Perhitungan Temperatur Plasma-Laser Dengan Metode Perbandingan Intensitas Dua Garis Emisi Zinc(Zn)

(1)

(2)

(3)

(4)

H. SUYANTO – PERHITUNGAN TEMPERATUR PLASMA-LASER ….

34

TELAAH 32 (2), 34-38 (2014)

Perhitungan Temperatur Plasma-Laser Dengan Metode Perbandingan

Intensitas Dua Garis Emisi Zinc(Zn)

Hery Suyanto

Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Udayana Jl. Kampus Bukit Jimbaran, Badung- Bali 80361

Email : hery6@yahoo.com

Diterima: 5 Agustus 2014 Direvisi: 4 September 2014 Disetujui: 8 September 2014

Abstrak

Telah dilakukan perhitungan temperatur plasma-laser dengan persamaan Boltzmann melalui metode perbandingan (rasio) intensitas emisi dua panjang gelombang dari atom netral Zinc (Zn). Tujuan penelitian ini untuk memilih pasangan panjang gelombang yang mempunyai nilai temperatur dapat mewakili temperatur plasma Zinc di sekitar waktu eksitasi plasma. Intensitas diperoleh dengan memfokuskan laser Nd-YAG (1064 nm, 7 ns) dengan energi 80 mJ ke permukaan lempengan sampel Zn (99,99%) dilingkungan udara 1 atm dan menghasilkan plasma. Intensitas-intensitas emisi foton atom netral Zn dalam plasma ditangkap oleh spektrometer yang mana memungkinkan dapat dibuat 5 kombinasi rasio intensitas emisi dua panjang gelombang yang memenuhi syarat Boltzmann. Dengan memvariasikan waktu tunda deteksi diperoleh data intensitas yang menunjukkan bahwa daerah eksitasi (shock excitation state) terjadi di sekitar 5 ns. Berdasarkan persamaan Boltzmann dan dengan membandingan nilai intensitas dua panjang gelombang dari lima kombinasi atom netral Zn diperoleh temperatur rata-rata pada daerah eksitasi sebesar 30640K, dengan rentang kesalahan maksimum 6 %. Berdasarkan data dapat disimpulkan bahwa rasio (328,2 nm/472,2 nm) ini merupakan rasio pasangan dua panjang gelombang yang paling cocok untuk menentukan temperatur plasma atom Zn dengan kesalahan maksimum 1,68 % dari nilai rata-rata temperatur.

Kata kunci : temperatur, Boltzmann, Zn, metode perbandingan Abstract

An experiment calculated the zinc-plasma temperature using two emission intensity lines ratio method from Boltzmann equation had been conducted. The aim of this research is to choose a suitable two-wavelength pair to determine the zinc-plasma temperature in shock excitation state region. When Nd-YAG (1064 nm, 7 ns, 80 mJ) laser was focused on surface of zinc plate sample, it produced zinc plasma. The emission intensities of Zinc wavelengths in this plasma was captured by spectrometer and it was possible to make five combinations of ratio two wavelength intensities which fulfilled the Boltzmann equation. Varying the delay time detection, the shock excitation state region was determined about 5 ns from the laser bombardment. Based on the intensity data and Boltzmann equation, the average temperature of five combinations from ratio two different wavelength intensities is 3064 0K, with maximum deviation of 6%. Based on the data, it can be concludedthat the intensity ratio of (328.2 nm / 472.2 nm) is the most suitable for determining the temperature of zinc plasma with maximum error of 1.68 % from average temperature.

