## Jurnal Materi dan Pembelajaran Fisika (JMPF)

## Diagnosis Plasma Menggunakan Langmuir Probe (Plasma Diagnostic Using Langmuir Probe)
Asy Syifa Labibah 1 , Teguh Endah Saraswati 2 , Dwi Teguh Rahardjo 3
1,2 Universitas Sebelas Maret Jl. Ir. Sutarmi 36A Kentingan, Surakarta E-mail : syifafafisika13@student.uns.ac.id

## Abstrak
Penulisan artikel ini bertujuan untuk menjelaskan cara mendiagnosis plasma menggunakan Langmuir Probe . Metode yang digunakan  pada  penelitian  ini  adalah  kajian  pustaka  dari  berbagai  sumber  atau  referensi  yang  relevan.  Plasma  adalah  gas terionisasi dalam lucutan listrik dan dikenal sebagai wujud zat ke empat setelah padat, cair dan gas. Tujuan diagnostik plasma adalah untuk mengetahui beberapa karakteristik plasma. Diagnostik plasma dapat ditunjukkan dengan proba Langmuir. Proba Langmuir adalah sebuah probe yang berupa konduktor kecil untuk mengumpulkan arus ion atau elektron yang mengalir pada plasma  sebagai  efek  dari  perubahan  tegangan.  Proba  yang  digunakan  adalah  proba  yang  terbuat  dari  kawat tungsten yang disisipkan  ke  dalam  tabung  tertutup  yang  berisi  plasma.  Arus  dan  tegangan  keluar  dapat  dianalisis  untuk  mendapatkan informasi  terkait  densitas,  suhu  dan  potensial  tegangan,  dengan  karakterisik I-V ,  biasanya  ini  digambarkan  dalam  bentuk kurva karakteristik I-V .
Kata kunci : Plasma, Langmuir Probe , Karakteristik I-V
1. Pendahuluan
Konsep tentang plasma pertama kali dikemukakan  oleh  Langmuir  dan  Tonks  pada  tahun 1928.  Mereka  mendefinisikan  Plasma  sebagai  gas yang  terionisasi  dalam  lucutan  listrik.  Percampuran antara  ion-ion  yang  bermuatan  positif  dengan elektron-elektron  yang  bermuatan  negatif  memiliki sifat-sifat  yang  sangat  berbeda  dengan  gas  pada umumnya  dan  materi  pada  fase  ini  disebut  fase Plasma (Fridman, 2008: 1).
Plasma  adalah  gas  yang  terionisasi.  Plasma merupakan bentuk materi fase ke empat setelah fase padat,  cair  dan  gas.  Ketika  benda  padat,  contohnya es,  dipanaskan  secara  cukup  akan  menyebabkan atom-atom  akan  melepaskan  ikatan  antar  atom sehingga  memecahkan  struktur  kisi  kristal  yang kemudian  berubah  bentuk  menjadi  cairan,  yaitu  air. Ketika  air  dipanaskan  kembali  maka  atom-atom akan  bergerak  hingga  menimbulkan  panas  dan menguap  ke  atas  dimana  penguapan  yang  terjadi lebih  cepat  dibandingkan  dengan  pengondensasian kembali,  sehingga  air  berubah  bentuk  menjadi  gas. Ketika  gas  dipanaskan  kembali,  maka  atom-atom akan  bertumbukan  satu  dengan  yang  lain  hingga elektron  terlepas  dari  ikatan  atomnya.  Keadaan inilah yang disebut dengan plasma (Goldston, 1995: 1).
