SPEKTROMETER FOTOAKUSTIK LASER INTRAKA VIT AS BERKEPEKAAN TINGGI

ISSN 0216-3128

Mitrayana,

dkk.

34

SPEKTROMETER

FOTOAKUSTIK LASER INTRAKA VIT AS

BERKEPEKAAN TINGGI

Mitrayana, Muslim, M. A. J. Wasono

Jurusan f"isika FMIPA UGM

ABSTRAK

SPE'KTROMETER FOTOAKUSTIK LASER INTRAKAVITAS BERKEPEKAAN TINGGI. Telah dilakukan pengembangan konfigurasi SpekJrometer Fotoakustik (SFA) dari konfigurasi ekstrakavitas menjadi intrakavitas dengan menggunakan sumber radiasi laser CO2 jenis tertutup (Sealed-otT). Diperoleh bolas deteksi minimal SFA sebesar (200:t 50) ppt untuk C2H4 don (20 :t 5) ppt untuk SF6 dengan wakJu

langgap (6,6 :to.2) delik.

Kala kunci: ekslrakavitas. inlrakavilas. laser CO2 lerlutup. spektroskopi foloakustik. waktu langgap

ABSTRACT

INTRACAVm' LASER PHOTOACOUSTIC SPECTROMETER WITH HIGH SENSITIVITY. 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 .:t 50) ppt for C2H4 and (20 .:t 5) ppt for SF6 with response time (6.6:tO.2) s.

Key words: extracavity. intracavity. sealed-off CO2 laser. Photoacoutic Spectrometer. response time

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).

PENDAHULUAN

D

i 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 orde 100 ppb atau lebih (pisang, manggis, tomat dsb.) (de Vries, 1994). Selain itu dalam konfigurasi tersebut Wasono menggunakan sumber radiasi laser CO2 dengan jenis axial flowing, yang terbukti banyak mengkonsumsi gas untuk operasionalnya (yaitu He, N2, COJ sehingga boros dalam pembiayaannya (Wasono,

1998).

METODEEKSPERIMEN

Konstruksi SF A untuk konfigurasi intrakavitas dapat dirancang sedernikian rupa sehingga pengepasan keadaan di ujung rongga laser dipenuhi yaitu bila jejari berkas w(z) dan jejari kelengkungan rnuka gelornbang R(z) keduanya sarna, baik saat perarnbatan ke rnuka rnaupun ke belakang (multipass propagation). Untuk rne-menuhi persyaratan tersebut cermin cekung (sebagai outcoupling mirror) harus ditempatkan pada jarak z dimana kelengkungannya sarna dengan muka gelornbangnya. Bila syarat tersebut dipenuhi maka aksi laser surnber SF A untuk konfigurasi intrakavitas terjadi.

Oleh karena itu dikembangkan konfigurasi SF A sehingga diperoleh batas deteksi yang lebih baik (orde ppt (part per trilliun)) serta biaya operasional yang lebih murah. Untuk memperoleh batas deteksi SF A yang lebih baik (orde ppt) maka dibuat suatu konfigurasi intrakavitas, yang telah terbukti mampu mencapai batas deteksi sampai 6

Jejari kelengkungan muka gelombang R clan jejari berkas laser w sebagai fungsi jarak z dari pinggang berkas Wo (dimana w didefinisikan sebagai jarak dari sumbu laser ketika amplituda medan listriknya telah berkurang lie) dinyatakan sebagai berikut (Harren, 1988).

--Prosiding Pertemuan dan Presentasilimiah Penelltian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nuklir P3TM.BATAN Yogyakarta. 27 Junl 2002

ISSN 0216-3128

Mitrayana,

dkk.

35

R(z) = z[ 1 + (AI zY )

₍₁₎

(2)

dengan A = 1i ~ / It dan It = panjang gelombang. Bila sebuah lensa tipis disisipkan dalam berkas Gaussian maka transformasi pinggang berkas Wo ke WI dan jarak pinggang berkas barn dinyat.akan sebagai berikut (Harren, 1988)

Harren (Harren, 1988), bahwa dalam sistem intrakavitas, akan terjadi penyerapan multipas.v tenaga radiasi oleh cuplikan, sehingga untuk

konsentrasi cuplikan yang tinggi, proses emisi terstimulasi laser akan terganggu dan tentu akan mengganggu aksi laser.

