PLASMA

PLASMA

1.      Pendahuluan

Plasma adalah gas yang mengalami inonisasi karena disusun oleh ion positif (dan negative) dan electron dan netral. Derajat ionisasi bisa mencapai 100% disebut juga dengan gas yang mengalami inonisasi keseluruhan (fully ionized gases) dan partially ionized gases berkisar 10^-4 – 10^-6.

Plasma juga digolongkan kedalam jenis zat keempat, dimana sebagian besar zat yang terdapat di alam semesta termasuk kedalam bagian plasma. Selain itu kita juga dapat membedakan plasma kedalam dua bagian yaitu temperature tinggi atau fusian plasma dan plasma dengan temperature rendah atau gas discharges.

Secara umum, setiap bagian bisa dibuat diantara plasma pada suhu setimbang atau pun tidak setimbang. Pada suhu setimbang, suhu pada setiap bagian sama. Seringkali, “local thermal equilibrium” (LTE) digunakan untuk semua jenis plasma yang berada ditempat yang sama. Selain itu diantara zat plasma juga ada yang tidak setimbang disebut juga “non-LTE”. Plasma juga dapat dibagi menjadi 2 yaitu LTE dan non-LTE. Disetiap bagian saling berhubungan ke tekanan pada plasma itu sendiri.

Parameter dari non-LTE adalah:

a.       Bahan kimia (bekerja pada gas).

b.      Tekanan (0.1 Pa sampai tekanan atmisfir)

c.       Struktur medan elektromagnetik

d.      Konfigurasi discharge

e.       Keadaan sesaat

2.      Overview of gas discharge plasmas

2.1  Direct current (d.c) glow discharge

Ketika beda potensial sudah cukup tinggi akan mengerakan kedua electron yang ada pada gas, dimana akhirnya akan terjadi breakdown. Breakdown terjadi karena sebagian electron yang seharusnya memancarkan elektroda akan menghadirkan radiasi kosmik dimana-mana. Tanpa menggunakan beda potensial, electron yang dipancarkan dari katoda tidak bisa menahan discharge. Bagaimanapun juga, ketika beda potensial digunakan, electron dipercepat oleh medan listrik di depan katoda dan berbenturan dengan atom gas. Benturan yang paling penting adalah benturan taklenting, mendorong ke arah eksitasi dan ionisasi. Benturan eksitasi diikuti oleh de-eksitasi dengan pancaran radiasi, yang bertanggung jawab untuk karakteristik dari glow discharge. Benturan ionisasi membentuk electron dan ion baru. Ion dipercepat oleh medan listrik ke arah katoda, dimana pelepasan electron oleh ion-induksi tidak sama dengan pancaran electron. Kenaikan electron untuk benturan ionisasi yang baru menimbulkan ion dan electron baru. Proses dari pancaran electron pada katoda dan ionisasi pada plasma membuat glow discharge mendukung plasma.

Proses penting lainnya dalam glow discharge adalah phenomena percikan, yang terjadi pada tegangan yang cukup tinggi. Ketika ion dan atom yang cepat dari plasma menyerang katoda, mereka tidak hanya melepaskan electron secukupnya, tetapi juga atom dari katoda itu sendiri, yang disebut percikan. Ini merupakan dasar dari penggunaan glow discharge untuk spectrochemistry analitik. Tentu saja material yang dianalisa digunakan pada katoda daro glow discharge, yang mulai dipercikan oleh spesies plasma. Atom yang terpancar akan menjadi ion dan/atau meningkat pada plasma. Ion ini bisa terdeteksi oleh spectrometer massa, dan kenaikan atom dan inon memancarkan poton yang bisa dibatasi dengan pancaran spektrometri. Sebagai alternative, pemancaran atom juga bisa menyebar diluar plasma dan mereka bisa menyimpan pada substrate; teknologi ini digunakan pada teknologi material.

Gambar 1

Gambar diatas (gambar 1) merupakan bentuk dari proses plasma yang sederhana pada glow discharge. Dimana ketika beda potensial terjadi diantara dua elektroda, gas (ex: argon) akan terjadi breakdown pada electron dan ion positif. Yang akhirnya bisa menyebabkan pancaran kedua electron pada katoda. Pancaran electron menyebabkan terjadinya kenaikan benturan pada plasma contohnya eksitasi dan ionisasi. Disamping itu, ion argon, seperti halnya atom argon yang bebas akan membentur katoda, juga bisa menyebabkan kenaikan percikan, yang sangat penting pada beberapa contoh aplikasi lainnya (ex: spectrochemistry analisa, dan untuk endapan dari percikan film).

Dari proses di atas, arus searah akan terus mengalir discharge; meningkatkan direct current (d.c.)glow discharge. Sehingga bisa disebutkan bahwa pada DC glow dioscharge elektroda bekerja pada aturan terpenting untuk mendukung plasma pada pancaran kedua electron.

Gambar 2

Gambar 2 merupakan diagram skematik dari beberapa daerah pada DC glow discharge. Dimana (a) jarak katoda dan anoda dekat dan/atau tekanan rendah; (b) jarak antar elektroda panjang dan/atau tekanan tinggi (CDS = cathode dark space; NG = negative glow; FDS = Faraday dark space; PC = positive column; AZ = anode zone). Katoda (kiri) mempunyai beda potensial yang negative dan anoda (kanan) di-ground-kan.

Beda potensial antara dua elektoda biasanya tidak sama dengan pembagian antara katoda dan anoda, tetapi hampir sepenuhnya di dalam millimeter di depan katoda yang ditandai oleh kuat medan listrik, disebut juga “Cathode Dark Space” ( CDS) atau ‘ sarung pelindung’. Pada bagiang yang luas dari discharge, disebut juga “Negative glow” (NG), beda potensial hampir mendekati konstan dan sedikit positif dan oleh karena itu, medan listrik sangat kecil. Ketika jarak antara katoda dan anoda lumayan jauh (ex: a few cm, at 100 Pa argon, 400 V and 0.87 mA), dua atau lebih daerah bisa disebut juga ‘Faraday dark space’ (FDS) dan “Positif Column” (PC) (pada gambar 2.b). Mereka digolongkan menjadi sedikit medan listrik negative, untuk mengarahkan electron ke anoda. Ada dua bagian yang sering ditampilkan pada glow discharge yang digunakan sebagai laser (“positif colomn lasers”) dan sebagai lampu fluoresens. Bagaimanapun juga, aplikasi yang paling banyak digunakan pada glow discharge adalah pemercikan, penyimpanan, pemudaran sifat kimia, analisa kimia, dll. Jarak antara katoda dan anoda secara umum pendek, sehingga hanya “Anode Zone” (AZ) yang ditampilkan di9samping CDS dan NG, dimana jika plasma hanya memiliki sedikit muatan positif maka akan kembali ke no di anoda.

DC glow discharge bisa beroperasi pada bagian yang luas dar keadaan discharge. Tekanannya bisa berada dibawah 1 Pa tekanan atmosfir. Parameter penting dari discharge adalah temperature, tekanan, jarak.