PENBUKURAN PARAMETER PLASMA DENGAN PROBE BENTUK BOLA Agus Pur wadi, Suryadi, W. Usada Pusat Penelitian Nuklir Yogyakarta ABSTRAK Telah dilakukan pengukuran suhu dan kerapatan elektron plasma dengan alat percobaan yang telah disempurnakan. Pengukuran dilakukan dengan probe bola, menggunakan met ode analisa Langmuir probe. Probe dihubungkan dengan sumber tegangan dimuati dengan berbagai harga tegangan positif dan negatif relatif terhadap plasma, maka arus yang tertarik oleh probe akan memberikan informasi tentang keadaan parameter di dalam plasma. Dalam tabung lucutan gas argon diperoleh suhu dan kerapatan elektron plasma masing-masing T_ = (10,0 ~ 0,3) ev dan n_ = (9,9'± 0,2) x loe cm-~~ ABSTRACT 97
I. PENDAHULUAN 98 Penelitian plasma dalam tabung lucutan gas merupakan suatu titik tolak dalam mempelajari efek pengungkungan dan efek cermin plasma oleh medan magnet. Penelitian ini me~upakan penyempurnaan dari penelitian sebelumnya dalam usaha pemvariasian jarak a~ta~ elektroda, yang mana telah dilaksanakan, sehingga pengoperasian probe bisa tepat berada pada daerah kolom positif. Kemudian dengan ditambahnya sistem pendingin di daerah sekitar katoda, menjadikan arus muatan antar elektroda relatif lebih stabil. Parameter plasma di daerah kolom positif pada kondisi normal glow discharge ditentukan dengan probe bentuk bola, diharapkan akan diperoleh hasil pengukuran akhir yang lebih baik, karena adanya efek koreksi dari bentuk yang sederhana. Salah satu yang paling diutamakan dalam diagnostik plasma adalah karakteristik arus-tegangan dari probe yang disisipkan ke dalam plasmac1>, karena parameter plasma seperti suhu dan kerapatan elektron plasma dapat ditentukan atas dasar dari karakteristik probe yang diperoleh dalam percobaan. Analisa metode konvensional penentuan suhu dan kerapatan elektron plasma dengan menggunakan probe, secara singkat dapat dipahami dengan cara sebagai berikut. Pada grafik karakteristik probe idealc2>, arus elektron yang berada di daerah exponensial disajikan oleh persamaan a.tau (1a) In 1_ = In I_~ + e~/kt_ <1b) dimana I_J adalah arus elektron jenuh (berada pada potensial plasma), T_ adalah suhu elektron, k adalah konstanta Boltzmann dan ~ ~dalah tegangan probe relatif terhadap tegangan plasma (~ = Vpr - Vp~). Kalau dianggap distribusi kecepatan elektron di sekitar probe mengikuti distribusi Maxwellc3>, maka arus elektron jenuh diberikan oleh persamaan
99 atau 1..:1 = envs/4 (2a) 1..:1 = ens (2kT./ rr m.) 1/2 (2b) dimana e adalah muatan elektron, n adalah kerapatan elektron, v adalah kecepatan rerata elektron (v = BkT./m), S adalah luasan probe dan T. adalah suhuelektron, m. massa elektron. Karena adanya sheath (selubung muatan) di sekitar probe, untuk probe berbentuk bola, arus elektron plasma memperoleh faktor koreksi sebesar F = 1 - (ev/kt.) (4), sehingga persamaan (2b) menjadi Suhu elektron plasma dapat ditentukan.dengan karakteristik probe dari hasill percobaan dengan menggunakan persamaa (lb); yaitu dengan mensubstitusikan dua pasangan harga (I_1'~1) dan (I_2'~2) yang diperoleh ke persamaan (lb) tadi, atau dapat dituliskan Dari persamaan (4a) dan (4b) akan diperoleh persamaan suhu elektron plasma yaitu Sedang untuk -kerapatan elektron plasmanya dapat ditentukan dari persamaan (3) dengan harga arus elektron jenuh pada grafik karakteristik probe dari hasil percobaan(~). II. TATA KERJA Blok diagram alat penentu parameter plasma yang digunakan dalam perccbaan ini adalah seperti ditunjukkan pada gambar 1.
