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
Top Related