Keywords : Temperature, Boltzmann, Zn, ratio method I. Pendahuluan

Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) merupakan suatu metode yang dapat diaplikasikan ke

berbagai bidang diantaranya mikroanalis elemen, memonitor lingkungan, analisis lapisan tipis (thin film) dan lain-lain. Pada teknik ini laser pulsa di fokuskan ke permukaan sampel dan terbentuklah plasma yang berisikan elektron, ion-ion, atom netral serta atom-atom tereksitasi. Elektron-elektron dalam atom tereksitasi kembali ke keadaan dasar (ground state) sambil melepaskan atau mengemisikan foton dengan panjang gelombang tertentu sesuai level-level energi dari suatu unsur tertentu. Intensitas dari foton ini ditangkap spektrometer dan ditampilkan dalam bentuk spektrum intensitas fungsi panjang gelombang. Intensitas menunjukkan konsentrasi (analisis kuantitatif) suatu unsur dalam plasma dan panjang gelombang menyatakan jenis unsurnya (analisis kualitaif). Nilai intensitas foton dalam plasma ini dapat dipengaruhi oleh beberapa parameter diantaranya daya laser, lebar pulsa laser, jenis laser, jenis bahan, serta jenis dan tekanan gas penyangga. Selain dari itu

(5)

35

ditentukan juga oleh waktu tunda pendeteksian (delay time detection) dan lama pendeteksian. Berdasarkan nilai intensitas foton ini, maka dapat digunakan untuk mendiagnosis keadaan plasma diantaranya temperatur dan kerapatan elektron[1].

Dalam analisis komposisi elemen atau analisis kuantitatif melalui nilai intensitas emisi dalam LIBS menjadi akurat, apabila mengetahui rentang waktu pengambilan data (window) yang mana plasma dalam keadaan tipis (optically thin) yaitu hanya sedikit emisi fotonnya diserap kembali dan dalam keadaan kesetimbangan termal (local thermodynamic equilibrium, LTE). Untuk mengetahui atau menghitung keadaan-keadaan tersebut pada rentang waktu tertentu, harus dihitung lebih dahulu temperatur plasma [2]. Untuk itu keakuratan perhitungan temperatur plasma merupakan penentu keadaan-keadaan tersebut.

Beberapa peneliti telah mempelajari temperatur dalam plasma ini diantaranya, Lee et al [3]. Lee mempelajari temperatur dari emisi spektra tembaga dan lead dari plasma yang dihasilkan oleh laser excimer. Louis et al [4], mempelajari karakteristik plasma dari Al, Cu, Fe, Pb dan Sn dalam campuran Zn dengan memvariasi jarak fokus lensa untuk menghitung temperatur dan kerapatan elektron dengan laser Nd: YAG (1064 nm, 105 mJ, 3 ns dan 10 Hz). Kedua peneliti tersebut hanya menggunakan satu kombinasi ratio intensitas dari dua panjang gelombang. Saji et al. [5], menghitung juga temperature plasma dengan metode Boltzmann plot dari intensitas emisi atom netral Zn dan ion Zn dengan laser Nd-YAG (355 nm)

Berdasarkan pentingnya peranan mengetahui temperatur plasma seperti disebutkan di atas, maka dalam makalah ini bertujuan melakukan perhitungan temperatur plasma pada sampel Zn melalui metode rasio dua garis intensitas emisi dengan lima kombinasi untuk memperoleh keakuratan nilai temperatur plasma di berbagai umur plasma. Untuk mencapai tujuan tersebut, maka dipilih sampel Zn yang mana sampel tersebut memiliki dua kelompok garis emisi dengan level eksitasi berbeda. Kelompok pertama yaitu garis emisi Zn I 328,2 nm, Zn I 330,3 nm dan Zn I 334,5 nm dan kelompok kedua garis emisi Zn I 468,0 nm Zn I 472,2 nm dan 481,0 nm yang mana masing-masing garis emisi dalam satu kelompok memiliki energi level eksitasi hampir sama. Sehingga memungkinkan mendapatkan lima kombinasi rasio dua garis intensitas dari dua kelompok tersebut. Eksperimen dilakukan dengan memfokuskan laser Nd-YAG (1064 nm, 80 mJ, 7 ns, 10 Hz) pada permukaan lempengan sampel Zn (99,99%) dilingkungan udara 1 atm dengan memvariasi waktu tunda deteksi dari 1 ns sampai dengan 1000 ns.

