UJI FUNGSI SISTEM ELEKTRODA IGNITOR DAN
PENENTUAN MASSA TEREROSI MATERIAL KATODA
IGNITOR
Lely Susita R.M., Sudjatmoko, Bambang Siswanto, Agus Purwadi, Ihwanul Aziz Pusat Sains dan Teknologi Akselerator– BATAN
ABSTRAK
UJI FUNGSI SISTEM ELEKTRODA IGNITOR DAN PENENTUAN MASSA TEREROSI MATERIAL KATODA IGNITOR. Sistem elektroda ignitor yang berfungsi menginisiasi lucutan plasma terdiri dari dua buah elektroda ignitor yang dilengkapi dengan satu unit sistem catudaya lucutan ignitor (Ignitor Discharge Power Supply). Sistem elektroda ignitor terdiri dari katoda, anoda dan isolator antara katoda dan anoda. Sistem catudaya lucutan ignitor mempunyai spesifikasi tegangan 10 kV, dan energi 100 mJ mengalirkan tegangan melalui anoda dan isolator akan membentuk spot plasma di permukaan katoda. Semakin besar arus menuju katoda maka semakin besar spot plasma yang dihasilkan sehingga semakin besar pula material katoda yang tererosi. Dalam penelitian ini dilakukan uji fungsi sistem elektroda ignitor, dan dari hasil uji fungsi dapat ditentukan besarnya massa dan partikel material katoda ignitor yang tererosi untuk menentukan umur katoda akibat hilangnya bahan di permukaan katoda setelah terbentuk spot plasma. Pada uji fungsi dan kinerja sumber elektron berbasis katoda plasma diperoleh arus berkas elektron 34,3 A dengan lebar pulsa 136 µs, untuk arus spot plasma 10,58 A dengan lebar pulsa 39 µs. Katoda yang digunakan pada sistem elektroda ignitor mempunyai spesifikasi : material katoda dari magnesium berbentuk silinder diameter 6 mm dan panjang 20 mm. Untuk frekuensi pengulangan spot plasma 10 Hz, material katoda akan tererosi dan berkurang sepanjang 17,64 µm, sedangkan untuk material katoda tererosi membentuk kerucut, maka material katoda akan berkurang sepanjang 26,46 µm untuk waktu pengujian sumber elektron katoda plasma selama 5 jam. Bentuk erosi dari material katoda dipengaruhi oleh arus spot plasma, lebar pulsa serta kevakuman bejana plasma.
Kata kunci : Sistem elektroda ignitor, sistem catudaya lucutan ignitor, spot plasma, umur katoda
ABSTRACT
THE FUNCTION TESTS OF IGNITOR ELECTRODE SYSTEM AND DETERMINATION OF THE ERODED MASS OF THE IGNITOR CATHODE MATERIAL. Ignitor electrode systems which serves to initiate plasma discharge consists of two ignitor electrodes equipped with a unit of ignitor discharge power supply. Ignitor electode system consists of a cathode, an anode and an insulator between the cathode and the anode. Ignitor discharge power supply system has a 10 kV voltage specification and energy of 100 mJ, the voltage flowing through the anode and the insulator will form plasma spot on the surface of the cathode. Discharge currents that flow to the cathode becomes larger, then the resulting plasma spot also becomes larger so eroded cathode material becomes greater. In this study the ignitor electrode system function test was done, and the results of function test it can determine the mass and the particle size of the ignitor cathode material eroded which can be correlated to the age of the cathode due to the loss of material at the surface of the cathode after forming plasma spot. On the function and performance tests of the plasma cathode electron source were obtained the electron beam current of 34.3 A with a pulse width of 136 µs, for the plasma spot current of 10.58 A with a pulse width of 39 µs. The specification of cathode used in the ignitor electrode system is as follow: magnesium cathode materials in the form of a cylinder having a diameter of 6 mm and length of 20 mm. For repetition frequency of plasma spot of 10 Hz, cathode material will be eroded and diminished throughout of 17.64 µm, while the cathode material eroded to form a cone, then the cathode material will be reduced along 26.46 µm for a 5 hours of testing time of plasma cathode electron source.. Form the errosion of the cathode materials is influenced by the current of plasma spot, pulse width and the vacuum of the plasma vessel.
