pemilihan jenis material elektroda sumber elektron katoda plasma

Volume 14, November 2012
ISSN 1411-1349
PEMILIHAN JENIS MATERIAL ELEKTRODA SUMBER
ELEKTRON KATODA PLASMA
Lely Susita R.M., Sudjatmoko, B.A. Tjipto Sujitno, Bambang Siswanto, Wirjoadi
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan
Jl. Babarsari Kotak Pos 6101 Ykbb 55010 Yogyakarta
E-mail : [email protected]
ABSTRAK
PEMILIHAN JENIS MATERIAL SISTEM ELEKTRODA SUMBER ELEKTRON KATODA PLASMA. Sistem
elektroda yang dirancang adalah suatu sistem yang berfungsi untuk menghasilkan plasma pulsa di dalam
bejana plasma secara terkendali, dan terdiri dari sistem elektroda ignitor dan sistem elektroda generator
plasma. Sistem elektroda ignitor terdiri dari dua buah yang dipasang pada sisi kiri dan kanan bejana
generator plasma yang berfungsi menginisiasi lucutan, dan sistem elektroda generator plasma sebagai
pembentuk plasma di dalam bejana generator plasma. Sistem elektroda ignitor terdiri dari katoda, anoda
dan isolator antara katoda dan anoda. Sistem elektroda generator plasma terdiri dari katoda yang juga
sama dengan katoda elektroda ignitor dan anoda yang juga sebagai dinding bejana plasma. Material katoda
untuk sistem elektroda ignitor paling baik menggunakan material Mg karena mempunyai laju erosi ion γi
paling rendah (11,7 µg/C) sehingga tidak mudah rusak (tererosi), serta mempunyai energi kohesif yang
rendah (1,51 eV). Anoda pada sistem elektroda ignitor dan generator plasma dibuat dari material SS 304
non magnetik. Isolator antara katoda ignitor dan anoda ignitor terbuat dari teflon, karena mempunyai nilai
resitivitas elektrik yang tinggi (>1018 Ω cm), sedangkan material isolator pada sistem elektroda generator
plasma terbuat dari poliamide (PA6), karena pada konstruksi isolator antara katoda ignitor dan anoda
generator plasma memerlukan sifat mekanik (kekerasan) yang tinggi.
Kata kunci : Sistem elektroda, material elektroda, sumber elektron katoda plasma
ABSTRACT
MATERIAL SELECTION FOR ELECTRODES SYSTEM OF PLASMA CHATODE ELECTRON SOURCE.
Designed electrodes system is a system is to function as a controlled pulsa plasma generator in plasma
reactor tube and this consists of electrode ignitor and electrode plasma generator. Ignitor electrode system
consists of two electrodes system which are placed on the right and left of the tube. Each of the system
consists of ignitor electrode system which initiates the discharge and electrodes system which generate
plasma. Ignitor electrode system consists of chatode, anode and isolator between chatode and anode.
Electrode system for plasma generator consist of chatode with the same chatode of ignitor electrode and
anode of plasma tube wall. Cathode material for ignitor electrode system is better made of Magnesium (Mg)
material due to its lowest ion erosion rate (γ = 11.7 µg/C) so it is difficult to be eroded and it has low
cohesive energy (1.51 eV). Anode at ignitor electrode system and plasma generator are made of non
magnetic of SS 304 materials. Isolator between ignitor chatode and anode is made of teflon due to its high
electric resistivity (>1018 Ωcm) whereas isolator material for electrode system of plasma generator is made
of poliamide (PA6), due to its high mechanical (hardness) properties.
