PENBUKURAN PARAMETER PLASMA

DENGAN PROBE BENTUK BOLA

Agus Purwadi, 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 metode

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

98

I. PENDAHULUAN

Penelitian plasma dalam tabung lucutan gas merupakan

suatu titik tolak dalam mempelajari efek pengungkungan dan

efek cermin plasma oleh medan magnet. Penelitian ini

me~upakan penyempurnaan dari penelitian sebelumnya dalam

usaha pemvariasian jarak a~ta~ elektroda, yang mana telah

dilaksanakan, sehingga pengoperasian probe bisa tepat berada

pada daerah kolom positif. Kemudian dengan ditambahnya

sistem pendingin di daerah sekitar katoda, menjadikan arus

muatan antar elektroda relatif lebih stabil. Parameter

plasma di daerah kolom positif pada kondisi normal glow

discharge ditentukan dengan probe bentuk bola, diharapkan

akan diperoleh hasil pengukuran akhir yang lebih baik,

karena adanya efek koreksi dari bentuk yang sederhana.

Salah satu yang paling diutamakan dalam diagnostik

plasma adalah karakteristik arus-tegangan dari probe yang

disisipkan ke dalam plasmac1> , karena parameter plasma

seperti suhu dan kerapatan elektron plasma dapat ditentukan

atas dasar dari karakteristik probe yang diperoleh dalam

percobaan. Analisa metode konvensional penentuan suhu dan

kerapatan elektron plasma dengan menggunakan probe, secara

singkat· dapat dipahami dengan cara sebagai berikut. Pada

grafik karakteristik probe idealc2>, arus elektron yang

berada di daerah exponensial disajikan oleh persamaan

(1a)a.tau

In 1_ = In I_~ + e~/kT_ <1b)

dimana I_J adalah arus elektron jenuh (berada pada potensial

plasma), T_ adalah suhu elektron, k adalah konstanta

Boltzmann dan ~ ~dalah tegangan probe relatif terhadap

tegangan plasma (~ = Vpr - Vp~). Kalau dianggap

distribusi kecepatan elektron di sekitar probe mengikuti

distribusi Maxwellc3>, maka arus elektron jenuh diberikan

oleh persamaan

atau

99

1•..:1 = envS/4

1• ..:1 = enS (2kT./ rr m.) 1/2

(2a)

(2b)

dimana e adalah muatan elektron, n adalah kerapatan

elektron, v adalah kecepatan rerata elektron (v = BkT./m), S

adalah luasan probe dan T. adalah suhuelektron, m. massa

elektron. Karena adanya sheath (selubung muatan) di sekitar

probe, untuk probe berbentuk bola, arus elektron plasma

memperoleh faktor koreksi sebesar F = 1 - (eV/kT.) (4),

sehingga persamaan (2b) menjadi

Suhu elektron plasma dapat ditentukan .dengan

karakteristik probe dari hasill percobaan dengan menggunakan

persamaa (lb); yaitu dengan mensubstitusikan dua pasangan

harga (I_1'~1) dan (I_2'~2) yang diperoleh ke persamaan (lb)

tadi, atau dapat dituliskan

Dari persamaan (4a) dan (4b) akan diperoleh persamaan suhu

elektron plasma yaitu

Sedang untuk -kerapatan elektron plasmanya dapat ditentukan

dari persamaan (3) dengan harga arus elektron jenuh pada

grafik karakteristik probe dari hasil percobaan(~).

II. TATA KERJA

Blok diagram alat penentu parameter plasma yang

digunakan dalam perccbaan ini adalah seperti ditunjukkan

pada gambar 1.

10a

15a

3

100

luc

9

2

8

11

4

Gambar 1. Blok diagram alat penentu parameter plasma

Keterangan gambar :

1. Air pendingin : air didinginkan dengan AC Sanyo 165 BR.

2. Pompa air pendingin : digunakan pompa air Sanyo A-90UM.

3. Pompa vakum : digunakan pompa vakum rotary Edwards,

England.

4. Gas argon digunakan sebagai pengisi tabung lueutan.

5. Kran : kran air dan pompa vakum dibuat dari gel as di

PPNY, kran untuk gas Argon digunakan regulator

Matheson.