Keywords : Ignitor electrode system, ignitor discharge power supply system, plasma spot, cathode age
PENDAHULUAN
umber Elektron Katoda Plasma (SEKP) adalah sumber elektron yang dihasilkan dari proses ekstraksi elektron dari lucutan plasma. Teknologi
sumber elektron berbasis ekstraksi elektron dari plasma untuk berbagai aplikasi telah berkembang dengan pesat. Berkaitan dengan peranan sebagai sumber iradiasi permukaan bahan, dan berdasar hasil diskusi dengan pakar dari Rusia pada BAS 2011
maka sumber elektron yang dirancang adalah model DUET seperti diperlihatkan pada Gambar 1.
Gambar 1. Sistem sumber elektron katoda plas-ma (SEKP) model DUET[1,2]. Sumber elektron katoda plasma terdiri dari dua sistem elektroda penghasil plasma di sebelah kiri dan kanan, sistem tersebut ditunjukkan [2,3,4] pada Gambar 1. Sistem elektroda pembentuk plasma, mempunyai dua sumber daya yaitu sumber daya ignitor (8) dan sumber daya generator plasma (9). Sumber daya ignitor (8) mempunyai spesifikasi tegangan 10 kV, dan energi 100 mJ mengalirkan tegangan melalui anoda (2) dan melalui isolator (3) akan membentuk spot plasma (11) di permukaan katoda (4) melalui proses lucutan permukaan, pada bejana plasma (1) dengan tekanan gas sekitar 10-4
Torr. Kemudian spot plasma (11) yang terbentuk akan dihamburkan oleh tegangan sumber daya generator plasma (9). Hamburan spot plasma yang dipercepat oleh tegangan sumber daya generator plasma akan mengionkan gas dalam rongga bejana plasma terbentuk lucutan busur plasma (12) di sekitar daerah anoda berongga (1). Jika kedua sistem elektroda berjalan serempak maka keseluruhan ruang anoda akan terbentuk lucutan busur plasma. Oleh tegangan pemercepat (10) elektron yang lolos melalui grid (5) akan dipercepat sampai mampu menembus jendela Ti/Be (7) yang selanjutnya dimanfaatkan untuk iradiasi bahan. Sistem yang dirancang ini diharapkan dapat memberikan arus berkas elektron 50 A dan dalam luasan keluaran 15 × 60 cm2.
Spot plasma yang merupakan lontaran partikel permukaan akan mengakibatkan kerusakan atau
scratch pada katoda yang pada umumnya disebut
kawah atau crater, dan besarnya spot terbentuk sebagai fungsi arus. Spot ini muncul pada suhu yang cukup tinggi sehingga teranalisis arus dari elektroda ke gas dapat dijelaskan dengan proses emisi termionik. Mekanisme emisi termionik muncul bila medan cukup besar untuk mengekstrak elektron dari katoda. Teori emisi medan di dasarkan pada pengandaian bahwa banyaknya butir-butir halus
terlontar dari permukaan katoda, yang memiliki geometri tertentu yang dapat menghasilkan penggandaan medan sampai seratus kali, medan yang besar ini, menghasilkan tegangan disebabkan oleh adanya muatan ruang di daerah katoda dapat menghasilkan arus emisi medan yang sangat besar. Muatan ruang ini mempunyai peran menurunkan fungsi kerja bahan katoda. Daerah katode segera tersusun muatan ruang di depan katode dan di daerah transisi dan kolom mengalami kontraksi dari daerah kolom positif menuju kawasan daerah spot katoda. Tegangan drop di daerah kontraksi, sekitar 4 sampai 5 V. Sedangkan di daerah muatan ruang bertegangan antara 6 sampai 12 V. Maka total tegangan daerah katoda mendekati potensial ionisasi gas[3,4].
