makalahhfibali - Dr. Mitrayana - Universitas Gadjah Mada

Simposium Fisika Nasional XIX, Bali, 30 -31 Juli 2002

1

SPEKTROMETER FOTOAKUSTIK LASER SISTEM MULTIPASS BERKEPEKAAN PPT (LASER PHOTOACOUSTIC SPECTROMETER WITH PPT SENSITIVE MULTIPASS SYSTEM) Oleh : Mitrayana, Muslim, M. A. J. Wasono Jurusan Fisika FMIPA UGM

INTISARI Telah dilakukan pengembangan konfigurasi Spektrometer Fotoakustik (SFA) dari konfigurasi ekstrakavitas menjadi intrakavitas dengan menggunakan sumber radiasi laser CO2 jenis tertutup (Sealed-off). Diperoleh batas deteksi minimal SFA sebesar (200 ± 50) ppt untuk C2H4 dan (20 ± 5) ppt untuk SF6. Batas deteksi rendah menandakan spektrometer berkepekaan tinggi. ABSTRACT A photoacoustic spectrometer set-up has been upgraded from an extracavity into an intracavity configuration using a sealed-off CO2 laser as the spectometer’s radiation source. The detection level of the upgrade Intracavity Photoacoustic Spectrometer (IPS) reached (200 ± 50) ppt for C2H4 and (20 ± 5) ppt for SF6. This low detection level signifies a highly sensitive spectrometer.

Kata kunci: ekstrakavitas, intrakavitas, laser CO2 tertutup, spektroskopi fotoakustik Key words: extracavity, intracavity, sealed-off CO2 laser, Photoacoutic Spectrometer,

I Pendahuluan Di lab. Atom inti Jurusan Fisika FMIPA UGM, Wasono (1990, 1998) telah membuat sistem spektroskopi fotoakustik dengan konfigurasi ektrakavitas dengan batas deteksi berorde ppbv (part per billion volume) untuk etilen. Hasil tersebut dirasakan belum optimal bila alat dipergunakan untuk mengukur objek yang mengemisikan etilen di bawah orde ppbv, misalnya bunga dan buah salak atau untuk penerapan kedokteran (Harren, 1988). Spektrometer dengan batas deteksi orde ppbv sudah cukup baik bila cuplikan yang diukur mengemisikan etilen cukup besar misalnya pisang, manggis, tomat dsb. (orde 100 ppb atau lebih) (de Vries, 1994). Selain itu

Email surat menyurat: [email protected]


2

dalam konfigurasi tersebut Wasono menggunakan sumber radiasi laser CO2 dengan jenis axial flowing, yang terbukti banyak mengkonsumsi gas untuk operasionalnya (yaitu He, N2, CO2) sehingga boros dalam pembiayaannya (Wasono, 1998). Oleh karena itu dikembangkan konfigurasi SFA sehingga diperoleh batas deteksi yang lebih baik (orde ppt (part per trilliun)) serta biaya operasional yang lebih murah. Untuk memperoleh batas deteksi SFA orde ppt maka dibuat suatu konfigurasi intrakavitas, yang telah terbukti mampu mencapai batas deteksi sampai 6 ppt (Harren, 1988). Untuk menghemat biaya operasional digunakan sumber radiasi laser CO2 jenis tertutup (Sealed-off), yang terbukti cukup hemat dalam penggunaan gasnya (de Vries, 1994).

II Metode Eksperimen Konstruksi SFA untuk konfigurasi intrakavitas dapat dirancang sedemikian rupa sehingga pengepasan keadaan di ujung rongga laser dipenuhi yaitu bila jejari berkas

w(z ) dan jejari

kelengkungan muka gelombang R(z ) keduanya sama, baik saat perambatan ke muka maupun ke belakang (multipass propagation). Untuk memenuhi persyaratan tersebut cermin cekung (sebagai

outcoupling mirror) harus ditempatkan pada jarak z dimana kelengkungannya sama dengan muka gelombangnya. Bila syarat tersebut dipenuhi maka aksi laser sumber SFA untuk konfigurasi intrakavitas terjadi. Jejari kelengkungan muka gelombang R dan jejari berkas laser w sebagai fungsi jarak z dari pinggang berkas w0 (dimana w didefinisikan sebagai jarak dari sumbu laser ketika

amplitudo medan listriknya telah berkurang 1/e) dinyatakan sebagai berikut (Harren, 1988)

[ ] w( z ) = w [1 + ( z A) ] R( z ) = z 1 + ( A z )

2

2 12

0


(1) (2)


