iiiipm^v'^'
?^.:-i-
. M i
i
I ' I ' G M - L 127 - 76 J ^ , >"'•>
/' t.6 / ,< ^
PKMBUATAN DETEKTOR IONIZATION DIFFUSION CHAMBER
S u t a d j i S u g i a r t o
BADAN TENAGA ATOM NASIONAL
PUSAT PENELITiAN TENAGA ATOM GAMA
V O G Y A K A R T A - I N D O N E S I A
«SO»;-.'-
1
~ V . , l
We regret that some of the pages in the microfiche copy of this report may not be up to the proper legibility standards, even though the best possible
copy was used for preparing the master fiche.
Teknik dan Teknologi Peralatan
Deteksi Zarah dan Deteksi Radiasi dan Peralatan Pengukuran dan metods Pengukuran
PPGM - L 127 - 76
PEMBUATAN DETEKTOR IONIZATION DIFFUSION CHAIffiER
S u t a d j i S u g i a r t o
J u l i 1975 - Maret 1976
BADAN TENAGA ATOM NASIONAL P u s a t P e n e l i t i a n Tenaga Atom Gama J l . B a b a r s a r i Kotakpos 8 t e l e p o n 3661
Y o g y a k a r t a - I n d o n e s i a
Telah dibuat sebuah detektor Kotak Kabut Difusi d a r i e e - l a s berben-fcuk s i l i n d e r dengan garis menengah. 20 cm* t i n g g i 13,5 cm*
gas i s i e n u d i r a , tekanan k e r j a tekaaan kamar, suhu puncak suhu kamar dan suhu dasar suhu dry i c e . Dengan bantuan p e r a l a t a n - p e r a l a t a n l a i n d e t e k t o r i n i t e l a h dipersiapkan untuk melihat Jejak p a r t i k e l a l f a dan b e t a .
A B S T R A C T
Prototype of an Ionization Diffusion Chamber d e t e c t o r has been a t the Gama Research Centre. I t was s i l i n d r i c a l glass., 20 cm i n
diameter, 13.5 cm i n h e i g h t , a i r gas f i l l e d , operated a t room p r e s - sure and room temperature at the top of t h i s instrument while for the box temperature i t i s used the dry i c e (C0_ s o l i d ) temperature.
This d e t e c t o r w i l l be made ready t o see alpha and b e t a p a r t i c l e t r a c k s .
i
DAFTAR I S I A "b s t r a k
Daftar i s i P r a k a t a •
Daftar laabang/simbul Bab. I . Pendahuluan B a b . I I . Teori
I I . A . P r i n s i p dasar metode d e t e k s i I I . B . P r i n s i p dasar kotak kabut
I I . C . Analisa keadaan f i s i s dalam kotak kabut difusi I I . D . Gas i s i a n dan tekanan k e r j a
I I . E . Uap i n d i k a t o r dan suhu k e r j a I I . F . Medan pembersih
I I . G . Cahaya penerangan Bab I I I . Pembuatan
Bab IV. Pengaraatan Bab V. Penutup Referensi
Tabel
i i
Dengan hormat,
Dengan i n i perkenankanlah kami akan nelaporkan tugas-tugas yang t e l a h kami kerjakan selama 9 bulan ( J u l i 1975 - Maret 1976) y a - i t u tentang Penfbuatan Detektor Ionization Diffusion Chamber (Kotak Kabut D i f u s i ) . P e r a l a t a n - p e r a l a t a n yang harus dibuat sudah 90% s e l e - s a i d i b u a t , sementara t i n g g a l s a t u p e r a l a t a n yang harus d i b e l i hing-- ga s a a t i n i belum datang. Eksperimen belum sempat diadakan karena periode eksperimen yang direncanakan adalah bulan April s/d Juni 1976.
Dengan i n i pula perkenankanlah kami mengucapkan diperba- nyak terima kasih kepada ;
1 . Yth. Bapak Direktur dan Yth. Bapak Kepala Laboratorium F i s i k a K u k l i r , Pusat P e n e l i t i a n Tenaga Atom Gama, Badan Tenaga Atom Na- s i o n a l , yang t e l a h memberi j u d u l pembuatan p r o t o t i p s e p e r t i t e r - sebut di atas yang adalah s e s u a i dengan tugas akhir s t u d i k e s a r - janaan kami,
2 . Yth. Bapak Prof- Dr. I r . H. Johannes sebagai sponsor yang t e l a h memberikan banyak petunjuk- petnnjuk tentang tugas kami t e r s e b u t
d i a t a s .
3 . Yth. Bapa-bapak/Ibu-ibu s t a f Laboratorium Fisika Nuklir, yang t e l a h menberikan banyak saran-saran tentang tugas kami t e r s e b u t d i a t a s .
. -h. Yth. saudara-saudara para t e k n i s i yang t e l a h membantu dalam pern- buatan p e r a l a t a n - p e r a l a t a n .
Yogyakarta, 31 Maret 1976 Hormat kami,
Penyusun i i i
DAPTJE LAMBAHG/SIMBUL nomor mas a.
Faktor penguatan penguat tegangan t u k a r . bilangan Avogadro.
Percepatan.
Tetapan gas s e j a t i untuk tekanan.
Te-tapan gas se^a-ti untuk volume.
Kapasitor.
Kecepatan canaya.
Kalor j e n i s .
Kalor pengenibunan. j e n i s . Kalor penguapan. J e n i s . Tetapan d i f u s i .
Tetapan d i f u s i pada tekanan 1 atmosfir 0° Kelvin.
Kuat medan l i s t r i k . Tenaga.
Tenaga gerak.
Tenaga photon.
Muatan elektron.
Faktor Fano.
Gaya Coulomb.
Frekwensi,
Jarak fokus mata.
Jumlah k a l o r yang dipindahkan.
Tetapan Planck.
Tinggi kotak kabut d i f u s i .
H /i-A t r a n s i s t o r emiter t e r l a t a r k a n . a b
Tahanan dalam t r a n s i s t o r emiter t e r l a t a r k a n . P o t e n s i a l i o n i s a s i ,
Arus t u k a r . Rapat a r u s .
Tetapan hantaran k a l o r . Tetapan Boltzman.
i v
Masa.
Masa rihat.
Masa elektron.
Rapat atom.
perbandingan gulungan transformator.
Jumlah pasangan e l e k t r o n - i o n p o s i t i p atau elektron-lowong.
Rapat i o n .
Rapat ion pada s a a t t = 0.
Tekanan.
Dorongan.
Tekanan t e t e s pada j e j a r i r . Tekanan p a r s i e l uap i n d i k a t o r . Tekanan p a r s i e l gas i s i a n .
Tekanan t o t a l dalam kotak kabut d i f u s i . T r a n s i s t o r .
Kalor pengembunan.
Kalor penguapan.
Muatan i o n .
Tetapan gas sempurna.
Tahanan mantap.
Tahanan v a r i a b e l / p o t e n s i o m e t e r . J e j a r i t e t e s .
Derajat kejenuh lewatan.
Daya h e n t i sebagai fungsi te nag a.
Jarak yang ditempuh p a r t i k e l . Periode.
Suhu Kelvin.
Suhu mantap masing-masing lempeng kotak kabut d i f u s i . Trans formator.
Waktu.
Suhu Celoiue.
Volume.
v
Tegangan marttap.
Tegangan t u k a r . Kecepatan p a r t i k e l . Kelajuan hanyut.
Komor atom d a l a a s i s t i m p e r i o d i k . Tinggi kotak kabut d i f u s i ,
Tetapan rekonibinasi,
Tetapan perufaah tetapan d i f u s i . H/mot.
(v/o).
Tegangan permukaan.
PanJang gelombang,
Tetapan muai tetapan hantaran kalor, Frekwensi cahaya.
Mobilitas.
vi
D i t i n j a u d a r i cara pengamatan d e t e k t o r - d e t e k t o r p a r t i k e l dalan F i s i k a Huklir dapat di"bagi menjadi dua keleompok y a i t u j
A. Keloapok pengamatan warta
Termasuk dalam kelompok i n i adalah d e t e k t o r - d e t e k t o r :
a l a t cacah i o n i s a s i , a l a t cacah p r o p o r s i o n a l , a l a t cacah Geiger Mueller* a l a t cacah s c i n t i l a s i . , a l a t cacah k r i s t a l dan. a l a t cacah.
semi konduktor.
B. Kelompok pengamatan jejak
Termasuk dalam kelompok i n i adalah d e t e k t o r - d e t e k t o r :
kotak kabut Wilson, kotak kabut d i f u s i , kotak gelembung uap, ko- t a k "bunga a p i , eraulsi p o t r e t dan d e t e k t o r Cerenaov.
Pada t u l i s a n i n i akan dibahas persoalan - persoalan yang tersangkut* cara pembuatan, dan cara mengoperasikan kotak kabut d i - f u s i , y a i t u suatu d e t e k t o r yang dapat dipakai untuk melihat j e j a k p a r t i k e l bermuatan dengan uap yang t e r d i f u s i sebagai i n d i k a t o r .
