fenomena filamentari pada lucutan plasma cethus - ANSN

KE DAFTAR ISI
364
ISSN 0216 - 3128
FENOMENA
CETHUS
FILAMENTARI
Widdi Usada, Suryadi, Agus Purwadi,
Pusat Teknologi Akseleratordan
Widdi Usada, dkk.
PADA LUCUTAN PLASMA
Isyuniarto
Proses Bahan. BATAN
ABSTRAK
FENOMENA FlLAMENTARI PADA LUCUTAN PLASMA CETHUS. Didalam makalah ini ditllnjllkkan
fenomena lucutan filamentari pada lucutan plasma eet/llIs. Lllcutan plasma cethus berbentuk filamen
ditunjukkan dari proses dadal listrik pada susunan tiga elektrode. yaitu anode, katode dan ditengahnya
elektrode pemicu pada tekanan atmosferik. Karena lucutan celah cethus sedemikian cepat dalam orde I-Jdetik
(I(T6detik) serta menghasilkan spektrum sinar UV yang sedemikian kuat intensitasnya maka untuk
memperoleh citra fen omena filamentari pada celah cethus diperlukan sistem pemotret yang terdiri dari
laser nitrogen pulsa dengan lebar pulsa dalam orde ndetik (1(T9 detik) dan filter optis khusus sehingga
hanya sinar laser dan sinar yang frekuensinya
lebih tinggi dari sinar laser terse but yang mampu
menembusnya. Dalam eksperimen tersebut. diperoleh energi pelimpahan sebesar 0,/6 J,daya sebesar I MW,
periode lucut 150 I-Jdetikdan filamentari lucutan yang semula berbentuk garis tipis kemudian mengembang
membentuk lingkaran bergaris tebal. Seperti diketahui fenomena ini yang mendasari hampir semua proses
aplikasi lucutan plasma.
ABSTRACT
FILAMENTARY
PHENOMENA ON SPARK PLASMA DISCHARGE.
The
filamentary phenomena on spark plasma discharge is shown in this paper. Spark plasma discharge in the
filamentary form is also shown by electrical breakdown processes on the three electrodes arrangement.
that are anode, cathode and trigger electrode located in between anode and cathode in atmospheric
pressure. Since the spark plasma discharge produces high intensity UV light in a short time in the order of
I-Jsec (I(T6sec.) so to get the image offilamentary phenomena, it is needed an optical camera system which
consists of pulse nitrogen laser with pulsewidth in the order of nsec (I (T9 sec.) and special optical jilter
such that only laser light and light with higher than laser frecuency can pass through. In this experiment, it
is measured that the delivery energy of 0.16 J. delivery power of I MW, discharRe periode 0/150 Jlsec alld
shown that in the very early the filll/llenlllry shows a velY thin lille alld ajierll'ards it dewlof}S to jimll a
circle with a thick line. It is known that this kind of discharge is a basis for almost all plasma discharge
application processes.
PENDAHULUAN
Fenomena
filamentari
yangterhalang
dijumpai
pada
lucutan korona
dan lucutan
dielektrik
telah ban yak berjasa dalam aplikasi plasma untuk
berbagai bidang
seperti
lingkungan, kesehatan,
industri, pertanian, dan peternakan. Keistimewaan
lucutan filamentari adalah dihasilkannya elektron
yang cukup berlimpah dan cukup bertenaga sehingga
mampu memberikan proses interaksi atomik dan
molekuler yang memberikan radikal, ion, dan sinar
dari sinar inframerah, sinar tampak sampai ultraviolet karena beroperasi pada tekanan atmosferik.
Munculnya spesies radikal, ion dan sinar dengan
jangkau gelombang cukup lebar inilah yang menentukan berbagai arah aplikasi plasma. Fenomena
serupa juga terjadi pad a lucutan plasma cethus atau
lucutan bunga api (spark plasma discharge). Apli-
kasi teknologi plasma yang diperlihatkan pad a
lucutan plasma cethus seperti pada busi (sparkplug), celah cethus (spark-gap), adalah sebagai
pemicu dan kendali sistem dan sebagai sumber sinar
X, UV, sumber radikal, ion-ion. Meskipun lucutan
plasma cethus sedemikian pendek umurnya namlln
fenomena yang terkandung didalamnya masih kaya
untuk diteliti sebagai contoh adanya fenomena
filamentari yang dipaparkan dalam makalah ini.