Keyword ; electrode system, electrode material, plasma chatode electron source
PENDAHULUAN
esin pemercepat elektron sering disebut
Mesin Berkas Elektron (MBE) adalah
satu jenis teknologi baru yang telah
dikembangkan dalam dua dekade yang lalu sebagai
sumber radiasi pada proses iradiasi suatu produk
industri. Pemanfaatan MBE dalam bidang industri
telah berkembang pesat di negara-negara maju,
terutama dalam proses pengeringan pelapisan
(curing of coatings) permukaan bahan, proses
M
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi
Akselerator dan Aplikasinya
Vol. 14, November 2012 : 166 - 176
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. Apabila dibandingkan dengan 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
166
Volume 14, November 2012
dikontrol, biaya operasi lebih rendah untuk produksi
masal.[1]
Pada saat ini sebagian besar MBE menggunakan sumber elektron dengan filamen yang
dipanaskan, dilengkapi tabung akselerator, sistem
pemfokus dan sistem pemayar; sehingga harga MBE
cukup mahal, bentuknya cukup besar dan kurang
kompak, serta berkas elektron yang mengenai
permukaan bahan yang diradiasi masih kurang
seragam. Untuk meningkatkan homogenitas dan
efisiensi dari berkas iradiasinya serta kemudahan
dalam pengoperasiannya maka jenis MBE juga
berkembang, satu diantaranya adalah MBE pulsa
yang menggunakan sistem sumber elektron berbasis
katoda plasma. MBE jenis ini bentuknya kecil dan
kompak, dan harganya relatif murah karena tidak
menggunakan tabung akselerator, sistem pemfokus
dan sistem pemayar. Dalam perkembangannya
aplikasi berkas elektron pulsa cukup luas seperti
dalam bidang industri MBE pulsa dapat digunakan
dalam bidang kesehatan untuk industri pengolahan
lateks karet alam, modifikasi permukaan pada
industri semikonduktor dan polimer, serta industri
pangan untuk pasteurisasi tanpa merusak tekstur dan
nutrisi, juga netralisasi limbah. Komponen MBE
pulsa terdiri dari bejana sumber elektron yang dilengkapi dengan elektron window, sumber elektron
katoda plasma, sistem tegangan pemercepat dan
pompa vakum. Sumber elektron katoda plasma yang
juga disebut anoda berongga mempunyai dua sistem
elektroda ignitor di sisi kiri dan kanan bejana generator plasma dan sistem elektroda generator plasma
ISSN 1411-1349
dengan grid yang dipasang di bawah dinding bejana
generator plasma yang juga berperan sebagai anoda.
Dalam makalah ini akan disajikan tentang
deskripsi sistem elektroda dan jenis material
elektroda yang berkaitan dengan persyaratan
rancangan sistem elektroda yang meliputi kriteria
dadal, hukum Paschen, laju erosi ion dan proses
pembentukan plasma dari generator plasma.
DESKRIPSI SISTEM ELEKTRODA
Sistem elektroda yang dirancang untuk
sumber elektron katoda plasma adalah suatu sistem
yang berfungsi untuk menghasilkan plasma pulsa di
dalam bejana plasma secara terkendali. Sistem
elektroda terdiri dari dua sistem elektroda yaitu
sistem elektroda ignitor dan sistem elektroda
generator plasma, seperti ditunjukkan pada Gambar
1. Sistem elektroda ignitor yang menginisiasi
lucutan terdiri dari dua buah elektroda ignitor yang
dilengkapi dengan dua unit sistem catudaya lucutan
ignitor (IDPS). Sistem elektroda ignitor terdiri dari
katoda, anoda dan isolator antara katoda dan anoda.
Sistem elektroda generator plasma sebagai
pembentuk plasma dalam bejana plasma dilengkapi
dengan dua unit sistem catu daya lucutan busur
(ADPS) dan sistem deteksi arus lucutan dan
kerapatan plasma.
Sistem elektroda generator
plasma terdiri dari katoda yang juga sama dengan
katoda elektroda ignitor dan anoda yang juga
sebagai dinding bejana plasma.
Gambar 1. Sistem elektroda sumber elektron katoda plasma.
Keterangan gambar :
1. Bejana plasma yang juga disebut anode berongga; 2. Anode pemicu; 3. Isolator; 4. Katoda
sebagai sumber spot plasma; 5. Grid ekstraktor elektron; 6. Pemegang jendela; 7. Jendela
elektron dari bahan Ti/Be; 8. Sumber daya pemicu, 10 kV, 100 mJ; 9. Sumber daya generator
plasma; 10. Tegangan pemerecepat elektron; 11. Plasma spot; 12. Plasma.
PEMILIHAN JENIS MATERIAL ELEKTRODA SUMBER
ELEKTRON KATODA PLASMA
Lely Susita R.M., dkk.
167
Volume 14, November 2012
Sistem
elektroda
penghasil
plasma,
mempunyai dua sumber daya yaitu sumber daya
ignitor (8) dan sumber daya generator plasma (9).
