Ke Daftar Isi
OPTIMASI PLASMA FOKUS
w. Usada, Suryadi, Agus Purwadi
Pusat Penelitian Nuklir Yogyakarta ABSTRAK
Serangkaian
percobaan untuk memperoleh
kondisi
dengan variasi tekanan gas argon sebagai parameter ditinjau. bahwa
Pada
sistem yang bertenaga 2,9~3
fokus
optimasi
kJ
diperoleh
saat fokus terjadi antara 2,7 mikrodetik sampai
3,05
mikrodetik dengan lama pemokusan sekitar 80 sampai 100 nanodetik untuk tekanan dari 0,65 sampai 1 mbar. pemampatan
Nilai
banding
(rp/a) yaitu perbandingan antara jejari fokus
dengan jejari elektroda dalam a sebesar 0,54; 0,42 dan masing-masing
untuk tekanan 0,9; 0,8 dan 0,7
r
0,19
mbar.
Para-
the
focus
meter fokus lainnya juga disajikan. ABSTRACT
A
series
condition
of
experiment
for
achieving
by varying argon gas pressure as an
parameter is considered.
optimization
Focussing that occurs between
2.7
microse~ond to 3.05 microsecond with 80 to 100 nanosecond of focussing obtained ratio
time in
for 0.65 to 1 mbar argon
system of 2.943 kJ
(rp/a)
energy.
(the ratio between the focus
electrode
radii)
0.9;
and
0.8
gas The
and
are 0.54, 0.42 and 0.19 for
0.7 mbar,
respectively.
parameters are also presented.
106
pressure
The
is
compression the
inner
pressure other
of
focus
107 I.
PENDAHULUAN
Tujuan optimasi fokus adalah memperoleh saat fokus bersamaan dengan saat arus lucut mencapai nilai puncaknya, yang dalam percobaan terjadi sekitar seperempat perioda lucut, sehingga terjadi pemampatan yang kuat, akhirnya diperoleh banyak neutron bila gas diisikan pada tabung fokus~ Untuk plasma fokus tipe Mather, ada
tujuh
yang pada deuterium parameter
optimasi yaitu jejari dan panjang elektroda baik luar maupun dalam, panjang gelas isolator, tekanan gas dan tegangan operasi. Lima parameter yang disebut terdahulu dikenal sebagai parameter geometri. Peranan parameter optimasi terlihat dalam relasi waktu transit plasma ke arah aksial t_ yaitu, (1) yang memberikan kecepatan· plasma karakteristik ke arah aksial sebesar Z~/t_. Z~ panjang elektroda dalam, b dan a jejari elektroda luar dan dalam, I~ arus puncak lucut saat
f
sistem dihubung-pendekkan, sebanding dengan tekanan gas.
kerapatan gas isian yang Panjang elektroda luar dan
panjang gelas isolator tidak muncul dalam tetapi berpengaruh pada eksperimen. Dalam laporan ini hanya parameter
persamaan
(1),
tekanan
yang
digunakan untuk melihat pengaruhnya terhadap faktor pemampatan, saat datangnya fokus, ukuran fokus, induktansi fokus dan kecepatan saat fokus. Peralatan diagnostik yang dipakai dalam percobaan ini adalah probe tegangan dan arus. II. LANDASAN
probe
TEORI
Gerak plasma dalam kolom koaksial pada saat gerak aksial serta gerak dua dimensiyaitu ke arah radial ke dalam dan ke arah aksial selama pemokusan berlangsung diwakili oIeh perubahan induktansi plasma aksial L_k_(t) dan tahanan plasma aksial R_k5(t> serta induktansi plc=ma fokus L~(t) dan tahanan plasma fokus R~(t). Rangkaian ekivalen sistem
108
plasma fokus dapat ditunjukkan L_
masing-masing
adalah
tabung fokus, sedangkan
pada gambar
tahanan
C~ adalah
dan
1, dengan R_
induktansi
kapasitor
di
dan luar
sumber dayanya.
Raks(t) Rf(t)
I Lf(t) --L-
Gambar
1.
