OPTIMASI GEOMETRI FOKUS PLASMA

Suryadi, W. Usada, Agus Purwadi

Pusa~ Peneli~ian Nuklir Yogyakar~a

ABSTRAK

Telah dilakukan serangkaian percobaan fokus plasma padaberbagai ukuran geometri elektroda untuk mencari ukuran yangoptimum pada fase pemokusan plasma. Meskipun terdapatkebocoran energi selama lucu~an,elektroda berukuran 2,3 cmuntuk diameternya dan panjang 14,4 cm merupakan pilihan ter­baik dalam optimasi ~ersebu~. Dalam percobaan ini teramatijuga ayunan teredam pada pemampatan selama fase penjepi~an.

ABSTRACT

A series of experiments on plasma focus for differentelectrode dimensions to optimize focus condition has beendone. The inn~r electrode dimension of 2.3 cm in diameterand 14.4 'cm in length is the best choice in this optimiza­tion, although energy loss is present. The damped oscilla­tion in pinched phase has also been observed.

I. PENDAHULUAN

Teori pengkerutan arus gas pertama kali dikemukakan oleh

W.H. Bennet pada tahun 1924. Tiga ~ahun kemudian L. ,Tonks

memasyarakatkan istilah efek jepit (pinch effec~) pada pe­

ristiwa ~ersebu~ yang kemudian diterima sampai sekarang. (1.>

Dalam hal pengungkungan plasma, yang menghendaki plasma

ter k ungk ung dal am

adanya efek jepi t

orde detik sampai wak~u ~ak berhingga,

dianggap sebagai ketakmantapan. (2) Akan

tetapi dalam sistem fokus plasma, efek jepi~ memberikan pe­

ristiwa pemanasan plasma selama ratusan nano detik.

Sehubungan dengan pemanasan selama penjepitan tersebut

diperlukan kondisi yang tepat sehingga pemanasan tersebut

dalam fokus plasma dapat menimbulkan reaksi fusi deu~erium-

deuterium dan menghasilkan neutron. Untuk mendapatkan kon-

disi yang optimun tersebut ada tujuh parameter sebagai

peubah bebas yaitu tekanan gas, tegangan kerja, jejari elek-

54

55

lroda dalam dan luar, panjang galas isolalor;,panjang elek­

lroda dalam dan 1uar. (3)

Dalam penelilian ini panjang eleklroda dalam dan jejari

eleklroda dal am sebagai peubah bebas menyusul i penel ilian

lerdahulu yang mengukapkan peranan peubah bebas lekanan gas

dalam memperoleh kondisi ~okus kual yailu pada lekanan 0,7

mbar argon memberikan rasio pemampalan meksimum sebesar 0.18

unluk legangan kerja 14,5 kV.(3) "

II. TEORI

Persamaan umum gerak plasma selama ~ase penjepi lan.

yang didasar kan model snowplow ideal ialah (1.>

nkT + ddl (1)

ruas kiri adalah lekanan magnelik yang dilimbulkan medan

azimulh Be' sedangkan suku perlama ruas Kanan adalah lekanan

magnelik yang dilimbulkan oleh medan Bz' :s~ku keduanyaadalah lekanan kinelik plasma dan suku keliga' adalah per­

ber-olehan massa yang lersapu selama penjepilan.

guna mengur angi efek jepil,

: Medan Bzdan diberi Ie an dari sumber daya

di luar sislem plasma, biasanya digunakan oleh sislem pe-

ngukungan magnelik loroidal. Dalam sislem ~okus plasma lipe

sehingga= 0.magnelik

Malher

1ebi h

Bzkeeil dari pad a

bi1a lekanan

lekanan

kinelLb plasma

dan tdengan

jauh

meng-

andaikan plasma lermampal berbenluk silinder berongga dengan

jejari dalam r serla jejari luar r • maka uriluk pemampalans pbersi fal adiabali k, persamaan gerak pIasma ke arah radi al

, d' (4)menJa 1. n •

zy rp

I adalah arus, y lelapan Laplace, a jejari eleklroda dalam.

y-l +y

dr-E =dl

2y+l

rsr

p

drsdl

rp

yI

zr(1_~)~ __1z dl y+lr

~zrs

(2)

56

dr dr

d~ dan d~ adalah kecepatan plasma dan shock.shock memenuhi persamaan

Keeepatan

dr sdt

= 14nr

p(3)

~ adalah tetapan permeabilitas, p massa jenis gas.

