan dan
Dengan demikian maka sistem yang telah dibuat, masih memberikan induktansi yang sangat besar yaitu sekitar 2.07 mH, jauh dari yang kita rancang yang hanya sebesar 25 µH. Untuk mengatasi masalah ini, telah dilakukan/dibuat jenis kapasitor cepat dengan jarak antar kutub sedekat mungkin dan penggunaan kabel koaksial (oleh Tim Modul Sumber Daya Tegangan Tinggi SEBKP) dengan maksud/tujuan dapat menekan/menperkecil sumbangan dari harga induktansi tersebut. Ternyata dari hasil pengukuran yang telah dikerjakan, besar induktansi tersebut menjadi 30 µH, yang berarti harga induktansi yang terlalu besar tersebut bukan disebabkan oleh sumbangan induktansi dari sistem elektrode, tetapi sumbangan induktansi yang berasal dari sumber daya generator plasmanya.Berdasarkan gambar di atas, tegangan lucut sekitar 200 V, maka arus lucut plasmanya I sekitar
A 4 . 4 45 . 45 200 = = = L V I ρ (5)
Hasil di atas jauh lebih kecil daripada yang dirancang yaitu 100 A. Hasil eksperimen juga menunjukkan meskipun spot plasma secara kontinyu muncul, tetapi lucutan busur plasma kadang-kadang muncul di luar bejana plasma. Setelah dievaluasi ternyata ada beberapa sambungan kabel yang belum terisolasi dengan baik, sehingga setelah dilakukan perbaikan isolasi, eksperimen dapat berjalan dengan sempurna.
Hasil eksperimen menunjukkan bahwa lebar pulsa sangat besar, hal ini bukan disebabkan oleh sumbangan induktansi dari plasma tetapi sumbangan dari induktansi di luar sistem, atau induktansi dari sumber daya generator plasma sangat besar jauh dari yang dirancang. Sumbangan terbesar adalah adanya kabel-kabel dari kaki kapasitor dan jarak antar kabel yang terlalu besar. Untuk menghindari sumbangan induktansi yang terlalu besar pada sumber daya generator plasmatersebut, oleh Tim Modul Sumber Daya Tegangan Tinggi SEBKP telah dapat diatasi yakni dengan membuat jenis kapasitor cepat dengan jarak antar kutub sedekat mungkin dan penggunaan kabel koaksial.
KESIMPULAN
Hasil uji-coba terlaksana cukup memuaskan, khususnya diperolehnya spot plasma serta lucutan busur plasma yang konsisten dalam arti jangka
(ring) waktu terjadinya antara lucutan yang satu dengan lucutan berikutnya dapat ajeg (sama). Sedang nyala spot yang selalu berpindah-pindah pada katoda magnesiumbukan menjadi halangan (tidak berpengaruh) terhadap proses beroperasinya sistem SEBKP,karena yang utama adalah muncul-nya spot plasma di permukaan magnesium dapat memicu sumber daya generator plasma untuk bekerja, sehingga terbentuk lucutan busur plasma di seluruh ruang bejana plasma.
Beberapa gangguan yang menimbulkan ketidak-konsistenan lucutan busur telah dapat teratasi dengan memberikan isolator kuat pada setiap terminal/sambungan. Hasil lebar pulsa lucutan busur terlalu besar bukan disebabkan oleh sumbangan induktansi dari sistem elektrode atau bejana plasma tetapi sumbangan induktansi dari sumber daya tinggi generator plasma.
UCAPAN TERIMAKASIH
Penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak Drs. Aminus Salam, Bapak Heri Sudarmanto dan Bapak Saefurrochman atas pemberian batuan piranti sumber daya igniter dan sumber daya generator plasma, kepada Bapak Aziz dan Bapak Sukidi ST atas pemberian batuan bejana plasma dan sistem elektrode sehingga eksperimen ujicoba dapat terlaksana dengan baik. Kepada Bapak Ir. Suprapto selaku kepala BTAFN-BATAN dan Bapak Prof. Sudjatmoko selaku Peneliti Utama PKPP tahun 2012 atas pemberian tugas dan saran-saran dalam rapat koordinasi tim SEBKP.
DAFTAR PUSTAKA
[1] EFIM OKS, Lecture 8 Introduction of Plasma Cathode Electron Source, presented in BATAN Accelerator School, Yogyakarta, Indonesia, December 5th -9th, 2011.
[2] WIDDI USADA, dkk., Karakteristik Spot Plasma Pada Lucutan Busur Plasma, Prosiding PPI PTAPB-BATAN Yogyakarta, Mei 2012 [3] WIDDI USADA, Catatan Studi Evaluasi Hasil
