PERHITUNGAN PARAMETER SISTEM EKSTRAKSI PADA GRID SUMBER ELEKTRON KATODA PLASMA

Transkripsi

1 Volume 15, Oktober 013 ISSN PADA GRID SUMER ELEKTRON KATODA PLASMA Pusat Teknologi Akselerator dan Proses ahan, ATAN Jl. abarsari Kotak Pos 1601 ykbb, Yogyakarta ASTRAK PERHITUNGAN PARAMETER SISTEM EKSTRAKTOR PADA ELEKTRODA GRID SUMER ELEKTRON KATODA PLASMA. Parameter sistem ekstraksi yang telah dihitung terdiri dari nilai kapasitor, tahanan discharge (R D ) dan tahanan charge (R ). Tujuan dari penelitian ini adalah untuk memperoleh parameter sistem ekstraksi yang dapat digunakan sebagai dasar perancangan sistem ekstraksi pada elektroda grid generator plasma. Arus berkas elektron berupa pulsa sebesar 50 A, lebar pulsa 0 µs dan waktu pengulangan pulsa 50 Hz. Perhitungan dilakukan untuk beberapa parameter, di antaranya adalah penurunan tegangan kapasitor pada saat discharge, nilai R D dan tegangan catudaya pengisi fast capasitor. Variasi penurunan tegangan masingmasing sebesar %, 15% dan 0%, ukuran R D adalah 5 Ω, Ω, 15 Ω dan 0 Ω, dan tegangan pengisi kapasitor adalah 1 kv, 14 kv dan 16 kv. Dari hasil perhitungan diperoleh nilai kapasitor adalah 7,14 µf tahanan pengisi kapasitor 1, kω dan tegangan pengisi kapasitor 1 kv, tahanan discharge Ω/,6 kw dan penurunan tegangan kapasitor % Kata kunci : ekstraktor, elektron, katoda plasma ASTRAT EXTRATOR SYSTEM PARAMETERS ALULATION ON GRID ELETRODE OF PLASMA ATHODE ELETRON SOURE. Parameter of extraction system that has been calculated consist of the capacitor value, discharge resistance (R D ) and charge resistance (R ). The purpose of this study is to obtain parameters of extraction system that can be used as a basis for the design of the extraction system on the grid electrode of plasma generator. Electron beam current in the form of pulses of 50 A, 0 µs pulse width and 50 Hz pulse repetition time. alculations were performed for several parameters, such as capacitor voltage drop at the time of discharge, R D value and voltage power supply of charger the fast capacitor. Variation of voltage drop was %, 15% and 0% respectively, value of R D was 5 Ω, Ω, 15 Ω and 0 Ω, and voltage of the capacitor charger was 1 kv, 14 kv and 16 kv. From the calculation results is obtained that value of the capacitor is 7.14 µf with resistance the capacitor charger of 1. kω and voltage the capacitor charger of 1 kv, discharge resistance of Ω/.6 kw and a % decrease in capacitor voltage. Keywords: extractor, electrons, plasma cathode PENDAHULUAN Mesin pemercepat elektron sering disebut Mesin erkas Elektron (ME) adalah satu jenis teknologi baru yang telah dikembangkan dalam dua dekade yang lalu sebagai sumber radiasi pada proses iradiasi suatu produk industri. Pemanfaatan ME dalam bidang industri telah berkembang pesat di negara-negara maju, terutama dalam proses pengeringan pelapisan (curing of coatings) permukaan suatu bahan, proses pembentukan ikatan silang pada plastik, karet dan bahan isolasi kabel, proses vulkanisasi karet alam, sterilisasi peralatan medis, pengawetan bahan makanan, modifikasi tekstil dan graft polymerization. [1-4] Apabila dibandingkan proses termal konvensional ataupun proses kimia, maka proses iradiasi elektron