Gambar 1 merupakan gambar skema SF A

dengan konfigurasi intrakavitas dengan sumber

radiasi laser CO2tertutup(Sealed-off).

WI = wo[Cd2-f)/Cd,-f)f/2

₍₃₎

_{HASIL DAN PEMBAHASAN}

d2 = I d. (dl -I) + A2

(d,-lt

+ A2

(4)

Kestabilan don Keluaran Daya Laser

Dengan menggunakan besar arus 5,33 mA clan tegangan 10,58 kY diperoleh daya keluaran maksimum intrakavitas sebesar 75 W clan spektrum garisnya nampak kuat di cabang lOP clan lOR (lihat Gambar 2). Garis-garis laser yang diperoleh dirasa-kan cukup memadai untuk mengukur gas kelumit etilen clan gas kelumit SF6 yaitu garis IOP12, 10Pl4 clan 10P16. Daya keluaran dari laser yang disusun cukup stabil, seperti yang terlihat pada Gambar 3. Gambar ini hanya menunjukkan daya keluaran dari garis 10P14 clan 10P12.

dengan, A = 7r ~ / It sedang f = panjang fokus

tensa, d, = jarak antara pinggang pertama sampai

tensa, dz = jarak antara tensa sampai pinggang

berikutnya.

Pada konfigurasi intrakavitas

seta

in ketepatan

pengaturan tensa dan cermin ketuaran untuk

terjadinya aksi laser, konsentrasi sampel yang

disetidiki juga sangat

mempengaruhi

terjadinya aksi

laser terse

but. Hal ini sesuai dengan pemyataan

Gambar 1. Konfigurasi spektrome/er f%akus/ik intrakavi/as. 1, Gra/ing peman/ul; 2, Chopper; 3, Tabung laser CO2 tertutup; 4, Cermin da/ar pemantul 100%; 5, Sel fotoakustik; 6, Cermin cekung pemantul 100%; 7, Meter daya.

~.I~'t

(o"""":j1D

1'.

,

,~-'.1~

,. :.

il,

~ ',"\- 14rI'1"

~j--'-'~"'

"-'-I

.

"i

~'~~v,,-,",,",",

i..i

_{!_.l}

_{" ..}

--I

.~..~.

I IOO'~ ,-

,

-

iijc

t .,.

---","'cf t-"~~ ..t , ~~1

Grafik spektrum serapan C2H4 antara Gambar 3. Grafik kestabi/an daya intrakavitas sinya/ akustik do/am satuan sebarang laser antara daya J OP /4 don J OP J 2

terhadap cacah motor grating: Spek- terhadap waktu operasiona/. trum garis tampak kuat pada cabang

lOP dan lOR. ;i;"~il;"ji:i

~

..,

Gambar 2.

--Prosiding Pertemuan dan Presentasl IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta. 27 Juni 2002

36 ISSN 0216 -3128 _{Mitrayana. dkk.}

--Dengan sumber radiasi laser CO2 tertutup (Sealed-off) biaya operasi SF A dapat ditekan sampai 90 % sebagai akibat konsumsi gas yang ren,dah/ awet. Sebagai contph 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 pacta 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).

misalnya pada garis IOP16 koefisien SF6 adalah 650 atm-1 cm-1 sedangkan koefisien etilen pada garis

10P16 sekitar 5,3 atm-1 cm-1 (Groot dkk., 1998)

1~.,

_I I -.;

1

.:()

-~

,.

_{., .}

~

..,

._":.J

.

.-~.

, }

:~V""'.

J ~

j.

~

L

,,~

.

f"A.