Sumber daya ignitor (8) mempunyai spesifikasi
tegangan 10 kV, dan energi 100 mJ mengalirkan
tegangan melaui anoda (2) dan melalui isolator (3)
akan membentuk spot plasma (11) di permukaan
katoda (4) melalui proses lucutan permukaan, pada
bejana plasma (1) dengan tekanan gas sekitar 10-4
Torr. Kemudian spot plasma (11) yang terbentuk
akan dihamburkan oleh tegangan sumber daya
generator plasma (9) dan hamburan spot plasma
yang dipercepat tegangan sumber daya generator
plasma akan mengionkan gas dalam rongga bejana
plasma terbentuk lucutan busur plasma (12) di
sekitar daerah anoda berongga (1), dan bila kedua
sistem elektroda berjalan serempak maka
keseluruhan ruang anoda akan terbentuk lucutan
busur plasma. Oleh tegangan pemercepat (10)
elektron yang lolos melalui grid (5) akan dipercepat
sampai mampu menembus jendela Ti/Be (7) yang
selanjutnya dimanfaatkan untuk iradiasi bahan.[2]
PEMBAHASAN
Jenis Material Sistem Elektroda
ISSN 1411-1349
Untuk bejana plasma dengan tekanan sekitar
10-4 Torr, berdasar aturan Paschen, tegangan dadal
antara katoda dan anoda sangat besar (sekitar
ratusan kV untuk jarak elektrode beberapa cm).[3]
Tegangan dadal gas (the gas breakdown voltage)
VBr ditentukan sebagai fungsi dari perkalian tekanan
gas p dan jarak antar-elektroda d. Telah dilakukan
pengukuran tegangan dadal gas Ar dan He untuk
tiga jenis material katoda Ag, Mg, Al oleh
Mohamed Ali Hassouba dkk.[4] Tegangan dadal gas
Ar yang diukur dalam kisaran pd 26 hingga 530 Pa
cm (0.2 hingga 4.0 cm torr) sedangkan untuk gas He
dari 133 hingga 2400 Pa cm (1.0 hingga 18 cm torr)
untuk tiga jenis material katoda Ag, Mg, Al,
ditampilkan pada Gambar 2 dan 3.
Dari hasil pengukuran tersebut, menunjukkan
bahwa tegangan dadal minimum (VBr)min Ar untuk
ketiga material katoda terjadi pada nilai (pd)min = 80
Pa cm (0,6 torr cm), sedangkan (VBr)min He untuk
ketiga macam katoda, terjadi pada nilai (pd) min =
530 cm Pa (4 cm torr). Tegangan dadal minimum
(VBr)min tergantung pada jenis material katoda. Hal
ini dapat dikaitkan dengan perbedaan fungsi kerja
(work function) dari ketiga material katoda.
Tegangan dadal minimum (VBr)min meningkat untuk
work function material katoda yang lebih besar
seperti ditunjukkan pada Tabel 1.
1. Material katoda
Gambar 2. Kurva Paschen untuk gas Ar menggunakan katoda Ag, Mg dan Al.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi
Akselerator dan Aplikasinya
Vol. 14, November 2012 : 166 - 176
168
Volume 14, November 2012
ISSN 1411-1349
Gambar 3. Kurva Paschen untuk lucutan He menggunakan katoda Ag, Mg dan Al.
Tabel 1. Work function φ dan tegangan dadal minimum (VBr)min untuk
jenis katoda dan gas yang berbeda.
φ(eV)
(VBr)min (Volt)
[gas Argon]
(VBr)min (Volt)
[gas Helium]
4,26-4,74
213
168
Magnesium (Mg)
3,66
192
162
Aluminium (Al)
3,6
182
152
Material Katoda
Perak (Ag)
Spot plasma di permukaan katoda mempunyai ukuran mikrometer dan berintensitas cukup
tinggi. Parameter dari spot plasma adalah laju erosi
ion (ion erosion rate), dapat ditentukan dengan cara
mengukur arus ion maksimum pada kondisi lucutan
busur. Dari hasil eksperimen yang dilakukan oleh
Savkin, KP.[5], laju erosi ion merupakan
karakteristik dari bahan katoda dan tidak tergantung
dari besarnya arus lucutan busur. Laju erosi ion
umumnya lebih besar untuk unsur dengan energi
kohesif rendah. Bahan-bahan yang mempunyai
energi kohesif lebih besar memerlukan energi lebih
besar untuk transformasi fasa bahan katoda padat
menjadi plasma.
PEMILIHAN JENIS MATERIAL ELEKTRODA SUMBER
ELEKTRON KATODA PLASMA
Lely Susita R.M., dkk.
