KARAKTERISTIK Rachmat,
SPEKTROFON
UNTUK FOTOAKUSTIK
Djoko S. Pudjorahardjo.
Subarkah
Pusal Penelilian Nuklir Yogyakarla ABSTRAK Telah diamali karaklerislik hubungan anlara sinyal akuslik dengan frekuensi pada sel foloakuslik berbenluk silinder berukuran panjang 10 cm dan diameler rongga 1 cm. 3endela ZnSe digunakan pada kedua ujung sel dan mikrofon kondensor digunakan sebagai lranduser akuslik. Selelah diperkual dengan IC 741, sinyal yang diperoleh lernyala semaki n keci 1 unluk frekuensi semaki n besar. Pengamalan dilakukan unluk cuplikan gas CO2 dengan lekanan 22 mmHg dan frekuensi
coper anlara 0 sampai 350 Hz. ABSTRACT
Relalion belween acoustic signal and ils frequency characlerislics of a pholoacouslic cylindrical cell with lenglh of 10 cm, inner diameler of 1 cm has been sludied. The cell is pr ovi ded wi lh ZnSe windows al i ls ends and a condencer microphone is used as acousli c lranducer. Afler amplified wilh Ic 741 lhe signal oblained is smaller for grealher frequency. The experimenl performed using CO 2 gas sample al 22 mmHg pressure belween 0 lo 350 Hz.
and
chopper
frequency
varied
I. PENDAHULUAN Sejak dua puluh lahun lerakhir speklroskopi menunjukkan 1aser
sebagai
berdasar akuslik nai
perkembangannya,
pada
sumber
cahaya
koheren.
foloakuslik,
ini
gelombang
bila sualu bahan, baik padal. cair maupun
gas dike-
ler modul asi .
unt.uk speklroskopi t.ahun 1968
serapan
lersedianya
Speklroskopi
(J.)
Efek
yailu ini
01 eh A.G. Bell pada lahun 1880. pada
dengan limbulnya
cahaya
efek
lerulama
[oloakuslik
foloakuslik
baru
perlama Telapi
kali
dit.emukan
penggunaan
dilakukan
1aser
perlama
kali
01 eh Alwood dan Kerr unluk mengukur
pi la
uap air t.erhadap laser delima. (Z)
13
14
Pada spekt.roskopi f'ot.oakust.ik gas. cahaya t.ermodulasi dilewat.kan pada gas cuplikan yang dit.empat.kan di dalam sel f'oloakust.ik. Tenaga cahaya akan diserap oleh molekul-molekul gas apabila panjang gelombang cahaya sesuai dengan garis serapan molekul gas. Serapan t.enaga cahaya mengakibat.kan molekul -mol ek ul gas t.er ek si t.asi . Kembali nya molekul t.ereksit.asi ke keadaan dasar dapat. berupa peluruhan radiat.if' dan peluruhan t.ak radiat.if'. Pada prinsipnya spekt.roskopi f'oloakust.ik memanf'aat.kan peluruhan t.ak radiat.if'. Tenaga cahaya yang diserap berubah menjadi t.enaga kinelik ket.ika molekul gas yang t.ereksit.asi bert.umbukan dengan molekul lain. (3) Kenaikkan t.enaga kinelik berart.i kenaikkan suhu gas di dalam sel. Karena volume sel konst.an. maka kenaikkan suhu gas mengakibat.kan kenaikkan t.ekanan gas. Bila cahaya yang dat.ang dimodulasi. maka t.erjadi modulasi t.ekanan gas di dalam sel; dengan kat.a lain t.erjadi gelombang akust.ik yang f'rekuensinya sarna dengan f'rekuensi modulasi cahaya. Unt.uk mendeleksi sinyal akuslik pada umumnya digunakan mikrof'on. Mikrof'on ini dit.empat.kan di dalam sel f'ot.oakust.ik dan akan mengubah sinyal akust.ik menjadi sinyal list.rik. Sel f'oloakust.i k besert.a mikrof'onnya bi asa di sebut. spekt.rof'on. Speklrof'on merupakan bagian pent.ing dari peralat.an spekt.roskopi f'ot.o akuslik. karena di dalam spekt.rof'on inilah t.erbenluknya sinyal akust.ik. Selain t.ergant.ung pada laser dan paramet.er gas euplikan. sinyal akust.ik yang t.erbent.uk juga dit.ent.ukan oleh wat.ak spekt.rof'onnya. Berdasarkan sif'at. akusliknya dibedakan spekt.rof'on resonan dan spekt.rof'on t.ak resonan. Pada spekt.rof'on resonan f'rekuensi modulasi eahaya disesuaikan dengan f'rekuensi rasonansi spekt.rof'on. Pada umumnya spekt.rof'on resonan berbent.uk silinder. Agar resonansi mudah t.er j adi. maka panj ang dan gar is t.engah spekt.rof'on harus lebih besar dari pada penampang berkas Spekt.rof'on t.ak resonan bi asanya mempunyai ukuran 1aser. (4.> yang lebih keeil dari spekt.rof'on resonan. Yang paling sederhana adalah t.ipe "single pass nonresonant. speet.rophone".
