## JURNAL ILMIAH FLASH
Vol. 9 No. 1, Halaman: 76 - 82 Juni 2023

## PENGARUH PELEPASAN ELEKTRON ELEKTODA JARUM BERJARAK TERHADAP PERILAKU PLASMA PADA REAKTOR BERTEKANAN RENDAH
David Suban Koten 1 *, Mikael Namas 2 , Yudi Antoniu H.Berr 3 1,2, 3 Politeknik Negeri Kupang
* E-mail: davidsubankoten@gmail.com
Abstrak
Plasma merupakan gas yang terionisasi, yaitu substansi yang elektron-elektronnya keluar dari orbit tiap atom dan dapat dibuat  dengan  cara  memanaskan  gas  atau dengan cara  memaparkan  medan elektromagnetik yang cukup  kuat  menggunakan  laser  atau  pembangkit  gelombang  mikro.  Dalam  penelitian  ini  diulas  bagaimana merancang  generator  plasma  tegangan  tinggi,  sehingga  dapat  memasok  tegangan  arus  searah  (DC)  untuk membangkitkan  plasma  di  dalam  ruangan  reaktor  yang  berisi  gas  argon  tekanan  rendah.penelitian  ini  juga dilakukan analisa tegangan breakdown sampai ditemukan plotting hubungan antara tegangan breakdown dengan tekanan gas dan jarak antar elektroda. Diharapkan plotting tersebut bisa disesuaikan dengan kurva sesuai dengan Hukum Paschen dan mendapatkan hasil yang mendekati kurva ideal.
Penelitian  ini  juga  bertujuan  untuk  mengetahui  bentuk  dan  perilaku  plasma  serta  debet  plasma  yang  di hasilkan dari pelepasan elektron elektroda berbentuk jarum yang di tempatkan dalam reaktor bertekakan rendah dengan    jarak  tertentu  untuk  dapat  menghasilkan  debet  plasma  yang  signifikan,sehingga  nantinya  hasil  dari penelitian  ini  bisa  dilakukan  penelitian  lanjutan    yakni  penerapan  plasma  dalam  bidang  industri,  pertanian  dan elektro medik.
Kata kunci: plasma, reaktor, elektroda Bola, argon, Paschen, tegangan breakdown

