ProsidingPertemuandan PresentasiIlmiah 86
BukuI
P3TM-BATAN, Yogyakarta 14 -15 Ju/i 1999
PENGAMA T AN EFEK OPTOGAL V ANIK DENGAN CUPLlKAN GAS CO2 Subarkah, Sigit Haryanto, Anwar Budianto P3TM-Batan, Kotak Pas /0178,Yogyakarta 550/0
ABSTRAK PENGAMATAN EFEK Ol'TOGALVANIK CUPLIKAN GAS CO2. Pada percobaan ini seberkas laser dilewatkanpada suatucuplikangasyang beradadalam keseimbangan.Adanyaserapanlaser oleh molekul gas akan menyebabkanpopulasi molekul metastabil dan ion bergeser dari keadaan kesetimbangan, Penyimpanganpopulasi molekulmetastabildan ion dari keadaankesetimbanganmempengaruhiimpedansi kelistrikan dari gas lucutan maka akan mengubaharus lucutan yang mengalir pada tabung lucutan . Perubahan dapat diamati i;ebagaiperubahan teganganpada ujung-ujung hambatanpenyeimbangatau dilewatkanpada suatukaparitoryang diteruskanke lock in amplifier, Perubahanarus ini dikenal$ebagai $inyaloptogalvanik Pada percobaanini digunakanlaser CO2 pada cabang IOP(30)yaitu pada panjang gelombang10,6 mikrometer. Cuplikangasyang digunakanberupagas CO2 yang dimasukkanpada tabung lucutan berbentuksilinder yang dilengkapielektrodeterbuatdari kuningandanjendela penutupdari bahan ZnSe mempolarisasi ca~ya yang lewat. Panjang tabung 13,5 cm $erta 0,6 cm diameternyadan dilengkapi saluran gasyang' terbuat dari pipa plastik untuk masuk dan keluarnyagas yang akan diteliti. Hasil percobaan menunjukanbahwa pada tekanan I mbar dan 2 mbar (arus 0.8 -2,4 mA ) hubunganantara sinyal optogalvanikdenganarus lucutan adalah linear. Tekananoptimumdicapai pada tekanan3 sampai4 mbar,
ABSTRACT THE OPTOGALVANIK EIPECT OBSERVATION WITH CO2 SAMPLE. In this investigation of optogalvanikeffectthe laser rays werepassedthrougha sample ofgas in steadystate condition. The laser absorption that causesan i'!Creasesin the population of metastableatoms/moleculsand change in the population of ions on the energy levels. The deviation of atomiclmoleculerand ionic population from equiblirium will affect the electrical impedanceof thegas and it will changethe currentflowing through the tube. The changeis observea'as the changein thepotensialdifferenceacrossa balanced resistor or current acrossa coupling capasitorthrogh lockedin amplifier. This changeis called the optogalvqanicsignal. In this experimentCO2 laser is usedon the branch of JOP(30)with ).=JO.65JDn.Thegas usedis CO2as a gas sample.filled in the tube ofglaseswith 0.6 cm diameterand J3.5 cm long is installedthegas channelsmade ofplastic to gas in and gas out.. The electrodeis made ofCu and the windows ofZnSe.The result shown that in thepressure of J and.? mbar (current of0.8 -2.4 mA)is linear. Theoptimum ofpressureis rearched at3 to 4 mbar
PENDAHULUAN S
ejak ditemukan laser d~ sebagai pengganti cahaya biasa , serta didukung perkembangan kehandalannya daD kemalaranIJya untuk ditala, telah memberi peluang besar bagi kemajuan spektroskopi atom daD molekul. Kemajuan teknik baru berdasar sifat khas daTi cahaya laser telah digunakan dalam bidang spektroskopi optik. Salah satu metode spektroskopi atom Imolekul. Spektroskopi optogalvanik adalah metode ini untuk menyelidiki aras-aras tenaga Imenganalisa materi daD lingkungan. Spektroskopi optogalvanik laser adalah merupakan teknik yang sangat sederhana tetapi mempunyai sensitivitas tinggi. Untuk mempelajari aras-aras tenaga yang mempunyai resolusi tinggi pacta suatu atomlmolekul dengan mengamati perubahan impedansi aras aras tenaga cuplikan dengan tekanan rendah ( orde fl1bar) yang dapat
Subarkah, dkk.