Laju erosi ion dari material katoda dapat ditentukan
dengan cara mengukur arus ion total Ii, arus
lucutan Iarc, dan distribusi muatan (charge state
distribution) Qi, berdasarkan rumus
γi =
Ii M i
M
⋅
= αi ⋅ i ,
I arc e Qi
e Qi
(1)
dengan normalisasi arus ion αi = Ii/Iarc, Mi adalah
massa atom dari material katoda, e adalah muatan
keunsuran (1,602 x 10-19 coulomb).
Hasil penelitian laju erosi ion untuk berbagai bahan
katoda disajikan pada Tabel 2.[5]
169
Volume 14, November 2012
ISSN 1411-1349
Tabel 2. Nilai normalisasi arus ion dan laju erosi ion pada arus lucutan 100 A.
Material Katoda
Energi Kohesif
αi (%)
γi (µg/C)
(eV/atom)
C
7,37
11,3
13,5
Mg
1,51
8,3
11,7
Al
3,39
8,3
14
Ag
2,95
6,0
27,8
Ti
4,85
6,8
15,2
V
5,51
5,7
12,8
Cr
4,10
8,0
18,2
Fe
4,28
6,0
16,9
Ni
4,44
4,8
14,5
Co
4,39
5,0
15,3
Cu
3,49
6,8
19,3
Zn
1,35
8,2
40,0
Zr
6,25
4,8
15,9
Nb
7,57
6,2
18,0
Cd
1,16
5,8
43,9
Ta
8,1
6,3
35,5
W
8,99
5,0
27,1
Pb
2,03
5,8
67,4
Bi
2,18
5,8
94,0
Dari data pada Tabel 2 dapat diketahui bahwa
material katoda untuk sistem elektroda ignitor
paling baik menggunakan material Mg karena
mempunyai laju erosi ion γi paling rendah (11,7
µg/C) sehingga tidak mudah rusak (tererosi), serta
mempunyai energi kohesif yang rendah (pada energi
1,51 eV telah terbentuk plasma). Semakin besar arus
menuju katoda maka semakin besar spot plasma
yang dihasilkan sehingga semakin besar pula
partikel magnesium tererosi.
2. Material Anoda
Kriteria dari bahan anoda pada sistem
elektroda adalah
1.
2.
3.
4.
Tahan terhadap suhu tinggi
Tahan terhadap korosi
Mempunyai permukaan yang relatif luas
Sifat daktilitas (keuletan) tinggi, sehingga
dapat dengan mudah dibentuk.
Material anoda pada sistem elektroda ignitor
adalah stainless steel (baja tahan karat) austenit
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi
Akselerator dan Aplikasinya
Vol. 14, November 2012 : 166 - 176
yang sering digunakan dalam aplikasi yang
memerlukan material bukan magnet. Stainless Steel
(SS) adalah paduan besi dengan minimal 12 %
kromium. Komposisi ini membentuk protective
layer (lapisan pelindung anti korosi) yang
merupakan hasil oksidasi oksigen terhadap krom
yang terjadi secara spontan. Meskipun seluruh
kategori SS didasarkan pada kandungan krom (Cr),
namun unsur paduan lainnya ditambahkan untuk
memperbaiki sifat-sifat SS sesuai aplikasinya.
Berdasarkan fasanya, stainless steel dapat
dibagi menjadi enam kelompok: martensit,
martensit-austenitik,
feritik,
feritik-austenitik,
austenitik dan precipitation hardening steels.
Kelima nama kelompok yang pertama mengacu
pada komponen dominan dari struktur mikro baja
(steel). Nama kelompok terakhir mengacu pada baja
yang dikeraskan dengan mekanisme khusus yang
melibatkan pembentukan endapan dalam struktur
mikro baja. Dan hanya ada satu kategori dari baja
tahan karat yang non-magnetik yaitu: baja
austenitik, sedangkan yang lain adalah bersifat
magnetik.[6-7] Tabel 3 menampilkan komposisi
170
Volume 14, November 2012
ISSN 1411-1349
untuk berbagai kelompok baja tahan karat (stainless
steel).
Perbedaan sifat mekanik SS terlihat pada
kurva tegangan-regangan seperti ditunjukkan pada
Gambar 4. Baja martensit mempunyai kekuatan
tarik (tensile strengths) tinggi tetapi sifat
daktilitasnya (keuletan) rendah, sedangkan kekuatan
baja austenitik rendah dan daktilitasnya sangat baik.
Baja feritik-austenitik dan feritik mempunyai sifat
mekanik di antara baja martensit dan austenitik.
