ISSN 0216-3128
34
SPEKTROMETER FOTOAKUSTIK BERKEPEKAAN TINGGI
Mitrayana,dkk.
LASER INTRAKA VIT AS
Mitrayana, Muslim, M. A. J. Wasono Jurusan f"isika FMIPA UGM
ABSTRAK SPE'KTROMETERFOTOAKUSTIKLASERINTRAKAVITASBERKEPEKAANTINGGI. Telah dilakukan pengembangan konfigurasi SpekJrometerFotoakustik (SFA) dari konfigurasi ekstrakavitas menjadi intrakavitas dengan menggunakansumberradiasi laser CO2 jenis tertutup(Sealed-otT).Diperoleh bolas deteksi minimal SFA sebesar (200:t 50) ppt untukC2H4 don (20 :t 5) ppt untuk SF6 denganwakJu langgap(6,6 :to.2) delik. Kala kunci: ekslrakavitas.inlrakavilas. laserCO2lerlutup. 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-offCO2laser. PhotoacouticSpectrometer.responsetime
ppt (Harren, 1988). Untuk menghemat biaya operasional digunakan sumber radiasi laser CO2 jenis tertutup (Sealed-off), yang terbukti cukup hemat dalam penggunaangasnya (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 100ppb atau lebih (pisang, manggis, tomat dsb.) (de Vries, 1994). Selain itu dalam konfigurasi tersebut Wasono menggunakan sumber radiasi laser CO2 denganjenis axial flowing, yang terbukti banyak mengkonsumsi gas untuk operasionalnya (yaitu He, N2, COJ sehingga boros dalam pembiayaannya (Wasono,
METODEEKSPERIMEN Konstruksi SF A untuk konfigurasi intrakavitas dapat dirancang sedernikian rupa sehingga pengepasankeadaan 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 rnemenuhi 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 SFA untuk konfigurasi intrakavitas terjadi.
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 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 sebagaiberikut (Harren, 1988). --
Prosiding Pertemuan dan Presentasilimiah Penelltian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nuklir P3TM.BATAN Yogyakarta. 27 Junl 2002
ISSN 0216-3128
Mitrayana,dkk. 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 Woke WI dan jarak pinggang berkas barn dinyat.akan sebagai berikut (Harren, 1988) WI = wo[Cd2-f)/Cd,-f)f/2
d2 = I d. (dl -I)
(d,-lt
+ A2
+ A2
Kestabilandon Keluaran Daya Laser
ketuaran untuk
terjadinya aksi laser, konsentrasi sampel yang disetidikijuga sangatmempengaruhi terjadinyaaksi laser tersebut. Hal ini sesuai dengan pemyataan
Dengan menggunakan besar arus 5,33 mA clan tegangan 10,58 kY diperoleh daya keluaran maksimum intrakavitas sebesar75 W clan spektrum garisnya nampak kuat di cabang lOP clan lOR (lihat Gambar 2). Garis-garis laser yang diperoleh dirasakan cukup memadai untuk mengukur gas kelumit etilen clangas 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.
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.
1'.
,~- ,
',"\- 14rI'1" ~j--'-'~"'
.
'.1~
"-'- ~.I~'t
I
"i
,. :.
il,
i..i !_.l
I
.~..~. ..,I Gambar
radiasi laser CO2tertutup(Sealed-off).
(4)
berikutnya. Padakonfigurasiintrakavitassetain ketepatan
~
Gambar 1 merupakan gambar skema SFA
dengan konfigurasi intrakavitas dengan sumber
HASIL DAN PEMBAHASAN
tensa, dz = jarak antara tensa sampai pinggang
Gambar 1.
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.
(3)
dengan, A = 7r~ / It sedang f = panjang fokus tensa,d, = jarak antarapinggang pertama sampai
pengaturan tensa dan cermin
35
~
IOO'~ ---","'cf ,-
t-"~~
,-
~'~~v,,-,",,",",
(o"""":j1D
" ..
--I iij c 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 OPJ2 terhadap cacah motor grating: Spekterhadap waktu operasiona/.
2.
trum garis tampak kuat pada cabang lOP dan lOR. --
;i;"~il;"ji:i
Prosiding Pertemuan dan Presentasl IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta. 27 Juni 2002
~ h . \.
:~V""'. i~, /". 'T"
36
ISSN 0216 -3128
Mitrayana. dkk.
-Dengan sumber radiasi laser CO2 tertutup (Sealed-off) biaya operasi SFA dapat ditekan sampai 90 % sebagai akibat konsumsi gas yang ren,dah/ awet. Sebagai contph telah dicoba laser 'Semi sealed-offdengan 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 SF6adalah 650 atm-1 cm-1 sedangkan koefisien etilen pada garis 10P16 sekitar 5,3 atm-1 cm-1 (Groot dkk., 1998)
1~.,I
.:()-
1} ,
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).
L
_.t
~ 4 ~~Jjjk.lllnl.hl
Gambar
5.
Z~i-
i1 j ,. ~
...
D.~-
J o.~~ a
Q.W'
..-:
ot.tJ.
--~
(}-~1.9!q:-
I I
I~ I
I
I
I
.
I
Ol".
h--A
II
1. I~
I
~ --1~
~
.~~
$
4
I ~:4 .~t
"
~ ., ~. l
~.
... ~- . ~
L
~~-~.~
1
.-
-
:
..;oj, ...L~-
!