Menurut Richard dalam bukunya yang berjudul, Introduction  To  Plasma  Physics (2003:  6),
menjelaskan  ketika  suatu  tempat  memiliki  suhu lingkungan  yang  sangat  panas,  maka  suatu  sistem akan  menguraikan  partikelnya.  Contohnya  kristal yang  meleleh  maka  molekul  akan  terlepas  atau terurai.  Pada  suhu  mendekati  atau  melebih  energi ionisasi  atom,  atom  akan  terurai  menjadi  muatan negatif dan muatan positif. Partikel muatan ini tidak terlepas  bebas,  tetapi  masih  saling  terikat  karena adanya  medan  elektromagnetik  antar  muatan. Kemudian,  karena  suhu  partikel  muatan  semakin tinggi  sehingga  muatan  sudah  tidak  terikat  lagi, kumpulan  muatan  tersebut  dapat  menjadi  gerak kolektif  dengan  kekuatan  besar  dan  kompleks. Kumpulan muatan ini disebut dengan plasma.
Dari beberapa penjelasan di atas terkait definisi plasma,  maka  bisa  disimpulkan  bahwa  plasma adalah  gas  terionisasi  dalam  lucutan  listrik  dan dikenal  sebagai  wujud  zat  ke  empat  setelah  padat, cair dan gas.
Ada  beberapa  karakteristik  dari  plasma  antara lain kesetimbangan muatan ( quasinetrality ), panjang Debye,  derajat  ionisasi,  plasma  frekuensi,  densitas, temperatur dan lain-lain.
Ada dua metode pengukuran yang bisa dilakukan dalam  pengukuran  plasma  yaitu  sensor  dan diagnostik.  Diagnostik  dilakukan  untuk  mengetahui beberapa karakteristik plasma, antara lain besaran n, KT, V, dan lain-lain. Besaran tersebut dapat diambil dengan  pengamatan  melalui  metode  jarak  jauh  dan langsung.  Metode  jarak  jauh  atau  biasa  disebut remote tidak memerlukan objek sisipan pada plasma,
tetapi  setidaknya  membutuhkan  sebuah  sisi  agar remote bisa digunakan. Metode langsung mengukur plasma  pada  satu  titik  poin  menggunakan  proba. Metode  jarak  jauh  dipengaruhi  oleh  sedikit  radiasi, maka  jendela  harus  dibuat  dari  bahan  yang transparan  disesuaikan  dengan  panjang  gelombang yang  akan  digunakan.  Sedangkan  proba,  harus menahan  tumbukan  beruntun  oleh  partikel  plasma dan  hasil  dari  pelapisan  dan  pemanasan.  Selain  itu mereka  masih  harus  berukuran  cukup  kecil  supaya tidak merubah sifat yang dapat diukur (Chen, 2002: 75).  Diagnostik  menggunakan  metode  langsung contohnya adalah menggunakan Langmuir probe . Tujuan  penelitian  ini  adalah  untuk  menjelaskan cara  mendiagnosis  plasma  menggunakan Langmuir Probe.