Diagram kotak kabut d i f u s i t e r l i h a t pada 6 b . I . 1 . Suatu uap Jenuh didifusikan d a r i kolam surnber uap ke kawasan yang suhunya d i - bawah suhu yang berhubungan dengan tekanan maksimum uap Jenuh t e r s e - hut sehingga uap menjadi Jenuh lewat. Apabila dalam kawasan i t u d i - lewatkan p a r t i k e l bermuatan, maka uap t e r s e b u t akan mengembun sepan- Jang jejak p a r t i k e l . Deretan t e t e s i t u dapat d i l i h a t yang b e r a r t i Jejak p a r t i k e l bermuatan dapat d i l i h a t . Detektor i n i merupakan ve- nyempumaan dari kotak kabut Wilson y a i t u dalam h a l keadaan Jenuh
1
lewat dan volume kavasan jenuh l e v a t yang l e b i h inantap s e r t a c a r a laengoperasikan yang le"bih sederhana.
k$l
Gb. I . l . Diagram kotak kabut d i f u s i .
Hingga dewasa i n i deteksi p a r t i k e l dalam F i s i k a Wuklir d i - dasarkan a t a s p r i n s i p babwa p a r t i k e l yang d i d e t e k s i dilewatkan dalam suatu zat untuk memperoleh warta l i s t r i k . Warta l i s t r i k i n i dapat berupa arus ataupun tegangan yang b e r a s a l d a r i muatan-muatan l i s t r i k y a i t u e l e k t r o n , ion p o s i t i p ataupvm lowong.
Ditinjau d a r i masa r i h a t yang d i m i l i k i n y a , p a r t i k e l dapat dibagi menjadi dua kelompok y a i t u :
1. P a r t i k e l .
P a r t i k e l dalam kelompok i n i mempunyai masa r i h a t m dan m&sa bergerak m yang mempunyai sangkutan :
m » (m )/{l ~ vz/c*)h. I I . 1.
o
Partikel dalam kelompok ini dapat dibagi lagi menjadi dua kelompok yaitu :
l . i . P a r t i k e l bermuatan.
P a r t i k e l dalam kelompok i n i disamping mempunyai masa r i h a t m juga mempunyai muatan. Termasuk dalam kelompok i n i adalah: e l e k - t r o n , p r o t o n , d e u t e r o n , t r i t o n , p a r t i k e l a l f a dan l a i n sebagainya.
Apabila sebuah p a r t i k e l bermuatan dilewatkan dalam suatu zat dan mempunyai tenaga yang meraenuhi:
E >, (MMe)I0. I I - 2 .
3
k
maka p a r t i k e l t e r s e b u t akan mengionisasi atom a t a u molekul z a t dan menghasilkan pasangan-pasangan e l e k t r o n - i o n p o s i t i p a t a u e l e k t r o n - lowong. Banyaknya pasangan yang d i h a s i l k a n adalah:
n = {E/I ) ± 2 , 3 5 (FE/I ) ^ I I . 3 . o ~ o
dengan meninggalkan sederetan pasangan-pasangan e l e k t r o n - i o n p o s i t i p a t a u elektron-lovong a k h i m y a tenaga p a r t i k e l t i d a k l a g i memenuhi persamaan I I . 2 . Ada beberapa gerak lanjut dari p a r t i k e l i n i y a i t u : a . P a r t i k e l menangkap/ditangkap p a r t i k e l yang mempunyai muatan ber™
lavanan untuk bersama-sama membentuk p a r t i k e l .netral dan kemudian bergerak dengan kelajuan;
y = (3kr/M)% I I , h.
b . P a r t i k e l bergobung dengan p a r t i k e l ~ p a r t i k e 1 yang mempunyai muat- an s e j e n i s untuk bersama-sama membentuk gabungan p a r t i k e l yang menpunyai muatan j e n i s i t u .
c . Apabila zat d i t e r u s i medan l i s t r i k / a t a t i p u n medan maknit p a r t i k e l akan bergerak s e s u a i dengan hukum-hukum yang berlaku dalam f i s i k a . l . i i . P a r t i k e l n e t r a l .
P a r t i k e l dalam kelompok i n i mempunyai masa r i h a t m t e t a p i t i d a k mempunypi muatan. Dalam h a l demikian p a r t i k e l dilewatkan dalam s u a t u z a t sehingga t e r j a d i r e a k s i i n t i-.
a + X + y + Y. I I . 5 . dan d i p i l i h reaksi i n t i yang h a s i l n y a sedemikian:
a. Y i n t i atom n e t r a l sedang y p a r t i k e l yang mempunyai ntuatan dan mempunyai tenaga yang memenuhi persamaan I I . 2 .
"b. Y i n t i r a d i o a k t i f yang memancarkan s i n a r r a d i o a k t i f , dan meapu- nyai tenaga yang memenuhi persamaan I I . 2 .
Dengan sudah dihasilkannya p a r t i k e l "bermuatan yang mempu- nyai tenaga memenuhi persamaan I I . 2 . maka proses Ianjut dalam z a t adalah s e p e r t i dalam h a l p a r t i k e l bermuacan, dan a p a b i l a r e a k s i i n t i menghasilkan gelombang elektromaknit proses selanjutnya dalam z a t adalah s e p e r t i dalan h a l gelombang elektromaknit b e r i k u t .
2 . Gelombang elektromaknit
P a r t i k e l dalam kelompok i n i mempunyai masa r i h a t m = 0 dan masa bergerak yang dorongannya adalah :
p s hv/a I I .6 Termasuk dalam kelompok i n i adalah : photon, sinar-Gama dan sinar-X.
Apabila suatu gelombang elektromaknit dilewatkan dalam s u - a t u z a t maka akan t e r j a d i 3 macara proses y a i t u :
i . Proses photo l i s t r i k
i i . Proses hamburan Compton oleh e l e k t r o n atom
i i i . Proses pembentukan pasangan negatron-positron sebagai h a s i l i n - t e r a k s i gelombang elektromaknit dengan medan l i s t r i k i n t i atom.
i . Proses photo l i s t r i k
Yaitu proses pengeluaran sebuah e l e k t r o n d a r i suatu atom atau molekul dengan tenaga cahaya (= photon). Proses i n i merupakan proses t i n g k a t pertama a p a b i l a suatu gelombang elektromaknit mele- wati suatu z a t yang lazim juga disebut sebagai proses hamburan Thom- son. Pada proses i n i seluruh tenaga sebuah photon y a i t u t
6
Eph = hv I I .7
dipergunakan untuk mengelu&rkan sebuah e l e k t r o n , sehingga elektron- terkeluarkan akan mempunyai tenaga gerak :
E = E , - I = h\> - I
g ph o o I I . 8
Dari persamaan 2 . 8 . t e r l i h a t babva s y a r a t t e r j a d i n y a proses photo l i s t r i k adalah :
ph o I I .9
•ph
kulit k - I
w
E = w = E. - I
9 Ph o
(So. I I . 1 . Proses photo l i s t r i k . i i . Proses hamburan Compton oleh e l e k t r o n atom
Yaitu proses haniburan photon oleh suatu e l e k t r o n atom yang a) pada proses i n i Jurusan gerak photon dibelokkan sebesar sudut 0
terhadap jurusan gerak mula-mula dan e l e k t r o n s e n d i r i terlempar dengan jurusan membuat sudut-6 terhadap jurusan gerak photon mu»
la-mula.
b) Elektron terlempar dengan tenaga gerak :
E = hv {{2 - opp 0)(hvo/mo2)/(!+(! - cos 0) (hvJmc2)\-lo I I .10
dan -photon mengalami perubahan panjang gelombang sebesar AX = X - X = (h/mc)(l - cos 0)
o o 1 1 . 1 1
c) Sedang hubungan a n t a r a 0 dengan 8T adalah :
(hv/c) sin 0 « (mv/(l~(v2/cZ)fi) sin V 11.12 i i i . Proses pembentukan pasangan negatron-positron
Proses t i n g k a t k e t i g a d a r i pelewatan gelombang elektromag- n i t dalam suatu zat adalah proses pembentukan pasangau negatron
(= n e g a t i p - e l e k t r o n ) - p o s i t r o n (= p o s i t i p - e l e k t r o n ) . Menurut t e o r i Dirac s y a r a t agar t e r j a d i proses pembentukan pasangan n e g a t r o n - p o s i - t r o n adalah r
Eph * 2mo° 132.13
E ph
t i n a h a t k ~ I
^ • c c * •
fpfe'
9
E = (E ,-E .,) - I g ph ph' o Gfb. I I . 2 . Proses hamburan Compton oleh e l e k t r o n atom
Sehingga tenaga gerak negatron-positron adalah!
Eq = E , - 2m c* ph o o o 2 = hv - 2m o2 I I . lit
E 'ph
/V
~ O E_^ + E = E , •• 2m c2
3 9 + 9 - Ph o
J
Gb. I I . 3 . Proses perabentukan pasangan n e g a t r o n - p o s i t r o n .
Apabila tenaga p o s i t r o n memenuhi persamaan I I . 2 . maka dalam gerakan- nya p o s i t r o n akan mengionisasi atom z a t , Setelah tenaga p osi t ro n t i - dak l a g i memenuhi persamaan I I . 2 dan masih berada di dalam z a t maka p o s i t r o n akan mengadakan a n n i h i l a s i dengan negatron yang dijumpainya dan t e r p a n c a r l a h dua buah photon dengan jurusan yang s a l i n g b e r l a - wanan dan yang masing-masing mempunyai tenaga :
E ' « moc° * 0SS11 MeV » 511 KeV 511 KeV
11.15
* WO <r
Gb. I I . k . Proses a n n i h i l a s i 511 KeV
Dari h a s i l - h a s i l eksperimen yang telah. dilakukan maka V.P. Calkins t e l a h meiabuat sangkutan a n t a r a nomor atom dengan tenaga photon dima- na proses-proses photo l i s t r i k , hamburan Compton dan pembentukan p a - sangan negatron-positron dominan sebagai :
Z Photo Hamburan Pembentukan l i s t r i k Conpton pasangan
27 0..1 MeV. 0 , 1 - 10 MeV. 10 KeV.