## PENDAHULUAN
Plasma  merupakan  gas  yang  terionisasi, yaitu  substansi  yang  elektron-elektronnya keluar  dari  orbit  tiap  atom  dan  dapat  dibuat dengan  cara  memanaskan  gas  atau  dengan cara memaparkan medan elektromagnetik yang cukup kuat menggunakan laser atau pembangkit  gelombang  mikro.  Peningkatan atau  penurunan  jumlah  elektron  yang  ada dalam  plasma  menghasilkan  partikel-partikel bermuatan positif maupun negatif yang disebut dengan ion. Hal ini biasanya bisa diikuti dengan lepasnya  ikatan  molekul.  Munculnya  muatan listrik  yang  besar  membuat  plasma  menjadi bersifat  konduktif  sehingga  bereaksi  sangat kuat  terhadap  medan  elektromagnetik.  Seperti halnya pada gas, plasma tidak memiliki bentuk maupun  volume  yang  tetap  kecuali  berada dalam ruang tertutup. Namun, tidak seperti gas di bawah pengaruh medan magnet, plasma bisa membentuk  beberapa  macam  struktur  seperti filamen,  berkas  sinar,  dan  lapisan  ganda. Penerapan  teknologi  plasma  dalam  bidang industri dan komersial antara lain plasma cutting (sebuah teknologi yang muncul dari pengelasan plasma pada tahun 1960) dan merupakan cara
yang  sangat produktif untuk memotong lembaran logam dan plat. Plasma welding, pada aplikasi  ini,  menggunakan  frekuensi  dan tegangan tinggi. Las plasma tersebut jauh lebih baik dari las tungsten karena proses pengelasan bisa lebih cepat. Selain itu terdapat juga metode plasma nitiriding, yang merupakan fungsi plasma pada proses pengerasan material logam.  Pada  aplikasi  ini,  material  logam ditempatkan  di  antara  katoda  dan  elektroda anoda  dalam  tabung  vakum  pelepasan  arus listrik.  Penerapan  dalam  bidang  komersial  dan industri  lainnya,  yakni  pembuatan  ozon, sterilisasi  air  kolam,  menghilangkan  berbagai organik  teruap  yang  tidak  diinginkan,  seperti pestisida  kimia,  pelarut  atau  bahan  kimia  dari atmotsfer,  dan  pengion  udara  yang  baik  buat kesehatan.  Dari  berbagai  aplikasi  teknologi plasma baik di dunia industri maupun komersial yang sudah mulai dikembangkan, namun masih mengalami  kendala  yakni penerapan teknologi plasma  dalam  bentuk  perangkat  yang  belum tersedia  di  pasaran  atau  dijual  secara  bebas. Salah satu faktor penyebabnya adalah bagaimana  merancang  sistem  reaktor  plasma yang mempunyai  tekanan  yang  rendah (vacuum) dan menghasilkan debit plasma yang
tinggi. D alam  penelitian  ini  dirancang  sebuah generator  plasma  yang  dibangkitkan  dari  HVT (high  voltage  transformer)  yang  menghasilkan tegangan  untuk  mengaktifkan  plasma  pada elektroda  yang  dipasang  dalam  tabung  kedap udara. HVT berfungsi mengubah tegangan AC 220 V menjadi tegangan AC 2000 V, sementara dioda  tegangan  tinggi  dan  kapasitor  berfungsi sebagai  rangkaian  penyearah  dan  filter  yang selanjutnya  mengubah  tegangan  AC  2000  V menjadi  tegangan  DC  2000  V.  Dari  generator plasma  yang  dibuat,  akan  dilakukan  optimasi parameter  proses  terbentuknya  plasma  yaitu mengetahui  Kurva  Paschen  dari  gas  yang digunakan  (gas  argon).  Pada  penelitian  ini digunakan  jenis  elektroda  Jarum.  Pemilihan jenis    elektroda  bola  ditekankan  kepada fungsinya yaitu untuk memperoleh medan listrik yang sangat tinggi. Sehingga dapat menghasilakn debet plasma yang cukup besar.
Penelitian  yang    dilakukan  ini  juga sejalan  dengan  Rencana  Induk  Riset Nasional (RIRN)  tahun  2017  -  2045  untuk  mendukung arah  pembangunan  nasional  di  bidang  ilmu pengetahuan  dan  teknologi,  serta  menjawab komitmen  Pemerintah  dalam  mendukung Pengembangan Material maju. Tujuan lain dari penelitian  ini  bagi  lembaga  Politeknik  Negeri Kupang,  yakni  menjadi  sumber  infomasi  dan dapat  menjadi  satu  materi  pembelajaran  bagi mahasiswa  Politeknik  Negeri  Kupang  dalam ilmu Fisika dan di harapkan menjadi satu materi praktikum  pada  laboratorium  General  yang berkaitan  dengan  Perkembangan  Teknologi Plasma,

## METODE PENELITIAN
Penelitian  di  lakukan  dengan  berawal  dari perancangan alat, pebuatan alat, dan pengujian untuk  mengetahui  bentuk  plasma  yang  di hasilkan dari pelepasan elektron berbentuk bola pada media gas argon serta mengetahui debet plasma yang di hasilkan dalam reaktor plasma. hasil  penelitian  ini  dijadikan  data  awal  untuk penelitian  lanjutan  pada  penerapan  teknologi plasma  dalam  dunia  industri,  pertanian  dan Kedokteran .
Alur  dari  penelitian  ini  dapat  di  lihat  pada Gambar  1.  yang    menjelaskan  prosedur pelaksanaan penelitian yang  akan dilakukan
Gambar 1. Diagram Alir Penelitian

## a. )Tahapan Penelitian
Pada  penelitian  ini  beberapa  tahapan  yang dilakukan, yaitu:
1. Perancangan sistem generator plasma.
2. Pembuatan  sistem  generator  plasma yang  terdiri  dari  pembuatan  catu  daya, pembuatan tabung vakum, pemasangan pompa vakum,  pemasangan  instalasi  pipa  dan  katup, pemasangan reservoir gas argon, pemasangan alat-alat ukur, dan pembuatan sistem elektroda.
3. Pengujian perilaku plasma.
4. Pengambilan data.
5.  Analisis unjuk kerja plasma yang dihasilkan.
Gambar 2. Desain sistem generator plasma.
Tabung kedap udara sebagai reaktor yang diisi gas  argon  bertekanan  rendah  dievakuasi melewati  pipa  dengan  menggunakan  pompa vakum dan dikendalikan oleh katup, sementara

