PENBUKURAN PARAMETER PLASMA DENGAN PROBE BENTUK BOLA. Agus Pur wadi, Suryadi, W. Usada Pusat Penelitian Nuklir Yogyakarta ABSTRAK

PENBUKURAN PARAMETER PLASMA DENGAN PROBE BENTUK BOLA

Agus Pur wadi, Suryadi, W. Usada Pusat Penelitian Nuklir Yogyakarta

ABSTRAK

Telah dilakukan pengukuran suhu dan kerapatan elektron plasma dengan alat percobaan yang telah disempurnakan. Pengukuran dilakukan dengan probe bola, menggunakan met ode analisa Langmuir probe. Probe dihubungkan dengan sumber tegangan dimuati dengan berbagai harga tegangan positif dan negatif relatif terhadap plasma, maka arus yang tertarik oleh probe akan memberikan informasi tentang keadaan parameter di dalam plasma. Dalam tabung lucutan gas argon diperoleh suhu dan kerapatan elektron plasma masing-masing T_

=

(10,0 ~ 0,3) eV dan n_

=

(9,9'± 0,2) x

loe

cm-~~

ABSTRACT

I.

PENDAHULUAN

Penelitian

plasma dalam tabung lucutan

gas

merupakan

suatu

titik tolak dalam mempelajari efek pengungkungan

dan

efek

cermin

plasma

oleh

medan

magnet.

Penelitian

ini

me~upakan

penyempurnaan

dari penelitian

sebelumnya

dalam

usaha

pemvariasian jarak a~ta~ elektroda, yang

mana

telah

dilaksanakan, sehingga pengoperasian probe bisa tepat berada

pada

daerah

kolom positif.

Kemudian

dengan

ditambahnya

sistem

pendingin di daerah sekitar katoda, menjadikan

arus

muatan

antar

elektroda relatif

lebih

stabil.

Parameter

plasma

di

daerah kolom positif pada

kondisi

normal

glow

discharge

ditentukan dengan probe bentuk

bola,

diharapkan

akan

diperoleh

hasil

pengukuran akhir

yang

lebih

baik,

karena adanya efek koreksi dari bentuk yang sederhana.

Salah

satu

yang paling

diutamakan

dalam

diagnostik

plasma

adalah karakteristik arus-tegangan dari

probe

yang

disisipkan

ke

dalam

plasmac1> ,

karena

parameter

plasma

seperti suhu dan kerapatan elektron plasma dapat

ditentukan

atas

dasar

dari karakteristik probe yang

diperoleh

dalam

percobaan.

Analisa metode konvensional penentuan suhu

dan

kerapatan

elektron plasma dengan menggunakan probe,

secara

singkat· dapat dipahami dengan cara sebagai

berikut.

Pada

grafik

karakteristik

probe

idealc2>,

arus

elektron

yang

berada di daerah exponensial disajikan oleh persamaan

(1a)

a.tau

In 1_

=

In I_~

+

e~/kT_ <1b)

dimana

I_J

adalah arus elektron jenuh

(berada pada potensial

plasma),

T_

adalah

suhu

elektron,

k

adalah

konstanta

Boltzmann

dan

~

~dalah tegangan

probe

relatif

terhadap

tegangan

plasma

(~

=

Vpr - Vp~).

Kalau

dianggap

distribusi

kecepatan

elektron di sekitar

probe

mengikuti

distribusi

Maxwellc3>,

maka arus elektron

jenuh

diberikan

oleh persamaan

atau

1•..:1

=

envS/4

1•..:1

=

enS (2kT./ rr m.)1/2

(2a)

(2b)

dimana e adalah muatan elektron, n adalah kerapatan elektron, v adalah kecepatan rerata elektron (v

=

BkT./m), S adalah luasan probe dan T. adalah suhuelektron, m. massa elektron. Karena adanya sheath (selubung muatan) di sekitar probe, untuk probe berbentuk bola, arus elektron plasma memperoleh faktor koreksi sebesar F

=

1 - (eV/kT.)

(4),

sehingga persamaan (2b) menjadi

Suhu elektron plasma dapat ditentukan .dengan karakteristik probe dari hasill percobaan dengan menggunakan persamaa (lb); yaitu dengan mensubstitusikan dua pasangan harga

(I_1'~1)

dan

(I_2'~2)

yang diperoleh ke persamaan (lb) tadi, atau dapat dituliskan

Dari persamaan (4a) dan (4b) akan diperoleh persamaan suhu elektron plasma yaitu

Sedang untuk -kerapatan elektron plasmanya dapat ditentukan dari persamaan (3) dengan harga arus elektron jenuh pada grafik karakteristik probe dari hasil percobaan(~).