I
~ ~!O}
1
it] .
Q ~ ..-&-
~I"t$.
Grafik batas deteksi C2H4 antara konsentrasiC2H4 terhadapwaktu.
:
~
t
~. ..._":.J
z",""J-
~
~
,.., ..,
f"A.
merupakan gambar kurva
1m.
-
~.
J ~ j. ,,~.
Kurva Resonansidun Faktor Kualitas Gambar 4
I
-.;
\J«)
toto)
,.
c.:z
A"
j)..c
Q.I
"J
.,
~.." ckI...,...C,-.
1.0]
.I
,~
.
Gambar6. Grafik batas deteksi SF6 amara konsemrasiSF6 terhadapwaktu.
Gambar 4. Grafik kurva resonansiantara sinya/ fotoakustik do/am satuan sebarang terhadapfrekuensichopper.
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,
Waktu Tanggap(Respons 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 VIPa, 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).
Prosiding Pertemuan dan Presentasilimiah Peneiitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nukiir P3TM-BATAN Vogyakarta, 27 Junl 2002
-
.ISSN 0216 -3128
Mitrayana,dkk.
...~ 1 mlnl'del.i~ ; 0 ~~
!.:
-t
2O1Mn
I
I I : 0':0";_01-'
.Ii. ! ...\
-'...
.I-~-
i i ! Ii;; .: ;
7-
..'
~
i..: :... ! I
rements by Laser Photothermal Detection; Physics Meets Physiology, Ph.D. Thesis, Khatolic University, Nijmegen, The Netherlands.
.: . I ..
';
I I ; .I I
II
2. de VRIES, H., 1994,Local Trace Gas Measu-
.I
,:
-,
I
'I~
.1. .1. ...:'
.,.!
-., -..'
vation ofAnaerobicProcessin Insects,Soil and Fruit, Disertasi Doctor, Catholic University, Nijmegen,Belanda.
y
6I.6.6~
"
3. 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: Photoacousticand Photothermal Phenomena, (ed. F. S<:udieriand M. Bertolotti)
.'1.- -I
.",
0
.:
.'.-0 .-. --.t!.~.~.' : ~. :.'.; .: ~1~lJ-i-:(.. 1""T:il L ~ .~
AlP Conference Proceedings 463 (Woodbury,
I . .I
Gambar 7. Grafik waktu siaga antara tinggi sinya/eli/en da/amsatuansebarang akibat suntikan (y) terhadapposisi rekorder(x).
4
5
KESIMPULAN I.
Laser CO2 tertutup (Sealed-off> terbukti merupakan sumber laser spektrometer fotoakustik (SF A) 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 :I: 50) ppt untuk etilen dan (20 :I: 5) ppl 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 inframerahretlektor; kepada KNA W yang telah memberikan kesempatanpenelitian di Belanda selama 6 bulan.
DAFTARPUSTAKA BIJNEN, F. G. Co, 1995, Refined CO-Laser Photoacollstic Trace Gas Detection; Obser-
-Prosiding
37
New York, 673-675). HARREN, F., 1988,The PhotoacousticEffect, Refined and Aplied to Biological Problems, Disertasi Doctor, Catholic University, Nijmegen,Belanda. MITRAY ANA, 2002, SpektrometerFotoakustik IntrakavitasKepekaanTinggi Bersumberkan LaserCO2 Tertutup(Sealed-Off)DenganPenerapannya Pada Penentuan Volume Trachea SeranggaMelalui Penyelidikan Pola Pernafasannya,TesisS-2, UniversitasGadjahMada.
6. WASONO, M.A.J., 1990, SpektrometerFotoakustik Untuk PelacakanGas,Tesis S-2, Pasca SarjanaUGM, Yogyakarta. 7. WASONO, M.A.J., 1998, Konstruksi don Kinerja SpektrometerFotoakustik Laser CO2 Untuk Memonitor Emisi Etilen Dalam Metabolisme Buah Tripis Pasca Panen. Disertasi,Pascasarjana UGM, Yogyakarta.
TANYAJAWAB Widdi Usada -Dalam kenyataan gas yang keluar dari buahbuahan berupa matrik gas, mengapa hanya C2 soja yang dilihat apakah gas-gas lain tidak memberikan sumbangan resonansl'? Mitrayana
-Untuk menghi/angkan gas-gas lain maka kumi gunakan seru/ser atau kala/is dari a/iran gas sebe/ummasuk se/fotoakustik. -C2H4 ada/ah gas hormon pematan.l,'an buah yang sangat penting untuk dikenda/ikan terutama pada buah masa panen.
Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Junl 2002
38
ISSN 0216-3128
R. Oktova . -Sejauh mana pengembanganspektrometerfotoakustik untuk pemakaiankomersial. -Tadi dikatakan sebaiknyaresponsetime tinggi, bukankah justru sebaiknya responsetime suatu alat ukur kecil?
MitraJ'ana, dkk.
Mitrayana -Sejauh ini komi telah bekerja sarna dengan teknologipertanian untuk menelitilpengendalian pematanganbuah pascapanen untuk keperluan pasar ekspordan alat sejauhini komi rintis untuk yang berbentuklebih kompakdan mobile. -Sebaiknya respon time itu sekecil mungkin sehinggaalat benar-benarreal time.
Prosidlng Pertemuan dan Presentasilimiah Penelitlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Junl 2002