100 1 2 5a 3 4 10a 9 8 luc 11 Gambar 1. Blok diagram alat penentu parameter plasma Keterangan gambar : 1. Air pendingin : air didinginkan dengan AC Sanyo 165 BR. 2. Pompa air pendingin : digunakan pompa air Sanyo A-90UM. 3. Pompa vakum : digunakan pompa vakum rotary Edwards, England. 4. Gas argon digunakan sebagai pengisi tabung lueutan. 5. Kran : kran air dan pompa vakum dibuat dari gel as di PPNY, kran untuk gas Argon digunakan regulator Matheson. 6. Tabung plasma : tabung plasma dibuat dari bahan kuningan dan gel as, masing-masing dengan diameter 7,5 em dan 2 em. Jarak antar elektroda dapat divariasi. 7. Katoda : terbuat dari bahan tungsten, panjang 3 em, ~ = 0,5 mm. 8. Anoda : terbuat dari bahan tungsten, ~ = 3,5 mm 9. Probe : terbuat dari bahan tungsten, ~ = 0,5 mm dan ujung berbentuk bola dengan ~ = 0,6 mm. 10. Tegangan searah : tegangan katoda diatur selalu konstan sebesar 15 volt, arus 2,5 A. Tegangan probe hanya
101 dioperasi- kan antara -3~ sampai dengan +30 volt, dengan menggunakan Power Supply Trio PR 602A. Lucutan tabung plasma menggunakan sumber tegangan tinggi Hipotronics. 11. Multimeter : digunakan Elektrometer Keithley bloc dan Sanwa 501-ZX-TR. 12. Tahanan : digunakan tahanan porselin 100 kohm. Adapun cara percobaan dapat dilakukan sebagai berikut : 1. Tabung lucutan gas divakum hingga bertekanan 0,35 mbar 2. Dipasang tegangan antar elektroda sebesar + 500 volt sehingga terjadi lucutan normal glow, dengan memvariasikan jarak antar elektroda. 3. Probe diberi tegangan dari -30 sampai +30 volt serta dibaca arus yang melalui probe pada Elektrometer. 4. Hasil pemvariasian tegangan terhadap arus digambar sehingga menghasilkan karakteristik probe. 5. Suhu dan kerapatan elektron plasma dapat ditentukan dari hasil analisa karakteristik probe. III. HASIL DAN PEMBAHASAN Dengan menggunakan probe bentuk bola~ diperoleh dari hasil variasi tegangan probe evpr)terhadap arus (Ipr) seperti tertera pada tabel 1. data probe I Tabel -3 Vpr Data (volt)(ua) 1-130 110 r -12-6 -9 150, I -15-18 -21 I I -24-27 180 160,5 170,5 200 190 variasi 35 50 (ua) -10 Ipr- -2,5 20 5 tegangan probe terhadap arus probe 12 volt) ------------------------------- 17 95 46 8 3 0 Vpr
102 Hasil percobaan menunjukkan bahwa dalam selang tegangan antara 24 dan 27 volt, tak ada lagi perubahan arus probe meskipun tegangan dinaikkan hingga melebihi 27 volt (arus relatif selalu tetap 200 fta, sampai tegangan tertentu) Demikian halnya untuk penurunan harga tegangan sampai dengan -24 volt, terjadi kejenuhan arus lagi sebesar -10)UA. Dari kedua harga arus probe tersebut dapat disimpulkan bahwa besar arus elektron jenuh adalah I_~ = 210pA, karena arus. elektron merupakan jumlahan antara arus ion jenuh dengan arus probe sedang arus ion jenuhnya sendiri adalah = 10 }J-A. Dari data pada tabel 1, dapat diketahui masing-masing harga arus elektronnya pada harga tegangan probe yang bersangkutan, yaitu dengan menambahkan harga 10 ua pada arus probenya. Dleh karenanya, sekarang dapatlah digambarkan grafik hubungan antara tegangan probe terhadap In untuk menentukan harga suhu elektron plasmanya (gambar 2) ~~if~f~=:1~~~i~~~e~- ~~~E~~L ~E:g~:~ ::~~~~:;h~::::._~ :- ;~==~~-~_~~~:it~-=~~~1:=:~::i-~~~i~~~~ ~~t~~~~~i1~ilift~~~~r~~t~l~~i~j~ti~ Gambar 2. Grafik hubungan antara Vpr dengan In 1_