## Pengaruh Pelepasan Elektron Elektroda Jarum Berjarak Terhadap Perilaku Plasma
Pada Reaktor Bertekanan Rendah
Koten 1* , Namas 2 , dan Berr 3 79
di  sisi  lain  tabung  berisi  gas  argon  bertekanan tinggi  berperan  sebagai  pemasok  gas  argon dan  dikendalikan  oleh  katup.  Tekanan  gas  di dalam  reaktor  bisa  diamati  melalui  alat  ukur tekanan. Anoda dan katoda dibuat dari tembaga yang  berbentuk  jarum.  Elektroda  tersebut tersusun  paralel.  Catu  daya  yang  digunakan untuk  anoda  dan  katoda  merupakan  sumber bertegangan maksimal DC 2000 V.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Langkah awal yang dilakukan adalah perancangan alat, kemudian diikuti pembuatan alat, dan dilakukan pengujian, untuk kemudian dianalisis  hasilnya  dan  ditarik  kesimpulan
A. Alat Penelitian Alat yang digunakan untuk melakukan penelitian  dibagi  menjadi  beberapa  bagian. Pertama  adalah  bagian  catu  daya  (power supply)  yang  berfungsi  untuk  memasok tegangan  tinggi  searah  (DC).  Bagian  ini mengubah  masukan  berupa  tegangan  bolak- balik 220 V menjadi tegangan searah yang bisa diatur mulai dari 0 V hingga mencapai 2000 V.
Gambar 3. menunjukkan bagian catu daya
Bagian  kedua  adalah  reaktor  plasma yang harus berupa ruang kedap udara tembus pandang sehingga bisa dilakukan pengamatan secara  visual.  Di  dalam  ruangan  tersebut terdapat  elektroda  jarum  yang    bisa  diubah jarak antar anoda dan katoda.
Gambar. 4 Reaktor plasma yang digunakan dalam penelitian.
Gambar  4.  menunjukkan  reaktor  plasma  yang digunakan  dalam  penelitian  ini.  Pada  bagian dasar  terdapat  platform  logam  rata  yang dikelilingi dengan seal berupa silicon glue untuk membuat keadaan vakum ketika gelas reaktor ditutupkan  dari  atas,  sehingga  mencegah kebocoran  gas  dari  luar  ke  dalam  reaktor. Selain  itu  pada  Gambar  5  juga  terdapat amperemeter  di  sebelah  bawah  dari  platform reaktor,  yang  digunakan  untuk  mengukur besarnya  arus  ketika  terjadi  plasma  dalam reaktor.
Gambar. 5. Gabungan alat penelitian yang digunakan pada pengambilan data.
Kemudian gas argon diisikan ke dalam reaktor dengan ketelitian tekanan sebesar 1 desiTorr. Kesemua  bagian  harus  memiliki  alat  ukur sesuai dengan parameternya. Bagian pertama alat  ukurnya  adalah  tegangan  keluaran  ke reaktor.  Bagian  kedua  alat  ukurnya  adalah jarak  antar  elektroda  dengan  ketelitian  1  mm, dan  amperemeter  untuk  mengukur  arus  yang terjadi  antar  elektroda.  Bagian  ketiga  alat ukurnya adalah barometer  dengan ketelitian  1 desiTorr.  Pada  Gambar  5  ditunjukkan  semua
alat  penelitian  yang  digunakan  dalam  proses pengambilan data.
Selain catu daya dan reaktor plasma, berikut ini adalah  alat-alat  pendukung  yang  harus disiapkan:
1.  Konduktor elektroda yang melewati lubang pada dinding reaktor.
2.  Pengatur  tegangan  catu  daya  berbentuk tombol putar.
3.  Voltmeter  yang  mengukur  tegangan  catu daya, dengan ketelitian 1 volt.
4.  Amperemeter  yang  mengukur  arus  yang terjadi melewati elektroda, dengan
ketelitian 1 mA.
5.  Penggaris  skala  1  mm  di  dalam  reaktor yang diposisikan di belakang elektroda dan dipasang sejajar dengan sumbu elektroda, yang  berfungsi  untuk  mengetahui  jarak antar elektroda.
6.  Penahan elektroda yang bisa dilonggarkan dan  dikencangkan  untuk  mengatur  jarak antar elektroda.
7.  Pipa yang melewati lubang evakuasi gas.
8.  Barometer pada pipa utama, yang mengukur tekanan udara di dalam reaktor, dengan ketelitian 0,1 Torr (1 desiTorr).
9.  Kran untuk evakuasi gas.
10. Pompa vakum untuk melakukan evakuasi gas.
11. Kran untuk memasok gas argon.
12. Tabung reservoir gas argon.
13. Osiloskop  untuk  melakukan  cross- check  dan  konfirmasi  tegangan  DC pasokan ke reaktor plasma.