82 0,5 MeV. 055 - h MeV. h MeV.
Setelah diperoleh negatron tanpa/dengan p o s i t r o n yang ada- lah p a r t i k e l bermuatan, proses Ianjut dalam zat adalah s e p e r t i dalam h a l p a r t i k e l bermuatan.
Untuk memperoleh v a r t a arus ataupun warta tegangan maka p e r l u mengumpulkan muatan-muatan h a s i l pelewatan p a r t i k e l yang d i d e - t e k s i . Untuk keperluan i t u p e r l u memasang s u a t u medan l i s t r i k sede- mikian rupa sehingga menerusi kawasan peka z a t - d e t e k t o r . Dengan t e r - t e r u s i n y a medan l i s t r i k i n i maka muatan p o s i t i f akan bergerak dengan jurusan sama dengan jurusan medan l i s t r i k a t a u menuju ke e l e k t r o d a n e g a t i f , sedang muatan n e g a t i f akan bergerak dengan jurusan b e r l a - wanan dengan Jurusan medan l i s t r i k atau menuju ke e l e k t r o d a p o s i t i f .
10
0
© 0
0
© 0
© 0
-* E
Gb. I I . 5 . Gerakan muatan-muatan karena t e r t e r u s i medan l i s t r i k .
dimana :
Besarnya r a p a t arus i n i adalah
«7 = «r + • J
T+ + + -f _-f + +
j ~ = ~n~q~w~ - ifq'vn"
I I . l 6 a
H . l 6 b
H . l 6 c
H a sil eksperimen menunjukkan bahwa kelajuan hanyut e l e k t r o n beberapa k a l i lebih b e s a r d a r i kelajuan hanyut d a r i ion-negatip^ i o n - p o s i t i p maupun lowong, dan h a l i n i teramati sebagai ekor pada warta sehingga bentuk warta t i d a k ramping b e n a r , sehingga daya pisah detektor ku- rang baik (membesar). Untuk meinperbaiki daya p i s ah d e t e k t o r p e r l u menapiskan ekor t e r s e b u t dengan u n t a i penapisan khusus4 karena k e l a - juan hanyut w yang mempunyai sangkutan dengan kuat medan l i s t r i k se~
bagai :
w = u t 2. IT
akan mencapai harga jenuh valaupun kuat medan l i s t r i k t e r u s d i n a i k - k a n . Pengaruh buruk d a r i penaikan kuat medan l i s t r i k adalah akan membuat detektor j e b o l yaitu. pada d e t e k t o r - d e t e k t o r : a l a t - c a c a h i o n i s a s i , a l a t - c a c a h p r o p o r s i o n a l dan a l a t - c a c a h Geigev "*weZZer, se«
dang pada d e t e k t o r - d e t e k t o r : a l a t - c a c a h k r i s t a l dan a l a t - c a c a h semi- konduktor akan sengat mengurangi kesempurnaan kompensasi pembava mu-
atan bebas d a r i d e t e k t o r .
Rapat nuatan p o s i t i p dan muatan negatip dapat d i c a r i de- ngan persamaan d e f e r e n s i a l k o n t i n u i t a s ;
(trf/H) = D+v2n* - div{nhw+) - an+n" + n I I . l 8 a ( 8 n " / 3 t ) * D~v n" - div{n~w~) ~ an n~ + n ' I I , 1 8 b Dengan beberapa perondnian y a i t u :
1- Pada s a a t t = 0 sudah t e r d a p a t muatan p o s i t i p dan muatan n e g a t i p dengan r a p a t muatan n (xs; y!; s').
2. Kelajuan hanyut v dan tetapan d i f u s i D konstan dan w hanya kearah sumbu-Z+.
3. Tidak ada tambahan nuatan yang dihasilkan» Jadi (3n / 3 t ) dan (3n / 3 * ) masing-masing sama dengan 0 .
k. Tidak t e r j a d i rekombinasi, j a d i an n~ = 0.
meka besar r a p a t muatan adalah :
>\, r\i <\j
n~ (x:ysz;) = l/8(ntD~)* J J J n~ exp.\ - {(x - x:)Z +
w1 —.'V S\j
(y - y') + (z - z ' - w t) }/4D t) \dx! dy! dz; I I .19
12
I I . B . P r l n s i p dasar kotak kabut
P r i n s i p dasar kotak kabut mirip dengan peiribentukan kabut di atmosfir. Gas s e ^ a t i yang memenuhi persamaan keadaan Van dsr Walls (1873) :
{p + (a/V2)}^- b) = ST. 11.20
mesipunyai l i k u p-V s e p e r t i G b . I I . 6 . yang mengandung beberapa pentaf- s i r a n sebtigai b e r i k u t :
1. Untuk suhu-suhu d i a t a s suhu k r i t i s TK g a r i s i s o t e r m a l l i c i n wa- lau t i d a k b e g i t u l u r u s , dan untuk suhu-suhu yang cukup t i n g g i di
V Gb. I I . 6 . Liku p - V Ras s e j a t i .
Keadaan suhu T2 < T2 < Tg < TR < T4 < Tg.
atas suhu k r i t i s g a r i s - g a r i s i s o t e r m a l berbentuk hiperbola mirip persaiman gas sempurna y a i t u Hukum Boyle (1660) :
pV = (m/M)RT. I I .21
Pada suhu-suhu i n i zat seluruhiiya dalam fase gas berujud gas.
2 . Untuk suhu-suhu di bawah suhu k r i t i s g a r i s - g a r i s i s o t e r m a l raenun- jukkan 3 potongan. Diambil contoh g a r i s I s o t e r m a l ABCD.
Garis isotermal A3 : menunjukkan hahwa zat dalara fase g a s , z a t seluruhnya berujud uap.
Garis i s o t e r m a l BC : yang berupa g a r i s mendatar/horizontal untuk s a t u harga p volume berharga d a r i B sampai C, menunjukkan zat da- lam perubahan fase d a r i fase c a i r ke fase gas a t a u sebaliknya. M C mulai t e r j a d i penguapan5 d i B seluruh cairan sudah menguap- atau sebaliknya di B mulai t e r j a d i pengembunan, d i C seluruh uap sudah mengembun.
Garis isotermal CD : menunjukkan "bahva zat dalam fase c a i r , zat seluruhnya berujud c a i r a n .
Untuk suhu-suhu di bawah suhu k r i t i s potongan g a r i s i s o - termal h o r i z o n t a l cukup l e b a r makin t i n g g i suhu potongan makin sempit dan akhirnya d i p e r k e c i l menjadi sebuah t i t i k di P yang berhubungan dengan suhu k r i t i s TR. Tepat di t i t i k k r i t i s i n i p e r - ubahan k e c i l d a r i volume a t a u tekanan mengakibatkan uap langsung mengembun seluruhnya a t a u sebaliknya cairan menguap seluruhnya.
Di atas suhu k r i t i s gas t i d a k dapat diembunkan bagaimanapun b e - sarnya tekanan zat t e t a p dalam fase g a s .
Dibedakan a n t a r a bentuk gas dan bentuk uap sebagai : - bentuk gas : zat dalam fase gas pada suhu di a t a s suhu k r i t i s -
n y a ,
- bentuk uap : zat dalam fase gas pada suhu t e p a t atau di bawah suhu k r i t i s n y a .
ll»
Pada potongan g a r i s i s o t e m a l h o r i z o n t a l BC segala perban- dingan alitor a c a i r a n dan uap adalah rrungkin. Tekanan P? yang b e r h a r - ga tunggal merupakan tekanan maksimum. pada mana uap masih dapat t e r - j e d i pada suhu. T„ karena penaikan tekanan akan membava uap yang ada menjadi cairan seluruhnya atau sebaliknya penurunen tekanan akan riembawa zat ke g a r i s i s o t e r m a l BA dimana zat berujud uapc yang t a k Jenuh. Suatu uap jenuh pada suatu suhu adalah s u a t u uap yang dalam keadaan kesetimbangan dengan cairannya pada suhu i t u dan tekanan yang berlaku adalah tekanan maksimun pada mana uap masih dapat t e r -
j a d i pada suhu i t u . Sebagai contoh tekanan maksimum uap jenuh pada T.„ adalah p _ .
Pada keadaan khusus dapat diperoleh g a r i s isotermal me~
lengkung BB'EC'C D i t a f s i r k a n g a r i s isotermal melengkung CC'E raenun- jukkan zat d a l e s ujud cairan yang didih lambat. Ditafsirkan g a r i s melengkung BB'E menunjukkan z a t dalam ujud uap yang jenuh lewat. Uap pada suhu T~ dangan tekanan p ' ysng l e b i h besar d a r i p9 (= tekanan maksimum uap jenuh pada suhu TJ) h a r u s sudah ada pada fase c a i r a ns
t e t a p i berhubung t e r d a p a t i n t i pengembunan valau tekanan sudah men- capai p i uap belum juga berubah ke fase c a i r a n ,
Walau uap adalah gas s e j a t i , untuk menpermudah penjabaran rumus-rumus "berikut dianggap uap Juga memenuhi persamaan keadaan gas serapurna (per6amaan 11.21).
pV = (m/M)RT.