Kurva Resonansi dun Faktor Kualitas

Gambar 4 merupakan gambar kurva

resonansi sel FA (fungsi sinyal) yang digunakan, dengan frekuensi resonansi diperoleh dari basil pengukuran tinggi sinyal FA sewaktu frekuensi modulator divariasikan di sekitar frekuensi teoretis (f~J yaitu 1700 Hz. Diperoleh frekuensi resonansi secara eksperimen (foe) di (1793:t. I) Hz dengan lebar pita (6..1) sebesar (62 :t. I) Hz. Oleh karena itu diperoleh nilai faktor kualitas secara eksperimen (Qe) sebesar (28,9 :t. 0,5).

_.

t _{~ 4}

~~Jjjk.lllnl.hl

Gambar 5.

Grafik batas deteksi C2H4 antara

konsentrasi

C2H4 terhadap waktu.

Z~i- z",""J-it] . ~ ! ..;oj,

~

., ~.

l

~.

...

~- .

~ ~~-~.~ A" ., .I . ,. c.:z j)..c Q.I "J 1.0] ,~

~.." ckI...

,...C,-.

i1

,. ~ : .~~ 4

j

~I" t$. $ I ~:4 .~t : "

-

...L~-i~,

1m.

...

/".

Q ~

..-&-h--A

.

t III D.~-~ ~ ~!O}

J o.~~

1 Q.W' a Ol".

h

..-:

--~

I I~ I I I I I L I I .

1

_.

~

1

(}-~1.9

!q:-\.

ot.tJ. \J«)

'T"

I~

--1-~ ~ toto)

.-

Gambar 6.

Grafik batas deteksi SF 6 amara

konsemrasi

SF 6 terhadap waktu.

Gambar 4. Grafik kurva resonansi antara sinya/

fotoakustik do/am satuan sebarang

terhadap

frekuensi chopper.

Waktu Tanggap

(Res

pons Time)

Waktu siaga (respons lime) set FA sangat bergantung pacta dimensi resonator, jarak kuvet ke

set FA, besar laju aliran gas pembawa (udara tekan) dan kepekaan mikrofon. Oari Gambar 7 dengan menggunakan laju aliran etilen 10 l/h, jarak kuvet ke set FA 20 cm, diameter resonator 6 mm dengan panjang 100 mm, dan kepekaan mikrofon model B&K 4179 1 V IPa, dan laju rekorder 3 mm/detik diperoleh waktu tanggap sebesar (6,6 :!: 0,2) detik. Suatu hasil yang sangat memuaskan karena dengan waktu tersebut dimungkinkan pengukuranlaju emisi SF6 yang nyata-nyata (real) diemisikan cuplikan (Mitrayana, 2002).

Kepekaan Spektrometer Fotoakusik Laser

CO2 Tertutup

Gambar 5 dan 6 menunjukkan grafik hasil kalibrasi dan sekaligus menunjukkan kepekaan dan sinyallatar dari etilen dan SF6. Oari gambar tersebut diperoleh kepekaan alat untuk etilen adalah (200 ::!: 50) ppt dan (20:1: 5) ppt untuk SF6 dengan sinyal latar (2,8 :I: 0, I) ppb untuk etilen dan (0,06 :I: 0,0 I) 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,

Prosiding Pertemuan dan Presentasilimiah Peneiitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nukiir P3TM-BATAN Vogyakarta, 27 Junl 2002

.ISSN 0216 -3128 Mitrayana, dkk. 37 ...~ 1 mlnl'del.i~ ; ~~ 2O1Mn

6I.6.6~

.Ii.

.I-~-y 0 I I :

I

!.:

-t 0':0";_01-' -'... -.,-..' I

2.

'I~

.1. ...:'

Ii;;

.: .: .

..'

.I ~ I .. ,: '; I I ; .I I ! ...\ .,.! .1.

i i !

;

7-3.

1.

-i..: :...

.'

-, ! " I II I .", 0 .:

.'.-0

.-.

--.t!.~.~.'

₁

""T:il

~

1~lJ-i-:(.. : :. ' ~. .; .: L ~ .~

-.I I .

Gambar 7. Grafik waktu siaga antara tinggi

sinya/ eli/en da/am satuan sebarang

akibat suntikan (y) terhadap posisi

rekorder (x).