II. Landasan Teori.

Untuk menginterpretasikan data spektroskopi dalam hal temperatur dan kerapatan elektron dalam plasma, maka perlu suatu model yang menggambarkan keadaan ionisasi dan populasi atom atau ion pada suatu level energi tertentu. Salah satu model untuk menghitung temperatur plasma adalah persamaan Boltzmann dengan metode ratio dua garis emisi pada tingkat ionisasi yang sama.

Intensitas emisi total yang dipancarkan oleh suatu atom besarnya ditentukan oleh banyaknya atom yang bertransisi antara dua level energi per satuan waktu dan luas ( steradian) dikalikan selisih energi dari dua level transisi tersebut. Jumlah atom yang bertansisi dipengaruhi oleh kerapatan atom tiap satuan volume yang berada di level energi tinggi, ni dan probabilitas atom tersebut bertansisi tiap detik, (transition probality per second) dari level eksitasi i yang mempunyai energi tinggi ke level dasar dengan energi rendah m . Sehingga intensitas radiasi yang dipancarkan dalam satu steradian adalah [6]:

Imerupakan besarnya intensitas photon yang di emisikan oleh suatu atom tertentu saat bertansisi dari level energi tinggi i ke level energi rendah m dengan frekuensi ν dan h merupakan tetapan Planch.

Pada keadaan kesetimbangan termal (Local Thermodynamic Equilibrium, LTE) kerapatan partikel pada keadaan energi i, dibandingkan dengan kerapatan partikel pada keadaan energi m, menurut distribusi Boltzmann adalah

(6)

36

Dimana gi dan gm adalah bobot statistik atau degenerasi (statistical weight or degeneration) suatu atom berada pada level energi Ei dan Em dan k merupakan konstanta Boltzmann serta T adalah suhu. Berdasarkan persamaan 1 dan 2, maka Intensitasnya :

Dimana , ∑ _{adalah fungsi partisi internal (internal partition function) untuk}

atom-atom yang mempunyai keadaan ionisasi ke m, λ merupakan panjang gelombang phaton yang dipancarkan saat atom bertransisi dari i ke m dan c adalah kecepatan cahaya.

Dengan mengasumsikan kondisi plasma adalah tipis (optical thin) dan berada pada kesetimbangan termal (LTE), maka perhitungan temperatur T bisa dilakukan dengan membandingkan intensitas dari dua emisi dari suatu keadaan dua ionisasasi yang sama dari suatu unsur (nm dan Z bernilai sama dari dua keadaan), sehingga berdasarkan persamaan 3 dan mengambil satuan energi cm -1 [6], maka :

Dimana Ei1 dan Ei2 merupakan tingkat energi tinggi, i (Energy of the upper level) dari atom- atom yang bertransisi ke level energi rendah, m dengan memancarkan panjang gelombang masing-masing

λ1 dan λ2 serta intensitas I1 dan I2, dan konstanta kesebandingan sebesar 0,624856 0K.cm. III. Prosedur Eksperimen

Diagram skematik eksperimen seperti ditunjukkan pada gambar 1. Laser Q-switched Nd-YAG (CFR 200, 1064 nm, 7 ns), frekuensi 10 Hz, energi 80 mJ difokuskan melalui lensa quartz (f = 10 cm) dengan spot area sekitar 7,85x10-5 cm-2 untuk mengablasikasi sampel Zn (99,99%) dilingkungan udara 1 atm. Dengan mengatur waktu tunggu deteksi dari 0.001 μs sampai dengan 1 μs, emisi photon dari atom Zn ditangkap oleh spektrometer tipe HR 2500+ Ocean Optic (dengan spesifikasi:

spectrometer range 200-980 nm, resolution 0.1 nm (FWHM), 7 detectors CCDs with a combined 14336 Mega pixels) dan ditampilkan sebagai intensitas fungsi panjang gelombang oleh software