Diambil suatu keadaan jenuh lewat:
p*V = Cm /M)HT. I I .22a o
dan s u a t u keadaan t e p a t jenuh:
pV = (m/M)PT. I I .22b Didefiiiisikan-. d e r a j a t kejenuh lewaton S sebagai perbandingan a n t a r a rapat uap dalam keadaan jenuh lewat pada s u a t u suhu dengan r a p a t uap jenuh pada suhu yang sama. Jadi :
S = (mo/V)/<m/V) = <p*WRT)/(pM/$T) = <p*/p) H .23 m yang adalah masa uap jenuh pada suhu T aerupakan nasa ua? maksimum yang masih diperkenankan t i n g g a l setelah t e r j a d i pengembunan» j a d i (m /m) merupakan perbandingan a n t a r a masa uap yang mula-raula ada d e - ngan masa uap yang masih t i n g g a l s e t e l a h t e r j a d i pengembunan.
Dengan mengubah-ubeh p* dan/atau p dapat diperoleh harga 5 yang b e r l e i n - l a i n a n . Dengan memperbesar p* dan/atau menperkecil p
(=dengan menurunkan T) dapat diperoleh harga S yang l e b i h b e s a r . Untuk suatu suhu T yang t e t a p yang b e r a r t i p dan m t e t a p , pembesaran harga S merupakan akibat peribesaran p * atau m dan i n i mengakibatkan pembesaran masa uap yang mengembun, J a d i a p a b i l a suatu t e t e s t e r d a p a t t e r d a p a t d a l r a s u a t u ruangan dengan suhu t e t a p d i p e r - besar tekanannya yang b e r a r t i diperbesar d e r a j a t ke jenuh-lewatannya t e t e s harus bertambah dalam ukurannya. Sebaliknya apabila tekanannya d i p e r k e c i l hingga tekanan maksimum uap jenuh pada suhu yang bersang- kutan t e t e s akan raenguap.
Ditinjau persamaan Kelvin (i860) yang menyangkutkan a n t a r a tekanan permukaan s u a t u t e t e s dengan j e j a r i n y a :
16
p y a i t u tekenan permubaan t e t e s dengan j e j a r i r dalam keadaan kese- timbangan adalan. saiaa dengan tekanan dalam ruang dalam mana t e t e s b e r - ada yang adalab. sama dengan. tekanan pada keadaan jenuh lewat y a i t u p*.
p y a i t u tekanan peraukaan t e t e s dengan j e j a r i tak berhingga a t a u t e - kanan permukaan t e t e s apabila t e t e s mempunyai permukaan bidang datar merupakan tekanan permukaan t e t e s minimum yang adalah sama dengan t e - kanan maksimnm nap jeruefe y a i t u p . J a d i :
(P/Pj = (P*/P> = s
maka persama*:;- *'<?.lvin persaaaan 2.21*. dapat d i t u l i s s e b a g a i : Zn S = (2tAf/RTf>r).
a t a u S ~ exp. (2Mr/HTpr).
In S.'
11.25
11.26
0(0,0)
In S = <2Vti/mpv)
Gb. 11.7 Liku S - exp. (2Mi/RTpr) sebagai fungsi r .
Liku S sebagai fungsi r t e r l i h a t pada Gb. I I . 7 . Tampak bahwa apabila J e j a r i t e t e s bertambah b e s a r harga S turun» sebaliknya a p a b i l a j e j a r i t e t e s berkurang harga S j u s t r u n a i k . Hal i n i t i d a k s e s u a i dengan t e o r i pembentukan t e t e s pada uap jenuh l e w a t .
Ditinjau persamaan Thomson (1888) yatig raerupakan koreksi da- r i pexsamaan Kelvin y a i t u apabila t e t e s terbenttflt d i a t a s sebuah e l e k - t r o n 1
ln(p /pj = (M/pPT) {(2y/r) - e2 (k-1)/Bi,krk} a t a u In S = (M/pRT) {(2y/r) - e2(k-l)/8-!tkrk}
a t a u S = exp.(WpBT) {(2y/r) - ez<k-l)/8ttkv*} 11.27
In S
0(0,0) > v
T = {c
2rfe-i;/4Tr
Yk}
1/3
Gb. I I . 8 . Liku 5 sebagai fungsi r : a. Bermuatan sebuah e l e k t r o n . b . Tak bermuatan.
Liku 5 sebagai fungsi r t e r l i h a t pada Gb. I I . 8 . T e r l i h a t pada t e t e s yang bermuatan sebuah elektron untuk:
r < {e2(k-l)/4Trfk}1/3
a p a b i l a j e j a r i bertambah besar harga S naik dan a p a b i l a J e j a r i berku-.
rang harga S juga t u r u n , h a l i n i s e s u a i dengan t e o r i pembentukan t e t e s pada uap jenuh l e w a t .
18
Tetes pada aval terbentuknya mempunyai j e j a r i sama dengan j e j a r i ion d i a t a s mana t e t e s terbentuk untuk kemudian tumbuh hingga tekanan permukaannya sama dengan tekanan di dalam ruang dalam mana t e ~ t e s terbentuk yang adalah tekanan uap pada keadaan jenuh lewat yang d i b e r i k a n . Jadi j e j a r i dan tekanan permukaan t e t e s berssma-sama b e r - tambah prosese mana t i d a k mungkiln t e r j a d i pada t e t e s t i d a k bermuatan.
J a d i pada uap yang jenuh levat hanya mungkin ter.jadi pengembunan yang diawali dengan terbentuknya t e t e s - t e t e s apabila t e r d a p a t ion-ion yang berlaku sebagai i n t i pengembunan.
I I . C . Analisa keadaan f i s i s dalam kotak kabut difusi
Guna menentukan kawasan yang peka dalam suutu kotak kabut d i f u s i beberapa besaran f i s i s yang p e r l u untuk dianalisr. adalah : p e - ragihan suhu., peragihan tekanan dan peragihan d e r a j a t ke jenuh lewatan
Us!
1 > > ^
h
T
Gb. I I . 9 . Kotak kabut d i f u s i . Suhu bagian a t a s T, suhu bagian dasar T uap
1 o i n d i k a t o r didefusikan d a r i bagian
atas ke begian d a s a r .
D i t i n j a u sebuah kotak kabut d i f u s i t i n g g i h di mana uap i n - d i k a t o r didefusikan d a r i bagian a t a s kotak yang bersuhu T. lewat kotak
yang berisi gas isian menuju ke bagian dasar yang bersuhu T . o
Untuk nonganalisa peragihan suhu dalam kotak Langsdorf (1936) raengadakan beberapa perandaian y a i t u :
1 . Efek-efek dinding diabaikan sehingga boleh dipakai persamaan d e f e r - e n s i a l s a t u demensi untuk d i f u s i dan hantaran k a l o r .
2 . Banyaknya masa uap yang mengembun diabaikan.
3 . Uap dianggap suatu gas s e j a t i walau sampai menjadi uap yang .jenuh lewat.
k. Flux uap dan flux kalor dianggap keadaan yang steadtj state.
5 . Penyerapan dan pancaran k a l o r oleh uap diabaikan.
Banyaknya k a l o r yang dipindahkan d a r i bidang atas ke bidang dasar t i a p satu satuan luas t i a p d e t i k meliputi 2 bagian y a i t u : 1 . Kalor yang dihantarkan oleh campuran gas-uap:
H2 = - K(dt/dz). 11.28
2 . Kalor yang d i a l i r k a n oleh uap:
H
2
==ml°i
b'
1Z'
29Dengan perandaian bahwa tetapan hantaran k a l o r gas-ua$ berubah l i n i e r terhadap suhu s e b a g a i :
K - K (1 + \t). 11.30 o
maka banyaknya k a l o r t o t a l adalah:
H = H2 + H2- -K<dt/ds) + m^jt.
= m^o.t - (K )(1 + \t)(dt/dz) I I ,31 11 o
Dengan mengintegralkan persamaan I I J 3 1 . dan memasukkan s y a r a t - s y a r a t keadaannya y a i t u :
20
1 . Di 2 = 0 svjrunya t(0) = 0
2 . Di z ~h suhunya t(h) - T1 - TQ= tj.
maka akan diperoleh penyelesaion s e b a g a i :
(z/h) =
t + (1 + 3x*3^ In (1 t/ i2) t + (1 + ntj) ln(l
- vs;
d i mana B = (B/m^o-t ) ,
0 , 1 0,2 0,3 0,1+ 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 s/7?
I I .32
Gb. 11.10. Liku peragihan suhu dalam suatu kotak kabut d i f u s i , m. < w„ < w_.
Pelukisan umum d a r i persamaan 11.32 yang memperlihatkan l i k u peragihan suhu dalam kotak t e r l i h a t pada l i k u Gb. I I . 1 0 .
Untuk menganalisa peragihan tekanan dalam kotak kabut d i f u s i diadakan perandaian bahwa persaroaan-persamaan d i f u s i isotermal juga masih berlaku dalam suatu s i s tin» di mana t e r d a p a t peragihan suhu.