Rangkaian
Denganmenganggap
ekivalen
sistem plasma fokus
tahanan plasma dan tahanan
di
tabung plasma jauh lebih keeil daripada
impedansi' plasma
luar
plasma
tabung
berupa
plasma,
silinder
koaksial
(pada gerak aksial
;tA= In (b/a) sehingga
Z(t) sedangkan
maka induktansi
Z
fungsi
waktu
di yang
memenuhi
ini R~(t) dan L4(t) sarna dengan nol)
(t)
12
posisi plasma
=
sebagai
aksial
luar
~(t)
n:
induktansi
(2)
Z(t) menJadi,
dt/(I(t)
o
dt Ir(t)
=
)J-=
In (b/a) 12
plasma fokus memenuhi
»
(3)
persamaan
t4 P_ In (b/r
(a-r (t» /211=
Iv (t)
t_k_
dtlI (t)
(4)
109
yang didapatkan -an
adiabatik
dengan
mengandaikan
sehingga
pemokusan
dengan
pemanjangan
plasma
sesaat ke arah aksial,
atau
tegangan
lu~ut
perjalanan
t_k_
arah aksial.
waktu
Bagan
pemokusan,
Z(t>
adalah
posisi
V(t> tegangan
plasma
sesaat
dalam dan luar,
yang
ditempuk
I(t>
t~ adalah waktu pemokusan
plasma dari reO sampai
atau waktu
r=rakhir
sumbu silinder
plasma
Kapasitor
dengan
kapasitas
buatan
Maxwell
fokus
C~ terdiri
atau
koaksial.
14 mikrofarad,
buah,
batas tegangan
dengan tipe 33006, dipasang
kerja 20
melalui
tahanan
arus sebesar
Antara
kapasitor
melalui
an tar pelat sekitar
yang
100 kohm,
tabung
fokus
pelat aluminium
sejajar
melalui
satu buah spark-gap
dikendalikan
buah dengan panjang sebelum dalam panjang
sebesar
masing-masing
silinder 0,95
elektroda
panjang
sekitar
80
watt.
dihubungkan dengan
jarak
kabel koaksial
isolatornya, sistem
tipe RG8-U
dengan untuk
saklar
Mather
elektroda
elektroda
sekitar 2,5 ~m berdiameter dengan kutub positif luar dihubungkan
yang selanjutnya
dibumikan.
40
paralel,
tipe
jejari
bagian dalam, spark-gap
dan
sebanyak
14 ~m, dari bahan kuningan
dalam dihubungkan
kapasitor
kV>~
elektronik,
Tabung fokus
koaksial
jajar. bagian atas, elektroda negatif
25
1 m yang dipasang
~m dan 3,5 ~m
gelas isolator
Elektroda melalui
kabel koaksial
sampai di tabung fokus.
berbentuk
sebagai
oleh satuan pengendali
melalui
model
0,5 ~m dengan ruang antar pelat atas dan
diisi lapisan mylar dan plastik sebagai
selanjutnya
ini
dengan
yang
tinggi Hipotroni~s
arus 100 mA dan tegangan
C~
kV,
paralel,
(mampu memberikan pembatas
pada
masing-masing
825-100.
berturut-turut
sa at
diperlihatkan
dua
oleh sumber daya tegangan
kemudian
arus
DAN PERCOBAAN
per~obaan
2.
bawah
diikuti
sesaat
kejut menyentuh
dimuati
radial
dari Z=O sampai Z=Z~, r(t> jejari plasma
III. TATAKERJA
gambar
arah
dalam
ditempuh
gelombang
ke
proses pemampat-
plasma
saat terjadi yang
ke
antara elektroda
sesaat,
terjadi
luar, pejal,
2,2
~m.
kapasitor
dan pelat sedengan
kutub
gas
.ar;oa
Poc':)a
va!::u.=
.:.D~ ':2.-
1°C?IO"" :' "'a'r _...
i>.cspo era
Gambar 2.
o Bagan pereobaan plasma fokus
Unit pengendali elektronik terdiri dari rangkaian single shot, SCR dan Krytron mengatur peranan spark-gap dan osiloskop. Pulsa pengendali osiloskop diambil dari pulsa Krytron setelah diperlemah menjadi seperseribunya untuk menghemat bidang layar penampil osiloskop selebar 2 mikrodetik tanpa menggunakan rangkaian penunda. Rangkaian penunda diambil dari osiloskop Tektronix tipe 7904, yang juga dikendalikan oleh unit Krytron. Unit penunda ini digunakan untuk melihat keadaan fokus dengan lebar fokus sekitar 100 nanodetik. Tabung fokus dihampakan oleh pompa vakum rotari Edwards tipe EDM12A dilengkapi -dengan piranimeter tipe P10K dan tabung gas argon lengkap dengan pengaturnya. Peralatan diagnostik yaitu probe tegangan rangkaian pembagi tegangan yang memperlemah seperseribunya dan probe arus berupa koil
berupa
sinyal sampai Rogowski yang
terdiri dari 345 lilitan berdiameter 0,5 em dari kawat email berdiameter 0,5 mm. Koil ini menangkap fluks induksi medan dari arus lueut yang lewat elektroda dalam, sehingga perubahan fluks ini akan memberikan beda tegangan di ujung koil. Untuk kembali ke pulsa arus maka beda tegangan ini diintegrasi dengan rangkaian integrator pasif RC (dengan tetapan integrasi 3 milidetik).