Disamping arah pemampatan radial ke dalam. plasma juga

mengalami gerak ke arah aksial, yang kecepatannya

=dr sdt

( 4)

Dari persamaan (3) dan (2) tampak bahwa keeepatan shock

lebih besar dari pada keeepatan plasmanya. Gaya pengger ak

plasma diwakili oleh persamaan rangkaian listrik

VO-C:Ildt~I) (ln~) dZf + ~I

drZp

f- ;::rc- 2nrdI2n r dt

pp

dt (L~z

b~z

In ~ )+

1n-- +2n a2rr f

p

(5)

Vo adalah tegangan kapasitor. Co kapasitor. b jejari elek­

troda luar. Z panjang elektroda. Z panjang fokus.f

Energi yang diberikan kepada sistem (E = ~ L 12• L in-2 s sduktansi sistem) ditentukan oleh ukuran geometri elektroda

seperti tampak pad a persamaan (5). Dalam model yang diguna-

kan peranan hambatan sistem diabaikan.

III. PERCOBAAN

Parameter sistem fokus plasma dalam percobaan ini ialah

v = 14.5 kV • C = 28 ~F , L = 70 nH, T = 8.8 J.Jdetik •o 0impedansi sistem 50 mO, hambatan sistem seki tar 10 mO. (3)

Sebagai parameter geometri tabung fokus adalah 6 buah elek­

troda dalam, 3 buah elektroda yang pertama dengan panjang

14,4 em masi ng-masi ng dengan diameter 19. 20 dan 23 mm.

Tiga buah elektroda lainnya mempunyai diameler yang sarna se­

perti di alas. tetapi panjangnya 16.4 cm.

57

Perbedaan sistem fokus dengan yang terdahul u adal ah

telah dibualnya rumah eleklroda dalam, sehingga untuk meng­

ubah geometri elektroda fokus tidak perlu membongkar seluruh

mesi n fokus. Selain itu telah dipasang pula tabung f'okus

bersayap yang dilengkapi dengan tempat-tempat untuk memasang

peralatan diagnostik lainnya seperli probe magnetik, photo­

dioda, seral optik dan laser.

IV. HftSILDN~ PEMBAHAS~~

Mesin f'okus plasma telah dioperasikan pada tenaga 2,9

kY, pada tekanan 1 mbar neon, dengan berbagai ukuran geome-

tri eleklroda. Pada kondisi tersebut lelah diperoleh f'okus

lemah dengan saat datangnya f'okus mempunyai jangkauan 2

sampai 2,5 mikro. delik. Diti~jau dari saal datangnya fokus,

hasil ini jauh lebih baik dari pada hasil pereobaan ter­

dahulu(3) yang mempunyai jangkau 2,7 sampai 3,05 mikrodetik.

Gambar 1a dan 1b memperlihalkan kondisi fokus untuk diameter

elektroda dalam 2,3 em dengan pa~jang masing-masing 14,4 ~an

16,4 em. Dikatakan lebih baik karena memenuhi salah satu

kriteria f'okus yang berlangsung saat arus meneapai sekitar

harga puneaknya yang dalam pereobaan tersebut sekilar 2,2

mikrodetik.

Gambar la. Keadaan fokusuntuk diameter eleklroda2,3 em, panjang 14,4 em

Gambar lb. Keadaan fokusuntuk diameter elektroda2,3 em, panjang 16,4 em

58

Hasil pereobaan menunjukkan bahwa fokus terjadi sangat1emah dan penj epi lan hanya 40 nanodel i k ser ta ter j adi ayrJnanGambar 2a dan 2b memperlihalkan kondisi fokus untuk diameter

eleklroda 2,3 em dan panjang 14,4 em, tampa!-: adanya ayrJnanbaik pada rekaman arus maupun legangan plasma yang sangaljelas selelah pulsa ditunda sela.ma 3,2 nanodetik dan alaswaklu selebar 100 nanodetik.