DADAL LISTRIK
ATMOSFERIK
PADA
TEKANAN
Arus dadal listrik pad a sistem dua elektrode
pelat sejajar (seperti diperlihatkan Gambar I), dapat
didefinisikan sebagai[I.3.41
Prosiding PPI - PDIPTN 2006
Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 10 Juli 2006
ISSN 0216 - 3128
Widdi Usada, dkk.
1
10 eq(V-Vo)
(I- r(eq(V-Vo)
antara anode dan katode yang disebut pula koefisien
ionisasi Townsend kedua. Karena V = E d. dimana
E medan listrik dan d adalah jarak anatara kedua
elektrode,
maka terjadinya dadal listrik juga
sebanding dengan medan listrik dan berbanding
terbalik dengan tekanan atau kerapatan dan jarak
antara kedua elektrode.
(I)
-I)
365
Dengan 10 adalah arus elektron mula-mula yang
dipancarkan dari katode, 1 adalah arus elektron, dan
I] koefisien ionisasi yang didefinisikan
sebagai
banyaknya ion yang terbentuk saat sebuah elektron
menumbuk atom atau molekul pad a beda tegangan 1
volt,
V tegangan anode dan Vo adalah tegangan
anode saat arus mulai tidak sarna dengan nol, r =
banyaknya elektron sekunder yang dihasilkan di
katode setiap terjadinya tumbukan ionisasi di celah
Untuk proses dadal listrik pada tekanan
atmosferik maka proses yang terjadi disertai dengan
avalan elektron yang selanjutnya mengembang
dalam waktu relatif cukup lama dalam satuan Ildetik
seperti ditunjukkan Gambar 2.
A
K
1=
loe'1i.JI-JlO)
(1-
.'\
·Je'1(Y-JlO)
- 1)
+
Sumber Tegangan
Gambar
I. Lucutan pada sistcm dua elektro-dc
pelat sejajar.
Anoae
I iI
1~rtl
~~. ..
'
\
I
:.
::,
, .
.~ o'
I
.,
",
.'
! Fotol'!
d
.
if'
.'
/~v"'-./·'"'·
Katoae
(A)
Gambar
(B)
(C)
(0)
2. Proses dadal listrik dan perkembangannya,
dari proses pelipatan
elektron (A), kcmudian diikuti dcngan pengcmbangan dan struktur
avalan (B) tampak bahwa ion sudah kctinggalan jauh dibelakang
elektron karena massanya jauh lebih besar ion bcrada diujung,
selanjutnya diikuti avalan (pengumpulan) elektron dalam jumlah
besar sampai diujung anode (C), dan (D) menunjukkan
proses
proses yang terjadi pasca avalan.
Prosiding PPI - PDIPTN 2006
Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 10 Juli 2006
366
ISSN 0216 - 3128
LUCUTAN FILAMENTARI
Saat terbentuknya elektron, maka dalam
perjalanannya pad a jarak x, setiap elektron akan
menghasilkan sebanyak eox, dan sebanyak eox ion
yang dianggap diam saja karena bermassa besar, ex
adalah jumlah elektron yang terbentuk karena proses
tumbukan. Karena memiliki keeepatan difusi aeak
saat terjadinya
proses ionisasi yang diakibatkan
tumbukan elektron, maka ujung avalan elektron akan
melebar saat avalan bergerak maju. Selain ion atom
maupun molekul juga mengalami eksitasi. Atomatom tereksitasi dapat memanearkan radiasi eahaya
ultraviolet, yang apabila eahaya ini diserap oleh gas
ada kemungkinan terjadi proses ionisasi juga,
sehingga terbentuk pula elektron baru. Produksi
elektron ini lagi-Iagi membentuk avalan elektron
baru, tetapi jumlahnya sangat keci!.