## 2. Pembahasan

## 2.1 Definisi Proba Langmuir
Proba  Langmuir  adalah  sebuah  proba  yang berupa konduktor kecil yang dapat memperkenalkan plasma  dengan  cara  mengumpulkan  arus  ion  atau elektron sebagai efek dari perubahan tegangan. Arus dan  tegangan  keluar  disebut  dengan  karakteristik I- V .  Dari  karakteristik  ini  dapat  dianalisis  menjadi beberapa  informasi  terkait  densitas,  suhu,  potensial tegangan, bahkan fungsi distribusi tetapi tidak untuk suhu ion (Chen, 2002: 79).
Dalam  pengertian  yang  lebih  luas,  proba  listrik mengukur  parameter  plasma  lokal  menggunakan stasioner  atau  bermacam-macam  waktu  lambat dalam medan listrik atau magnet dalam memancarkan atau mengumpulkan partikel bermuatan  dari  plasma.  Teknik  pengukuran  ini utamanya  cocok  digunakan  untuk  densitas  rendah pada  plasma  dingin,  tekanan  rendah  pada  muatan listrik, ionosfer dan space plasma (Conde, 2011: 3). Ketika  proba  dibenamkan  ke  dalam  benda  yang keras,  teknik  spesial  digunakan  untuk  melindungi proba dari plasma serta untuk memastikan rangkaian memberikan  nilai I-V yang  benar.  Ujung  proba dibuat  dari  bahan  yang  tahan  dengan  temperatur tinggi,  biasanya  sebuah tungsten berbentuk  batang atau kawat yang ukuran diameternya sekitar 0,1 – 1 mm.    Batangnya  disisipkan  ke  dalam  tabung keramik,  yang  terbuat  dari  aluminium.  Dimana batang ini berguna untuk mengisolasi plasma kecuali jika  panjang  menuju  ujungnya  pendek  sekitar  2-10 mm.  Bahan-bahan  ini  menunjukan  temperatur rendah  Laboratorium  plasma  tanpa  melelehkannya. Untuk  mencegah  gangguan  pada  plasma,  tabung keramik  harus  dibuat  setipis  mungkin,  lebih  baik dengan ukuran diameter < 1 mm. Ujung proba harus panjang  sampai  keluar  dari  tabung  tanpa
menyentuhnya, hal ini dikarenakan agar tidak terjadi kontak  elektrik  dengan  bahan  pelapis  yang  bisa menyebabkan  deposit  pada  insulator.  Bagian  ini dibungkus  dengan  selubung,  yang  berupa  stainless atau  tabung  gelas  dengan  diameter ¼ ’’ .  Beberapa proba  Langmuir  menggunakan  tabung  logam  yang cukup  tipis  untuk  mendukung  ujung probe ,  dan  ini bisa  memodifikasi  karakteristik  plasma  seperti densitas  yang  menjadi  rendah.  Ketika  pengambilan arus ion, probe bisa meluruh akibat percikan plasma, yang akibatnya akan merubah area pengambilan arus (Chen, 2002:79-80).
Secara  sederhananya,  Langmuir probe adalah sebuah  elektroda  logam  yang  digambarkan  dengan baik  secara  geometri  (batang,  silinder  dan  bola), seperti pada gambar berikut ini.
Gambar 1. Macam-Macam Bentuk Langmuir Probe (Conde, 2011: 3).
Pemasangan  proba  bisa  dengan  proba  tunggal maupun  ganda.  Untuk  proba  ganda  bisa  digunakan dengan cara kedua proba identik dan dimasukkan ke dalam  plasma  dengan  letak  berdekatan.  Arus  yang mengalir  dari  satu  proba  ke  proba  yang  lain  diukur sebagai  fungsi  dari  perubahan  tegangan  diantara keduanya.  Karakteristik  I-V  kemudian  hasilnya simetris  dan  terbatas  pada  daerah  antar  arus  jenuh masing-masing proba. Metode proba ganda ini tidak bisa  bekerja  pada  plasma  RF.  Hal  ini  dikarenakan hampir mustahil untuk membuat kedua system proba tersebut  mengapung  pada  frekuensi  RF,  karena luasnya  kapasitansi  yang  bocor  ke  arah ground (Chen, 2002: 93).
2.2 Cara Kerja Proba Langmuir
Gambar  2.  Skema  Alur  untuk  Pengukuran Probe dalam Glow Discharge (Conde, 2011:3).
Pada  Gambar  2  menunjukkan  alur  pengukuran singkat  menggunakan  proba  Langmuir  pada percobaan  dengan  plasma  dingin  terionisasi  lemah. Plasma glow  discharge masuk  ke  dalam  tabung gelas  dengan  tekanannya  antara  10 -2 –  10 2 mBar. Lucutan  listrik  diproduksi  dengan  menggunakan sebuah tegangan tinggi DC yang tegangannya antara 300  –  600  Volts  atau  lebih,  dan  arus  lucutan I dis mencapai 0,1 – 100 mA (Conde, 2011:4).
Gambar  3.  Skema  Alur  Pengukuran Probe pada  Plasma  yang Diproduksi oleh Emisi Termion dari Elektron (Conde, 2011:4).
(Conde, 2011
Pada  skema  di  atas,  kawat  dipanaskan  hingga mencapai sinar merah pada arus DC di dalam ruang tabung  kosong  untuk  menghasilkan  emisi  termion dari  elektron.  Elektron  ini  nantinya  akan  dipercepat dengan  tegangan  lucutan  sekitar  20  –  80  Volts,  di atas  potensial  ionisasi  pertama  dari  gas  netral,  dan menyebabkan  ionisasi  dampak  elektron  dari  sisa atom netral pada tabung kosong tersebut. Pada kasus ini,  arus  lucutan  mungkin  akan  mencapai  beberapa ampere  dan  mendapat  magnet  permanen  yang  akan sering  mengatur  sekitar  tabung  kosong  (Conde, 2011:4).
Kemudian  ujung  proba  yang  berada  di  luar tabung  disambungkan  dengan  amperemeter  untuk mengukur  arus  dan  voltmeter  untuk  mengukur tegangan atau potensial dari plasma.