Gambar 2a. Keadaan fokusdari sinyal arus dan te­gangan dengan alas wa!-:tu500 nanodeti!-:

Gambar 2b. Keadaan fakusdari sinyal arus dan te­gangan dengan alas waktu10() nanodet i k

Wa!-:t u pemokusan yang di per 01eh i ni 1ebi h keei 1 di bandi ngdengan pemo!-:usan pada. pereobaan terdahul u yang mempunyai

j angk au dar i 80 sampai denga.n 100 nanodeti!-:. Sel ai n pe-mokusan yang singkat dan lemah, leramati juga penurunan

eur:up tajam pulsa teg.angan selama. fase aksia!, yang be:ar-titenaga yang diberir:an ke sistem fokus plasma keei.!., atauadanya keboeoran tenaga. Adanya kebocoran tenaga ini meng-

akibatkan kemampuan untuk memampatkan sangal menurun sehing-g30 pemokusannya lemah. Penurunan teg30ngan mengakibatkan

penurunan keeepatan plasma, alau plasma mengalami perlambal­

an CdV/dt '" d2z/dt2). Dugaan adanya keboeoran ini ter-lihat

adanya pereikan pada rumah elektroda serla pereikan padagelas isolator yang relak.

59

Rasio pemampat..an sebagai f'ungsi wakt..u unt..uk berbagaiukuran geomet..ri dapat.. diperlihat..kan pada gambar 3. Rasio

pemampat..an yang diperoleh mempunyai jangkau 0.8 sampaidengan 0,94. Rasio pemampat..an sebagai f'ungsi wakt..u meng-gambarkan ayunan t..eredam. Per i st..i wa adanya ayunan sel amaf'ase penjepit..an t..elah t..eramat..i pula dalam analisis secaranumerik 01 eh kelompok Universi t..as Quaid Azam, Paki st..an. (!:S)

0,9

0,8

0, 7

0,6

0,5

~ -e

\~':o..\ ". II '"'Ie' __ /,,~ /\ I\ I\ I, Iv

40 80 120

III

160 200

t (ndetikl

Gambar 3. Rasio pemampat..an sebagai fungsibagai ukuran geomet..ri CI-V lihat..tabel 1)

wakt..u padaketerangan

ber­pada

Tabel 1. memperlihat..kan paramet..er f'okus lainnya unt..ukberbagai ukuran elekt..roda dalam.

Dibanding dengan hasil percobaan t..erdahulu. hasil yangdicapai lebih jelek, meskipun sudah digunakan ukuran geome­t..ri ses uai dengan yang t..elah di desai n sebel umnya. (5) Sebagaicont..oh t..enaga pemampat..an dal am percobaan t..erdahul u seki t..ar17 joule, t..api t..enaga pemampat..an sekarang. hanya 1.4 joule.berart..i ada t..enaga yang hilang selama lucut..an.

Tabel 1. Parameter-parameter fokus pada berbagai ukuran elektroda dalam

UkuranSaatPanjangJejariRasioInduktansiEnergiPemam-

Fokus

-10

patan(joule)Fokus Fokus(mm) (mm)PemampatanFokus 10 H

t(mm)

Z (mm)10-6det1

')1')121212LL

23

1442,1') ')

1,59,3100,80,865,83,51,41,3L,L

20

144') r:0,9

-9, 1-0,91-2,4-1,3-L,.J

19

1442 1,20,98,38,80,870,93,52,41,31,28

23

1642,21, 10,810,410,90,90,942,61,41,20,8

20

1642,50,9-9, 1·-0,9-2,4-1,3-

Keterangan :