mempunyai beberapa keunggulan antara lain: menghasilkan kualitas produk yang lebih tinggi, tidak menimbulkan polusi pada lingkungan, hemat energi, reaksi-reaksi terjadi pada suhu kamar, proses yang terjadi mudah dikontrol, biaya operasi lebih rendah untuk produksi masal. Untuk vulkanisasi lateks karet alam, ikatan silang merupakan reaksi yang paling dominan yang terjadi selama proses iradiasi elektron. Sifat-sifat fisika dari lateks karet alam akan berubah terbentuknya ikatan silang, sebagai contoh bertambahnya ketahanan terhadap bahan pelarut (solvent), meningkatkan kekuatan regangan dan kekerasan, berkurangnya tingkat kemuluran dan tahan terhadap panas (deformasi termal).[3-5] Untuk meningkatkan homogenitas dari berkas irradiasi dan kemudahan dalam pengoperasiannya maka jenis ME juga berkembang, satu diantaranya adalah ME pulsa. Dalam perkembangannya aplikasi 9

2 Volume 15, Oktober 013 ISSN berkas elektron pulsa cukup luas seperti dalam bidang industri, ME pulsa dapat digunakan dalam industri lateks, modifikasi permukaan pada industri semikonduktor dan polimer, serta industri pangan untuk pasteurisasi tanpa merusak tekstur dan nutrisi, juga netralisasi limbah [6,7,8]. Komponen ME pulsa terdiri dari bejana sumber elektron yang dilengkapi sistem plasma emiter, catudaya plasma, tegangan pemercepat dan sistem vakum. Plasma emitter adalah merupakan bejana plasma yang dilengkapi grid, dua pasang sistem elektrode, feedthrough catudaya plasma dan sistem elektrode pemercepat. [9]. Setiap unit sistem elektrode memiliki 3 komponen elektrode, yaitu katoda (Mg), anoda ignitor (SS 304) dan anoda generator plasma (SS 404), sedangkan isolator penyekat antara katoda anoda ignitor (Teflon) dan antara anoda ignitor anoda generator plasma (PA6). Untuk membangkitkan plasma digunakan catudaya plasma yang terdiri dari Ignitor Discharge Power Supply (IDPS) dan Arc Discharge Power Supply (ADPS). Percikan plasma terbentuk diantara katoda dan anoda ignitor yang diberi tegangan IDPS yang bersesuaian jarak elektroda ignitor dan tekanan gas dalam bejana plasma sehingga terjadi surface discharge. Setelah diperoleh percikan plasma selanjutnya plasma dihamburkan ke seluruh bejana plasma oleh tegangan ADPS yang terpasang pada elektrode generator plasma persyaratan memenuhi dadal tegangan yang ditentukan oleh elektrode generator plasma dan jarak antara tegangan penghambur elektrode ignitor.[-1] atu daya yang digunakan merupakan tegangan tinggi searah (HVD) yang dihasilkan oleh trafo satu fasa penyearah gelombang penuh dan besar dayanya ditentukan oleh besar arus plasma yang ada pada bejana plasma. Mekanisme penyearahan dan besarnya aliran arus dan tegangan yang dihasilkan mengacu rangkaian sistem penyearah dan sistem tranformator [13,14]. Dalam penelitian ini dilakukan perhitungan beberapa nilai kapasitor dan tahanan charge yang memenuhi persyaratan untuk mengekstraksi elektron yang ada pada bejana plasma dan keluar melalui grid yang terpasang. Arus plasma diasumsikan sebagai arus beban, maka hal ini yang berkaitan parameterparameter tersebut di atas. Dengan tahanan discharge, tegangan pengisi kapasitor dan penurunan tegangan saat kapasitor dicharge divariasi, maka yang terjadi