## 2.3 Cara Analisis Data
Hasil  dari  diagnosis  menggunakan  proba Langmuir  adalah  kita  mendapatkan  nilai  tegangan dan  juga  arus  pada  plasma.  Dari  dua  variabel tersebut  dapat  dibuat  sebuah  grafik  seperti  berikut ini:
Gambar 4. Kurva I-V Ideal Probe Langmuir (Conde, 2011:5).
Dari  grafik  tersebut  dapat  diketahui floating potential ,  arus  ion  jenuh,  arus  elektron  jenuh  dan potensial plasma.  Dari data tersebut, nantinya dapat diperoleh  densitas  plasma  dan  temperatur  elektron dari plasma.
Untuk  mengetahui  besar  temperatur  elektron, bisa digunakan persamaan berikut ini :
i e e fl pl I I T V V log + = (1)
dengan V pl adalah  potensial  plasma, V fl floating potential , T e suhu  elektron, I e arus  jenuh  elektron, dan I i arus jenuh ion.
Densitas  plasma  dapat  ditentukan  dari  hasil percobaan dengan menggunakan persamaan
e i isat e KT m eA I n 61 , 0 = (2)
dengan n e adalah  densitas  elektron, I isat arus  jenuh ion, e muatan elektron, A luasan proba, m i massa ion, K konstanta Boltzman, dan T e suhu elektron (Furno, 2012: 54).

## 3. Kesimpulan dan Saran

## Kesimpulan
Plasma  adalah  gas  terionisasi  dalam  lucutan listrik  dan  dikenal  sebagai  wujud  zat  ke  empat setelah  padat,  cair  dan  gas.  Plasma  memiliki beberapa karakteristik antara lain adalah kesetimbangan  muatan,  panjang  Debye,  derajat ionisasi,  plasma  frekuensi,  densitas,  temperatur  dan lain-lain.
Ada dua metode diagnostik plasma, metode jarak jauh  dan  langsung.  Diagnostik  menggunakan  proba Langmuir  termasuk  metode  langsung.  Proba Langmuir  adalah  sebuah probe yang  berupa konduktor kecil untuk mengumpulkan arus ion atau elektron  yang  mengalir  pada  plasma  sebagai  efek dari perubahan tegangan. Proba disisipkan ke dalam tabung tertutup yang berisi plasma. Hasil data yang
akan diperoleh merupakan arus dan tegangan dalam plasma  yang  terukur  dari  proba.  Dari  data  tersebut didaptkan kurva karakteristik I-V, dimana dari kurva inilah bisa diperoleh temperatur dan densitas plasma.

## Saran
Saran  untuk  penelitian  selanjutnya  adalah perlunya  pengkajian  lebih  lanjut  mengenai krakteristik  dan  jenis  plasma,  dimana  kedua  hal  ini akan  menjadi  dasar  untuk  mendiagnosis  plasma. Selain  itu  diberikan  berupa  kelebihan  dan kekurangan  metode  diagnosis  ini  dibanding  dengan yang lainnya.

## Daftar Pustaka
Chen, Francis F. & Jane P. Chang. 2003. Principles of  Plasma  Processing .  New  York:  Plenum Publishers. Conde,  Luis.  2011. An  Introduction  to  Langmuir Probe  diagnostics  of  plasmas. Spanyol: Universidad Politecnica de Madrid. Fridman, Alexander. 2008. Plasma Chemistry . USA: Cambridge University Press. Furno, Ivo, dkk. 2012. Plasma Diagnostics In Basic Plasma  Physics  Devices  and  Tokamaks  From Principles  to  Practice:  Theory  of  Electrostatic Probe . Goldston  R.J.,  Rutherford  P.H.,  1996. Introduction to Plasma Physics . Institute of Physics Merlino,  Robert  L.  2007. Understanding  Langmuir Probe  Current-Voltage  Characteristics. Iowa: The University of Iowa. Nur,  Muhammad.  2011.
Fisika  Plasma  dan Aplikasinya . Semarang: Universitas Diponegoro
Purwadi,  Agus,  Suryadi  &  W.  Usada.  1997. Pengukuran  Parameter  Plasma  dengan  Probe Bentuk  Bola.  Diperoleh  24  Mei  2017  dari http://digilib.batan.go.id/e-prosiding/ .
Usada,  Widdi,  dkk.  (2003).  Profil  Distribusi Kerapatan  Plasma  Dalam  Lucutan  Torus. Dalam  Sukarsono  (Eds). Prosiding  Pertemuan dan Presentasi Ilmiah P3TM-BATAN, hlm 90 – 96, BATAN, Yogyakarta.