4

5

KESIMPULAN

I. Laser CO2 tertutup (Sealed-off> terbukti me-rupakan sumber laser spektrometer fotoakustik (SF A) yang efektif yang mampu menekan biaya operasi hingga 90% dan mampu lebih

me-nyederhanakan dan merampingkan SF A.

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 konfi-gurasi yang paling sederhana. Sistem SFA intrakavitas yang telah dibangun memiliki batas

deteksi (200 :I: 50) ppt untuk etilen dan (20 :I: 5) ppl untuk SF 6.

6.

vation of Anaerobic Process in Insects,

Soil and

Fruit, Disertasi Doctor, Catholic University,

Nijmegen,

Belanda.

de VRIES, H., 1994, Local Trace Gas

Measu-rements 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 SF 6

As Tracer Gas Detected by Laser

Photo-acoustics.

in: Photoacoustic

and Photothermal

Phenomena,

(ed. F. S<:udieri

and M. Bertolotti)

AlP 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.

MITRA Y ANA, 2002, Spektrometer

Fotoakus-tik Intrakavitas Kepekaan

Tinggi Bersumberkan

Laser CO2 Tertutup (Sealed-Off)

Dengan

Pene-rapannya Pada Penentuan Volume Trachea

Serangga Melalui Penyelidikan Pola

Perna-fasannya,

Tesis S-2, Universitas

Gadjah Mada.

WASONO, M.A.J., 1990, Spektrometer

Foto-akustik Untuk Pelacakan Gas, Tesis S-2, Pasca

Sarjana

UGM, Yogyakarta.

WASONO, M.A.J., 1998, Konstruksi don

Kinerja Spektrometer

Fotoakustik Laser CO2

Untuk Memonitor Emisi Etilen Dalam

Metabolisme Buah Tripis Pasca Panen.

Disertasi,

Pascasarjana

UGM, Yogyakarta.

7.

TANYAJAWAB

UCAP AN TERIMAKASIH

Kami ucapkan banyak terimakasih kepada Dr. Frans Harren dan Dr. Stefan Persijn yang telah bersedia menyediakan waktu untuk berdiskusi dan membantu dalam segal a hal ketika kami melakukan eksperimen; kepada Cor Sikken yang telah mem-bantu penyediaan peralatan; kepada P. Clauss yang telah membantu pembuatan sensor inframerah-retlektor; kepada KNA W yang telah memberikan kesempatan penelitian di Belanda selama 6 bulan.

Widdi Usada

-Dalam kenyataan gas yang keluar dari buah-buahan berupa matrik gas, mengapa hanya C2 soja yang dilihat apakah gas-gas lain tidak memberikan sumbangan resonansl'?

DAFTARPUSTAKA

Mitrayana

-Untuk menghi/angkan gas-gas lain maka kumi gunakan seru/ser atau kala/is dari a/iran gas sebe/um masuk se/ fotoakustik.

-C2H4 ada/ah gas hormon pematan.l,'an buah yang sangat penting untuk dikenda/ikan terutama pada buah masa panen.

BIJNEN, F. G. Co, 1995, Refined CO-Laser Photoacollstic Trace Gas Detection;

Obser--

_{Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir}

38 ISSN 0216-3128 MitraJ'ana, dkk.

R. Oktova

.

-Sejauh mana pengembangan

spektrometer

foto-akustik untuk pemakaian

komersial.

-Tadi dikatakan sebaiknya response time tinggi,

bukankah justru sebaiknya response time suatu

alat ukur kecil?

Mitrayana

-Sejauh ini komi telah bekerja sarna dengan

teknologi pertanian untuk menelitilpengendalian

pematangan buah pasca panen untuk keperluan

pasar ekspor dan alat sejauh ini komi rintis untuk

yang berbentuk

lebih kompak dan mobile.

-Sebaiknya respon time itu sekecil mungkin

sehingga

alat benar-benar

real time.

Prosidlng Pertemuan dan Presentasilimiah Penelitlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Junl 2002