Gambar 2 menunjukkan distribusi potensial di daerah katoda. Spot katode cenderung menyebar di seluruh permukaan katode. Kecepatan spot sekitar 10 m/detik. Hasil dari lucutan spot adalah hilangnya bahan di permukaan katode. Bahan katode dilepaskan dalam bentuk semburan uap yang memiliki kecepatan antara 104 s/d 105 cm/detik.
Gambar 2. Distribusi potensial daerah katode[5].
Untuk menghasilkan spot plasma pada permukaan katoda ignitor, dibutuhkan tegangan sekitar 9-10 kV pulsa dengan energi sekitar 100 J. Agar diperoleh spesifikasi teknis sesuai yang direncanakan, telah dilakukan modifikasi modul sistem elektroda ignitor yang terdiri dari komponen katoda, anoda dan isolator, serta kegiatan uji fungsi modul sistem elektroda ignitor. Dari hasil uji fungsi dapat dihitung besarnya massa dan partikel material katoda ignitor yang tererosi, untuk menentukan umur katoda akibat berkurangnya massa material di permukaan katoda setelah terbentuk spot plasma.
TATA KERJA
Tahapan pelaksanaan kegiatan uji fungsi sistem elektroda ignitor meliputi pembuatan gambar teknik sistem elektroda ignitor, pembuatan modul sistem elektroda ignitor yang terdiri dari komponen katoda, komponen anoda, komponen isolator, dan konstruksi modul sistem elektroda ignitor, serta dilakukannya uji fungsi sistem elektroda ignitor.
Uji fungsi sistem elektroda ignitor dilakuan menggunakan 1 unit IDPS (Ignitor Discharge Power
Suply) dengan 2 trafo flyback seperti yang
ditunjukkan pada Gambar 3.
Gambar 3. Rangkaian sistem sumber daya ignitor (IDPS).
Sistem sumber daya ignitor mempunyai spesifikasi tegangan 10 kV, dan energi 100 mJ mengalirkan tegangan melalui anoda dan isolator akan membentuk spot plasma di permukaan katoda.
Pengukuran tegangan keluaran sumber daya ignitor pembentuk spot plasma menggunakan probe pembagi tegangan, dimana hasil pengukuran tegangan diturunkan 1000 kali yaitu dengan menggunakan resistor pembagi tegangan 50 MΩ/50 kΩ, sedangkan arus spot plasma dapat ditentukan dengan menggunakan koil Rogowski. Koil Rogowski mempunyai prinsip kerja mendeteksi medan magnet di dalam ruang di sekitar konduktor yang dialiri arus. Tegangan keluaran koil dirumuskan sebagai laju perubahan fluks magnet[6,7].
dt dI r A n dt d Vkeluarankoil π µ 2 0 = Φ = (1)
Dengan demikian dapat diketahui bahwa tegangan keluaran koil Rogowski tergantung pada besarnya perubahan arus per satuan waktu, jumlah lilitan, luas permukaan koil dan jarak dari sumbu arus.
Terlihat pada persamaan (1) bahwa tegangan keluaran koil sebanding dengan perubahan arus
dt dI ,
sehingga untuk menentukan besarnya arus I(t) maka tegangan keluaran koil harus diintegralkan. Dalam eksperimen, tegangan keluaran koil dikopel dengan rangkaian integrator RC, sehingga besarnya arus dapat ditentukan menurut persamaan
) ( 2 ) ( V t A n C R r t I µ π = (2)
dimana I(t) arus spot plasma, R resistansi integrator,
C kapasitan integrator, V(t) tegangan terukur.
Parameter dari spot plasma adalah laju erosi ion (ion erosion rate), sedangkan laju erosi ion merupa-kan karakteristik dari bahan katoda. Semakin besar arus menuju katoda maka semakin besar spot plasma yang dihasilkan sehingga semakin besar pula material katoda yang tererosi[8,9,10].
Gambar 4. Material katoda berkurang se-panjang dX.