menyerapradiasi laser dalam suatuplasma. Efek optogalvanik telah lama diketahui dalam bidang spektroskopi atom tetapi belakangan ini telah diaplikasikanpada spesiesmolekul. Laser dengan serbagaris yang mempunyaipelebarangaris yang pendek sangat diperlukan pada spektroskopi ini untuk resolusitinggi. Efek optogalvanik berhubungan dengan perubahansifat-sifat kelistrikan suatu gas lucutan seperti;impedansi, tegangandan aruspada lucutan gas,nyala ap (flame), plasmadalam suatugas yang diradiasi sinar monokromatis yang frekuensinya sesuaidengan transisi elektron atom atau molekul gaslucutan.Padapercobaanoptogalvanikini yaitu seberkaslaser dilewatkan pada suatuplasma yang berada dalam keadaan kesetimbangan. Adanya serapan laser akan menyebabkan populasi atomlmolekul disuatu aras tenaga bergeser dari keadaankesetimbangannya.,tetapikeadaanin akan segera kembali ke kekeadaankesetimbangannya. ISSNO216-3128
Penyirnpanganpopulasi molekul metastabildaDion dari keadaan kesetirnbangafl mempengaruhi irnpedansikelistrikan dari gas lu(;utansehinggaakan mengubah arus lucutan yang: mengalir dalam tabung lucutan. Perubahan teramati sebagai perubahanteganganpada hambatanpenyeirnbang dalam rangkaian elektrode. Pada efek ini penyerapan radiasi terutama terjadi pada aras tereksitasidalam lucutan, sebabeksitasioleh raton diikuti dengan tumbukan ionisasi. Mekanisme terpentingdalam efekini adalahgangguanpopulasi dalam dalam kesetirnbanganpada aras tereksitasi. Hal ini berhubungan dengan perubahan tingkat ionisasikarenaserapan. Beberapa hal yang menonjol dalam spektroskopioptogalvanikini daLrisegi eksperirnen yaitu I. Sederhana,karena: de:teksisinyal dapat dicapai dengan menggunakansepasangelektrode daD kopling kapasitor. 2. Tida1~ada derau optik, inteferensi optik dari hambllfan cahaya dan pendarancuplikan tidak terdeteksi.3. Sensitivitas tinggi: teknik ini telah membuktikansebagaialat analitik untuk mendeteksi spe:sies konsentrasi kurang dari 1010cm-3. 4. Ap.likasi luas : untuk kondisi cuplikan yang rumit, berbagai macam transiendan spesiesyang tak stabil yang tidak bisa diuji olehmetodelain. Tujuan utama dari penelitian ini adalah mengamati efek optogalvanikdalam cuplikan gas CO2. Sedangyang diamati meliputi perubahan tegangan (Sinyal optogalvanil~) terhadap arus lucutan daD perubahan tegangan ( sinyal optogalvanik) terhadaptekanan~;as.
TEORI DASAR EFEK OPTOGALVANIK Efek optogalvanikadalab merupakandasar spektroskopi optogalvanik untuJ( berbagaibahan. Efek ini terjadi karena perubah;msifat kelistrikan dalam tabung lucutan akibat di:,oroti oleh cahaya yang panjang gelombangnyaberesonansidengan transisi aras-arastenaga daTi atJmlmolekul dalam tabunglucutan. Sorotansuatutabung lucutan pactapanjang gelombangsesuaidengantransi:siaras-arastenaga atomlmolekul daTi materi tablmg lucutan akan menyebabkan adanya ganggu:l11daTi keadaan mantap dua atau lebih aras tl~naganya. Cacah tumbukanpersatuanwaktu daTiIlonisasiantaraaras tenaga akan berbeda sehinggaganguanketidak mantapanakan menimbulkang~lIlgguanjuga pacta kesetimbanganionisasilucutang;1S.Gejala ini akan mengubahsifat kelistrikan (imp(:dansi)daTitabung
lucutan.
kualitatif impedansi plasma akan berubah jika densitaspartikelteramatiataumobilitasnyaberubah. Perubahandensitaspartikel bermuatanakanteramati melaluiperubahanteganganV diantaraujUlig-ujung hambatanelektrode. Besarnyasinyal optogalvanik ini sebandingdenganjumlah perubahanpopulasi nj karena adanya sorotan berkas laser yang dapat ditulis: (I dengan:
dM
fJ =
dan aj = dn.