## HASIL
Kontur  intensitas  medan  listrik  yang  terjadi dalam reaktor secara teoritis ditunjukkan pada Gambar 8, yang merupakan hasil simulasi dari perangkat lunak FEMM.
. Gambar.  6  Intensitas  medan  listrik  pada elektroda  jarum  dengan  jarak  1  cm  dan tegangan 500 V.
Secara  grafis,  hasil  plotting  fluks  medan magnet pada reaktor plasma ditunjukkan pada Gambar 7.
Gambar. 7 Hasil plotting fluks medan magnet elektroda jarum dengan jarak 1 cm dan
tegangan 500 V.
Bagian  ketiga  adalah  pendukung  berupa  pipa penghubung,  pompa  evakuasi,  dan  tabung cadangan  gas  argon.  Perangkat  pendukung tersebut  harus  mampu  mengeluarkan  udara (mengevakuasi) pada reaktor hingga mencapai tekanan  kurang  dari  0.01  Torr,  dan  tidak diperbolehkan  terdapat  kebocoran  sehingga setelah evakuasi tekanan tidak boleh berubah.

## B. Pengambilan Data
Pengambilan  data  dilakukan  menggunakan perulangan  bertahap sesuai  dengan  tujuannya yaitu  mendapatkan  kurva  Paschen  yang merupakan fungsi tegangan breakdown terhadap  jarak  elektroda  dan  tekanan  gas argon. Pengambilan data dilakukan dimulai dari jarak  elektroda  0,25  cm.  Pertama  jarak  antar elektroda  diatur  hingga  ujung  jarum  anoda dengan  ujung  jarum  katoda  berjarak  0,25  cm, kemudian  baut  pengatur  dikunci  dan  reaktor ditutup. Tabel I menunjukkan contoh pengambilan data yang dilakukan pada tekanan 0,8 Torr dan jarak elektroda 0,25 cm.

## Pengaruh Pelepasan Elektron Elektroda Jarum Berjarak Terhadap Perilaku Plasma
Pada Reaktor Bertekanan Rendah
Koten 1* , Namas 2 , dan Berr 3 81
Pada Tabel I ditunjukkan salah satu pengamatan  breakdown  voltage  yang  terjadi pada  gas  argon  dengan  tekanan  0,8  Torr  dan jarak  antar  elektroda  (menggunakan  jarum) adalah 0,25 cm. Pada Tabel I ini, data tegangan dilompati  hingga  265  V  karena  nilai  arusnya sama-sama  0  mA.  Dapat  dilihat  bahwa  ketika tegangan  mencapai  268  V  tiba-tiba  terbentuk arus  120  mA,  dan  secara  visual  terbentuk plasma  pada  reaktor.    tampilan  plasma ditunjukkan pada Gambar 8 . Pada pengambilan data ini, maka dapat disimpulkan bahwa  breakdown  voltage  untuk  tekanan  0,8 Torr dan jarak elektroda jarum 0,25 cm adalah bernilai 268 V. Pengamatan dengan menaikkan tegangan tidak lagi diperlukan karena breakdown  voltage    sudah  didapat.  Gambar  9 menunjukkan hubungan arus terhadap tegangan.
TABEL 1. Contoh Pengamatan Tegangan Terhadap Arus Pada Tekanan 0,8 Torr, Jarak Elektroda 0,25 Cm, Menggunakan Elektroda Jarum
Pengambilan  data  dilakukan  terus  untuk tekanan yang berbeda dengan sela tekanan 0,1 Torr.  Di  level  berikutnya,  pengambilan  data dilakukan  untuk  jarak  elektroda  yang  berbeda (dibuat lebih jauh).
Gambar. 8 Salah satu percobaan ketika terjadi plasma di dalam reaktor.
Dari  hasil  terlihat  terbentuknya  debet  plasma yang  begitu  besar  pada  jarak  elektroda  jarum anoda dan  elektroda jarum  berjarak 5 cm