Sifat Mekanik Stainless Steel
SS dapat dibagi menjadi empat kelompok
dengan sifat yang sama dalam setiap kelompok:
martensit dan feritik-martensit, feritik, austenitikferitik dan austenitik.
Tabel 3. Komposisi untuk berbagai kategori baja tahan karat.
Kategori Baja
C
›0,10
›0,17
‹0,10
Martensit
MartensitAustenit
Kategori Baja
Komposisi (Berat %)
Cr
Ni
Mo
Lainnya
11-14
0-1
V
16-18
0-2
0-2
12-18
4-6
1-2
Komposisi (Berat %)
C
Cr
Ni
Mo
Lainnya
‹0,08
‹0,25
‹0,05
15-17
12-17
12-19
24-28
18-27
7-8
4-8
0-5
4-7
0-2
0-2
‹5
1-4
Al
Al, Cu, Ti, Nb
Ti
N, W
‹0,08
16-30
8-35
0-7
N, Cu, Ti, Nb
Precipitation
Hardening
Ferit
Ferit-Austenit
(Duplex)
Austenit
Sifat Kekerasan
Dapat dikeraskan
Sifat
Kemagnetan
Magnet
Dapat dikeraskan
Magnet
Sifat Kekerasan
Sifat
Kemagnetan
Dapat dikeraskan
Magnet
Tidak dapat
dikeraskan
Tidak
dapat
dikeraskan
Tidak
dapat
dikeraskan
Magnet
Magnet
Bukan
Magnet
Gambar 4. Kurva tegangan-regangan untuk berbagai tipe stainless steel.
PEMILIHAN JENIS MATERIAL ELEKTRODA SUMBER
ELEKTRON KATODA PLASMA
Lely Susita R.M., dkk.
171
Volume 14, November 2012
ISSN 1411-1349
Sifat Fisik Stainless Steel
Tabel 4 dan Gambar 5-7 menunjukkan nilai berbagai sifat fisik dari stainless steel.
Tabel 4. Sifat fisik untuk berbagai tipe stainless steel.
Sifat Fisik
Densitas (g/cm3)
Modulus Young (MPa)
Ekspansi Termal (×10-6/°C) 200-600°C
Konduktivitas Termal (W/m°C) 20°C
Kapasitas Panas (J/kg°C) 20°C
Resistivitas (nΩm) 20°C
Sifat Magnet
Martensit
7,6-7,7
220
12-13
22-24
460
600
Maget
Tipe Stainless Steel
Ferit
Austenit
7,6-7,8
7,9-8,2
220
195
12-13
17-19
20-23
12-15
460
440
600-750
850
Magnet
Bukan Magnet
Ferit-Austenit
0,8
200
13
20
400
700-850
Magnet
Gambar 5. Modulus elastisitas stainless steel tipe Austenit.
Gambar 6. Konduktivitas termal stainless steel
tipe Austenit dan Dupleks.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi
Akselerator dan Aplikasinya
Vol. 14, November 2012 : 166 - 176
Gambar 7. Ekspansi termal stainless steel tipe
Austenit dan Dupleks.
172
Volume 14, November 2012
Dari Gambar 6 dan Tabel 4 terlihat bahwa
konduktivitas termal baja austenit paling rendah
dibandingkan dengan baja martensit, baja ferit dan
baja ferit-austenit. Sedangkan dari Gambar 7
ditunjukkan bahwa ekspansi termal baja austenit
jauh lebih tinggi daripada jenis baja lainnya. Hal ini
dapat menyebabkan tegangan termal pada aplikasi
dengan fluktuasi suhu, perlakuan panas dan pada
pengelasan (welding).[8]
Komponen anoda pada sistem elektroda
ignitor dan anoda pada sistem elektroda generator
plasma yang merupakan dinding bejana plasma
dibuat dari material SS 304 (kelompok baja tahan
karat austenitik), karena SS 304 mempunyai sifat
daktilitas (keuletan) tinggi sehingga dapat dengan
mudah dibentuk, sifat mampu las yang baik
(weldability) dan non magnetik.