OOILIB yang selanjutnya dianalisis dengan software Microsoft Excel

IV. Hasil dan Pembahasan

Pada saat laser difokuskan pada permukaan sampel padat Zn, maka sebagian kecil massa Zn terablasikan keluar dengan kecepatan tinggi dan terjadi kompresi adiabatis dengan udara dilingkungannya. Kompresi ini menyebabkan terjadinya gelombang kejut (shockwave) dan energinya digunakan untuk mengionisasikan atau mengeksitasikan atom-atom Zn yang terablasikan Kagawa et

al [7] ). Atom-atom yang tereksitasi ke level energi lebih tinggi akan kembali ke keadaan dasar

(ground state) sambil memacarkan emisi yang kemudian ditangkap oleh detektor dan ditampilkan intensitas sebagai fungsi panjang gelombang seperti pada gambar 2.

Plasma Laser Nd-YAG Lensa Spektrometer HR 2500+ Sampel Zn Gambar 1. Skematik Eksperimen

(7)

37

Gambar 2. Spektra garis emisi Zn untuk energi laser 80 mJ, waktu tunda deteksi 0,005 μs (garis tebal) dan 0,1 μs (garis putus-putus).

Gambar 2, menunjukkan ada 2 kelompok spektra dari emisi atom netral Zn pada saat dideteksi 0,005 μs dan 0,1 μs dari setelah laser difokuskan pada permukaan sampel Zn. Perubahan atau variasi penundaan waktu deteksi dimaksudkan untuk mengetahui karakteristik atau mekanisme terbentuknya plasma fungsi waktu yang mana dapat dianalisis melalui spektra yang dihasilkan. Berdasarkan spektra pada gambar, bahwa lama waktu tunda deteksi mempengaruhi jumlah foton (intensitas) yang ditangkap oleh detektor. Untuk mengetahui distribusi intensitas ini terhadap fungsi waktu tunda deteksi, maka telah diambil data dari 0,001 μs sampai dengan 1 μs dan hasilnya diplot seperti pada gambar 3.

Gambar 3, merupakan profil waktu intensitas fungsi waktu tunda deteksi untuk dua panjang gelombang atom netral Zn I 334,5 nm dan Zn I 481,0 nm, sedangkan untuk panjang gelombang Zn I 328,2 nm, Zn I 330,3, Zn I 468,0 nm dan Zn I 472,2 nm tidak ditampilkan dengan alasan untuk menghindari keruwetan gambar. Intensitas dari dua atom tersebut mempunyai pola yang sama, ini karena berasal dari keadaan yang sama yaitu energi laser, sampel dan lingkungan gas penyangga yang sama, tetapi mempunyai nilai intensitas yang jauh berbeda. Perbedaan ini disebabkan karena perbedaan level energi eksitasi, bobot statistik (degeneration) suatu elektron berada pada level energi

0 50 100 150 200 250 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 in te n si ta s Zn I 3 3 4 ,5 n m ( ca ca h ) in te n si ta s Zn I 4 8 1 ,0 n m ( ca ca h )

waktu tunggu deteksi, μs

Zn I 481 nm Sampel : Zn (99,99%)

Energi Laser : 80 mJ

GasPenyangga : udara 1 atm

465 470 475 480 485 Zn I 4 8 1 .0 n m Zn I 4 7 2 .2 n m Zn I 4 6 8 .0 nm 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 325 330 335 in te n si ta s, ca ca h wavelength, nm 0.005 µs 0.1 µs sampel : Zn (99,99%) energi laser: 80 mJ

tekanan udara penyangga : 1 atm

Zn I 3 3 4 .5 n m Zn I 33 0. 3 n m Zn I 3 2 8 .2 n m

(8)

38

tersebut dan juga karena perbedaan nilai probabilitas elektron untuk bertransisi dari level energi tersebut ke level energi lebih rendah.