3

dengan A = πw0 λ dan λ = panjang gelombang. Bila sebuah lensa tipis disisipkan dalam 2

berkas Gaussian maka transformasi pinggang berkas w0 ke w1 dan jarak pinggang berkas baru dinyatakan sebagai berikut (Harren, 1988)

w1 = w0 [(d 2 − f ) (d1 − f )]

12

d2 = f

(3)

d1 (d1 − f ) + A 2

(4)

(d1 − f )2 + A 2

dengan A = πw1 λ , sedang f = panjang fokus lensa, d1 = jarak antara pinggang pertama sampai 2

lensa, d2 = jarak antara lensa sampai pinggang berikutnya. Pada konfigurasi intrakavitas selain ketepatan pengaturan lensa dan cermin keluaran untuk terjadinya aksi laser, konsentrasi sampel yang diselidiki juga sangat mempengaruhi terjadinya aksi laser tersebut. Hal ini sesuai dengan pernyataan Harren (Harren, 1988), bahwa dalam sistem intrakavitas, akan terjadi penyerapan multipass tenaga radiasi oleh cuplikan, sehingga untuk konsentrasi cuplikan yang tinggi, proses emisi terstimulasi laser akan terganggu dan tentu akan mengganggu aksi laser. Gambar (1) di bawah merupakan gambar skema SFA dengan konfigurasi intrakavitas dengan sumber radiasi laser CO2 tertutup(Sealed-off).

4

3

2

1

5

7 6

Gambar 1 Konfigurasi spektrometer fotoakustik intrakavitas. 1, Cermin cekung pemantul 100%; 2, Sel fotoakustik; 3, Tabung laser CO2 tertutup; 4, Chopper ; 5, Grating ; 6 Cermin datar pemantul 100%; 7, Meter daya.



4

III Hasil dan Pembahasan 3.1 Kestabilan dan Keluaran Daya Laser Dengan menggunakan besar arus 5,33 mA dan tegangan 10,58 kV diperoleh daya keluaran maksimum intrakavitas sebesar 75 W dan spektrum garisnya nampak kuat di cabang 10P dan 10R (lihat gambar 2). Garis-garis laser yang diperoleh dirasakan cukup memadai untuk mengukur gas kelumit etilen dan gas kelumit SF6 yaitu garis 10P12, 10P14 dan 10P16. Daya keluaran dari laser yang disusun cukup stabil, seperti yang terlihat pada gambar 3. Gambar ini hanya menunjukkan daya keluaran dari garis 10P14 dan 10P12. Dengan sumber radiasi laser CO2 tertutup (Sealed-off) biaya operasi SFA dapat ditekan sampai 90 % sebagai akibat konsumsi gas yang rendah/awet. Sebagai contoh telah dicoba laser semi sealed-off dengan tekanan operasi 30 mbar dan laser yang dapat bertahan dengan daya konstan dalam waktu 5 sampai 7 hari, sedang pada operasi laser CO2 jenis axial flowing tekanan operasi gas total biasanya sekitar 75 mbar. Bila dihitung ternyata laser semi sealed-off dapat menghemat gas dalam lima hari sampai 90% (Mitrayana, 2002).

Gambar 2 Grafik spektrum serapan C2H4 antara sinyal akustik dalam satuan sebarang terhadap cacah motor grating. Spektrum garis tampak kuat pada

cabang 10P dan 10R.


Gambar 3 Grafik kestabilan daya intrakavitas laser antara daya 10P14 dan 10P12 terhadap waktu operasional.


5

3.2 Kurva Resonansi dan Faktor Kualitas Gambar 4 merupakan gambar kurva resonansi sel FA (fungsi sinyal) yang digunakan, dengan frekuensi resonansi diperoleh dari hasil pengukuran tinggi sinyal FA sewaktu frekuensi modulator divariasikan di sekitar frekuensi teoretis (fot) yaitu 1700 Hz. Diperoleh frekuensi resonansi secara eksperimen (foe) di (1793 ± 1) Hz dengan lebar pita (∆f) sebesar (62 ± 1) Hz. Oleh karena itu diperoleh nilai faktor kualitas secara eksperimen (Qe) sebesar (28,9 ± 0,5).

Gambar 4 Grafik kurva resonansi antara sinyal fotoakustik dalam satuan sebarang terhadap

frekuensi chopper.

3.3 Kepekaan Spektrometer Fotoakusik Laser CO2 Tertutup Gambar 5 dan 6 menunjukkan grafik hasil kalibrasi dan sekaligus menunjukkan kepekaan dan sinyal latar dari etilen dan SF6. Dari gambar tersebut diperoleh kepekaan alat untuk etilen adalah (200 ± 50) ppt dan untuk SF6 (20 ± 5) ppt dengan sinyal latar (2,8 ± 0,1) ppb untuk etilen dan (0,06 ± 0,01) ppb untuk SF6. Terlihat kepekaan SF6 lebih lebih baik satu orde dari pada etilen hal ini karena koefisien serapan SF6 lebih kuat dari pada etilen, misalnya pada garis 10P16 koefisien SF6 adalah 650 atm−1 cm−1 sedangkan koefisien etilen pada garis 10P16 sekitar 5,3 atm−1 cm−1 (Groot dkk., 1998).