Material Isolator
Fungsi yang paling penting dari material
isolator adalah untuk mengisolasi/memisahkan
bagian bagian yang bertegangan satu sama lain dan
terhadap bumi (ground). Namun demikian selain
berfungsi sebagai isolator, material ini harus mampu
menahan beban mekanis, mampu menahan beban
panas maupun tahan terhadap korosi. Beban-beban
tersebut seringkali terjadi secara simultan, sehingga
efek bersama dari berbagai parameter tersebut harus
diketahui. Bergantung pada jenis aplikasinya, ada
beberapa persyaratan yang harus dipenuhi. Sebagai
contoh karakteristik elektrik yang harus dipenuhi
meliputi (1) memiliki kekuatan elektrik yang tinggi
(2) memiliki dielektrik losses yang rendah (hal ini
dimaksudkan untuk mencegah terjadinya pemanasan
lebih pada material isolasi, (3) memiliki konstanta
dielektrik yang sesuai dan (4) memiliki kekuatan
tracking yang tinggi selama terjadinya tekanan pada
permukaan material, hal ini dimaksudkan untuk
mencegah terjadinya tracking atau erosi. Sedangkan
karakteristik mekanik meliputi (1) kekuatan tensil
yang tinggi (misal pada isolator saluran udara), (2)
memiliki kekuatan tarik yang tinggi (isolator pada
gardu induk), (3) memiliki kekuatan tekan yang
tinggi (isolator pedestal pada antenna), atau
kekuatan menahan tekanan (isolator CB dengan
tekanan internal). Karakteristik mekanik seperti
modulus elastisitas, kekerasan dan lain sebagainya
merupakan karakteristik yang sangat berhubungan
dengan tekanan dan perancangan yang sesuai.
Peralatan listrik sering kali mengalami kenaikan
suhu pada operasi normal sebagaimana pada kondisi
gangguan atau dimaksudkan untuk dioperasikan
pada temperatur tinggi. Spesifikasi dari sifat termal
yang harus diperhatikan meliputi kekuatan bertahan
terhadap panas yang tinggi, konduktivitas termal
yang tinggi, koefisien ekspansi termal yang rendah,
PEMILIHAN JENIS MATERIAL ELEKTRODA SUMBER
ELEKTRON KATODA PLASMA
Lely Susita R.M., dkk.
ISSN 1411-1349
dan kekuatan terhadap busur api yang tinggi.
Material isolator seharusnya juga tidak sensitif
terhadap kondisi lingkungannya. Oleh karena itu
material isolasi hendaknya memiliki beberapa sifat
lain seperti ketahanan terhadap ozone, impermeabilitas, bersifat higroskopik/daya serap air
rendah dan sifat kestabilan terhadap radiasi.
Dalam sumber elektron katoda plasma,
isolator digunakan untuk sekat antara katoda dan
anoda dan akan menerima beban tekan, radiasi,
lingkungan reaktif (plasma), beroperasi pada suhu
plasma yang cukup tinggi dan dioperasikan pada
tegangan tinggi pula (150 kV). Berdasar pada
pertimbangan tersebut maka sebagai isolator
dipilihlah Teflon (PTFE) atau Poliamide (PA6).
Material Teflon
Nama Teflon merupakan nama dagang, nama
ilmiahnya adalah politetraflurotilena dan disingkat
dengan PTFE. Polimer jenis ini dihasilkan dari
proses polimerisasi adisi senyawa turunan etilen
yaitu tetrafluoroetilena (CF2 = CF2). Teflon sangat
tahan terhadap bahan kimia, tahan panas, mempunyai koefisien gesek yang rendah (tidak mudah
aus), mempunyai permukaan yang sangat halus
(licin), sifat ini menjadikan Teflon sangat cocok
untuk diaplikasikan dalam pembuatan segel (seal)
temperatur tinggi, isolator maupun bagian dari
bantalan (bearing). Bagian ini banyak digunakan
dalam bidang semikonduktor, angkasa luar, maupun
proses industri kimia maupun proses pengolahan
industri makanan. Teflon merupakan jenis isolator
yang terbuat dari bahan organik yang mampu
beroperasi di atas suhu1800C hingga maksimum
2600C. Tipe, warna maupun bentuk Teflon yang
tersedia dipasaran disajikan pada Tabel 5. Sedang
sifat-sifat Teflon seperti sifat mekanik, termal maupun sifat elektrik disajikan pada Tabel 6 dan 7.[9,10]
Material Poliamide (PA6)
Poliamida merupakan keluarga polimer yang
membentuk hubungan amida (CO-NH) selama
polimerisasi dan disebut Poliamida (PA). Yang
paling penting anggota keluarga PA adalah nilon,
yang kedua adalah nilai utama nilon adalah 6,
angka 6 menunjukkan jumlah atom karbon dalam
monomer. Sifat dari PA 6 ini kuat, sangat elastis,
tangguh, abrasi perlawanan, self pelumas. Sifatsifat ini membuat PA6 mempunyai sifat mekanik
yang stabil bahkan sampai pada suhu 12500C. salah
satu kekurangan dari PA6 adalah bahwa ia sangat
mudah menyerap air dengan disertai sifat degradasi.