Avalan-avalan
elektron yang dihasilkan
berdekatan dengan ion-ion positif dan utamanya di
dekat anode, berada di dalam medan muatan ruang
ion positif. Medan muatan ruang ini sangat besar,
demikian pula kerapatan muatan ruangnya yang
besamya sedikit diatas medan ambang sebanding
dengan medan lueut yang dikenakannya. Medan ini
mengganggu medan lueut sepanjang sumbu avalan,
dan hasilnya adalah elektron ditarik ke dalam daerah
muatan ruang positif, dan menjadi daerah penghantar listrik yang berawal dari anode. Ion positif
yang tertinggal dibelakang elektron akan bergerak
maju juga sehingga memperpanjang muatan ruang
Widdi Usada, dkk.
menuju ke katode, dan juga menghasilkan elektronelektron baru. Elektron ini juga akan menghasilkan
foton, yang kemudian menghasilkan elektron lagi
demikian tems menerus proses berlangsung. Dengan
eara ini muatan positif ruang mengembang menuju
katode dari anode sebagai filamen muatan ruang
positifyang merambat diri. Karena rambatan muatan
positif tergantung kepada fotoionisasi dalam gas,
keeepatan perambatan filamen ini lebih besar
daripada keeepatan avalan dan bertambah besar
selagi filamen bergerak maju .. Proses pembentukan
filamen diperlihatkan Gambar 3.
Setiap filamentari bergerak maju menuju
katode, terbentuk avalan foto-elektron karena radiasi
di katode
yang diawali dengan proses ionisasi
sedemikian banyaknya. Ion-ion positif yang dihasilkan akan menembaki katode dan memperbanyak
elektron emisi.
Jadi saat filamen muatan ruang
mendekati katode, timbul proses penghantaran yang
menjembatani eelah, dan karena medan listriknya
kuat banyak elektron yang mengalami pereepatan
berlarian menuju anode.
Sekarang dengan dimilikinya tegangan yang
besar, maka menambah semakin intensnya proses
ionisasi sehingga mampu dalam kolom filamen
tersebut kerapatan elektron bahkan meneapai 10\8
sampai 1020 em-3, sehingga kolom filamen menjadi
penghantar listrik yang tinggi. Keeepatan perambatan pad a kolom filamen berorde 108 m/detik.
Anoae
Katoae
Gambar 3. Proses pembentukan
filamentari.
Prosidlng PPI - PDIPTN 2006
Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 10 Juli 2006
Widdi U.mda, dkk.
ISSN 0216 - 3128
·1 ••..
367
".
ri)~·M,t~~;'U
,.!,:.fr"
(~~":2~~.q
..~
<",
,.'/~"~~,,,f)
"'<o~""
.'.ij,'j f':y1 ',,:1 ~
w
Q";.;}tJ,,:-t:.
(,~
---/.l).)
AnM'
I
;-
.•••
\.
~~ ••••
KatoJ.~
"-~_n
•
~
~~-----------I
II: : : : : : : : : : : : I : : : : : : : : : : : I : : : : I I I I I I I I I I I I I I I I I I
---'r
I
KatoJ.~
Gambar
4. Lucutan filamentari
pada sistem lucutan plasma terhalang
TAT A PERCOBAAN
Dalam sistem lucutan plasma terhalang
dielektrik yang terdiri dari susunan anode dan katode
serta salah satu atau kedua elektrode dilapisi dengan
bahan dielektrik, maka ban yak diperoleh lucutanlucutan filamentari seperti tampak pada Gambar 4.
Untuk eksperimen
Q 5 1. J 0 kV
lLLaser~n
lucutan plasma cethus
maka gerlu disiapkan kapasitor cepat dengan energi
0,5 J 2], sumber tegangan searah yang mampu
memberikan tegangan lebih besar
10 kV, sistem
susunan 3 elektrode yang terdiri dari katode, anode,
dan elektrode pemicu, Laser Nitrogen Pulsa, Kolimator Berkas Laser, Lensa, Filter, Kamera Polaroid,
Rangkaian Pemicu dan Rangkaian Penunda Waktu.