15
SpekLrofon
ini berupa
nya dipasang
jendela
iLU
optik
jendela
panjang (A
g~lombang
Lak
opLik
harus
rendah
di gunak an
Teori
keeil,
(puluhan
nyal akustik
Hz).
fotoakustik
sebanding
molekul
gas
bahan
ZnSe.
dengan
euplikan
P
abs = P 0(1 -e
di mana
Ct = koefisien
panjang
kolom oleh
Besarnya
gas
0
euplikan
daya
laser
(1) gas
euplikan
diubah
(em
-1
Sinyal
akustik
menjadi
sinyal
yang dihasilkan
) dan L = akan
oleh mikrofon adalah
(2)
responsivitas
pereobaan
spektroskopi
di-
listrik.
RP CtL abs :::::: 0
di mana R adalah
Po ,
adalah
CtL
(errO.
dan
sinyal listrik
Sebagai
)~
Jika
(Z)
sinyal
dan jumlah
hukum Lambert-Beer
serapan
mikrofon
S = RP
menyerap.
si-
(::»
bahwa
yang diserap
juga
ini
seperti
menunjukkan
daya laser
-CtL
modulasi
ruang spekLrofon.
gas
menurut
meneapai
Lengah spekLrofon
kondisi
diseluruh
yang
Untuk
frekuensi
Dengan
untuk
daya laser yang diserap
untuk
bahan
disamping
akan homogen
akustik
terima
Lransparan Lerhadap Untuk laser CO yang dipergunakan. z
laser
dari
yang Linggi maka volume dan garis
resonan
harus
yang pada kedua ujungOleh karema lewaL laser.
untuk
dipilih
= 10, 6 prrO dapa t
kepekaan
Labung silinder
mikrofon
pendahuluan
fotoakustik
gas,
ev/W). sebelum
akan
dipergunakan
diamati
terlebih
dahulu tanggap frekuensi spektrofon tak resonan yang telah dl buat. Hal ini penLing untuk mengetahui apakah frekuensi mudulator sangat berpengaruh Lerhadap sinyal akustik yang di hasi 1kan. Untuk itu dilakukan pengamaLan dengan frekuensi modulator
yang
divariasi
pada
tekanan
gas
euplikan
yang
Letap. II. TATA KERJA DAN PERCOBAAN A. Reneana Pada resonan
Spektrofon gambar
yang
1
Tak Resonan ditunjukkan
telah dlbuat.
raneangan
Spektrofon
ini
spektrofon terdiri
tak
dari sel
16
fo~oakus~ik ~ef Ion
berbentuk
dengan
tengah dalam ~erbua~ dari
uk ur an
silinder gar is
tengah
10 mm. 3endela bahan ZnSe. Di
panj ang gelombang
1aser
CO,2
koefisien
yang
keeil
serapan
CO2 yai~u masing-masing ini mengun~ungkan akiba~
serapan
mengubah
yang
sinyal
karena
pada
mikrofon kondenser sel fotoakus~ik.
1uar
optik
pada
samping
ZnSe
38
bahan
dan
gar is
mm
kedua
ujung
transparan
mempunyai
pada
dari
terhadap
panjang
gelombang
mengurangi sinyal
yang dipasang
Gas
.