II. TATA KERJA

Blok diagram alat penentu parameter plasma yang digunakan dalam perccbaan ini adalah seperti ditunjukkan pada gambar 1.

10a

1

5a

3

luc

9

2

8

11

4

Gambar 1. Blok diagram alat penentu parameter plasma Keterangan gambar :

1. Air pendingin : air didinginkan dengan AC Sanyo 165 BR. 2. Pompa air pendingin : digunakan pompa air Sanyo A-90UM. 3. Pompa vakum : digunakan pompa vakum rotary Edwards,

England.

4. Gas argon digunakan sebagai pengisi tabung lueutan.

5. Kran : kran air dan pompa vakum dibuat dari gel as di PPNY, kran untuk gas Argon digunakan regulator Matheson.

6. Tabung plasma : tabung plasma dibuat dari bahan kuningan dan gel as, masing-masing dengan diameter 7,5 em dan 2 em. Jarak antar elektroda dapat divariasi.

7. Katoda : terbuat dari bahan tungsten, panJang 3 em,

~ = 0,5

mm.

8. Anoda : terbuat dari bahan tungsten, ~

=

3,5 mm

9. Probe : terbuat dari bahan tungsten, ~

=

0,5 mm dan uJung berbentuk bola dengan ~ = 0,6 mm.

10. Tegangan searah : tegangan katoda diatur selalu konstan sebesar 15 volt, arus 2,5 A. Tegangan probe hanya

dioperasi- kan antara -3~ sampai dengan +30 volt, dengan menggunakan Power Supply Trio PR 602A. Lucutan tabung plasma menggunakan sumber tegangan tinggi Hipotronics. 11. Multimeter : digunakan Elektrometer Keithley blOC dan

Sanwa 501-ZX-TR.

12. Tahanan : digunakan tahanan porselin 100 kOhm.

Adapun cara percobaan dapat dilakukan sebagai berikut : 1. Tabung lucutan gas divakum hingga bertekanan 0,35 mbar 2. Dipasang tegangan antar elektroda sebesar + 500 volt

sehingga terJadi lucutan normal glow, dengan memvariasikan jarak antar elektroda.

3. Probe diberi tegangan dari -30 sampai +30 volt serta dibaca arus yang melalui probe pada Elektrometer.

4. Hasil pemvariasian tegangan terhadap arus digambar sehingga menghasilkan karakteristik probe.

5. Suhu dan kerapatan elektron plasma dapat ditentukan dari hasil analisa karakteristik probe.

III. HASIL DAN PEMBAHASAN

Dengan menggunakan probe bentuk bola~ diperoleh dari hasil variasi tegangan probe eVpr)terhadap arus

(Ipr) seperti tertera pada tabel 1.

data probe

TabelData

1-

variasi tegangan probe terhadap arus probe Vpr Ipr I Vpr Ipr-I (volt) (uA) I (volt)(uA) I ---₀ 90 3 110I -3 70 I

6

130 I

-6

50 r

9

150 I

-9

35 I 12 160,5

,

-12 20 I 15 170,5 I -15 10 I 18 180 I -18 5 I 21 190 I -21 _-2,5 I 24 200 I -24 -10 I 27 200 I -27 -10 I

---selang ada lagi perubahan hingga melebihi 27 tegangan percobaan Hasil (arus tegangan probe tertentu) • volt arus tegangan dalam bahwa sampai tak menunjukkan volt, dinaikkan tetap 200 ftA,

27

dan selalu antara 24 meskipun relatif

Demikian halnya untuk penurunan harga tegangan sampai -24 volt, terjadi

kedua _harga arus

kejenuhan arus lagi sebesar -10)UA. probe tersebut dapat disimpulkan

dengan Dari bahwa besar _{arus elektron jenuh adalah I_~}

₌

_{210pA, karena} arus . elektron _merupakan jumlahan antara arus ion jenuh dengan

arus probe sedang arus ion _jenuhnya

harga 10 dapatlah antara tegangan probe terhadap suhu elektron plasmanya (gambar bersangkutan, probenya. hubungan menentukan harga pada data pada elektronnya yaitu dengan yang probe

2)

uA pada arus digambarkan untuk In masing-masing tegangan diketahui dapat sekarang harga menambahkan

1 ,

10 }J-A. tabel = karenanya, Dleh adalah arus Dari harga grafik sendiri

~~if~f~=:1~~~i~~~E~-§~~~E~~L§~E:g~:~

::~~~~:;h~::::._~·:-

__

;~==~~-~_~~~:it~-=~~~1:=:~::i-~~~i~~~~

~~t~~~~~i1~ilift~~~~r~~t~l~~i~j~ti~m~~i~1ii~~~~~~ill~

Dengan mengetahui ha~ga slope (kemi~ingan) pada gamba~ 2 dan menggunakan pe~samaan (5), maka dapat ditentukan harga suhu elektron plasmanya. Telah dihitung untuk masing-masing ha~ga pasangan antara (80,-3); (60,-6); (45,-9) dan