Berdasarkan pada gambar 3, pada waktu 0,001 μs hingga 0,1 μs, terjadi perubahan intensitas yang dratis yaitu mula-mula intensitasnya meningkat hingga 0,005 μs kemudian menurun hingga 0,1 μs, dan kemudian hampir konstan hingga 1 μs. Ini berarti pada selang waktu hingga 0,005μs partikel-partikel yang terablasi bergerak dengan kecepatan tinggi dan mengalami kompresi adiabatis dengan lingkungan hingga terjadi gelombang kejut (shock wave) yang mana energinya digunakan untuk mengeksitasikan elektron-elektron ke tingkat energi yang lebih tinggi dan daerah ini disebut daerah eksitasi (shock excitation state)[8]. Selanjutnya setelah 0,005 μs partikel-partikel bergerak melambat dan plasma mengalami pendinginan (cooling state) yang mana sambil mengemisikan photon hingga waktu tertentu yang tergantung jenis unsurnya. Untuk mengetahui karakteristik plasma ini, khususnya pada daerah eksitasi, maka perlu dihitung temperatur plasma dan hasilnya seperti ditampilkan pada gambar 4.

Gambar 4, menunjukkan temperatur pada saat plasma berumur 0,001 μs hingga 0,1μs. Temperatur dihitung menggunakan persamaan 4 dengan membandingkan nilai intensitas dari dua panjang gelombang yang berbeda. Syarat pemilihan dua panjang gelombang tersebut yaitu berasal dari level energi yang jauh berbeda seperti pada Tabel 1, sehingga populasi elektronnya sangat bergantung pada temperatur, dan berasal dari keadaan ionisasi yang sama.

Tabel 1, parameter spektroskopi dari garis atom netral Zinc (Zn I )[9] Panjang gelom bang, λ (nm) Bobot statistic gi gm Probabilitas Transisi (s-1) Tingkat energi tinggi (cm-1) 328,2 3 1 8,66 x 107 62768,77 330,3 5 3 1,07 x 108 62772,00 334,5 7 5 1,50 x 108 62776,95 468,0 3 1 1,55 x 107 53672,24 472,2 3 3 4,58 x 107 53672,24 481,0 3 5 7,00 x 107 53672,24

Tabel 1, menunjukkan data spektroskopi dari keadaan ionisasi atom Zn yang sama yaitu atom netral Zn(I). Berdasarkan Tabel 1, ada dua kelompok daerah panjang gelombang yaitu daerah sekitar 330 nm yang mempunyai tingkat energi tinggi yang lebih tinggi dari pada kelompok daerah panjang gelombang sekitar 472 nm . Sehingga perhitungan temperatur didasarkan perbandingan nilai intensitas kelompok daerah panjang gelombang sekitar 330 nm terhadap kelompok panjang gelombang sekitar 472 nm. Selanjutnya berdasarkan nilai intensitas pada Gambar 2, data-data pada

2600 2700 2800 2900 3000 3100 3200 3300 3400 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Te m p e ra tu r, K

waktu tunda deteksi, μs

Temperatur Rata-rata T(Zn I 334,5nm/481nm) T(Zn I 330,3nm/481nm) T( Zn I 328,2nm/481 nm) T(Zn I 334,5nm/472,2nm) T(Zn I 328,2nm/472,2nm) Sampel : Zn (99,99%) Energi Laser : 80 mJ GasPenyangga : udara 1 atm

Gambar 4. Distribusi temperatur fungsi waktu tunda deteksi dengan menggunakan perbandingan intensitas dua garis emisi melalui persamaan Bolztmann

(9)