I
. nJ,JI
fJ : faktor kecepatanperubahanpelipatanelektron terhadapperubahantegangan,~: faktor kecepatan perubahanpelipatanelektronterhadappopulasiaras tenaga atom/molekul t!.nj : perubahan penyimpanganpopulasisebelumdisoroti laser daD M : faktorpelipatan. Pacta kesetirnbangan persamaan dinamik (Nordin
tennal
~ni
memenuhi
dan Daran 1989)
~ =~ r..lY'l.-~' (n -n. )o:../.. LJJI J L.i I J Y Y dt
j
(2)
j
dengan:r ji : koefisienkecepatanuntuk transisi j -+ I tanpa sorotan laser, 0" Ii = 0" ji ; tampang lintang pancaran terangsang untuk transisi i -+ j dan Iij : intensitas laser yang ditala pada transisi ij Untuk sistem dua aras' tingkat tenaga dan disoroti dengan laser pada frekuensi Tesonansimaka terjadi transisi 1 -+ 2 dalam tabung lucutan daD
diperoleh: d(l1n1)
dt
=-
Ani = (nl -n2)0"12112
1;
(3a)
dan
d(An2) =- 6n2
dt
T?
-(n2
-nl)cr21121
(3b)
T1 : waktu relaksasitingkat 1, T2 ; waktu relaksasi tingkat 2, 0"12 = 0"21 : tampanglintang serapan dan 42 = 121: intensitaslaser.
Perubahan impedansi dari tabung lucutan akan diikUti perubahanarus/teg;angannya.Secara ISSN 0216-3128
Subarkah,dkk.
beberapaprosesyang dinamakangaslucutanyaim
N2
Ragam pengoperasiangelombang kontinyu untuk lucutan sorotanberkas laser terdapat syarat yangharusdipenuhi;
~~
dt
=0= d(n2) , makapersamaandiatas
Transfer tenaga
0001 CO2
Gambar 2. Diagram aras tenaga molekul CO2 a. Ionisasi langsung akibat tumbukan elektron
dt
dengan
B + e-+ B+ +2e
menjadi b. Ionisasi berganda akibat furnbukan dengan elektron
AnI = -(nI-n2)O"I2II2 tJ.n2 = -(ll2-lll)cr12II2TI2
TI
(4a)
B+e
(4b)
B.+e -t
B+ + e
c. IonisasiPenning Dengan substitusi persamaan(4) ke dalam persamaan(1) makadiperoleh: !!V = -J3<:r12II2(alTl-a2
.B.
d. Ionisasiakibattumbukanmetastabilmetastabil
T2)(nl -n2) B"+B"~ B"+B+e " "~+
(5) Dianggap notasi I merupakan tingkat terendah aras laser dan nl > n2 serta al > a2, sehinggadapatdisimpulkan : I. fl V akan negatip kecuali kalau alT1 > a2T2. Waktu relaksasiuntukarasmetastabilsangatsensitif mengubahplasma. Perubahanwaktu relaksasidapt terjadijika aruslucutandantekanangaspactatabung lucutan berubah sehingga akan menyebabkan polaritassinyaloptogalvanik.. 2. flV (amplitudo sinyal optogalvanik)sebanding dengannl -nv dan .'m12I 12. Campurangas laserCO2 adalahhelium dan nitrogendenganperbandinganCO2:He : N= I :8: I. Laser CO2 memancarkangelombang tak tampak (daerahinframerah). Proses lucutan adalah.cara langsunguntuk memproduksi molekul menjadi ion. Jika berkas laser mengeksitasipactasuatu transisi molkul atau mengionkan suatugas maka kondisi populasiakan berubah dari keadaankesetimbangannya kemudian kembali ke keadanmantapnyalagi. Kondisi ketak setimbangandapat mengganggupopulasi melalui Subarkah, dkk.
+ C -.B + C' + e
B+C
B +B+e
TATAT KERJA Sususnan peralatan untuk percobaan spektroskopiOptogalvanik terlihat seperti pada ganlbarl dibawahini. Komponenutama: 1. LaserCO2; 2. Tabung lucutan; 3. Sistem deteksidan lock in anlplifier. Disanlping sistem panjang gelombang untuk mengetahuipanjang gelombang yaitu spektrtIm analyzerpompavakum dan detektorlaser.. Medium aktif dalanl' laser CO2 yang mempunyai sifat aras-arastenaga elektronik dan vibrasi dapat memberikan tenaga eksitasi ke molekulgasCO2itu sendiri. Tingkat tenagavibrasi menimbulkanbeberapasub aras tenaga, sehingga transisi antara aras-aras tenaga tersebut metlyebabkanterjadinya osilasi laser pada daerah cahayagelombanginfra merah yang lebar (ganlbar
2.) Surnbertegangan DC (0 -15 KV/O -20 IDA) dengan pengatur tegangan antara elektrode tabung lucutan gas berisi gas CO2, maka gas CO2 akan tereksitasi/terionisasi dan arus akan mengalir dalam
tabling lucutan. Arus ini terjadi adanya elektron atau ion. Tumbukan antara elektrol1 dengan molekul gas akan menyebabkan lucutan pada gas dan jika tenaganya cukup menimbulk:an ionisasi. Jika cahaya laser yang termodulasi disorotkan ke tabling lucutan lewat jendela ZnSe, dengan cara memutar grating pada laser maka panjang gelombangnya akan tertala sehingga ada cahalya yang beresonansi paling besar pada suatu u.ansisiaras tegangan molekul lucutan gas tersebut. Efek optogalvanik akan teramati dengan meliliat perubahan arus
/).V=-r3cr12II2(alTl-a2T2Xnl-n2); harga 0"12112 harga tetap untuk laser yang punya panjanggelombangmaupunpada proses tegangan operasi(00°0) : arastenaga dalam ragam nonnal; (10°0) : arastenagadalam ragamsimetri; (01°0): aras tenaga dalam ragam lipat dan (10°0) : aras tenagadalam ragamanti simetri. Pada kondisi ini posisi nl padaarastenaga (10°0) dan n2pada aras tenaga (00°1).