Untuk d i f u s i i s o t e r a a l 1 demensi Ruusinen memberikan persa-- maan:
- untuk uap i n d i k a t o r :
Tlj = WQ - D(%p J**) I I . . 33a
untuk gas i s i a n :
n2 ~ wp2 ~ Df*P2/'dz)' 11.3313
dimana : w = n^Vjm ) + n^Vgn^). I I . 3 3 c Tetapi gas i s i a n t i d a k b e r d i f u s i j a d i :
j a d i 0 = wp2 - D(Zpg/Zz). »• wpg = D(Zp2/2Z). I I . 3 ^ Telah diselmtkan dalam. p a s a l p r i n s i p dasar kotak kabut "bahva v a l a u uap
adalah gas s e j a t i t e t a p i dianggap «Juga memenuhi persamaan keadaan gas sempurna:
pV = (m/li)m.
maka r a p a t masa:
p = (m/v) = (pM/BT). 11.35
,1adi (d /dz) = (M/itf)(dp/dz) = (M/BT)(dp/dt)(dt/dz) =
(M/PT)(m^t - H)/K (l+\t)(dp/dz) « . 3 6 Tetapan d i f u s i mempunyai sangkutan dengan tekanan dan suhu sebagai:
D = D (l/p)(T/T ;2 + a 11.37
0 O
Persaraaan I I 3 5 ; persamaan I I 3 6 ; persamaan I I .37 dimasukkan ke persamaan I I . 3 ^ . d e n g a n penyesuaian untuk gas i s i a n diperoleh":
(n^BT/MjpXpf^/BT) = Djl/pXT/TQ)(1+ —-ifm^^ -
H)/KQ(1 + W(M2/RT)(dp/dt)
(njM.)p„ = D (1/T)(1 + --) (m.aJi - H)/K (1 + \t)
l i e o o T i i o
o (1/R) (dp/dt)
(dp2/p2) = (rijT R/D M2) (TJT) (Kjl+Xt)/'(m^t-B) dt . Untuk memudahkan i n t e g r a s i d i p i l i h a =• 13 makat
22
(<$yp
2; = (n^B/D^Hl/TftJCK^l+W/fm^t-H) dt 11.38
Persamaan d e f e r e n s i a l persamaanll.38 d i i n t e g r a l k a n dan kemudian dima- sukkan s y a r a t - s y a r a t keadaannya y a i t u :
1. Tekanan p a r s i e l uap di "bagian dasar kotak = 0.
2 . Jumlah tekanan p a r s i e l uap ditambah tekanan p a r s i e l gas i s i a n sama dengan tekanan t o t a l dalam kotak, p7 + p„ = p akan diperoleh p e - nyelesaian:
In {p2(t)/pg(0)} = (ET^/^D^Xl/T + U^ {(l + BXt,; ln(l - t/BtJ - (1 - XT ) ln(l + t/T )} T T „ Pelukisan umum d a r i persamaan I I .39 yang memperlihatkan l i k u perapihan tekanan dalain kotak t e r l i h a t pada l i k u GFb. I I . 10.
tekanan p a r s i e l o,6 uap p ,
»>• ©•<* o,3 o,«< vfi o,i> 0,7 o,s <*,g
Gb. 1 1 . 1 1 . Liku peragihan tekanan dalam suatu kotak kabut d i f u s i , m. < m„ < m_.
Derajat kejenuhan-levatan yang d i d e f i n i s i k a n sebagai perban- dingan a n t a r a r a p a t uap Jenuh lewat pada suatu suhu dengan r a p a t uap Jenuh pada suhu i t u ( * suhu yang sama )dapat d i a n a l i s a sebagai b e - r i k u t : s m (m*/v)(m^v) = (m*/mi) = (pjU^FD/PjMj/BT) = (pf/Pj).
Tekanan p a r s i e l uap = tekanan t o t a l - tekanan gas i s i a n p~ = p - p.,-
j . o &
Maka d e r a j a t kejenuh levatan dapat d i t u l i s sebagai :
5 = (p/p2) = (pQ-p2)/p1 = {po-p2p2(0) / p2(0)}/ p2
= lp
0-
{P2(O)}\-P0- p / o ; } ] / p
rD i p i l i h uap i n d i k a t o r yang mempunyai tekanan maksimum. uap jenuh pa<?a suhu yang mudah diciptakan « tekanen kerja» j a d i p1(0) « p .
Pelukisan umum dori persemaan 11.5*0 yang meaperlihatkan l i k u peragihan d e r a j a t kejenuh-lewatan dalam kotak t e r l i h a t pada l i k u Gb.II.12.
Kawesan yang peka y a i t u kawasan yang ipemungkinkan t e r b e n t u k - nya t e t e s apabila t e r d a p a t i n t i pengembunan adalah kawasan yang jenuh lewat. Kavasan i n i d i b a t a s i oleh dua bidang t e p a t jenuh. Kedua bidanc t e p a t jenuh i n i dapat ditentukan dengan memotongkan l i k u persamaan de- r a j a t kejenuh l e v a t a n k r i t i s perhitunpan PcMell :
lu SCR - konst. ( £)( L - ;
J/3
II.l*0apada l i k u peragihan d e r a j a t kejenuh lewatan persamaan 11.12 s e p e r t i contoh pada G b , I I . 1 2 . Pada contoh kavasan yang jenuh l e v a t d i b a t a s i oleh bidang P dan bidang Q.
Gb. 11.12. Liku peragihan d e r a j a t kejenuh- lewatan dalam suatu kotak kabut
Kawasan d i f u s i , m- < m2 < m,.
peka d i b a t a s i oleh bidang P
bidang Q. dan
2/ft
21»
I I »D. Gas i s i a n dan tekanan ker.ja
Dalam p a s a l p r i n s i p dasar metode d e t e k s i t e l a h disebutkan bahwa untuk memperoleh v a r t a l i s t r i k p a r t i k e l yang d i d e t e k s i harus d i - lewatkan dalam suatu z a t . Ada detektor yang mempergunakan z a t dalam fase padat ( a l a t cacah s c i n t i l a s i , a l a t cacah semi konduktor, a l a t ca- cah k r i s t a l , dan e n u l s i pot r e t ) , ada d e t e k t o r yang mempergunakan z a t dalam fase c a i r (kotak gelembung uap) dan ada detektor yang mempergu- nakan zat dalam fase gas ( a l a t cacah ionisasi> a l a t cacah proporsional
a l a t cacah Geiger MueVLer^ kotak kabut Wilson dan kotak kabut d i f u s i ) . Pada kotak kabut d i f u s i penggunaan gas i s i a n t i d a k mengikat, a r t i n y a tidak ada keharusan untuk mempergunakan suatu gas i s i a n t e r - t e n t u . Yang menjadi bahan pertiitibangan dalam penggunaan gas i s i a n ada- lah :
1. Apabila kotak kabut d i f u s i akan dipergunakan untuk : menentukan jangkau p a r t i k e l "bermuatan dalam s u a t u g a s , menentukan p o t e n s i a l i o n i s a s i suatu gasv melihat proses hamburan dalam suatu g a s , me- l i h a t r e a k s i i n t i dalam suatu gas dan p e r i s t i v a - p e r i s t i w a yang s e - macam yrng menghendaki dalam suatu gas t e r t e n t u , haruslah dipergu- nakan gas i s i a n s e p e r t i yang diminta dan pada tekanan yang diminta p u l a .
2 . Apabila kotak kabut d i f u s i akan dipergunakan untuk menentukan t e n a - ga p a r t i k e l bermuatan yang belum diketahui dengan mempergunakan me- tode perbandingan jangkau, harus dipergunakan gas i s i a n , tekanan k e r j a , uap i n d i k a t o r dan suhu k e r j a yang sama.
3. Apabila kotak kabut difusi akan dipergunakan untuk memperpendek
atau memperpanjang jangkau p a r t i k e l bermuatan, untuk percobaan daya h e n t i s u a t u 2at dan p e r i s t i v a - p e r i s t i v a yang semacam yang menghen-
daki tekanan yang diubah-ubah, maka tekanan k e r j a dapat diubah-ubah s e s u a i dengan permintaan t e t a p i harus dibawah tekanan. k r i t i s g a s , karena k a l a u t e r j a d i h a l yang demikian rjaka uap i n d i k a t o r akan s e - l a l u / t e t a p berujud g a s .
Dengan perandaian bahwa gas hanya t e r d i r i d a r i s a t u atom dan memenuhi persamaan keadaan gas sempurna B. Boyle :
pV = (m/M)RT
maka jumlah atom t i a p s a t u satuan volume adalah : N * (A p/A )(p/76)(27Z/T) o o
sehingga sangkutan daya h e n t i Batihe ;
S(E) = (4vezs1NZ/mevi)\log(mevi/Ic) - log(l-—) - £ ; } I I . l u a a t e r l i h a t secara t e o r i bahwa daya h e n t i suatu zat semakin besar a p a b i l a tekanan k e r j a d i p e r b e s a r .