Hal
derau fotoakus~ik
optik. (4) Sebagai
menjadi
laser
-1
n = 2,40 dan a = 2 x 10 em dapat
sel
indek bi as dan -3
jendela
akus~ik
~erbuat
tranduser
listrik
pada dinding
yang
dipergunakan sebelah dalam
cuplik an
a - Ring
~1
_ ._._
27.
._._._._._.
._.
_._._.
11 __
~l Jendela
ZnSe
Jendeta
38
_
1~ r ZnSe
25
I
<-·25 ~ Gambar
1. Raneangan
spek~rofon
or
~ak resonan Cukuran dalam mm)
17
B. Pengamalan
Tanggap Frekuensi
Unluk mengamali dibual. gambar
Speklrofon
langgap frekuensi
dipergunakan
peralalan
speklrofon yang Lelah
seperli
dilunjukkan
pad a
2.
HeNe 11
CO2
CW
8
9
12
IMAIl 10
Gambar
1.
vakum manomeler detektor sumber 1ensa sel mikrofon cuplikan foloakuslik frekuensi meler gas penguat pompa coper pencacah osiloskop legangan cahaya searah daya
Laser
CO z
fokuskan Berkas mekanik 320
2. Peralalan
konlinyu ke
laser yang
Hz dengan
diukur
dengan
dalam
ini
speklroskopi
fotoakustik
gas
8. 9. 11. 10. 13. 12.
berdaya
10
speklrofon
sebelumnya
frekuensinya
walt. bualan ber i si
dimodulasi
dapal
PPNY-BATAN
di-
cuplikan
co 2 .
sebuah
coper
gas dengan
divariasi
regulalor
t.egangan searah.
pencacah
frekuensi
anlara
80 sampai
Fr ek uensi
digit.al Sablronic
coper Model
18
8000.
Sebelum diisi gas cuplikan spektrofon terlebih dahulu
divakumkan
dengan
pompa
vakum
Edwards
Model
EDM
20
A.
Kevakuman yang telah dapat dicapai sebesar 10-z mbar. Baru kemudian gas cuplikan COz diisikan ke dalam spektrofon. Sinyal listrik yang dihasilkan mikrofon diperkuat dengan sebuah penguat dan selanjutnya ditampilkan pada layar osiloskop Tektronix 7904. Penguat yang dipergunakan mempunyai penguatan tak linier dengan faktor ketidaklinieran sebesar 50.6% dan lebar pita (bandwidth) sebesar 25 kHz.
III. HASIL DAN PEMBAHASAN S (5 my) 3
2
1
o
50
100
150
200
250
300
t-
Hz
Gambar 3. Ketergantungan sinyal total terhadap frekuensi Dengan set up percobaan seperti tampak dalam gambar 2. diperoleh hasil hubungan antara sinyal total yaitu sinyal yang telah diperkuat dengan !'rekuensi coper. dan hasilnya tampak dalam gambar 3. Ada dua titik untuk frekuensi diantara 200-300 Hz yang agak rendah ini mungkin karena. ketidakstabilan laser. dan
ini
belum dipantau dan diperbaiki
dengan cara normalisasi dalam percobaan yang dilakukan. Gambar 4 menunjukkan ketergantungan penguatan terhadap fre-
19
kuensi nya
sinyal
un~uk
un~uk
mendapa~kan
besar pengua~an
masing
f'rekuensi. yang maka
gambar
Tampak
makin
menyolok
Hz.
an~ara
haruslah
diperhi~ungkan
akan
gambar
diperoleh
dal am
gambar
sinyal
un~uk
hasil
yang
~eori
dengan
sinyal akus~ik si 1inder . A C w) o
yang
menya~akan
dengan
=
o
=vmana kons~anta amasuk koef'isien f'rekuensi C /C sal coper didaya to~al serapan gas yang p
hubungan
dengan
masing-masing ~ampak
dalam
si nyal
seIni sesuai
besar. an~ara
untuk
f're-
un~uk masing-
i
f'rekuensi coper
i. aC y - 1) WI wCl + i.WT )V
~erhadap
ampl ~udo
kecil un~uk f'rekuensi coper semakin
karena
3 di bagi
4
5 ini
per ubahan
dilakukan
hubungan
dalam
perubahan-
Kebe~ul an
Bi 1a hasi 1 dal am gambar
~ampak
f'rekuensi. 5.