maupun teganagn pada kapasitor yang disambungkan ke lock in amplifier. Dengan menggunakan tabling yang divariasi tekanannya dapat dilihat perubahan tekanan terhadap arus lucutan.
tertentu
sedang
bergantung besarnya
L\n2.
fJ
perubahannya M::lka hanya
hanya
nl dan n2
yang perlu dianalisa kareana merupakan fakttor dinamis , nlsebelumsorotan laser> III setelab sorotan laserdan n2sebelum sorotan laser< n2setelab SOrolaJl laser. n2 bertambah saat tekanan dinaikkan, akibatnya nl ikut naik karena peristiwa de-eksitasi. Pc:rtambahan n2 akibat peristiwa densitas populasi di tingkat dasar bertambah akibatnya yang tereksitasi ikut bertambah temlasuk ion-ion di tingkat ionisasi kontinyu. Tumbukan tak elastis antara molekul CO2 dengan elektron (tenaga listrik) : e + CO2(0000) ~ e + CO2COOo 1), sedang metlstabil-metastabilnya CO2CIOoO) + CO2CI000) ~ (10°0)+ + CO2CI000) +2e.
Gambar2. SkemapercobaanspektroskopiofitogaIyanik cuplikangasCIJ2
HASIL DAN PEMBAHASAN Dari gambar 4. bah'wa semakin besar tekanan semakin besar pula sinyal optogalvanik ( L\V ) , kondisidemikiandapatditerangkansebagai berikut Pada percobaan diperoleJi1sinyal positip, ini menunjukkan besarnya aIT I :> a2T 2 clan dari
ISSN0216-3128
3
4
5
6
7
8
9
1C
Tekanangas .mbar
~ Gambar 4. Hubungan antara perubahantekanan terhadapperubahanteganganV (sinyal optogalvanik) dengan operasi arus curve atas 1,8 mA daDcurve bawah 1,1 mA.
Lock In Amplifier
persamaan(5)
2
Gambar5. Hubunganantaraperubahanoperasiarus lucutan terhadap sinyal optogalvanik pada curve atas 2 mbar dan curve bawah I mbar. Pada saat laser lewat tabung lucutan laser akandiserap,dengankata lain nl akantereksitasike n2 dan dari peristiwa ini terjadi tumbukan tumbukandi aras eksitasidan ionisasi (00°1) yang menyebabkansinyal optogalvanikbertambahbesar pula. Padaposisihargatekanan3 mbar sampai 4 mbarmerupakandaerabpuncaksinyal optogalvanik clan arab garis tidak naik lagi, ini menunjukkan babwa serapan laser pada posisi harga tekanan
Subarkah,dkk.
tersebut sudah menunjukkankejenuhan ; artinya serapan laser laser sudah tidak mampu lagi mengeksitasidi aras (10°0). Sedangpactaposisi tekanandiatas4 mbar graftk mengalamipenurunan, memperlihatkanbahwa serapan laser tidak hanya jenuh tetapi proseseksitasimulai terganggudengan adanyatekanangas yang berlebihanuntuk kondisi tersebut. Pacta gambar 5. : jika arus lucutan naik (tekana tabung tetap) maka sinyal optogalvanik i\Vnaik pula. Hal ini dapadibahassepertigambar 4, jika operasiarus lucutandinaikkan maka akan acta pertambahanion-ion di tingkat aras ionisasi kontinyu. Ion-ion ini saling bertumbukandan meluruh ke aras metastabil (00°1) akibatnya n2 bertambahdan selanjutnyameluruhke arasn, dan mempengaruhi penambahn molekul-molekul di tingkat tersebut karena peristiwa de-eksitasi. Setelah laser dilewatkan maka terjadi eksitasi daTi aras (10°0)ke aras (00°1) lagimenyebabakanarus galvaniknaik.