I I . E . Uap i n d i k a t o r dan suhu k e r j a
Untuk menghasilkan d e r a j a t kejenuh lewatan yang mantap, lem- peng bagian atas dan lempeng bagian dasar harus mempunyai suhu yang mantap, juga flux uap harus mantap. T e r l i h a t pada G b . I I . 6 . bahwa uap i n d i k a t o r harus dalam keadaan jenuh lewat t e t a p i t i d a k diperkenankan melampaui suhu k r i t i s n y a , karena kalau saapai t e r j a d i h a l yang demi- kian uap akan s e l a l u / t e t a p berujud g a s . Jadi suhu k e r j a kotak kabut difusi harus Jauh dibawah suhu k r i t i s uap i n d i k a t o r yang d i p a k a i , atau
26
sehaliknya y a i t u uap i n d i k a t o r h a r a s mempunyai suhu k r i t i s jauh d i suhu k e r j a mantap yang mudah d i c i p t a k a n .
Sesuai -dengan u r a i a n dalam p a s a l gas i s i a n dan tekanan k e r j a yang a n t a r a l a i n mengharuskan bahwa tekanan k e r j a harus jauh d i bavah tekanan k r i t i s uap i n d i k a t o r yang dipergunakan, aeka dapat diperguna- kan h a l yang sebaliknya y a i t u bahwa uap i n d i k a t o r harus mempunyai t e - kanan k r i t i s Jauh di atas tekanan k e r j a mantap yang mudah d i c i p t a k a n . Pada Gb. 11.12. t e r l i h a t bahwa kawasan yang peka akan l e b i h l e b a r untuk flux uap yang lebih b e s a r . Untuk menghasilkan flux uap yang l e b i h besar tersangkut dengan penciptaan uap d a r i kolam suniber uap, yang mana i n i sangat tersangkut dengan luas permukaan dan suhu lempeng bagian atas kotak. Dalam h a l luas permukaan dapat d i a t a s i de- ngan menuangkan cairan pada kain berserabut (lackan). J a d i penguapan t e r j a d i diseluruh benang-benang s e r a b u t , t i d a k d i b a t a s i oleh luas p e - nampang kotak d e t e k t o r . Dalam h a l suhu penguapan akan semakin cepat
apabila suhu c a i r a n semakin t i n g g i . J a d i sangatlah menguntungkan apa- b i l a suhu k e r j a mantap pada lempeng bagian a t a s kotak mendekati t i t i k didih cairan uap i n d i k a t o r , atau sebaliknya y a i t u memilih cairan yang mempunyai t i t i k d i d i h rendah di s e k i t a r suhu k e r j a mantap yang mudah d i c i p t a k a n .
Apabila suatu zat diubah d a r i fase c a i r menjadi fase gas d i - perlukan tenaga k a l o r penguapan Q s e b e s a r :
Sebaliknya apabila s u a t u zat diubah d a r i fase uap menjadi fase cairan akan terbebaskan k a l o r pengembunan Q yang besarnya;
Q = rn a . U ,hk e e
Dalam kotak kabut difusi nap i n d i k a t o r akan mengembun apabila menjum- p a i p a r t i k e l bermuatan. Pada s a a t t e r j a d i pengembunan i n i akan ter*- bebaskan k a l o r pengembunan Q yang besarnya s e p e r t i P e r s J I . ^ . Agar k a l o r terbebaskan. i n i t i d a k mengacaukan kemantapan kawasan peka maka k a l o r terbebaskan harus t i d a k aengacaukan peragihan suhu dalam kotak»
dan i n i dapat dicapai apabila flux k a l o r H mantap. Pada h a l sebagian d a r i flux k a l o r i n i terbebaskan sebagai Q s sehingga flux kalor baru adalah:
= H(l - Q /E) » Htl - mo /E). I I .1*5 Dari P e r s . 2 . U 5 . d i a t a s t e r l i h a t bahwa flux k a l o r akan tnantap y a i t u :
H' » H
a p a b i l a : ma «H a t a u : c « (H/m). I I . U6 e e
J a d i agar kawasan peka t e t a p mantap} t i d a k terpengaruh oleh k a l o r p e - ngembunan uap i n d i k a t o r , haruslah d i p i l i h uap i n d i k a t o r yang menpunyai k a l o r pengembunen a rendah.
Pada p a s a l p r i n s i p dasar kotak kabut telah. diterangkan bahwa pada pembentukan t e t e s j e j a r i bertambah besar dan untuk kemudian b e r - h e n t i tumbuh a p a b i l a tekanan permukaannya t e l a h sama dengan tekanan p a r s i e l uap jenuh lewat t e r s a j i k a n , j a d i a p a b i l a :
Derajat ke jenuh lewatan:
S= (p/p).
28
J a d i j e j a r i t e t e s akan b e r h e n t i tumbuh a p a b i l a :
S = (p^/p) » 3 . + ln S = 0 H . U 8 Dari rumus Thomson persamaan 2 . 2 7 . T
In S = (V/pRT) \(2y/r) - e*(k - l)/8nkx^}
maka a p a b i l a In S = 0 :
(M/eRT) {(2y/r) - e2(k ~ l)/8*krh} = 0 diperoleh :
T = {(ez/16vy)(l-lA)}l/3 H > 9
T e r l i h a t bahwa j e j a r i t e t e s akan lebih b e s a r a p a b i l a tegangan permuka- an lebih k e c i l .
J a d i sebagai uap i n d i k a t o r agar cukup peka begitu menjumpai p a r t i k e l bermuatan t e r u s mengembun dengan membentuk t e t e s yang j e j a r i - nya cukup b e s a r haruslah d i p i l i h cairan yang mempunyai tegangan permu- kaan yang rendah,
II.F. Medan pembersih
Agar j e j a k p a r t i k e l yang d i d e t e k s i dapat t e r l i h a t dengan j e - l a s maka t e t e s - t e t e s l a t a r belakang harus dihilangkan, T e t e s - t e t e s l a - t a r belakang i n i b e r a s a l d a r i adanya ion-ion h a s i l i o n i s a s i s i n a r kos- mis. Untuk menghilangkan i o n - i o n i n i diperlukan s u a t u medan l i s t r i k yang menerusi volume kotak kabut d i f u s i yang lazim disebut sebagai me-
dan pembersih (clearing field).
Apabila a n t a r a lempeng bidang a t a s dan lempeng bidang dasar kotak kabut d i f u s i t i n g g i h d i b e r i beda p o t e n s i a l V maka aken t e r d a - pat kuat medan l i s t r i k :
E » (V/h) I I . 5 0
Apabila t e r d a p a t p a r t i k e l bernraatan q di dalam kotak„ muatan t e r s e b u t eken mendapatkan gaya Coulomb :
F = qE = qV/h 1 1 , 5 1 sehingga p a r t i k e l akan memperoleh percepatan:
a » CF/mJ = CqV/mh) 11.52 Apabila p a r t i k e l mula-mula mempunyai kecepatan sejurusan dengan j u r u s -
an medan u dan percepatan sejurusan dengan jurusan medan a ., maka
0& 0 2
= \ \v
os+ I \a
oz+ (qV/mh)}d^ dt 2.53
dalam waktu * detik p a r t i k e l akan menempuh j a r a k ; t t
s
o o Diambil keadaan khusus y a i t u :
2« v„„ = o . 2. a „ -• o .
oz
3. q. V> m dan h masing-masing bukan fungsi waktu.
Maka akan diperoleh:
s = h(qV/mh)t2 . -»• t = (2smh/qV)h I I . 5k T e r l i h a t bahva waktu yang diperlukan untuk menempuh j a r a k s berbanding t e r b a l i k dengan akar beda p o t e n s i a l a n t a r a lempeng bidang atas dengan leiapeng bidang d a s a r . Sehingga kotak akan cepat b e r s i h untuk segera dapat dipergunakan k e r j a l a g i a p a b i l a a n t a r a kedua lempeng t e r s e b u t dipasang tegangan searah yang l e b i h b e s a r t e t a p i tidak boleh melampaui 1. Tegangan lucutan a n t a r a kedua lempeng.
2. Tegangan j e b o l i s o l a t o r - i s o l a t o r yang t e r d a p a t pada kedua lempeng kotak kabut d i f u s i ,
I I . G . Cahaya penerangan
Agar j e j a k p a r t i k e l yang k i t a deteksi dapat t e r l i h a t cukup
30
j e l a s maka diperlukan suatu cahaya penerangan yang a e n e r u s i kawasen peka kotak kabut d i f u s i s e o e n t a r a ruangan laboratorium harus cukup ge- l a p .
Andaikan cahaya penerangan yang dipergunakan adalah divergen (menyebar), dua d i a n t a r a sinarnya aembuat sudut 6 .
cahaya
- At/ •= f sin 6 Ax - - f(l-oos 6)
l i n t as an G b . I I . 1 3. Penggeseran bayeneian d a r i
b i n t i k kuning.
Jejak p a r t i k e l d i a a b i l yang p a l i n g sederhena y a i t u berupa g a r i s l u r u s . Ternyata bayangan Jejak ditangkap oleh mata dengan mengalami pengge- seran d a r i b i n t i k kuning mata sejauh
Lx = -(f - f eos 8) = • f (1 - cos 6) I I . 5 5 a
by = + f sin <5 I I . 5 5 b Untuk 5 = Oj maka:
Ax = 0, Ly » 0 H . 5 6 T e r l i h a t bahwa bayangan Jejak akan t e r l i h a t dengan j e l a s tanpa menga-
lami penggeseran d a r i b i n t i k kuning mata a p a b i l a dipergunakan sumber cahaya penerangan yang homogen.