Sifat-sifat mekanik, elektrik dan termal PA 6
disajikan pada Tabel 7.[11]
173
Volume 14, November 2012
ISSN 1411-1349
Tabel 5. Beberapa Tipe, Warna dan Bentuk dari Teflon.
Type (Tipe)
Virgin, Carbon-filled
Bronze, Glass-filled and
Etched
Colur (warna)
White, Black and Brown
Shape (Bentuk)
Sheet (Lembaran), Rod (Lonjoran), Hollow
(Rongga), Tubing (Tabung), and Strip (Sirip)
Tabel 6. Sifat-Sifat (Mekanik, Termal dan Elektrik) Teflon dan Matetrial Sejenisnya.
N
o
Description
Unit
PTFE
(Teflon)
PE
PC
POM
PP
PVC
PA6
Mechanical Properties (Sifat Mekanik)
3
g/cm
2,18
0,97
1,2
1,41
1
1,4
1,7
-
0,05
0,2
0,31
0,032
0,25
-
0,36
MPa
33,4
22,1
40
60
33
55
76
%
500
400
110
35
148
33
30
Ball Indentation
Hardness
N/mm2
30
38
80
140
75
75
165
6
Notched
Charpy Impact
Strength
J/cm
1,55
2,79
1,44
0,53
1,26
5,29
(izod)
1,95
7
Modulus of
Elasticity
N/mm2
700
700
2300
3200
1450
3000
3100
90
60
100
1
Density
2
Coefisient of
Friction
3
Tensile
Strength
4
Elongation
Break
5
of
Thermal Properties (Sifat Termal)
1
Max
Continuous
Operating
Temperatur
0
C
260
80
125
110
2
Linear
Expansion
Factor @ 230C
K-1
1,7x104
1x104
0,7x104
1x104
3
Thermal
Conductivity @
230C
W/m*
K
0,21
0,4
0,19
0,31
0,22
0,14
0,23
1,5x104 0,8x104 0,8x104
Electrical Properties
1
Volume
Resistance
Ohm.c
m
> 1018
> 1015
> 1017
> 1015
> 1016
> 1015
> 1015
2
Surface
Resistance
Ohm
> 1014
> 1014
> 1015
> 1013
> 1013
> 1013
> 1013
3
Dielectric
Strength
kV/m
m
11
45
27
55
127
20
26,4
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi
Akselerator dan Aplikasinya
Vol. 14, November 2012 : 166 - 176
174
Volume 14, November 2012
ISSN 1411-1349
Table 7. Sifat-Sifat Poliamide PA 6.
Mechanical properties
Quantity
Young’s modulus
Tensile strength
Elongation
Compressive strength
Fatigue
Bending strength
Impact strength
Yield strength
Physical properties
Quantity
Thermal expansion
Thermal conductivity
Specific heat
Melting temperature
Glass temperature
Density
Resistivity
Breakdown potential
Dielectric loss factor
Friction coefficient
Refraction index
Shrinkage
Water absorption
Value
2300-2500
48-85
100-320
46-90
31-34
110-120
0,44-3
35-40
Value
83-120
0.245-0.,27
1.592-1.7
220-223
50-75
1120-1140
1e+17 – 1e+20
17-35
0.04-0.06
0.38-0.45
1.53-1.53
0.3-2
2-4
Material isolator antara katoda ignitor dan
anoda ignitor terbuat dari teflon, karena mempunyai
nilai resitivitas elektrik yang tinggi (>1018 Ω cm),
sedangkan material isolator pada sistem elektroda
generator plasma dibuat dari poliamide (PA6),
karena konstruksi isolator antara katoda ignitor dan
anoda generator plasma memerlukan sifat mekanik
(kekerasan) yang tinggi.
KESIMPULAN
Unit
MPa
MPa
%
MPa
MPa
MPa
J/cm
MPa
Unit
e-6/K
W/m.K
J/kg.K
°C
°C
Kg/m3
Ohm.mm2/m
kV/mm
%
%
Sistem elektroda ignitor terdiri dari katoda
dengan menggunakan material Mg (magnesium),
anoda terbuat dari material SS 304 non magnetik,
dan isolator antara katoda dan anoda dari teflon.