adalah dapat diperoleh besaran parameter sistem ekstraksi pada grid generator plasma. Selanjutnya parameter ekstraksi tersebut yang nantinya dapat digunakan sebagai dasar rancangan sistem ekstraksi elektron pada grid generator plasma. METODOLOGI Skema rangkaian sumber tegangan tinggi untuk menarik elektron (sistem ekstraksi elektron) dari ruang plasma atau sumber elektron diperlihatkan Gambar 1, dimana saat pemuatan dan pelucutan fast capacitor tergantung nilai dari tahanan charge dan tahanan discharge yang terpasang secara seri beban plasma. Gambar 1. Rangkaian sistem ekstraksi elektron pulsa. Prinsip kerja dari rangkaian pada Gambar 1 adalah sumber tegangan tinggi mengisi kapasitor melalui tahanan pengisi kapasitor R, sehingga kapasitor terisi penuh dan kemudian ditarik arusnya oleh beban sumber elektron melalui tahanan depan R D. Dalam hal ini besaran yang mempengaruhi sistem ekstraksi pada sumber elektron katoda plasma di antaranya adalah tegangan tinggi pengisi kapasitor V 0, persyaratan penurunan tegangan saat kapasitor menarik arus beban dan besaran arus elektron yang diekstraksi I, maka secara matematis ditunjukkan pada persamaan I τ V0 = V + I RD + (1) V 0 : tegangan pengisi kapasitor (volt) V : tegangan kapasitor discharge (volt) R D : tahanan discharge kapasitor (Ω) R : tahanan charge kapasitor (Ω) τ : lebar pulsa sumber elektron (detik) : kapasitansi kapasitor (F) Penurunan tegangan catu daya pengisi kapasitor harus seimbang pelucutan tegangan kapasitor saat menarik arus bebas dan diperkirakan sampai dari tegangan pengisi kapasitor, dan dapat dituliskan seperti pada persamaan () I τ V0 V = I RD + 0 adalah penurunan tegangan kapasitor saat discharge (volt). Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 15, Oktober 013 : 9-15

3 Volume 15, Oktober 013 ISSN Dengan penurunan tegangan saat kapasitor digunakan untuk menarik beban arus sumber elektron dan arus beban sumber elektron diketahui, maka nilai fast capacitor dapat ditentukan menggunakan persamaan () dan memasang tahanan discharge R D ukuran tertentu. Untuk menentukan nilai R atau tahanan pemuatan kapasitor, digunakan persamaan t V () = τ t V0 1 e (3) V t : tegangan pengisian kapasitor volt t : waktu pengulangan pulsa dalam detik τ : waktu pengisian kapasitor sama R, maka persamaan (4) ditulis menjadi t () = R V t V0 1 e. (4) Dari persamaan (4) tersebut maka nilai tahanan pemuatan kapasitor dapat ditentukan. Daya tahanan pemuatan dan pelucutan kapasitor dihitung menentukan beban arus elektron yang akan diekstraksi, dan demikian maka untuk daya tahanan pemuatan P R dapat dihitung menggunakan persamaan P R V f 1 = V f (5) P R : daya tahanan pemuatan kapasitor dalam watt : tegangan pemuatan kapasitor dalam volt : frekuensi (Hz) Gambar. Kurva tegangan pengisihan fast capacitor. Gambar menunjukkan kurve tegangan pengisian fast capacitor. Pada saat kapasitor dalam keadaan terisi penuh, maka pada kondisi tersebut kapasitor siap untuk menarik beban arus sumber elektron. Gambar 3. Kurva tegangan pelucutan fast capacitor. Gambar 3 menunjukkan kurve tegangan pelucutan fast capacitor. Pada saat kapasitor menarik beban arus sumber elektron, maka tegangan pada kapasitor menurun sebagai