## PEMBAHASAN
semua data berkaitan dengan jarak antar elektroda digabung dengan membuat rata-rata seperti pada Tabel 2.
Tabel.2. Gabungan rata-rata data breakdown voltage dari masing-masing jarak elektroda jarum.
Dari  Gambar  12.  dapat  dianalisis  tentang tegangan  breakdown  yang  terjadi  pada lingkungan gas argon tekanan rendah menggunakan elektroda jenis jarum. Penggunaan  elektroda  jarum  memiliki  akurasi jarak  yang  paling  tinggi  dibandingkan  dengan elektroda  jenis  plat  sejajar  maupun  bola.
Seperti terlihat pada Gambar 5.19, bila dibaca dari tekanan tinggi  menuju ke tekanan rendah (dari kanan ke kiri), maka tegangan breakdown cenderung  menurun,  dari  277  V  dan  terus menurun.  Hal  ini  disebabkan  karena  pada tekanan  tinggi,  terdapat  banyak  atom  gas antara  kedua  elektroda,  sehingga  diperlukan tegangan yang tinggi (energi yang lebih tinggi) untuk membuat jalur ionisasi antara Elektroda
Gambar 9 .Hasil plotting tegangan breakdown rata-rata dari semua jarak eksperimen.
Semakin  rendah  tekanan,  konsentrasi gas  semakin  rendah  yang  berakibat  pada jumlah  atom  gas  antara  kedua  elektroda  lebih sedikit. Hal ini membuat pembentukan plasma atau  jalur  ionisasi  lebih  mudah  terbentuk karena  hambatan  yang  lebih  kecil.  Akibatnya adalah  tegangan  breakdown  berangsur  turun seiring turunnya tekanan gas. Namun  pada  satu  titik,  yaitu  sekitar  0,8 Torr·cm,  tegangan  breakdown  mencapai  titik terendahnya, yang dalam hal ini bernilai 223 V. Ketika  tekanan  diturunkan,  maka  tegangan breakdown  akan  mulai  naik  drastis.  Hal  ini disebabkan  di  tekanan  tersebut,  terjadi  hal sebaliknya,  yaitu  konsentrasi  atom  gas  yang terlalu sedikit justru akan membuat pembentukan  jalur  ionisasi  lebih  sulit.  Hal  ini disebabkan  elektron  dari  atom  yang  terpental dari tumbukan elektron dari elektroda (atau dari elektron atom gas lainnya)

## Pencarian Kurva Paschen Ideal
Kurva Paschen Ideal  dicari berdasarkan hasil plotting  .  Pada  kedua  pendekatan,  digunakan MSE  (mean  squared  error)  sebagai  indikator kemiripan data hasil pengamatan dengan data kurva  ideal  yang  dicari.  Pencarian  nilai  MSE didasarkan  atas  error  atau  selisih  antara  data pengamatan  dengan  data  kurva  ideal  yang
dikuadratkan  untuk  menghindari  nilai  negatif (yang  disebut  dengan  SE  atau  squared  error) dan  dari  semua  nilai  SE  tersebut  dicari  rata- ratanya  sehingga  muncul  nilai  MSE  tersebut. Semakin  rendah  nilai  MSE,  maka  akan semakin mirip pula hasil pengamatan terhadap kurva ideal.
Gambar 12. Hasil ploting kurva Paschen.
Pada hasil pengambilan data, didapatkan Kurva  Paschen  aktual  sesuai  dengan  hasil pliting  untuk  semua  jarak    menggunakan elektroda jarum .
.