Gambar 5 Grafik batas deteksi C2H4 antara konsentrasi C2H4 terhadap waktu.

6

Gambar 6 Grafik batas deteksi SF6 antara konsentrasi SF6 terhadap waktu.

3.4 Waktu Siaga (Respons Time) Waktu siaga (respons time) sel FA sangat bergantung pada dimensi resonator, jarak kuvet ke sel FA, besar laju aliran gas pembawa (udara tekan) dan kepekaan mikrofon. Dari gambar 7 dengan menggunakan laju aliran etilen 10 l/h, jarak kuvet ke sel FA 20 cm, diameter resonator 6 mm dengan panjang 100 mm, dan kepekaan mikrofon model B&K 4179 1 V/Pa, dan laju rekorder 3 mm/s diperoleh waktu tanggap sebesar (6,6 ± 0,2) s. Suatu hasil yang sangat memuaskan karena dengan waktu tersebut dimungkinkan pengukuran laju emisi SF6 yang nyatanyata (real) diemisikan cuplikan (Mitrayana, 2002).

Gambar 7 Grafik waktu siaga antara tinggi sinyal etilen dalam satuan sebarang akibat suntikan (y) terhadap

posisi rekorder (x).



7

IV KESIMPULAN 1. Laser CO2 tertutup (Sealed-off) terbukti merupakan sumber laser spektrometer fotoakustik (SFA) yang efektif yang mampu menekan biaya operasi hingga 90% dan mampu lebih menyederhanakan dan merampingkan SFA. 2. Dengan konfigurasi intrakavitas, SFA mampu memiliki batas deteksi yang lebih baik dari pada konfigurasi ekstrakavitas yaitu dari orde ppb menjadi orde ppt walau menggunakan konfigurasi yang paling sederhana. Sistem SFA intrakavitas yang telah dibangun memiliki batas deteksi (200 ± 50) ppt untuk etilen dan (20 ± 5) ppt untuk SF6. UCAPAN TERIMAKASIH Kami ucapkan banyak terimakasih kepada Dr. Frans Harren dan Dr. Stefan Persijn yang telah bersedia menyediakan waktu untuk berdiskusi dan membantu dalam segala hal ketika kami melakukan eksperimen; kepada Cor Sikken yang telah membantu penyediaan peralatan; kepada P. Clauss yang telah membantu pembuatan sensor inframerah-reflektor; kepada KNAW yang telah memberikan kesempatan penelitian di Belanda selama 6 bulan. DAFTAR PUSTAKA Bijnen, F. G. C., 1995, Refined CO-Laser Photoacoustic Trace Gas Detection; Observation of Anaerobic Process in Insects, Soil and Fruit, Disertasi Doctor, Catholic University, Nijmegen, Belanda. de Vries, H., 1994, Local trace gas measurements by laser photothermal detection; physics meets physiology, Ph.D. Thesis, Khatolic University, Nijmegen, The Netherlands. Groot, T.T., Cotti, G., Parker, D.H., Meijer, H.A.J., Harren, F.J.M., 1998, Monitoring gas transport in rice using SF6 as tracer gas detected by laser photoacoustics. In: Photoacoustic and Photothermal Phenomena, (ed. F. Scudieri and M. Bertolotti) AIP Conference Proceedings 463 (Woodbury, New York, 673-675). Harren, F., 1988, The Photoacoustic effect, Refined and Aplied to Biological Problems, Disertasi Doctor, Catholic University, Nijmegen, Belanda. Mitrayana, 2002, Spektrometer Fotoakustik Intrakavitas Kepekaan Tinggi Bersumberkan Laser CO2 Tertutup (Sealed-Off) Dengan Penerapannya Pada Penentuan Volume Trachea Serangga Melalui Penyelidikan Pola Pernafasannya, Tesis S-2, Universitas Gadjah Mada. Wasono, M.A.J., 1990, Spektrometer fotakustik untuk pelacakan gas, Tesis S-2, Pasca Sarjana UGM, Yogyakarta. Wasono, M.A.J., 1998, Konstruksi dan kinerja spektrometer fotoakustik laser CO2 untuk memonitor emisi etilen dalam metabolisme buah tripis pasca panen, Disertasi, Pascasarjana UGM, Yogyakarta.




8