fungsi waktu penarikan beban. Pada saat tersebut penurunan tegangan kapasitor tidak boleh melebihi prosentase penurunan tegangan yang disyaratkan dan kapasitor harus terisi penuh lagi karena untuk menarik arus beban berikutnya. Daya tahanan pelucutan kapasitor dapat dihitung menggunakan persamaan P RD = I R τ f (6) P RD : daya tahanan pelucutan kapasitor dalam watt esarnya energi yang dipakai untuk mengisi kapasitor adalah energi yang diperlukan saat kapasitor didischarge, sehingga besarnya sama energi pengisian kapasitor sampai kapasitor tersebut siap di charge kembali. Dengan demikian keperluan tranformator dapat diperhitungkan seberapa besar energi yang diperlukan untuk pengisian kapasitor tersebut. Rangkaian ekuivalen dari trafo ditunjukkan pada Gambar 4. Pada umumnya, trafo daya yang digunakan bukanlah trafo-trafo ideal, karena sangatlah sulit untuk memperoleh bahan pada inti dan belitan trafo yang dapat menghasilkan keluaran sesuai keadaan saat trafo pada keadaan ideal. Hal ini disebabkan oleh resistansi pada belitan, fluksi nyasar (rugi-rugi fluksi), dan permeabilitas inti trafo. Oleh karena itu sebagai gambaran dari bekerjanya trafo maka ditunjukkan rangkaian pengganti trafo seperti Gambar 4. D 11

4 Volume 15, Oktober 013 ISSN Gambar 4. Rangkaian ekuivalen trafo daya. besarnya tahanan pengisi R, sedangkan fungsi dari kapasitor filter tersebut supaya tegangan keluaran yang dihasilkan lebih halus atau mempunyai ripple yang kecil. Pada penelitian ini catu daya tegangan tinggi belum dilakukan perhitungan, namun untuk perhitungan parameter sistem ekstraksi ini catu dayanya diambil untuk tegangan 1 kv, 14 kv dan 16 kv prosentasi penurunan tegangan saat fast capacitor discharge sebesar 5 %, dan dari tegangan tinggi pengisi kapasitor tersebut dan nilai tahanan discharge R D adalah 5,, 15 dan 0 Ω. HASIL DAN PEMAHASAN Dalam melakukan perhitungan nilai tahanan pengisi R dan Fast apacitor, maka beban arus plasma pulsa diasumsikan sebesar 50 A, lebar pulsa τ = 0 µs frekuensi f = 50 Hz dan untuk tegangan tegangan pengisi fast capacitor 1 kv, penurunan tegangan V 0 -V = dan tahanan discharge R D = Ω. Perhitungan-perhitungannya sebagai berikut: Gambar 5. Penyearah satu fase gelombang penuh. Untuk menghasilkan tegangan searah yang dipersyaratkan maka digunakan diode yang tersusun seperti pada Gambar 5. Tegangan bolak-balik yang dihasilkan keluaran tranformator dimasukkan pada sistem rangkaian diode tersebut, kemudian keluaran yang dihasilkan dari diode tersebut merupakan tegangan searah. Perhitungan nilai Fast apacitor Dengan menggunakan persamaan (1) I τ V0 = V + I RD +, maka nilai kapasitornya adalah = ( V V ) 0 Iτ I R = 3 % = 7,143 = 7,14 µf D Gambar 6. Arus dan tegangan keluar dari kapasitor filter. Tegangan keluaran dari kapasitor filter tersebut sebagai tegangan masukan untuk mengisi fast capacitor besar tegangannya dipengaruhi oleh Perhitungan nilai tahanan discharge Dengan menggunakan persamaan (4) V c (t) = t R V0 1 e, maka nilai dari tahanan R adalah V( ) = 0 (1 t/ ) = 0 (1 t/ ) 0,9 0 = 0 (1 t/ ) 0,9 = (1 t/ ) t/ = 1-0,9 = 0,1 ln t/ = ln 0,1 -t/r c = -, = K R = t/ K = 0-3 /(,305859)(7,15-6 ) = 1, kω Perhitungan nilai fast capacitor dan tahanan charge R D selengkapnya ditunjukkan pada Tabel 1 sampai Tabel 3. Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 15, Oktober 013 :