111
5aklar dapat
penyelamat
digerakkan
menjamin
secara
keselamatan
manual
kerja.
Bila pada spark-gap
dikenakan
6-9 kV dari pulsa pengendali spark-gap berikan
sehingga energinya
100 kiloohm, 80 watt untuk elektronis maupun
berupa tahanan
tegangan
negatif
sebesar
maka terjadi hubung-pendek
kapasitor
yang telah dimuati
pada
akan
mem-
gas
yang
ke tabung fokus dan selanjutnya
ada dalam tabung fokus menjadi plasma yang akan didorong depan
sampai di depan elektroda
Pada percobaan sistem
sebesar
miliohm, IV.
terdahulu,
10
dan
1
ditunjukkan
bahwa induktansi miliohm,
oleh adanya
kondisi
kenaikan
fokus.
sistema
Kondi$i
tajam pada sinyal
3.b.
Gambar 3.a yang diambil dengan alas waktu
detik, menunjukkan arus
seperti
ditunjukkan
pulsa arus
cukup tajam dan kenaikan
bawah)
sa at fokus berlangsung
yang
diambil
dengan pusat perhatian
taJam pulsa tegangan pada tekanan
menunjukkan
(sinya1 Gambar.
mikrodetik yang
dan sarna
pada kondisi fokusnya.
fase aksial,
perjalanan
plasma dan energi
duktansi
plasma sebagai yang diperoleh (a) dan
nano-
0,7 mbar.
peristiwa
bagi sistem plasma ditunjukkan
oleh kurva
500
(sinyal atas) dengan penurunan
diberikan mbar
tegangan
pada gambar 3.a dan
dengan waktu tunda 3,006
waktu 200 nanodetik, 5elama
fokus
cukup taJam pada sinyal arus se1ama 1ebih
100 nanodetik
0,8
50
14,5 kV dan tekanan" 0,65; 0,7; 0,75; 0,8;
kurang
alas
di luar
impedansi
dengan menghubung-pendekkan
mbar diperoleh
dan juga penurunan
3.b
pemokusan.
HA5IL DAN PEMBAHA5AN Pad a tegangan
0,9
diperoleh
70 nH, hambatan
yang diperoleh
di mana terjadi
ke
oleh gambar 4.
fungsi waktu untuk tekanan dengan persamaan
(2)
(b). ~Kurva (a), induktansi
0,9
yang Indan
ditunjukkan
tampak berupa
112
.-
.
"''
.
••
-0
-
.
.
-;;
••••••••••••••••••••.•••••••••••••••
.
~ .
.~
.
.~ .;:--~.
~..,:'
Gambar 3.a tegangan
.'_;
pulsa arus dan
Gambar 3.b pulsa arus dan tegangan,alas waktu 200 ndet
""'
::r::
""' Q)
(j'\
I
"
r-I 0 ~
o '-'
"rJ
CI)
'-'
.!<1
co
Pr.1
H
1600 40
1200130
800t 20
400.l1
o
1
2
3
t Gambar
(10-6 det.)
4. Induktansi plasma dan energi yang diberikan kepada sistem sebagai fungsi waktu, tekanan 0,9 dan 0,8 mbar
113
Q~r1~ lUFYs t@Fhsd~p w~ktu t, ~t~u d~p~t dik~tQken perub~hAn indukatansi fase
terhadap
aksial
perubahan
kecepatan
waktu tetap, sehingga
selama
gerak plasma hampir tetap.