Sistem elektroda generator plasma terdiri dari
katoda ignitor untuk inisiasi terbentuknya plasma
dari material Mg, anoda yang merupakan dinding
bejana plasma dibuat dari material SS 304 non
magnetik, isolator antara katoda ignitor dan anoda
generator plasma dibuat dari poliamide (PA6).
Berdasarkan pembahasan tersebut di atas
dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut :
UCAPAN TERIMA KASIH
Sistem elektroda sumber elektron katoda
plasma adalah suatu sistem yang berfungsi untuk
menghasilkan plasma pulsa di dalam bejana plasma
secara terkendali. Masing-masing sistem elektroda
tersusun atas sistem elektroda ignitor yang
menginisiasi lucutan dan sistem elektroda
pembentuk plasma.
Penulis mengucapkan terima kasih kepada
Bapak Widdi Usada, Bapak Agus Purwadi dan
Bapak Aminus Salam atas bantuan baik teori
maupun teknis sehingga dapat memahami sumber
elektron berbasis katoda plasma. Terima kasih
kepada
Bapak
Heri
Sudarmanto,
Bapak
Saefurochman, dan Bapak Untung Margono atas
bantuan diskusi dan teknis dalam membahas
PEMILIHAN JENIS MATERIAL ELEKTRODA SUMBER
ELEKTRON KATODA PLASMA
Lely Susita R.M., dkk.
175
Volume 14, November 2012
masalah sistem elektroda ignitor maupun generator
plasma.
DAFTAR PUSTAKA
[1] SUDJATMOKO, "Rancang Bangun Sumber
Elektron Katoda Plasma", Proposal Program
Insentif Proliptek 2012.
[2] WIDDI USADA, AGUS PURWADI, LELY
SUSITA, "Karakteristik Spot Plasma Pada
Lucutan Busur Plasma", Prosiding Pertemuan
dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu
Pengetahuan dan Teknologi Nuklir, Pustek
Akselerator dan Proses Bahan - BATAN,
Yogyakarta, 2012.
[3] V F PUCHKAREV and M B BOCHKAREV,
"Cathode Spot Initiation Under Plasma", J.
Phys. D: Appl, Phys. 27 (1994) 1214-1219.
Printed in the UK.
[4] MOHAMED ALI HASSOUBA, F. FAHMY
and
A.
ABUWALI
ELAKSHAR
GARAMOON, "Measurements of The
Breakdown Potentials for Different Cathode
Materials in The Townsend Discharge",
FIZIKA A 11 (2002)2, 81-90, Egypt.
[5] K.P. SAVKIN, "Measurements of Ion Erosion
Rate of Cathode Material in a Vacuum Arc
Discharge", Intense electron and ion beams,
2005.
[6] BÉLA LEFFLER, "Stainless-Stainless Steels
and Their Properties".
[7] D. PECKNER, I. M. BERNSTEIN, "Handbook of Stainless Steels", McGraw-Hill, 1977.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi
Akselerator dan Aplikasinya
Vol. 14, November 2012 : 166 - 176
ISSN 1411-1349
[8] H. NORDBERG, "Mechanical Properties of
Austenitic and Duplex Stainless Steels", in
Stainless Steel 93. Innovation Stainless Steel,
Florens, 1993.
[9] http://id.wikipedia.org/wiki/teflon
[10] http://en.wikipedia.org/wiki/polytetrafluoroethylene
[11] http: //www.matbase.com/material/polymers/
engineering/pa-6/prope
TANYA JAWAB
Widdi Usada
− Adakah unsur / material selain Mg yang bagus
untuk bahan katode ?
Lely Susita
− Berdasarkan penelitian laju erosi ion untuk
berbagai bahan katoda yang dilakukan oleh
Savkin K.P dan disajikan pada Tabel a,
ditunjukkan bahwa beberapa material katoda
mempunyai energi kohesif rendah (mudah
membentuk spot plasma) antara lain Al, Ag, Zn,
Cd, Pb, dan Bi tetapi nilai laju erosi ion materia
tersebut sangat besar artinya materil Al, Ag, Zn,
Cd, Pb, dan Bi mudah tererosi, karena semakin
besar spot plasma yang dihasilkan maka semakin
besar pula partikel material tersebut yang
tererosi.
176