Ionization diffusion Ccoribex> (Diffusion Cloud Charrbe* = Cloud Vaster) a t a u yang dalam bahasa Indonesia lazim disebut dengan Kotak Kabut Di-
f u s i , b e s e r t a perlengkapan-perlengkapan untuk eksperimen lainnya yang dirancang untuk melihat j e j a k p a r t i k e l bermuatan y a i t u p a r t i k e l a l f a dan b e t a yang dipancarkan d a r i s u a t u sumber r a d i o a k t i f pada tekanan k e r j a saaa dengan tekanan kamar.
Daftar p e r a l a t a n yang diperlukan untuk eksperimen ( sesuai dengan yang tercantum pada Permohonan P e n e l i t i a n Pembuatan P r o t o t i p 1975/1976 ) adalah sebagai "berikut:
1. Kotak detektor Ionization Diffusion Chanbev ( d i b u a t ) .
2 . Sumber cahaya homogen ( d i b u a t ) . 3 . Sumber tegangan searah 5000 v o l t ( d i b u a t ) .
U. Termometer hingga -120° C ( d i b e l i ) . 5. Lensa pembesar (Loupe) ( d i b e l i ) . 6. Alat pemotret (milik seksi Ilmiah & Pendidikan).
7 . Sumber radio a k t i f Alfa ( d i b e l i ) 8. Sumber r a d i o a k t i f Beta ( d i b e l i ) . 9. M e t i l - , E t i l - - . I s o p r o p i l alkohol ( d i b e l i ) .
10. Gas C02 a t a u COp padat (dry ice) ( d i b e l i ) .
Berikut i n i perkenankanlah karai melaporkan pelaksanaan r e n - cana t e r s e b u t di a t a s , p e r a l a t a n demi p e r a l a t a n , yang t e l a h b e r j a l a n selama 9 bulan y a i t u d a r i bulan J u l i 1975 - bulan Maret 1976.
31
32
1. Kotak detektor Ionization Diffusion Chamber,
Alat i n i t e l a h s e l e s a i d i b u a t . Baganya t e r l i h a t pada G b . I I I . 1. Alat i n i menpunyai 3 bagian utama y a i t u :
a. Dinding kotak d e t e k t o r . Dibuat d a r i gelas bening berbentuk s i l i n d e r dengan ukuran:
- g a r i s menengah = 20 cm.
- t i n g g i = 13,5 cm.
- t e b a l = 0,5 cm.
Dibuat d a r i gelas yang bening agar:
- Cahaya penerangan dapat masuk ke dalam kavef*an peka.
- J e j a k p a r t i k e l dapat d i l i h a t dan d i f o t o d a r i l u a r k o t a k . Dibuat dari gelas karena:
- Sudah kuat menahan tekanan s e k i t a r tekanan kamar yang harganya s e k i t a r 1 atmosfir ^ l6 cmHg.
- Gelas adalah i s o l a t o r kalor sehingga t i d a k mengkacaukan peragihan suhu, peragihan tekanan, peragihan derajat ke jenuh lewatan, j a d i t i d a k mengkacaukan kemantapan kawasan jenuh lewat dalam kotak.
- Gelas adalah i s o l a t o r l i s t r i k , j a d i kuat menahan beda p o t e n s i a l (tegangan) medan pembersih antara lempeng e l e k t r o d a bagian atas dan lempeng e l e k t r o d a bagian dasar kotak d e t e k t o r .
Dinding kotak d e t e k t o r i n i dibuat dengan ukuran garis n e - nengah yang lebih b e s a r d a r i tingginya (20 cm dibanding dengan 13^ cm) dimaksudkan agar memenuhi persyaratan yang diminta oleh t e o r i y a i t u t e t a p berlakunya persamaan d e f e r e n s i a l s a t u demensi b a i k unttjk h a n t a r - an k a l o r maupun untuk d i f u s i .
Bagian i n i ditmat d a r i sebuah gelas s i l i n d e r yang dipotong menjadi dua dengan ukuran s e p e r t i di muka d i Bengkel gelas FIPA UfiM, Sekarang baru dipakai 1 buah, j a d i t i n g g a l 1 buah.
Earga gelas Rp 25.000,-- Biaye pemotongan Rp 1.500,-
J a d i harga 1 buah s e k i t a r Rp 1 3 . 2 5 0 , -
b . Lempeng bagian a t a s dan bagian bawah. Dibuat d a r i alumunium t e b a l 1,5 mm dengan g a r i s menengah 28 cm.
Dibuat d a r i bahan konduktor karena:
- Masing-masing sebagai e l e k t r o d a p o s i t i p dan e l e k t r o d a negetip un~
tuk medan pembersih.
- Masing-masing sebagai tempat suhu mantap T dan T0, Lempeng bagi- an a t a s berhubungan dengan kamar j a d i mempunyai suhu s e k i t a r suhu kamar yang dipergunakan untuk menguapkan cairan sumber uap. Lem- peng bagian bawah berhubungan dengan C0_ padat (dry ice) yang s e - dang menguap yang mempunyai suhu s e k i t a r - 78,5° C. Hal i n i untuk menciptakan keadaan Jenuh lewat dalam kotak, Lempeng bagian dasar i n i d i c a t h i t am buram agar t i d a k memantulkan cahaya sehingga je-- j a k dapat d i l i h a t dengan J e l a s .
Karena t i d a k dapat membeli di toko lempeng aluminium dengan ukuran k e c i l maka harus d i b e l i ukuran 2 x 0,95 m2 karena s e l a i n untuk keperluan i n i juga dipergunakan v»ntuk chassis sumbertegangan medan pen b e r s i h .
Biaya untuk pembuatan bagian i n i (kira--kira) Rp 1.500,- c. Tempat sumber uap. Dibuat d a r i lackan dengan ukuran:
3k
- Garis menengah = 1755 cm.
- Tehal = 0,5 cm.
Bahan i n i <iapat menampung c a i r a n sumber uap cukup banyak, dan dapat menguapkan cukup banyak karena bahan i n i b e r s e r a b u t , j a d i sangat l u a s s e k a l i . Untuk keperluan i n i d i b e l i lackan panjang 20cm seharga Hp 9 0 0 , - dan dibuat leapeng aluminium dengan g a r i s menengah sama untuk menjepit. Biaya untuk pembuatan bagian i n i Rp 1.250,-
Untuk mengurongi kebocoran dan menjaga agar kotak detektor t e t a p mantap ( t i d a k goyah) diperlukan p i r dan knop r a d i o yang d i k a i t - kan pada lempeng bagian a t a s dan lempeng bagian dasar k o t a k . s e r t a an- t a r a alumunium dengan gelas d i b e r i l a p i s a n p e r l a k / k a r e t . Untuk pembu- atan bagian t e r a k h i r i n i diperlukan biaya Rp 1.750a~
Dari p e r i n c i a n - p e r i n c i a n t e r s e b u t d i a t a s maka untuk pemibu- atan sebuah ktftak detektor diperlukan b i a y a = Rp 1 3 . 2 5 0 , - + 1.500,- + 1.250,- + 1.750,-) = Rp 1 7 . 7 5 0 , -
1 nuimnttmm i
Gb. I I I . l . Bagan kotak detektor kotak kabut d i f u s i . Sebagai perbandingan h a r g a , dibandingkan dengan buatan USA (nama p&- b r i k dirahasiakan) yang mempunyai ukuran 2/3 buatan s e n d i r i t e r t e r a pada katalog dengan harga $U.900.
2 . Sumber cahaya homogen.
Alat i n i t e l a h s e l e s a i d l b u a t . Bagan d a r i a l a t i n i t e r l i h a t pada Gb. I I I . 2 . dengan "bagian-bagian utama:
777777777777
Gb. I I I . 2 . Bagan sumber cahaya homogen
1. Lampu (110 V; 300 W) "berreflektor sebagai sumber cahaya.
2 . Lensa dengan fokus 20 cm sebagai pengumpul ifoaussing) cahaya.
3 . Selubung, pengatur fokus dan pengatur t i n g g i rendahnya a l a t . Untuk pembuatan a l a t i n i t e l a h dipergunakan hahan-bahan:
1. Larapu (110 V; 300 w) b e r r e f l e k t o r Rp 3 . 5 0 0 , - 2 . Lensa Rp 5 . 5 0 0 , - 3. Selubung lengkap Rp 7.500,-
Jadi untuk pembuatan alat ini diperlukan biaya sebanyak Rp 16.500,-
3. Sumber tegangan searah 5000 V.
Alat ini telah selesai 90$. Sebagai sumber tegangan searah untuk medan pembersih, alat ini dirancang mempunyai keluaran tegangan searah yang relatif cukup tinggi yaitu 5000- V'-dengan arus yang relatif
cukup rendah yaitu 1 mA.
36
Diagram blok d a r i a l a t i n i t e r l i h a t pada Gb. I I I . 3 . dengart masing-masing blok adalah:
A . l . A.2.
5000 V 0
PL»
Gb, I I I . 3 . Diagram blok sumber tegangen searah 5000 V, 1 nA.
A . l . Sunber daya v a r i a b e l 0-19 v o l t sebagai sumber daya untuk M u l t i - v i b r a t o r B.
A.2, Sumber daya mantap 32 v o l t sebagai sumber daya untuk Penguat t e - gangan t u k a r C.
B. M u l t i v i b r a t o r 30 Kc sebagai sunber g e t a r yang mengeluarkan t e - gangan tukar berbentuk gelonibang kotak dengan frekwensi 30 Kv de ngan amplitudo 1/2 d a r i tegangan prasikapnya.