6. Tabung plasma : tabung plasma dibuat dari bahan kuningan

dan gelas, 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

Tabel 1-Data variasi tegangan probe terhadap arus probe

Vpr

IprIVpr Ipr-I

(volt)(uA)I(volt)(uA)I

----------------------------------0

90

3

110I-3 70I

6130I-6 50r

9150I-9 35I

12160,5,-12 20I

15170,5

I-15 10I

18180I-18 5I

21190I-21 -2,5I

24200I-24 -10I

27200I-27 -10I

----------------------------------

102

selang

ada lagi perubahan

hingga melebihi 27tegangan

percobaanHasil

(arus

tegangan

probe

tertentu) •

volt

arus

tegangan

dalambahwa

sampai

tak

menunjukkan

volt,

dinaikkan

tetap 200 ftA,

27dan

selalu

antara 24

meskipun

relatif

Demikian halnya untuk penurunan harga tegangan sampai

-24 volt, terjadi

kedua harga aruskejenuhan arus lagi sebesar -10)UA.

probe tersebut dapat disimpulkan

dengan

Dari

bahwa

besar arus elektron jenuh adalah I_~ = 210pA, karena arus .

elektron merupakan jumlahan antara arus ion jenuh dengan

arus probe sedang arus ion jenuhnya

harga 10

dapatlah

antara tegangan probe terhadap

suhu elektron plasmanya (gambar

bersangkutan,

probenya.

hubungan

menentukan harga

pada

data pada

elektronnya

yaitu dengan

yangprobe

2)

uA pada arus

digambarkan

untukIn

masing-masing

tegangan

diketahuidapat

sekarang

harga

menambahkan

1,10 }J-A.tabel

=

karenanya,Dleh

adalah

arus

Dari

harga

grafik

sendiri

~~if~f~=:1~~~i~~~E~-§~~~E~~L§~E:g~:~::~~~~:;h~::::._~·:-__;~==~~-~_~~~:it~-=~~~1:=:~::i-~~~i~~~~

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

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 cm dan arus filamen katodav2,5 A.

Hasil pengukuran suhu dan kerapatan elektron plasma

pada tabung lucutan gas yang masing-masing adalah T. = (10,0

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

UCAPAN TERIMA KASIH

Atas segala bantuan rekan-rekan sekerja di PPNV dalam

melakukan penelitian hingga kertas kerja ini selesai

ditulis, penulis mengucapkan terima kasih.

DAFT AR PUST AI<A

1. CHARLES B. WHARTON, "Plasma Probing", Lawrence Radiation

Laboratory, University of California, California.

2. NOBUYUKI KAVA, "New Technique for Direct Measurement of

Electron Tempe~ature", Rev. Sei. Instrum. 53, 7, July,

1982.

31 IIM. PodgorNyi,

104

"Topics in Plasma Diagnostics",

TranslatedfromRusia,InstituteofCosmeticsStudy,

Moscow,

USSR( 1971> •

4.

RICHARDSH.HUDDLESTONE andSANLEY L.LEONARD,"Plasma

Diagnostic

Techniques",PlasmaResearchLaboratory

Aerospace Corporation,

Los Angeles,California(1965).

5. WONG C.S., "Proceedings of First Tropical College on

Applied Physics", University of Malaya, Malaysia (1983).

TANYA JAWAB

1. Engkir S.

Apa gunanya penelitian ini?

Widdi Usada

Untuk mempelajari parameter plasma pada suhu dan

kerapatan rendah dalam tabung lucut yang secara geometri

dikenal sebagai tabung lucut sistem terbuka. Untuk tahap

selanjutnya ingin ditinjau pengaruh medan magnet yang

dipasang sepanjang kolom plasma dan dikedua ujung tabung,

dalam hal pengungkungan plasma dalam medan magnet. Perlu

diketahui geometri tersebut juga merupakan salah satu

konsep reaktor fusi (reaktor fusi cermin).

2. Made Berata

a. Dengan adanya sistem pendingin di daerah sekitar

elektroda akan menjadikan arus stabil. Bagaimana

hubungan antara perubahan suhu dengan aliran arus?

b. Pada hubungan antara tegangan dan arus mula-mula naik

kemudian turun. Menurut teori yang pernah kami baca

mula-mula arus naik setelah jenuh tidak turun tetapi

lurus. Apa sebab pada grafik yang ditunjukkan ada

penurunan arus?

Suryadi

a. Hingga kini, hubungan rumusan secara teoritis belum

diperoleh.

b. Pada grafik hubungan tegangan dan arus (dalam tabung)

yang ditunjukkan, tidak ada penurunan arus. Arus

selalu naik, yang

saja.

3. Utaja

105

turun naik hanyalah tegangannya

Bagaimana cara eksperimen dari BCDE pada gambar yang

telah dijelaskan, apakah tidak loncat dari B ke sisi

kanan ?

Agus Purwadi

Cara eksperimen untuk memperoleh kurva· BCDE pada gambar

karakteristik lucutan listrik I - V di bawah ini: yaitu

setelah tegangan breakdown di titik B diperoleh, tegangan

penyedia daya distop, selanjutnya yang divariasi adalah

tahanan luarnya saja. Segmen garis BCDE pasti terjadi,

tetapi dalam waktu yang relatif sangat singkat (orde mikro

deti k) •

10

1-I

,0

····'O~I2.

F

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

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