Kemudian piranti-piranti terse but disusun seperti
ditunjukkan pada Gambar 5.
Dengan semakin banyaknya jumlah lucutan
filamentari maka piranti tersebut lebih efisien karena
semakin banyak elektron yang diproduksi, dan
semakin sedikit lucutan filamentari dalam sistem
tersebut semakin sedikit jumlah elektron yang
diperoleh sehingga piranti tidak lagi efisien.
KapaJitor
dielektrik.
ilnod/l
CD
1~Ei'''''od'
o
p'm;~
I."
Filter
~
IUmera.
Polaroid
Rangkaian
Pemic:u
Gambar 5. Susunan eksperimen
lucutan plasma Cethus.
Prosiding PPI - PDIPTN 2006
Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 10 Juli 2006
368
ISSN 0216 - 3128
Gambar
Widdi Usada, dkk.
6. Laser Nitrogen Pulsa dengan sistem kolimator.
Laser Nitrogen Pulsa, Kolimator Berkas
Laser, Lensa, Filter, Kamera Polaroid, bisanya
disebut Sistem Laser Shadowgraphy. Laser nitrogen yang dibuat dalam eksperimen ini menggunakan sistem Blumlein seperti ditunjukkan Gambar 6.
Gambar 6 memperlihatkan foto laser nitrogen pulsa dengan sistem kolimatomya.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Susunan eksperimen seperti ditunjukkan
Gambar 5. Sebagai sumber lueut adalah sistem 3
elektrode,
elektrode
pertama
atau
anode
dihubungkan dengan kutub positif dari kapasitor 10
IlF yang diberi tegangan 10 kV. Jarak an tara anode
dengan elektrode pemieu yang dipasang ditengah
sekitar 3 mm dan jarak katode dengan elektrode
pemieu sekitar 2 mm. Katode dihubungkan dengan
kutub negatif atau kutub yang ditanahkan. Dengan
tegangan sekitar 10 kV tidak terjadi lueutan antara
anode dan katode. Seperti diketahui pada tekanan I
atmosfer maka bila jarak anode-katode sekitar 1
mm dan diberi tegangan 3 kV baru akan terjadi
lueutan. Oleh karena itu pada jarak anode-katode
sekitar 5 mm dengan tegangan 10 kV sarna sekali
tidak dikawatirkan terjadinya lueutan dadal. Jadi
akan terjadi lueutan dadal bila beda tegangan antara
anode-katode sekitar 15 kV.
Peranan elektrode pemieu adalah memberikan pulsa tegangan pieu agar terjadi lueutan dadal
antara anode dan katode. Oleh karena yang
dibutuhkan tegangan minimal 15 kV padahal
tegangan anode kapasitor baru dipunyai 10 kV
maka peranan elektrode pemieu adalah menyalurkan tegangan negatif tambahan sedikitnya -5 kV
sehingga ada beda tegangan sekitar 10 - (-5) kY
atau 15 kV. Tegangan negatif untuk elektrode
pemieu diambil dari rangkaian listrik pemicu
mampu memberikan tegangan sebesar -8 kY. Oleh
karena itu bila rangkaian pemieu ditekan tombol
pemieunya maka terjadi lueutan dari kapasitor ke
sistem 3 elektrode dan terjadi ledakan cukup keras.
Pengerahan energi listrik dengan eepat memberikan lueutan dadal yang menghasilkan pulsa plasma
.dan cahaya dengan spektrum gelombang yang
cukup lebar jangkaunya dengan intensitas yang
sangat tinggi pula.
Fenomena
lueutan plasma yang cepa!
tersebut ditangkap oleh laser nitrogen pulsa yang
mempunyai panjang gelombang
254 nm dengan
lebar pulsa sekitar 1 ndetik. schingga perubahan
plasma selama I nanodetik dapat ditangkap olch
sinar laser dan informasi pcrubahan plasma !crscbu!
direkam oleh kamera polaroid setclah melalui
sistem optis yang dilengkapi dengan filter khusus.