Demikian
pula halnya pada kurva (b) yang menunjukkan induktansi plasma pada tekanan 0,8 mbar. Pada kurva (b) saat t rendah, perubahan
induktansi
kecil, tetapi selanjutnya
kurva
(a), berarti
tampak
tegak
daripada
kecepatan
rerata
pada tekanan 0,8 mbar lebih cepat daripada
dan tampak pula saat fokus pada tekanan 0,05 mikrodetik Kurva kepada
daripada
(c)
dan
terhadap
(d) menunjukkan
tenaga ohmik.
ini merupakan
gerak plasma,
Kurva tekanan
(e)
dan
(f) menunjukkan
untuk
diberikan dan
energi
arus
menjelang
dari tenaga
tersimpan
yang
termal,
dan
tenaga
magnetik
pada
yang diukur
plasma terhadap
gambar
5.
tekanan
penurunan
tekanan
0,8
sedangkan
perubahan
begitu tajam.
kuva
dengan
(a), maka pada tekanan besar dibandingkan pemampatan
sesuai
waktu, diperlihatkan proses
pemampatan 80
Rekaman
lama
foto
puncaknya plasma 100
0,7 mbar.
Kurva
ini kecepatan
dengan
plasma
kurva
pemampatan
dan
menunjukkan
pemokusan
dibanding
pada
nanodetik
proses pemampatan
(c) untuk tekanan
tajam penurunannya
yang
oleh penurunan
saat fokus berlangsung,
(b) menunjukkan mbar,
0,65; 0,7;
pada bab PENDAHULUAN.
(a) menunjukkan
bahwa sinyal tegangan Kurva
rendah~
0,9 mbar, lama pemokusan
tidak
dari' permulaan
plasma yang ditunjukkan
jejari
adalah 2,7;
untuk tekanan
yang lebih
kaitan yang diberikan
Kurva
tekanan
Tampak bahwa saat fokus lebih cepat
tekanan
Proses-pemokusan
dah.
awal
berlangsung,
Tokus untuk berbagai
plasma muncul, masing-masing
datangnya
untuk
yang
(saat waktu t
tenaga magnetik
0,75; 0,8; 0,9; 1 mbar.
lebih
energi
jumlahan
2,9; 3,0; 3,05 mikrodetik
dengan
mbar,
0,9 dan 0,8 mbar.
Saat datangnya sinyal
0,9
pulsa tegangan
waktu dari t=o sampai t_k_ Energi
plasma
0,9 mbar.
dengan mengintegrasikan
fokus).
gerak
0,8 mbar lebih
sistem plasma selama ~ase aksial
diperoleh
2,8;
tekanan
lebih
renuntuk
nanodetik, (c)
(b)
jauh
maupun
plasma-lebih
dengan tekanan 0,8 dan 0,9 mbar, sehingga
pada tekanan
0,7 mbar yang paling kuat.
Jejari
114
fokus akhir pada tekanan'O,7
mbar sekitar 0,1875 em
sedang-
kan untuk tekanan 0,8 mbar didapatkan 0,42 cm dan 0,5 untuk tekanan 0,9 mbar. Kurva-kurva di atas disusun berdasar persamaan (4) dengan terlebih dahulu mencari induktansi fokus setiap waktu yang diamati L~(t) dari ruas kanan persamaan (4). Kemudian jejari fokus untuk waktu t yang diamati didapatkan dengan metoda kurva setelah persamaan (4) disusun menjadi persamaan (5) sehingga perpotongan garis dua persamaan ruas kiri dan
ruas
kanan akan memberikan harga rCt). Sejumlah parameter fokus yang lain pada
0,7;
0,8; 0,9 mbar pada keadaan akhir pemokusan pada tabel 1.
tekanan dapat
dilihat
10 R
(mni)
8
6
4
2
o
t (ndet.) Gambar 5. Jejari
fokus
rCt> sebagai fungsiwaktu
tekanan Ca) 0,7; (b) 0,8; (c) 0,9 mbar.
t
untuk
115
Tabel
Data
saat
jejari
fokus
fokus
1
CA), lama fokus
CB>,
CD>, rasio pemampatan
CF>, pada tekanan
0,7;
panjang
CE>,
fokus
CC) ,
fokus
induktansi
0,8; 0,9 mbar.
°,
c:m ndet B 100 80 C E D c:m F 0,4 0,77 2,8 0,44 0,55 0,51 0,425 0,54 3,00 4,87 2,95 2,34 178 187 1,65A nH 10)l:det Tekanan
Kec:epatan plasma menjelang
fokus sebesar 4,94; 5,2
dan
5,04 c:m/mikrodetik untuk tekanan 0,9; 0,8 dan 0,7 mbar,
dan
energi
yang diberikan
selama pemampatan
sebesar
13,3; 16 dan
17 joule. V.