KESIMPULAN Telah dilakukan penelitian untuk mengamati efek optogalvanik pada cuplikan gas CO2. Operasi frekuensi modulasi dilakukan pada harga 134 Hz, tekanan gas CO2 optogalvanik 4 mbar dilakukan penalaan garis-garis laser pada setiap panjang gelombang dan diperoleh hubungan dengan sinyal optogalvanik yang terjadi, serapan terbesar pada cabang 10P(30) dengan panjang gelombang 10,65 11m .daTi basil pengamatan ini dapat disimpulkan bahwa hubungan antara perubahan tegangan /1V terhadap arus lucutan pada tekanan 1 mbar dan 2 mbar (arus 0,8 -2,4 IDA) adalah linear pada kondisi arus lucutan tetap. Sinyal optogalvanik optimum diantra 3 sampai 4 mbar merupakan daerah paling efisien dalam melakukan percobaan optogalvanik pada model sel penelitian ini. Keuntungan model model sel ini dapat mengatasi faktor faktor kendlal dalam lucutan gas seperti sputtering katode, tingkat kevakuman.
3. DEMTRODER W., 1981, LaserSpectroscopy, Springer -Verlag, Berlin Heidelberg, New York.
4. FRANCIS G., 1956, Handbuchder Physik, Springer-Verlag, Berlin 22, 53. 5. HOWATSONA.M., 1976, Introductionto Gas Discharges,SecondEdition, PerganomPress, Britain.
6. NORDIN M. B. J., 1989, Some Investigation Of Metal Vapour Lasers,PhD thesisUniversity of Wales.
TANYAJAWAB Agus Taftazani *
* *
Apakah metode optogalvanik telah dipakai dalam bidang industrilanalisis kimia (dari pustaka). Kalau ya, range/kemampuananalisis berorde berapappm. Apakah sistempemulsasinar lasertidak harus sistemtertutup.
Subarkah *
Yaitu untuk analisa lingkungan, diagnostik plasmadan analisabahan.
*
Kemampuan analisis sampai orde species k .k d . 1010 -3
onsentrasl urang arl
*
cm.
Tidak harus, karena cahaya laser yang disorotkan(dilewatkan)ke sel optogalvanik.
Subari Santoso *
Dampak langsung terhadap efek positif ke
*
masyarakatyang ~apatdiunggulkanapa Apajenis chopperyang digunakan,berapafreqi yangdihasilkan.
Subarkah
Efek optogalvanik tidak hanya terbatas untuk mengamati gas CO2 namun dapat digunakan untuk
*
Alat ini bisa untuk mendeteksipolusi udara, analisabahanyang telah tembuspandang.
cuplikan-cuplikan gas lainnya yang mempunyai pita serapan yang sesuai panjang gelombang yang digunakan. '
*
Chopper yang digunakan model SR 510, frekuensi bisa dioperasikan0-4000Hz.
DAFTAR PUSTAKA BARBIERI B., and BEVERRINI N.,1990, Optogalvanic Spektroscopy, Rev. Mod. Phy. S., Vol. 62. No: 3. 2,
DARAN M. J., 1989, Laser SpectroscopyOf Molcules Of Wales.In Discharges,.Pill thesisUniversity
Subarkah,ill.
Tono Wibowo *
Apa fungsi chopperdalam pengamatan ini.
*
Bagaimanadengancuplikanparlato
*
Apa ada pengaruh perubahan suhu terhadap tekanantabling.
ISSN0216-3-128
Prosiding Pertemuan dan Presentasi J/miah P3TM-BATAN; Yogyakarta 14 -15 "ru/i 1999
Subarkah *
Fungsi chopper sebagai modulator cahtiya laser sehinggaarus galvan;;kyang terjadi bisa diamati. Bisa dilakukan untuk cupl.ikan padat dengan melapiskan pada salah satu elektrode, tentu saja dengan bentuk sel JIang berbeda dan terjadi proses sputtering kemudian baru disorot dengan laser yang termoduUlSi. Pengaruh suhu akibat perl'stiwa eksitasi, deeksitasi akibat sorotan lase," yang termodulasi
menyebabkan perubahan
tekanan yang
termodulasi pula jika sel tertutup dan gas mengalir, menyebabkan timbulnya akustik (bunyi)
BukuI
91