1= diameter elektroda dalam

Z = panjang elektroda dalam

(1) = percobaan pemokusan pertama

(2) = percobaan pemokusan kedua

0':>o

61

V. KESI MPULAN

Dari hasil percobaan belurndapat ditarik kesimpulan pe­

milihan ukuran yang tepat dalam penelitian optimasi ini, te­

tapi elektroda dalam dengan diameter 2,3 cm dan panjang 14.4

cm memberikan rasio pemampatan paling rendah. Adanya ayunan

selama :fase pemampatan yang teramati dalam percobaan ini

memperkuat dugaan pengamatan secara komputasi. Dal am per -

cobaan yang teramati adanya ayunan ini juga sesuai dengan

salah satu pola ketakmantapan sosis dalam efek jepit.

IJCAPAN TERI MA KASIH

Penulis mengucapkan terima kasih atas bantuan dalam de­

sain dan pembuatan baik elektroda maupun tabung :fokus yang

termodifikasi kepada saudara Waluya dan koleganya di Fasili-

tas Bengkel Induk PPNY-BATAN. Bantuan yang tak terhingga

selama desain dan pembuatan peralatan fokus dan selama per­

cobaan i ni dari saudar a Tri Hardj anto dan A. Zaenur i, pe-

nulis sangat berterima kasih.

berdasar proyek A06-1988/1989.

ACIJAN

Penelitian ini dilaksanakan

1. GLASSTONE S, LOVEBERG R.H., "Controlled ThermonuclearReactions", Van Nostrand Reinhold Co., 1960

2. STACEY Jr WESTON M., "Fusion Plasma Analysis", _Tohn Wiley& Sons, 1981

3. W. IJSADA, SIJRYADI, A. PIJRWADI., "Optimasi Plasma Fokus",disajikan dalam' Pertemuan Ilmiah di PPNY-BATAN, 1988

4. S. LEE, in "Laser and Plasma Technology" edited by S. LEEet aI, World Scienti:fic Publ., Singapore. 1985

5. ZAKAIJLLAH M., et al "Numerical Design of Plasma FocusL1ptimization, in Procs. of Symp. on Small Scale PlasmaPhysics Expt .., Trieste, lCTP, World Scienti:fic Co., 1988

6. W. USADA, SURYADI., "Design o:fSATAN PFFF". presented at2nd Tropical ColI. on Applied Physics, Kuala Lumpur. 1986

62

TANYA JAWAB

f. Sudjatm.oko

Apa jenis bahan tabung pl.asma yang dipakai ? hal. ini

saya tanyakan karena ada kai tannya dengan adanya outgas sing dar i bahan yang d ipaka i.

JAWABAN

Jenis bahan tabung pl.asma yang digunakan adal.ah Stain­

l.ess Steel.

apa­

Snow

2. Pramudita Anggraita

- Hengapa panjang el.ektroda masih. haru.s diopt im.asi,

kah tidak bisa di tent'ukan m.isal.nya denean model.

Pl.ow ?Apa variasi panjang el.ektroda tidak dapat dibuat dengan

menarik el.ektroda dan bu.kan menyambung?- Apa bahan el.ektroda, apakah efek outgassing sudw< di­

perhitungkan ?JAWABAN

Karena m.asih ada faktor l.ain yaitu panjang gel.as i.sol.a­

tor/ yang tidak m.asu.k dal.am. sistem paral1teter dengan

m.odel.Snow Pl.ow.

Untuk sistem. yang ada tidak bisa, tetapi usul. tersebut

sanegat tepat untuk di l.aksanakan.

Bahan el.ektroda adal.ah kuningan pejal.. Efek outgassing

bel.um diperhitungkan.

3. Sieit HaryantoKal.au kita l.ihat dipereunakan diameter berbeda dart panjaneg

sama pada percobaan I, II, III. Apakah pernah dil.akukan

optimasi untu.k diameter> 23 m.m.? Berapa?

JAWABAN

Untuk diameter el.ektroda

pernah di I.aku.kan , karena

gel.as isol.ator.

dal.am. l.ebih besar 23 m.m. bel.um

keterbatasan ukuran diameter