Apabila selama sekian kali lucutan dari IDPS yang membentuk spot, material katoda berkurang sepanjang dX, maka massa material yang berkurang sepanjang dX, mengikuti persamaan
dX r Merosi 2 π ρ = (3)
ρ adalah rapat massa material katoda, r jari-jari
katoda dan dX adalah pengurangan bahan. Massa tererosi ini sama dengan jumlah sekian kali lucutan spot IDPS dikalikan dengan massa tererosi setiap lucutan IDPS, atau dirumuskan
tan lucu setiap erosi erosi Nm M = (4) dan τ γ I
merosisetiaplucutan = (5)
Untuk material katoda yang tererosi menjadi bentuk kerucut, massa material yang tererosi mengikuti persamaan
ρ
V
Merosi = (6)
Gambar 5. Material katoda tererosi men-jadi bentuk kerucut.
" ' V V V = − t r t r V 2 2 3 1π π − =
( )
2 2 2 3 3 2 r t t r V = π = π( )
2 2 3 r t V Merosi = ρ=ρπ (7)ρ adalah rapat massa material katode, r jari-jari alas
kerucut/jari jari katoda dan t panjang kerucut.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pembuatan gambar teknik sistem elektroda ignitor setelah dimodifikasi ditampilkan pada Gambar 6, sedangkan Gambar 7 menampilkan komponen sistem elektroda ignitor yang terdiri dari komponen katoda, komponen anoda, dan komponen isolator yang telah dirangkai menjadi modul sistem elektroda ignitor.
Gambar 6. Gambar teknik sistem elektroda ignitor setelah dimodifikasi.
(a) (b)
Gambar 7. (a). Komponen sistem elektroda ignitor, dan (b). Komponen sistem elektroda ignitor yang telah dirangkai menjadi satu modul sistem elektroda ignitor.
Untuk uji fungsi sistem elektroda ignitor, diperlukan modul IDPS, sistem elektroda ignitor, sistem elektroda generator plasma, sistem vakum dan sistem deteksi menjadi satu unit sumber elektron katoda plasma (SEKP). Bejana anoda berongga yang berada di dalam bejana vakum SEKP, terbuat dari bahan stainless-steel bentuk silinder dengan diameter 4,0 cm dan panjang 48,75 cm. Pada sisi kiri dan kanan bejana anoda berongga diletakkan sistem elektroda ignitor, yang terdiri dari katoda dengan spesifikasi: material katoda terbuat dari Mg berbentuk rod diameter 6 mm dan panjang 20 mm; sebuah anoda dengan material anoda SS 304 non magnetik berbentuk silinder dengan diameter luar 28 mm, diameter dalam 7,5 mm dan tebal 14 mm; material isolator antara katoda dan anoda terbuat dari teflon berbentuk silinder, diameter dalam 6 mm, diameter luar 12,5 mm dan panjang 6 mm, seperti ditunjukkan pada Gambar 4 dan 5.
Sistem elektroda ignitor yang menginisiasi lucutan plasma dilengkapi dengan satu unit sumber
daya ignitor (IDPS). Sistem IDPS mempunyai spesifikasi tegangan 10 kV, arus 10 A dan lebar pulsa 4 mikro detik mengalirkan tegangan melaui anoda dan isolator akan membentuk spot plasma di permukaan katoda. Spot plasma yang terbentuk akan dihamburkan dan dipercepat oleh tegangan sumber daya generator plasma sehingga terbentuk lucutan busur plasma keseluruhan ruang anoda. Kemudian oleh tegangan pemercepat, elektron yang lolos melalui grid akan dipercepat sampai mampu menembus jendela Ti/Be yang selanjutnya dimanfaatkan untuk iradiasi bahan.
Pada uji fungsi dan kinerja sumber elektron berbasis katoda plasma diperoleh arus berkas elektron 34,3 A dengan lebar pulsa 136 µs (grafik bawah), untuk arus spot plasma 10,58 A dengan lebar pulsa 39 µs (grafik atas), dan dari hasil uji fungsi dapat ditentukan besarnya massa dan partikel material katoda ignitor yang tererosi untuk menentukan umur katoda akibat hilangnya bahan di permukaan katoda setelah terbentuk spot plasma.
Gambar 8a. Tegangan keluaran berkas elek- tron V= 2,88 V, arus I = 34,3 A
Gambar 8b. Lebar pulsa τ = 136,0 µs.