(30,-12)i yang masing-masing dengan (15,-18) maka suhu elektron plasma yang diperoleh ·adalah T.1

=

10,394 eV, T.2

=

T.3

=

10,043 eV dan T.4

=

9,474 eV memberikan rata-rata T. = (10,0

+

0,3) eV. Selanjutnya dari persamaan (3), kerapatan elektron plasma dapat ditentukan, yaitu : n. = (9,9 ~ 0,2) x

loa cm-3•

IV. KESIMPULAN

Penyempurnaan alat percobaan penentu parameter plasma dengan penambahan sistem pendingin di daerah sekitar katoda serta usaha pemvariasian jarak antar elektroda pada tabung lucutan gas berdampak positif. Selama percobaan dilakukan, arus probe teramati selalu stabil untuk berbagai macam harga tegangan probe yang diberikan serta menjadikan mudah dalam menentukan keadaan normal glow discharge, diperoleh pada tekanan gas argon 0,35 mbar, tegangan antar elektroda 320 volt, jarak antar elektroda 18 cm dan arus_v filamen katoda 2,5 A.

Hasil pengukuran suhu dan kerapatan elektron plasma pada tabung lucutan gas yang masing-masing adalah T.

=

(10,0 ~ 0,3) eV dan n. = (9,9 ~ 0,2) x loa cm-3•

UCAPAN TERIMA KASIH

Atas segala bantuan rekan-rekan sekerja di PPNV dalam melakukan penelitian hingga kertas kerja ini selesai ditulis, penulis mengucapkan terima kasih.

DAFT AR PUST AI<A

1. CHARLES B. WHARTON, "Plasma Probing", Lawrence Radiation Laboratory, University of California, California.

2. NOBUYUKI KAVA, "New Technique for Direct Measurement of Electron Tempe~ature", Rev. Sei. Instrum. 53, 7, July, 1982.

31 IIM. PodgorNyi, "Topics in Plasma Diagnostics", TranslatedfromCosmeticsRusia,InstituteofStudy,

Moscow,

USSR ( 1971> • 4.

RICHARDSH.

HUDDLESTONE"PlasmaLEONARD,andSANLEY L. Diagnostic Techniques",Plasma ResearchLaboratory Aerospace Corporation, Los Angeles, California (1965).

5. WONG C.S., "Proceedings of First Tropical College on Applied Physics", University of Malaya, Malaysia (1983).

TANYA JAWAB 1. Engkir S.

Apa gunanya penelitian ini?

Widdi Usada

Untuk mempelajari parameter plasma pada suhu dan kerapatan rendah dalam tabung lucut yang secara geometri dikenal sebagai tabung lucut sistem terbuka. Untuk tahap selanjutnya ingin ditinjau pengaruh medan magnet yang dipasang sepanjang kolom plasma dan dikedua ujung tabung, dalam hal pengungkungan plasma dalam medan magnet. Perlu diketahui geometri tersebut juga merupakan salah satu konsep reaktor fusi (reaktor fusi cermin).

2. Made Berata

a. Dengan adanya sistem pendingin di daerah sekitar elektroda akan menjadikan arus stabil. Bagaimana hubungan antara perubahan suhu dengan aliran arus? b. Pada hubungan antara tegangan dan arus mula-mula naik

kemudian turun. Menurut teori yang pernah kami baca mula-mula arus naik setelah jenuh tidak turun tetapi lurus. Apa sebab pada grafik yang ditunjukkan ada penurunan arus?

Suryadi

a. Hingga kini, hubungan rumusan secara teoritis belum diperoleh.

b. Pada grafik hubungan tegangan dan arus (dalam tabung) yang ditunjukkan, tidak ada penurunan arus. Arus

selalu naik, yang saja.

3. Utaja

turun naik hanyalah tegangannya

Bagaimana cara eksperimen dari BCDE pada gambar yang telah dijelaskan, apakah tidak loncat dari B ke sisi kanan

?

Agus Purwadi

Cara eksperimen untuk memperoleh kurva· BCDE pada gambar karakteristik lucutan listrik I - V di bawah ini: yaitu setelah tegangan breakdown di titik B diperoleh, tegangan penyedia daya distop, selanjutnya yang divariasi adalah tahanan luarnya saja. Segmen garis BCDE pasti terjadi, tetapi dalam waktu yang relatif sangat singkat (orde mikro

deti k) •

10 1 -I ,0

·

·

·

_·

'O~I2. F

20D .ljoo bOO ~oo -V(VO(

t)

Gamba •... Ka •...akteristik lucutan list •...ik I - V