0-500
ama~
di daerah f'rekuensi pengama~an
kuensi
pengua~an
yW
dan ~ernya~a
f'rekuansi an~ara
i~u ~erle~ak
i~u
masukan
amplitudo
sel
berbentuk
c
gas
=
I = in~ensi~as laser I = panj ang sel V = vol ume sel c T o = f'aktor redaman panas karena
I/ICV)c
konduksi
ke dinding
V1/ Vo )(1000
/
3 2
o
Gambar
100
200
4. Katergantungan
300
400
pengua~an
500
~erhadap
f - Hz f'rekuensi
20
syv 2
o
50
150
Gambar 5. Ke~ergan~ungan sinyal coper
200
akus~ik
250
300
f -Hz
~erhadap frekuensi
III. KESIMPULAN DAN SARAN Dengan sel fo~o akus~ik sederhana yang ~elah dibua~ diperoleh karak~eris~ik hubungan an~ara sinyal akus~ik dengan frekuensi coper sesuai dengan ~eori yai~u semakin besar frekuensi semakin kecil sinyal yang diperoleh. Un~uk tahap beriku~nya ada baiknya bila dapa~ digunakan pengua~ yang mempunyai pengua~an ~e~ap un~uk daerah frekuensi
yang
lebih
1uas.
Normalisasi
sinyal
~erhadap
in~ensi~as laser yang digl"U1akan Juga dihar:apkanakal.'1-~mperbaiki -hasil--pengama~an.
UCAPAN TERIMA KASIH Bersama ini penulis mengucapkan ~erima kasih kepada semua s~af Bidang Fisika A~om dan Nuklir yang ~uru~ memban~u pelaksanaan percobaan dan penulisan makalah ini.
21
ACUAN 1. B.Zuidberg, "Recenl Developmenl in Pholoacouslic lroscopy", Perlemuan HFIY, Yogyakarla, 1988.
2.
A.Rosencweig, "Pholoacouslic and copy", Wiley, New York, 1980.
3.
Yoh-Han Pao Ced), "Oploacouslic Speclroscopy lion", Academic Press, New York, 1977.
Pholoacouslic
Spec-
Speclrosand
Delec-
4. D.Bicanic, "Some Applicalions of Pholoacouslic and Relaled Sensing Melhode Relevan lo Agricullure in General ", Winler College on Alomic and Mollecular Physics, ICT? Triesle, 1987. 5. V.P.Zharov, V.S.Lelokov, "Laser Oploacouslic Speclroscopy", Springer Series in Oplical Science, vol. 58, Springer Verlag, Heidelberg, 1986.
TANYA
JAWAB
1. Sri Hulyono
- Berapa heteba1.an jendel.a ZnSe yang di811naP.an? JAWABAN
- 0.12"
merupahan
- di ame ternya
2. Pramudita
tebal.jendel.a Zn.Se.
1.0".
Anggraita
Dari hasil. ehsperimen baih?
berapa
Apa tergantung gasnya
frehuensi
coper yang
ter-
?
JAWABAN - Hulai dari 250 Hz - 350 Hz yaitu batas frehuensi maksimum
coper
yang ada.
- TidaJ.z,tetapi tergantung pada geometri
dan uhuran se1..
3. Widdi Usada APaP.ah
ada
perbaikan
pen811at,
respons pen811at tidah ba811s
?
mengingat
frehuensi
'.
22
JAWABAN Ada. yaitu akan dipakainya tetah dimi tiki.
tock in amptifier
E8 26 yan8
4. Si8it Haryanto Garis PAS ?
apa saja yan8 dipakai
spektrum
untuk eksperimen
- Untuk taser CO2 ini 8as yan8 cocok dipakai ptikan apa saja ?
seba8ai
cu-
JAWABAN - Garis P20-10.6
~m
- Banyak.
tain
Etitena
antara C2H4
Propitena
Trikhtoroetitena
C3H6
1.3 Butadiena
Perkhtorotitena C4H6
Ozon
03
Benzena
C 6H6
Amonia
NH3
Totuena
C7H8
FOS8es
Ct2CO
C2HCt3 C2Ct4