Filter khusus tersebut hanya bisa dilalui oleh sinar
dengan panjang gelombang tertentu sekitar 250 nm,
selain panjang gelombang tersebut semua berkas
sinar yang masuk ditolaknya. Jadi hanya informasi
yang dibawa sinar laser tersebut dapat diteruskan
oleh . filter tersebut dan direkam oleh kamera
polaroid.
Karena hanya kejadian selama orde nanodtik
tersebut yang dapat di rekam oleh kamera, maka
dengan l1}engendalikan perubahan waktu
an tara
peristiwa yang ditimbulkan uleh lucutan plasma
plasma eethus dengan sinar laser yang datang kita
dapat mengerti apa yang terjadi dialam lueutan
plasma plasma eethus tersebut dari waktu kewaktu.
Jadi fungsi sistem penunda waktu disini adalah
membuat selisih waktu an tara penyalaan sistem
Prosiding PPI - PDIPTN 2006
Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 10 Juli 2006
ISSN 0216-3128
Widdi Usada, dkk.
369
lucutan plasma plasma cethus dengan sinar laser
yang dikenakan padanya. Dalam eksperimen yang
dilakukan ini selisih waktu yang diambil ot dari 40
ndetik sampai 7,6 fldetik.
Apa yang kita lihat adalah sebagai berikut :
Elektrode Pemiw
Anode
Gambar
9. Filamentari pad a lucutan plasma
cethus dengan at = 0.8 J.1detik.
Gambar
10. Filamentari pada lucutan plasal = 2
ma cethus dengan
J.1detik.
Gambar
11. Filamentari pada lucutan plasma cethus dengan al = 3,6
J.1detik.
Lucuta" fiJamM
Gambar
7. Filamentari pad a Lucutan Plasma Cethus dengan at = 40
ndetik.
Dari Gambar 7 tampak bahwa selang waktu
01 = 40 ndetik muncul dua filamen antara katode
dengan elektrode pemicu dan sebuah filamen antara
anode dengan elektrode pemicu.
Warna putih
ditengah adalah munculnya sinar dari plasma yang
sedemikian kuatnya dan tentunya mempunyai panjang gelombang yang lebih pendek daripada sinar
laser nitrogen sehingga mampu menembus filter.
Selanjutnya dengan mengubah ot lebih lama
akan diperoleh gambar sebagai berikut :
Gambar
8. Filamentari pada lucutan plasma
cethus dengan al = 200 ndetik.
. Dengan ditambahkannya bed a waktu ot sebesar 200 ndetik maka yang terlihat adalah filamentari bergerak melebar antara katode dengan
elektrode pemicu demikian pula an tara elektrode
pemicu dengan anode, dan justru semakin bertambah jumlah filamentarinya, jadi selain bertambah
juga filamentari bergerak baik ke atas maupun ke
bawah. Gambar 9, 10, II memperjelas pendapat
tersebut pada bed a waktu ot = 800 ,2000 dan 3600
ndetik.
Dari deretan gambar yang ditunjukkan di
atas maka tampak bahwa lucutan plasma filamentari bergerak baik ke atas maupun ke bawah dengan pola seperti karet yang dijepit di kedua
pinggimya dan direntangkan ke atas maupun ke
bawah dan terbentuk pola Iingkaran. Dalam hal ini
karet mewakili kumpulan plasma yang terikat oleh
kedua elektrode, jadi kedua elektrode tersebut
bertindak sebagai penjepitnya.
Prosiding PPI - PDIPTN 2006
Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 10 Juli 2006
370
ISSN 0216-3128
Dari data eksperimen ditunjukkan bahwa Va
= ]0 kV dan Co= 10 nF, maka energi kapasitor w,
W =
Y2
Co V02 = 0.5 J
dan energi sebesar itu dilimpahkan kepada sistem
plasma cethus dan saluran transmisi, yang besar
induktansi totalnya (L) sekitar 29 nH sedangkan
induktansi plasma cethusnya (Lpc) sekitar 13 nHIS] ,
maka arus yang lewat pada sistem plasma cethus
adalah
I
Widdi Usada, dkk.