C. Penguat tegangan tukar untuk menguetkan tegangan tukar keluaran M u l t i v i b r a t o r .
D. Untai umpan b a l i k untuk memantapkan keluaran penguat tegangan t u - kar C.
! ] . P e n y a r a h dan p e n a p i s u n t u k menyeeraokan k e l u a r a n Penguat Tegangan Tukar C s e r t a n e n a p i s k a n n y a .
'?. SistiTa. pengxikur untuk. mengukur t e g a n g a n k e l u a r a n .
U n t a i l e n ^ k a p don c a r a k e r j a d a r i m a s i n g - m a s i n g b l o k a d a l a n s e b a g a i b e r i k u t .-
A . l . Sunber daya v a r i a b e l 0 - 19 V.
U n t a i l e n g k a p d a r i b l o k i n i t e r l i h a t p a d a Gb. I I I . U . dengp.n konponen-komponen b e r i k u t h a r g a n y a :
G h . I I I . l » . U n t a i suniber daya v a r i a b e l 0 -• 19 V.
1—r
1Qp j j -
Tf . : Transformabor Strong 3 A.
D •- D^ ; Dioda 50 v / 3 A.
C. : K a p a s i t o r 2200uF/50 V.
( 1 . 8 5 0 . - ) , ( 8 0 0 , - ) , ( 3 0 0 . . . ) ,
38
Q2 j, Q : T r a n s i s t o r 2N3055 ( 2 . 1 0 0 , - ) D - : Dioda zener 20.2 V ( 1*50.-0
B. : Tahanan 2k2 ( 1 5 , - ) P. : Tahanan 560 ( 1 5 , - )
Fz : Tahanan 1K3 ( 1 5 , - )
R4 " *11 " T a h a n a n 1 0 K ( 120,-) S : Potensiometer 10K ( 150,-)
x
Carakerja d a r i hlok i n i adalah sehagei herikut-.
Tegangan t u k a r PLN 220 V diturunkan (step-dom) dengan Tf.
dan dianibil ujung ujung t r a f o aekunder yang mengeluarkan tegangan tu~
k a r 15 V karena k a l a u disearahkan sudah icencapai: 15 x V2~ = 21,2 V.Te- gangan tukar 15 V i n i disearahkan dengan u n t a i jembatan ZL - D£ dan ditapiskan dengan C-. P. dipasang untuk melueuti muatan - muatan yang tersimpan di C. untuk p o s i s i OFF d a r i p o s i s i ON. Tegangan searah 21,2 V dimantapkan dengan dioda zener Da. yang disambung denyan hase £_ se-- hingga V (QJ 20,2 - 0,6 = 19.6 V. Untuk «leriberi arus Da. dipasang P. «
(21,2 - 20,2) / 2 = 560. Untuk nemvariasi tegangan secara kasar d i - pasang u n t a i pembagi tegangan v dengan sehuah s e l e c t o r switcifi sedang untuk memvariasi secara halus dengan potensiometer R 10K sehingga i?
OS S
s / d P 1 adalah masing-masing 10 K. Ujung v a r i a b e l potensiometer disam- hung dengan hase Q„ maka V (QQ) akan dapat d i v a r i a s i d a r i 0 s / d 19,6.
0.6 j a d i d a r i 0 - 19 V. R_ dipasang untuk menghasilken tegangan 0,6 V y a i t u agar Ve (Q ) t i d a k n e g a t i p , J a d i harga fl, adalah: (0,6/19,6)50 K
= 1,8 K = l k 8 ,
Dengan u n t a i s e p e r t i d i a t a s dapat dihasilkan suatu tegangan
s e a r a a yang dapat d i v a r i a s i d a r i 0 s/d 19 V, -dan untuk pembuatannya menerlukan b i a y a ftp 5 . 8 1 5 , -
A.2. Sumber day a aantap 32 V.
Untai lengkap d a r i blok i n i t e r l i h a t pada Gb. I I I . 5 . dengan konponen-komponen b e r i k u t harganya.:
VIS 220 V
Tf,
Q. ke C
XJ
3 r•o
13— f*i:
'Dz,
-0
Gb. I I I . 5 . Untai suraber daya mantap 32 V.
( 1 . 8 5 0 , - ) ( 8 0 0 , - ) ( 300,-) ( 1 5 , - ) ( 1 5 , - ) ( U00,-) ( 1 . 0 5 0 , - ) Cara k e r j a blok i n i mirip dengan c a r a k e r j a blok suniber tegangan v a r i ' abel A . l . hanya s a j a sampai t i n g k a t Q,. Dengan u n t a i i n i dapat d i p e r oleh suatu tegangan mantap 32,1» v x 32 V dan untuk pembuatannya nemer lukan biaya Rp U.U30,-.
Tfg
V
D8
C2
R12
R13 Dz2 Qo
: Trans format or Strong 3 A : Moda 100 V/3 A
: 220 uF/50 V : 3K9
: IK.
: 33 V. ' : 2N3055
ko
B. M u l t i v i b r a t o r 30 Kc
Untax lenpkap d a r i bldk i n i t e r l i h a t pada &>. I I I . 6 . denpan komponen-komponen b e r i k u t harganya:
%»%
RlU ' R17
R15 ' Rl 6
C3 'CU
Gb. I I I . 6 . J ' u l t i v i b r a t o r 30 Kc.
: 2N130U.
: IK.
: 22K.
: 0,001yF.
( 5 0 0r- L ( 3 0 , - ) . ( 30..•).
( 3 0 , - ) . Untai i n i dapat mengeluarkan tegangan t u k a r berupa gelombeng kotak de~
ngan amplitude 1/2 tegangan prasikapnyn den dengan frekvensi:
/ « 1/(2)(0.69)(RC) " 1/(1J)38)(103.22)(10"3) = 1/(30,,36)(10'*) s 30 KG.
Karena tegangan prasikap untuk m u l t i v i b r a t o r i n i b e r a s a l d a r i sunber tegangac v a r i a s i 0 - 19 V maka amplitudo keluaran m u l t i v i b r a t o r i n i dapat d i v a r i a s i k a n d a r i 0 - 9,5 V.
C,._ Penguat tegangan tukar
Untai lengkap d a r i blok i n i t e r l i h a t pada (fb, I I I . 7 . denpan komponen-koraponen b e r i k u t harganya:
Vcc.2-
Tf„
k
B
rK Q T -k Q *
4 4
it.
Qg , Qr Q8
*l8
Gfb, I I I . 7 . Untai penguat tef?anp:an t u k a r
: Fly back tegangan t i n g g i T.V. (5.500.--).
: 2N3055. ( 3 . 1 5 0 , - ) . : 1K8. ( 1 5 , - ) .
C- : 22 uF/l6 V. ( 5 0s~ ) .
Untai i n i adalah u n t a i penguat tegangan tukar yang dioperasikan di klas B karena p a l i n g e f i s i e n dan p a l i n g aman, terutama untuk tegangan t i n g g i . Tegangan t u k a r keluaran m u l t i v i b r a t o r v. dirasakan base Qg (+ Qy • Qo) sebagai arus tukar iB = v . / h i yang mengakibatkan adanya arus tukar i sebagai; c
i = hf (ij « hf.v./hi .
Arus tukar i n i dirasakan Tf, sebagai tegangan tukar.
1 c o e x c e Tegangan tukar ini diperbesar oleh Tf_ menjadi:
atau dimana
V2 = N.Vl=hfe.N.Zo.V./hie
v2 - A.v4
A - hf .N.Z/hi e a 6
III.l.
111.2.
111.3.
III.1*.
III. 5.
h2
Dengan u n t a i penguat tegangan tukar di a t a s dapat dlb-asllkan s u a t u tegangan t u k a r yang setelah disearahkan t e r n y a t a t e l a h dapat mencapai 5000 V. Untuk pembuatan blok i n i memerlukan b i a y a Fp 8 . 7 1 5 . - .
P.. Untai umpan b a l i k
Untai lengkap d a r i blok i n i t e r l i h a t pada Gb. I I I . 8 . dengan kamponen-komponen dan harganya:
Vac. 2
Tf.3
3
«»
l
*
s.v%
V Q
rQ
83 7
19 .[ I >ke base Qgi Q?3 Qg
tnu
"19
A20
( 1 5 , - ) . ( 1 5 , - ) . ( 5 0 , - 0 . Gb. I I I . 8 . Untai umpan b a l i k
: 22 K.
• 2K2,
Cg : 22 uF/l6 V.
Untai umpan b a l i k i n i adalah umpan b a l i k n e g a t i p yang b i a s a dipasang pada suatu s i s t i m untuk nemantapkan h«.sil keluaran , oleh karenanya ujung sekundair t r a f o yang sefase dengan ujung p r i m a i r yang dihubung- kan dengan kolektor j u s t r u d i l a t a r k a n . Besarnya tegangan yang diumpan balikkan adalah: {Rnn/P.in + #o n) v' yang harus < i?,. sehingga masih
2C ii* au o i
berlaku sangkutan p e r s . 3 - 3 .
Dengan u n t a i umpan b a l i k i n i maka h a s i l keluaran penguat te- gangan tukar t e l a h dimantapkan dan untuk pembuatannya memerlukan biaya Bp 8 0 , -