39

tabel 1 dan persamaan 4, maka temperatur dapat dihitung dan hasilnya diplot seperti pada Gambar 4. Gambar 4 merupakan temperatur hasil perbandingan dari 5 kombinasi intensitas yaitu Zn I (334,5/481)nm, Zn I (330,3/481)nm, Zn I (328,2/481)nm, Zn I (334,5/472,2)nm dan Zn I (328,2/472,2) nm. Hasil temperatur dari 5 rasio ini, selanjutnya dirata-rata dan diperoleh temperatur pada daerah eksitasi (0,005 µs) sebesar 30640K, dengan kesalahan maksimum 6 % dan rasio Zn I (328,2 nm / 472,2 nm) merupakan dua panjang gelombang yang menghasilkan temperatur paling mendekati nilai rata-rata dengan kesalahan 1,68 %.

V. Kesimpulan

Dalam analisis kuantitatif dengan LIBS akan lebih akurat apabila rentang waktu pengambilan datanya tepat pada kondisi atau keadaan plasmanya tipis (optically thin) dan keadaan kesetimbangan termal (local thermodynamic equilibrium, LTE). Untuk menentukan keadaan-keadaan tersebut perlu dihitung temperatur di beberapa umur plasma. Temperatur plasma-laser dapat dihitung dengan persamaan Boltzmann melalui perbandingan intensitas dua garis emisi. Untuk sampel lempengan Zn (99,99%) yang diiradiasi laser Nd-YAG (1064 nm, 7 ns) dengan energi 80 mJ dan frekuensi 10 Hz , dan kemudian dilakukan perhitungan temperatur plasma dari atom Zn dengan lima kombinasi rasio intensitas yaitu Zn I (334,5/481)nm, Zn I (330,3/481)nm, Zn I (328,2/481)nm, Zn I (334,5/472,2)nm dan Zn I (328,2/472,2) nm untuk umur plasma hingga 0,1 µs. Hasil temperatur dari 5 rasio ini, selanjutnya dirata-rata dan diperoleh temperatur pada daerah eksitasi (0,005 µs) sebesar 30640K, dengan kesalahan maksimum 6 %. Sehingga dapat disimpulkan bahwa dengan unsur Zn, dapat melakukan berbagai kombinasi panjang gelombang untuk menentukan nilai tempertur plasma yang memenuhi persyaratan Boltzmann dan rasio Zn I (328,2 nm / 472,2 nm) merupakan dua panjang gelombang yang paling akurat untuk menentukan temperatur plasma Zn yang mana mendekati nilai rata-rata temperatur dengan kesalahan 1,68 %.

VI. Ucapan Terima Kasih

Ucapan terimakasih ditujukan kepada laboratorium riset bersama FMIPA –Unud yang telah memberikan fasilitas peralatan LIBS

VII. Referensi.

[1] Gamaly E.G, Rode A V and Luther-Davies B. 1999 J. Appl. Phys. 85 4213

[2] V K Unnikrishnan, Kamlesh Alti, V.B Kartha, C Santhosh, GP Gupta and B M Suri, 2010

Journal of Physics, 74 no. 6 pp. 983-993

[3] Lee Y. Sawan SP, Thiem T L, Teng Ye-Yang and Sneddon J 1992 Appl. Spectrosc. 46 436 [4] Louis St-onge, Sabsabi M and Cielo P 1997 J.Anal. At, Spectrom. 12 997

[5] Saji K.J, Joshy N,V and Jyaraj M.K., J. Appl. Phys. 100, 043302 (2006)

[6] Stuart W. Bowen, 1964 Institute of Sciences and Technology, the Univ. of Michigan, 4613-66-T [7] K. Kagawa and H. Kurniawan “ Laser-induced shock wave plasma spectroscopy” Trends in

applied Spectroscopy vol 2, 1998

[8] W.S Budi, H. Suyanto, H Kurniawan, M.O. Tjia, K. Kagawa, 1999 J.Appl. Spectros. Vol. 53, Num.6, p. 719-730