5 Volume 15, Oktober 013 ISSN Tabel 1. Hasil perhitungan nilai kapasitor dan tahanan pengisi kapasitor R untuk tegangan pengisi kapasitor 1 kv, penurunan tegangan dan tahanan pelucut kapasitor R D. Penurunan tegangan R D(Ω) 0(kV) (kv) 1,,4 1,,4 1,,4 1,,4 (µf ) 5,6 3,,3 7,14 3,85,63 11,13 4,76 3,03 5,06 6,5 3,57 R c(kω) 5 3,7 5,34 1,,74 4,74 0,78,1 4, 0,35 9 3,48 Dari Tabel 1 sampai Tabel 3 untuk beban arus pulsa yang sama, maka untuk kenaikan prosentase penurunan tegangan saat fast capacitor discharge menggambarkan diperlukannya penurunan nilai dari kapasitor dan kenaikan nilai tahanan pengisinya, sedangkan untuk kenaikan nilai tahanan discharge R D dan tegangan pengisi kapasitor V 0 maka diperlukan nilai kapasitor turun dan nilai tahanan charge naik terlihat pada Gambar 7. Tabel. Hasil perhitungan nilai kapasitor dan tahanan pengisi kapasitor R untuk tegangan pengisi kapasitor 14 kv, penurunan tegangan dan tahanan pelucut kapasitor R D. Penurunan tegangan R D ( 0 (kv) (kv),1,8,1,8,1,8,1,8 (F) 4,34,70 1,96 5,55 3,1,17 7,69 3,70,44 1,50 4,55,78 R c (k 1,99 3,90 6,33 1,56 3,37 5,71 1,13,85 5, 0,69,3 4,47 Tabel 3. Hasil perhitungan nilai kapasitor dan tahanan pengisi kapasitor R untuk tegangan pengisi kapasitor 16 kv, penurunan tegangan dan tahanan pelucut kapasitor R D. Penurunan tegangan R D ( 0 (kv) (kv),4 3,,4 3,,4 3,,4 3, (F) 3,70,33 1,70 4,55,63 5 5,88 3,03,04 8,33 3,57,7 R c (k,34 4,53 7,33 1,91 4,01 6,71 8 3,48 6,09 1,04,95 5,47 Gambar 7. Grafik kenaikan tegangan pengisi kapasitor vs kapasitansi dan resistansi, untuk nilai RD = Ω penurunan tegangan %. Perhitungan daya R dan R D Dalam perhitungan ini diambil untuk tahanan RD = Ω tegangan pengisi kapasitor V 0 = 1 kv dan menggunakan persamaan (5) 1 P R = V f, maka diperoleh hasil perhitungan P R = 7,14 = 5740 W = 6 kw 3 ( 1 ) sedangkan untuk perhitungan daya tahanan RD dapat menggunakan persamaan (5) PRD = I RD τ f dan hasil perhitungannya adalah P RD Perhitungan daya trafo = 50 0 = 15 W 6 50 Energi yang terpakai untuk mengisi fast capacitor adalah energi yang digunakan untuk menaikkan tegangan kapasitor setelah discharge sebesar % dari daya R, sehingga diperlukan energi sebesar 0,1 6 kw =,6 kw. Dengan demikian diperlukan transformator daya trafo sebesar 1,5,6 kw = 3,5 kw. 13

6 Volume 15, Oktober 013 ISSN KESIMPULAN Dari hasil perhitungan maka dapat disimpulkan: Diperlukan kenaikan nilai tahanan charge kapasitor jika tegangan pengisi kapasitor dan tahanan discharge dinaikkan. Diperlukan penurunan nilai kapasitor jika tegangan pengisi kapasitor dan tahanan discharge dinaikkan. Diperlukan nilai kapasitor 7,14 µf tahanan pengisi kapasitor 1, kω/,6 kw untuk tegangan pengisi kapasitor 1 kv, tahanan discharge Ω/15 W dan penurunan tegangan % saat menarik beban Diperlukan trafo tegangan tinggi daya sebesar 3,5 kw UAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan banyak terima kasih, khususnya kepada apak-bapak Drs. Widdi Usada, Ir, Wirjoadi, Drs. Aminus Salam, Drs. udi Santosa, MT, Ihwanul Azis, AMd, Heri Sudarmanto, Untung Margono dan Ibu Dra. Lely Susita