Gambar 8c. Tegangan spot plasma pada per- mukaan katoda V= 1,92 V, arus I = 10,58 A
Gambar 8d. Lebar pulsa spot plasma pada per- mukaan katoda τ = 39,0 µs
Untuk menghitung besarnya arus spot plasma dapat digunakan persamaan (2), dimana R = 100Ω adalah resistansi integrator, C = 0,33 µF adalah kapasitan integrator. Koil Rogowski yang dibuat menggunakan core ferrite dengan nilai permeabilitas bahan µ sekitar 1017,36 H/m, jumlah lilitan n = 76, luas permukaan koil A = 45 × 10-6 m2 dan jarak
dari pusat koil Rogowski r = 9,25 × 10-3 m.
Dari hasil uji fungsi sistem elektroda ignitor dengan menggunakan koil rogowski, diperoleh arus dan lebar pulsa spot plasma, dan dengan menggunakan persamaan (3) dan (7) dapat dilakukan perhitungan pengurangan katoda tererosi sepanjang dX dan katoda yang tererosi menjadi bentuk kerucut. Hasil perhitungan ini ditampilkan pada Tabel 1 dan Gambar 9, dan dari data-data tersebut dapat diketahui umur katoda akibat hilangnya bahan di permukaan katoda setelah terbentuk spot plasma.
Tabel 1. Pengurangan katoda Mg. No Pengoperasian Waktu SEKP (jam) Pengurang Katoda Mg (µm) Sepanjang dX Bentuk Kerucut 1 1 3,53 5,29 2 2 7,06 10,58 3 3 10,58 15,88 4 4 14,11 21,17 5 5 17,64 26,46 6 240 (1 tahun) 846,72 1270,08
Gambar 9. Grafik pengurangan katoda Mg. Katoda yang digunakan pada sistem elektroda ignitor mempunyai spesifikasi : material katoda dari magnesium berbentuk rod berdiameter 6 mm dan panjang 20 mm. Untuk frekuensi pengulangan spot plasma 10 Hz, material katoda akan tererosi dan berkurang sepanjang 17,64 µm untuk waktu pengujian sumber elektron katoda plasma selama 5 jam atau 0,85 mm selama waktu pengujian 1 tahun, sedangkan untuk material katoda tererosi membentuk
kerucut, maka material katoda akan berkurang sepanjang 26,46 µm dengan waku pengujian 5 jam atau 1,27 mm untuk waktu pengujian 1 tahun. Bentuk erosi dari material katoda dipengaruhi oleh arus spot plasma, lebar pulsa serta kevakuman bejana plasma.
KESIMPULAN
Berdasarkan hasil penelitian dan pembahasan seperti yang telah diuraikan dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :
1. Hasil uji fungsi dan kinerja sumber elektron 34,3 A dengan lebar pulsa 136 µs, untuk arus spot plasma 10,58 A dengan lebar pulsa 39 µs.
2. Katoda yang digunakan pada sistem elektroda ignitor mempunyai spesifikasi : material katoda dari magnesium berbentuk silinder diameter 6 mm dan panjang 20 mm. Untuk frekuensi pengulangan spot plasma 10 Hz, material katoda akan tererosi dan berkurang sepanjang 17,64 µm, sedangkan untuk material katoda tererosi membentuk kerucut, maka material katoda akan berkurang sepanjang 26,46 µm untuk waktu pengujian sumber elektron katoda plasma selama 5 jam.
UCAPAN TERIMA KASIH
Kegiatan Penelitian ini dibiayai oleh PSTA melalui DIPA Tahun 2014. Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada seluruh peneliti dan pembantu peneliti kegiatan rancangbangun sumber elektron katoda plasma, khususnya kepada Bapak Widdi Usada, Bapak Aminus Salam, Bapak Heri Sudarmanto, dan Bapak Untung Margono, atas bantuan baik teori maupun teknis sehingga pelaksanaan kegiatan uji fungsi sistem elektroda ignitor dapat terlaksana dengan baik, dan penulisan karya tulis ilmiah ini dapat terwujud.