KESIMPULAN Dengan diperolehnya
peralatan
plasma fokus di PPNY telah berfungsi
diharapkan
untuk penelitian
pengungkungan kedudukannya pengungkungan konvensional Hasil operasi
magnetik di anatara
dan
14,5
rnenunjukkan
inersial
fokus sekitar
waktu
Corde
waktu
magnetik
plasma dalarn detik).
bahwa 0,7
dengan
tegangan
mbar
diperoleh
dan saat datangnya kondisi
2,2 mikrodetik
yang
nanodetik,
pengungkungan
kV dan tekanan
bel urn diperoleh
orde
ratusan
pengungkungan
plasma terbesar
c:epat rneskipun datangnya
selama
(orde waktu pengungkungan
sebesar
seperti
plasma fusi dengan
dalam pikodetik) perc:obaan
pernampatan
•
kondisi fokus dengan gas argon maka
fokus
ideal
yaitu
lebih saat
atau saat arus
luc:ut
atas birnbingan
Prof.
rnenc:apaiharga maksimumnya. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis Lee
menguc:apkan terimakasih
Sing dari University
Sulastri.
Bantuan
of Malaya dan Alrnarhumah Dr.
teknis Sdr. A. Zaenuri~
Waluya dan Gatot diuc:apkan terima
kasih.
Sunardi,
Penulis
CW.
A.S. Danik, Usada
116
dan
Suryadi)
sejumlah
juga mengucapkan
peralatan
Penelitian PPNY-BATAN.
dan
terima
fellowship
ini dilakukan
berdasar
kasih dari
at as
1CTP
proyek A06
bantuan
dan
UNU.
1987/1988
di
DAFTAR ACUAN 1. MATHER J.W and BOTTOMS
P.J, Phys. Fluids,
~. LEE S in "Laser and Plasma Technology" aI, World Scientific, 3. USADA Wand Symposium
SURYAD1,
Singapore
11, 3 (1965)
edited by LEE S et
(1985).
BAT AN PFFF, presented
on Plasma Physics,
in Small Scale
1CTP, Trieste
(1987).
TANYA-JAWAB
Utaya Usada
: Berapa suhu plasma yang anda peroleh Suhu plasma argon saat fokus dalam ribu derajat
Utaya Usada
hidrogen
rapkan
tahun
orde
ratusan
Kelvin
Mengapa menggunakan deuterium? : Gas
(kira-kira)?
argon, bukan
dan deuterium
hidrogen
atau
belum dipunyai,
1989 sudah diperoleh.
diha-
Saat ini
baru
gas argon yang dipunyai. Muslim
: Kondisi
optimum
yang dimaksudkan
Usada
: Kondisi
optimum
yang dimaksud
terjadi
sekitar
2,2 mikrodetik
mulai
berjalan
plasma
mencapai
ketahui yang
sama
harga
adalah dari
saat saat
pula,
seperti
akan
berarti
diberikan (dWIl
d1/dt=O menjadi
juga
kecil
yang
ada Imaks dicapai pada 2,2
saat awal pulsa).
I
harga
mencapai
atau
tenaga
kita plasma
mencapai
selain itu pada saat
maksimum
listrikyang
12
fokus
pula dengan saat arus
maksimum,
dengan
apa?
plasma
pada Imaks, maka tekanan/kompresi
sebanding
terbesar harga
yang
itu meliputi
tenaga magnetik
dI/dt). Cn.b.: dalam mikrodetik
sistem dari
•
117 Muslim
Bagaimana sebut?
cara-cara
Usada
Cara-cara dicapai :
untuk memperoleh
Dengan
komputasi
(panjang
untuk mencapai
kondisi di atas
: memasukkan
elektroda
parameter
Z, diameter
kemudian dibuat. Dalam
memvariasinya
eksperimen
divariasi, diperoleh,
tekanan
geometri
panjang daIam)
gelas atau
serta
tegangan
program
tekanan
derajat
yang
gas -yang
tetapi kondisi yang diharapkan disebabkan
dapat
dalam
ke dalam
ini hanya
ter-
elektroda
2a, diameter elektroda luar 2b, isolator, panjang elektroda parameter-parameter
kondisi
kevakuman
tidak rendah
sehingga harga tidak tepat untuk argon, yang mengakibatkan untuk tekanan rendah keadaan fokus tidak konsisten
dari setiap
"shot" eksperimen.
Ke Daftar Isi