RM yang banyak membantu dalam kegiatan penelitian ini. Semoga amal baik apak-bapak dan Ibu mendapatkan balasan berlipat dari Allah SWT. DAFTAR PUSTAKA [1] QIZHANG, Z., Electron Accelerators Manufactured in hina, UNDP/IAEA/RA Regional Training ourse on E Irradiation Technology, Shanghai Applied Radiation Institute, Shanghai University of Science and Technology, Shanghai, hina, [] SUZUKI, M., Recent Advances in High Energy Electron eam Machine, Nissin-High Voltage o., Ltd., Proceedings of the Workshops on the Utilization of Electron eams, JAERI-M, , [3] YAMAMOTO, S., ross-linking of Wire and ables with Electron eam, Proceedings of the Workshops on the Utilization of Electron eams, JAERI-M, , [4] MAKUUHI, K., Electron eam Processing of Rubbers, Proceedings of the Workshops on the Utilization of Electron eams, JAERI-M, , [5] MERI SUHARINI, Vulkanisasi lateks karet alam secara batch iradiasi berkas elektron, PPI Aplikasi radiasi, PATIR-ATAN, 00. [6] R. Ramaswamy, T. Jin, H. Zhang, Pulse Electric Field Processing, Food Science & Technology, The Ohio State University, 005, http: //fst.osu.edu/pef. [7] U.S. Food & Drug Administration, entre for Food Safety & Applied Nutrition, 000. Kinetic of Microbial Inactivation for Alternative Food Processing Technologies High Voltage Arc Discharge. [8] I.E. Pol et.al., Pulse Electric Field Treatment Enhances the actericidal Action of Nisin Against acilus ereus, Appl & Environmental Microbiology, 66, 48, 000. [9] Efim Oks, Plasma athode Electron Sources, Wiley Vch Verlag GmbH & o. KGaA, Weinheim. ISN: [] ANONIM, Electrical reak-downs Limits for MEMS, EE34/44 Handout, January, 007. [11] ANNA KRAVHENKO and HAKAN ANDAN, Glow Discharge, First published on the web: The text is based on a lecture given by Zoltan Donko, RISSP udapest, at the first Gladnet training course in Antwerp Sept. 007, [1].S. WONG, The Glow Discharge, in Proceedings of 1984 Tropical ollege on Applied Physics, Laser and Plasma Technology, edited by S. Lee, et al, World Scientific Publish o. Pte, Ltd, [13] AHMAD SAUDI SAMOSIR, Studi Penggunaan Penyearah 18 Pulsa Transformator 3 Fasa ke 9 Fasa Hubungan Segi Enem, Telkomnika, Vol 6 No. 1, April 008, 1-3 [14] MARSUD HAMID, IE Standar Laboratorium Sebagai Standar Uji Trafo Daya Tegangan Menengah, MEDIA ELEKTRIK, Volume 4 Nomor, Desember 009. TANYA JAWA Silakhuddin Apakah parameter-parameter yang dikemukakan ini lebih tepat sebagai parameter sumber tegangan ekstraksi, bukan parameter sistem ekstraksi. ambang Siswanto Kalau parameter sumber tegangan ekstraksi saya kira kurang tepat, karena dalam makalah ini yang diperhitungkan termasuk lebar pulsa, kecepatan Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 15, Oktober 013 :

7 Volume 15, Oktober 013 ISSN parameter penurun tegangan kapasitansi kapasitornya dan parameter lainnya. Rany S. Apa yang terjadi apabila tegangan pada ignitor terjadi penurunan tegangan lebih besar dari 0%. ambang Siswanto Tegangan ignitor akan mempengaruhi terjadinya spot plasma, sedangkan penurunan tegangan yang dimaksud adalah penurunan tegangan kapasitor bank dan jika penurunannya lebih besar dari 0% maka yang terjadi ektraksi/discharge yang berikutnya adalah tidak maksimum. 15