DAFTAR PUSTAKA
1. Widdi Usada, Agus Purwadi, Lely Susita, Karakteristik Spot Plasma Pada Lucutan Busur Plasma, Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir, Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN, Yogyakarta, 2012.
2. Efim Oks, Lecture 8 : Introduction of Plasma Cathode Electron Source, presented in BATAN
Accelerator School, Yogyakarta, Indonesia, 2011.
3. V F Puchkarev and M B Bochkarev, Cathode Spot Initiation Under Plasma, J. Phys. D: Appl,
Phys. 27: 1214-1219, 1994.
4. Sergey A. Barengolts, Gennady A. Mesyats and Dimitry Leonidovich Shmelev, Structure and Time Behavior of Vacuum Arc Cathode Spot,
IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 31, No.5, 2003.
5. J.E. Daalder, Joule Heating and Diameter of The Cathode Spot in A Vacuum Arc., Report 73 - E –
33 ISBN 90 6144 033 5, 1973.
6. Huddlestone, R.H. and Leonard, S.N., Plasma Diagnostic Techniques, p. 113-117, Academic
Press, New York, 1995.
7. D.A.Ward and J. La T.Exon, Using Rogowski Coils for Transient Current Measurements,
Engineering Science and Education Journal, 1993.
8. K.P. Savkin, Measurements of Ion Erosion Rate of Cathode Material in a Vacuum Arc Discharge, Intense Electron and Ion Beams, 2005.
9. E.M. Oks, K.P. Savkin, G. Yu. Yushkov and A.G. Nikolaev, Measurement of Total Ion Current from Vacuum Arc Plasma Sources, High
Current Electronics Institute, Russian Academy of Sciences, Tomsk 634055, Russia.
10. A. Anders, E.M. Oks, G. Yu. Yushkov, and I.G. Brown, Measurement of Total Ion Flux in Vacuum Arc Discharges, High Current
Electronics Institute, Russian Academy of Sciences, Tomsk 634055, Russia.
TANYA JAWAB
Prof. Trimarji A.
− Rogowski Coil sepertinya harus ada faktor kalibrasi, bukan hanya berdasarkan rumus saja. − Seberapa urgen/pentingnya
perhitungan/ekspe-rimen tentang korosi bahan katoda.
− Bagaimana kontribusi distribusi berkas elektron pada saat menumbuk bahan katoda dalam menghitung besarnya korosi bahan katoda
Lely Susita RM.
− Koil Rogowski yang digunakan untuk mengukur
arus spot plasma seharusnya terkalibrasi, tetapi karena kita tidak memiliki alat untuk mengkalibrasi maka direncanakan untuk membeli koil Rogowski sebagai pembanding hasil pengukuran arus spot plasma dengan menggunakan koil Rogowski yang dibuat.
− Perhitungan erosi bahan katoda penting untuk
mengetahui umur dari bahan katoda, akibat berkurangnya (erosi) massa material di permukaan katoda setelah terbentuk spot plasma
− Berkas elektron tidak mungkin menumbuk bahan
katoda karena keduanya bermuatan negatif, sehingga tidak ada kontribusi dalam perhitungan besarnya erosi bahan katoda.
Silakhuddin
− Kapan terjadi korosi berbentuk kerucut dan kapan tidak berbentuk kerucut.
− Berapa panjang menonjol permukaan katoda dari permukaan isolator.
Lely Susita RM.
− Material katoda yang tererosi menjadi bentuk
kerucut terjadi ketika spot plasma tidak terbentuk pada permukaan katoda tetapi di sekeliling katoda. Hal ini disebabkan karena isolator tidak menempel ketat dengan katoda tetapi menjadi agak longgar ketika dilakukan instalasi kembali sistem elektroda ignitor. Untuk mengatasinya maka perlu dilakukan modifikasi sistem elektroda ignitor yaitu dengan mengganti bahan isolator yang lebih keras dari teflon yaitu alumina. Sedangkan apabila lucutan spot plasma terbentuk pada permukaan katoda, maka material katoda akan tererosi sepanjang dx (tidak berbentuk kerucut).
− Permukaan katoda menonjol 0,5 mm - 1 mm dari