## PENUTUP
Desain  generator  plasma  yang  telah dirancang  meliputi  catu  daya  (pengubah tegangan  AC  220  V  menjadi  DC  2000  V), pengatur  tegangan  pasok,  ruangan  reaktor, elektroda,  pompa  vakum,  reservoir  argon, instalasi pemipaan, serangkaian katup vakum, voltmeter, amperemeter, dan barometer. Generator tersebut telah berhasil membangkitkan plasma sesuai dengan kaidah teori  yang  ada.  Perilaku  medan  listrik  yang terjadi  pada  elektroda  berbentuk jarum  berupa medan  yang  terfokus  sepanjang  permukaan jarum  katoda  dan  juga  terdapat  sebaran  yang merata mengarah  pada anoda
Diharapkan  pada  penelitian  berikutnya bisa  menghasilkan  perilaku  plasma  pada  gas mulia  lainnya,  yaitu  helium,  neon,  kripton, xenon, dan radon.

## Pengaruh Pelepasan Elektron Elektroda Jarum Berjarak Terhadap Perilaku Plasma
Pada Reaktor Bertekanan Rendah
Koten 1* , Namas 2 , dan Berr 3 83

## UCAPAN TERIMAKASIH
Penulis  mengucapkan  terima  kasih kepada Politeknik Negeri Kupang dalam hal ini Pusat  Penelitiandan  Pengabdian  kepada Masyaakat yang telah memberikan kesempatan  dan  mendanahi  penelitian  ini dalam program penelitian rutin tahun anggaran 2022.  kepada  tim  peneliti  untuk  melakukan penelitian ini. Selanjutnya, ucapan terimakasih kepada  Mikael  Namas,  S.Si.,M.Si dan  Yudi Antoniu  H.Berr,A.Md  yang  telah  berkontribusi sebagai  tim  peneliti  dalam  menyelesaikan penelitian  ini.  Kepada  Tim  Pengelola  Jurnal FLASH,  penulis  mengucapkan  terima  kasih atas  bantuan  dan  perannya  dalam  mereview hasil penelitian ini.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]. Alonso,  M.  dan  Edward,  J.F.  1967.
Fundamental University Physics.Vol.II Fields and Wave. Addison-Wesley Publishing.
[2]. Czapka,  Tomasz.  2011.  Back-Corona Discharge Phenomenon in the Nonthermal Plasma  System.  IEEE  Transactions  on Plasma Science. New York.
[3]. Chen, J. dan Davidson, J.H. 2002. Electron
Density  and  Energy  Distributions  in  the Positive  DC  Corona:  Interpretation  for
Corona-Enhanced  Chemical  Reactions. Plasma Chemistry and Plasma Processing. Vol. 22.
[4]. Davidson,  J.H.  2000.  Recent  Trends  In Electrostatic  Precipitation.  New  York: McGraw-Hill Inc.
[5]. Duffy,  A.  1999.  Electric  Charge  and
Coulomb’s Law, Physics
Lecture
Demonstration.  Massachusetts:  Boston
University.
[6]. E.,  Kuffel,  W.S.,  Saengl,  J.,  Kuffel.  2000. High  Voltage  Enggineering  Fundamental. Published by Butterworth-Heinemann.
Typeset by Laser Words, Madras, India. [7]. Hayt, W.G. 1982. Teknologi Elektromagnetik. Edisi keempat alih Bahasa Houw Liong. Jakarta: Erlangga.
[8]. Iskander,  M.F.  1992.  Electromagnetic Fields  and  Waves.  New  Jersey:  Prentice Hall Inc.
[9]. Kind, D. 1993. Pengantar Teknik Ekspremental  Tegangan  Tinggi.  Bandung: ITB.
[10]. Kim,  H.H.  Prieto,  G.,  Takashima,  K., Katsura, S., Mizuno, A. 2002. Performance Evaluation  of  Discharge  Plasma  for Gaseous  Pollutant  Removal.  Journal  of Electrostatic Elsevier Vol. 55.
[11]. Li, Dashuai, Tong, Ling, Gao, Bo, dan Tian, Yu.  2015.  The  Study  of    2.45    GHz Atmospheric Microwave Plasma Generator.
IEEE Transaction on Industry Applications.
Vol. 15. New York.
[12]. M.S., Naidu. 1995. High Voltage Enggineering.  Second  Edition.  New  York: McGraw-Hill Inc.
[13]. [Nur, Muhammad. 2011. Fisika Plasma dan Aplikasinya. Universitas Diponegoro.
Semarang.