103 Dengan mengetahui ha~ga slope (kemi~ingan) pada gamba~ 2 dan menggunakan pe~samaan (5), maka dapat ditentukan harga suhu elektron plasmanya. Telah dihitung untuk masing-masing ha~ga pasangan antara (80,-3); (60,-6); (45,-9) dan (30, 12)i yang masing-masing dengan (15,-18) maka suhu elektron plasma yang diperoleh adalah T.1 = 10,394 ev, T.2 = T.3 = 10,043 ev dan T.4 = 9,474 ev memberikan rata-rata T. = (10,0 + 0,3) ev. Selanjutnya dari persamaan (3), kerapatan elektron plasma dapat ditentukan, yaitu : n. = (9,9 ~ 0,2) x loa cm-3 IV. KESIMPULAN Penyempurnaan alat percobaan penentu parameter plasma dengan penambahan sistem pendingin di daerah sekitar katoda serta usaha pemvariasian jarak antar elektroda pada tabung lucutan gas berdampak positif. Selama percobaan dilakukan, arus probe teramati selalu stabil untuk berbagai macam harga tegangan probe yang diberikan serta menjadikan mudah dalam menentukan keadaan normal glow discharge, diperoleh pada tekanan gas argon 0,35 mbar, tegangan antar elektroda 320 volt, jarak antar elektroda 18 v cm dan arus filamen katoda 2,5 A. Hasil pengukuran suhu dan kerapatan elektron plasma pada tabung lucutan gas yang masing-masing adalah T. = (10,0 ~ 0,3) ev dan n. = (9,9 ~ 0,2) x loa cm-3 UCAPAN TERIMA KASIH Atas segala bantuan rekan-rekan sekerja di PPNV dalam melakukan penelitian hingga kertas kerja ini selesai ditulis, penulis mengucapkan terima kasih. DAFT AR PUST AI<A 1. CHARLES B. WHARTON, "Plasma Probing", Lawrence Radiation Laboratory, University of California, California. 2. NOBUYUKI KAVA, "New Technique for Direct Measurement of Electron Tempe~ature", Rev. Sei. Instrum. 53, 7, July, 1982.
104 31 IIM. PodgorNyi, "Topics in Plasma Diagnostics", Translatedfrom RICHARDSH. HUDDLESTONE CosmeticsStudy, ( Rusia, 1971> Institute USSR Research "Plasma of Laboratory LEONARD, (1965). Techniques", California Plasma and SANLEY L. Los Angeles, 5. WONG C.S., "Proceedings of First Tropical College on Applied Physics", University of Malaya, Malaysia (1983). TANYA JAWAB 1. Engkir S. Apa gunanya penelitian ini? Widdi Usada Untuk mempelajari parameter plasma pada suhu dan kerapatan rendah dalam tabung lucut yang secara geometri dikenal sebagai tabung lucut sistem terbuka. Untuk tahap selanjutnya ingin ditinjau pengaruh medan magnet yang dipasang sepanjang kolom plasma dan dikedua ujung tabung, dalam hal pengungkungan plasma dalam medan magnet. Perlu diketahui geometri tersebut juga merupakan salah satu konsep reaktor fusi (reaktor fusi cermin). 2. Made Berata a. Dengan adanya sistem pendingin di daerah sekitar elektroda akan menjadikan arus stabil. Bagaimana hubungan antara perubahan suhu dengan aliran arus? b. Pada hubungan antara tegangan dan arus mula-mula naik kemudian turun. Menurut teori yang pernah kami baca mula-mula arus naik setelah jenuh tidak turun tetapi lurus. Apa sebab pada grafik yang ditunjukkan ada penurunan arus? Suryadi a. Hingga kini, hubungan rumusan secara teoritis belum diperoleh. b. Pada grafik hubungan tegangan dan arus (dalam tabung) yang ditunjukkan, tidak ada penurunan arus. Arus
105 selalu naik, yang turun naik hanyalah tegangannya saja. 3. Utaja Bagaimana cara eksperimen dari BCDE pada gambar yang telah dijelaskan, apakah tidak loncat dari B ke sisi kanan? Agus Purwadi Cara eksperimen untuk memperoleh kurva BCDE pada gambar karakteristik lucutan listrik I - V di bawah ini: yaitu setelah tegangan breakdown di titik B diperoleh, tegangan penyedia daya distop, selanjutnya yang divariasi adalah tahanan luarnya saja. Segmen garis BCDE pasti terjadi, tetapi dalam waktu yang relatif sangat singkat (orde mikro deti k) 10 1 -I,0 F 'O~I2. 20D.ljoo boo ~oo -V (VO( t) Gamba... Ka... akteristik lucutan list... ik I - V