nanodetik, sehingga setiap gejala yang berubah
dalam orde mikrodetik dapat ditangkapnya. Dalam
lucutan plasma cethus ini diperoleh energi pelimpahan sebesar 0,16 J ,daya sebesar I M W, peri ode
lucut 150 J.Ldetikdari energi sumber sebesar 0,5 J,
dan filamentari lucutan yang semula berbentuk
garis tipis
kemudian mengembang membentuk
Iingkaran ~ergaris tebal. Pencitraan dengan sistem
laser shadowgraphy ini perlu dimanfaatkan untuk
melihat rapat cacah filamentari pada sistem lucutan
plasma ozonizer, sehingga dapat diketahui seberapa
besar efisiensi piranti generator ozon yang telah
dibuat.
= (0,5 J/21 nH) ~ = 5 kA
ACUAN
dan energi yang dilimpahkan kepada sistem plasma
cethus
sedangkan
periode lucut T adalah
T =
21r ~
L Co = 150 ndetik
Jadi daya P yang dilimpahkan
plasma cethus adalah
P
=
WIT:::::
kepada
sistem
I MW
sehingga daya listrik tersebut mendorong plasma
yang
semula
bentuk
silinder
seperti
yang
diperlihatkan Gambar 8 kemudian membentuk pola
lonjong dan akhirnya seperti lingkaran seperti
diperlihatkan Gambar II.
Karena lucutan yang
terjadi antara dua elektrode maka proses pembentukan yang mula-mulai garis lurus kemudian
silinder dan terkakhir membentuk lingkaran seakanakan seperti karet atau tali terikat yang ditarik
ditengah tali tersebut, dengan simpul ikatnya kedua
elektrode terse but. Karena dorongan sedemikian
kuat maka kecepatan regangan tali atau lucutan
filamentari tersebut juga sedemikian cepat.
I. WIDDI USADA, SURY ADI, AGUS PURWADI, ISYUNIARTO,
Kajian Fenomena
Lucutan Fi/amentari, Dipresentasikan pada The
81h National Meeting Of Accelerator
Technology And Its Application, P3TM-SA TAN,
Yogyakarta, November 21-22,2005.
2. WIDDI USADA, SURY ADI, AGUS PURWADI, Desain dan Konstruksi Laser Nitrogen
Pulsa dan Aplikasinya Pada Spark Plasma
Dengan Teknik Laser Shadowgraphy, Prosiding
Pertemuan dan Presentasi
I1miah, PPNYSATAN, Yogyakarta 14-16 Mei 1991 hal.
417-422.
3. ANONIMOUS,
Insulation.
Breakdown
of
Gaseous
4. SEELY, S., Radio Electronics, Electrical Discharges in Gases, Chapt. 10, McGraw-Hili,
International Student Edition, 1956.
5. SMITH, AJ., SURY ADI, SINGH, J., LEE, S..
A Simple High Current Discharge, in Procs. 2nd
trpical College On Applied Physics: Laser and
Plasma Technology, edited by Lee. S. at ai,
World Scientific Publication, 1988.
TANYAJAWAB
KESIMPULAN
Lucutan plasma sedemikian cepat ternyata
memperlihatkan gejala filamentari. Karena proses
sedemikian cepat maka untuk memperoleh rekaman
filamentari diperlukan sistem kamera yang sangat
cepat.
Kamera
biasa hanya dapat mencitrakan
perubahan yang terjadi dalam perubahan waktu
milidetik, maka untuk melihat perubahan dalam
orde waktu mikrodetik diperlukan sistem pemotret
laser atau yang biasa disebut sistem laser
shadowgraphy. Laser yang digunakan adalah laser .
nitrogen yang mempunyai lebar pulsa dalam orde
Budi Santosa
- Dapatkah metode Shadow Graphy digunakan
untuk menghitung
kerapatan
partikel pada
lucutan plasma Cethus.
Widdi Usada
- Shadow graphy tidak terlampau peka terhadap
perubahan kerapatan partikel.
Sangat sulit
untuk menentukan kerapatan partikel dengan
cara ini.
Prosidlng PPI - PDIPTN 2006
Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 10 Juli 2006
KE DAFTAR ISI