penggunaan laser co2 sealed-off pada detektor fotoakustik sistem
advertisement
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PENGGUNAAN LASER CO2 SEALED-OFF PADA DETEKTOR FOTOAKUSTIK SISTEM INTRAKAVITAS Tugas Akhir Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Sains Jurusan Fisika Disusun Oleh: Fransiska Endang Kinasih NIM : 043214007 PROGRAM STUDI FISIKA JURUSAN FISIKA FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA 2009 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI SEALED-OFF CO2 LASER BASED INTRACAVITY PHOTOACOUSTIC DETECTOR A THESIS Presented as Partial Fulfillment of the Requirements To Obtain The Sarjana Science In Physics Department by : Fransiska Endang Kinasih NIM : 043214007 PHYSICS STUDY PROGRAM PHYSICS DEPARTMENT FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA 2009 ii PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI “Janganlah berdoa supaya engkau mendapat tugas yang sesuai dengan kekuatanmu, tetapi berdoalah supaya engkau mendapat kekuatan yang sesuai dengan tugasmu” (Phillip Brooks) “Pengalaman membuat engkau mampu untuk mengenal sebuah kesalahan bilamana engkau melakukannya lagi” (Franklin P. Jones) Kupersembahkan karya ini kepada : Tuhan Yesus Kristus yang selalu menyertai setiap langkah hidupku dan selalu mendengarkan permohonanku Bunda Maria penolongku Kedua orang tuaku tercinta Keluaga besar alm. FX. Suharyoto Universitas Sanata Dharma almamaterku v PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI INTISARI PENGGUNAAN LASER CO2 SEALED-OFF PADA DETEKTOR FOTOAKUSTIK SISTEM INTRAKAVITAS Detektor fotoakustik merupakan alat untuk mengukur konsentrasi berbagai jenis gas. Detektor fotoakustik menggunakan prinsip serapan cahaya. Sumber cahaya yang digunakan pada detektor ini yaitu laser CO2 sealed-off. Pada sistem intrakavitas sel fotoakustik ditempatkan di dalam rongga resonator laser. Dalam penelitian ini telah dilakukan pengaturan resonator optis pada laser CO2 sealed-off, sehingga diperoleh keluaran daya yang maksimum. Setelah dilakukan penelitian, diperoleh keluaran daya maksimum untuk laser CO2 sealed-off pada arus listrik 10,75 mA dengan jumlah garis radiasi laser yang dihasilkan sebanyak 37 buah garis. Garis-garis radiasi tersebut tersebar dalam 4 band. Pada band pertama dihasilkan 4 garis laser, band kedua dihasilkan 7 garis laser, band ketiga dihasilkan 13 garis laser dan band keempat dihasilkan 13 garis laser. viii PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI ABSTRACT SEALED-OFF CO2 LASER BASED INTRACAVITY PHOTOACOUSTIC DETECTOR Photoacoustic detector is an instrument for measuring various concentration of gases. The photoacoustic detector uses the principle of light absorption. Sealed-off CO2 laser was used as the light source of the detector. The acoustic cell is placed beetwen the laser resonator In this research, the researcher set the resonator optic of the laser so the output maximum power of laser was obtained. After doing the research, it was obtained radiation lines were spread out in four bands. First band consist of 4 lines, second band consist of 7 lines of laser, third band consist of 13 lines of laser, and 13 lines of laser for fourth band. ix PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat, kasih karunia serta penyertaan-Nya yang diberikan kepada penulis selama penyusunan skripsi yang berjudul “PENGGUNAAN LASER CO2 SEALED-OFF PADA DETEKTOR FOTOAKUSTIK SISTEM INTRAKAVITAS” Penyusunan skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan studi program sarjana di Program Studi Fisika Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Penulis menyadari bahwa penyusunan skripsi ini dapat terselesaikan dengan baik karena bantuan dari berbagai pihak. Untuk itu, pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada: 1. Tuhan Yesus Kristus, yang telah menganugerahkan kasih karunia dan rahmat-Nya serta selalu memberikan keberuntungan. 2. Bunda Maria yang telah mendengarkan segala doa dan permohonan. 3. Bapak Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T. selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. 4. Bapak Dr.Ign.Edi Santosa, M.S selaku dosen pembimbing serta dosen penguji yang penuh kesabaran telah membimbing, membantu, menyemangati serta meluangkan waktunya kepada penulis selama penelitian dan proses penulisan skripsi ini. 5. Ir.Sri Agustini Sulandari, M.Si selaku ketua program studi Fisika 6. Drs. Asan Damanik selaku dosen pembimbing akademik x PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 7. A. Prasetyadi, S.Si, M.Si., yang telah meluangkan waktu untuk menguji penulis serta memberikan masukan yang berharga bagi penulis. 8. Segenap Dosen prodi Fisika, FST Universitas Sanata Dharma Yogyakarta yang telah mendidik dan membagikan ilmunya selama penulis menyelesaikan studi. 9. Segenap karyawan FST Universitas Sanata Dharma yang telah membantu selama masa studi. Para laboran, Bapak Sugito, Mas Ngadiono dan Mas Bimo yang telah banyak membantu selama penelitian berlangsung. 10. Kedua Orang tuaku tercinta, yang selalu memberikan dukungan, doa serta kasih sayang kepada penulis. 11. Pamanku Fransiskus K. Kurnianto, yang selalu memberikan dukungan moral maupun material serta seluruh keluarga besar Alm. FX. Suharyoto yang selalu memberikan doa serta motivasi kepada penulis. 12. B. Ade Dirgantara, Erlyna Ekawati, Katarina Watini serta Sujadmoko, yang senantiasa saling menyemangati dan mewarnai angkatan 2004. 13. Rekan penelitianku Laurensia Trimeta P. dan Katarina Watini, atas segala bantuan dan kerjasamanya. 14. Teman-teman Fisika angkatan 2002 dan angkatan 2005, yang senantiasa membantu serta menguatkan penulis. 15. Teman-teman kontrakan yang selama ini telah memberikan doa, dukungan dan bantuan baik moral maupun spriritual kepada penulis terutama dalam menyelesaikan tugas akhir xi PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 16. Keluarga besar komunitas Sant’Egidio Yogyakarta yang selama ini telah mengajarkan banyak hal serta memberikan dukungan baik moral dan spiritual kepada penulis 17. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu yang telah banyak membantu penulis selama menyelesaikan studi di jogja. Penulis juga menyadari bahwa penyusunan skripsi ini tidaklah sempurna, untuk itu penulis mengharapkan seegala kritik dan saran yang membangun. Dan penulis berharap semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi para pembaca dan memberikan sedikit sumbangan buat Ilmu Pengetahuan. Yogyakarta, Juli 2009 Penulis xii PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI DAFTAR ISI Halaman HALAMAN JUDUL ................................................................................................. ii HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING ....................................................... iii HALAMAN PENGESAHAN .................................................................................. iv HALAMAN MOTTO DAN PERSEMBAHAN ...................................................... v HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN KARYA .............................................. vi LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS …………………………………………. vii INTISARI ................................................................................................................. viii ABSTRACT .............................................................................................................. ix KATA PENGANTAR …………………………………………………………….. x DAFTAR ISI ……………………………………………………………………… xiii DAFTAR TABEL ………………………………………………………………... xvii DAFTAR GAMBAR ……………………………………………………………..xviii BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang …………………………………………………………. 1 1.2. Perumusan Masalah…………………………………………………….. 4 1.3. Batasan Masalah………………………………………………………… 4 1.4. Tujuan Penelitian……………………………………………………….. 4 1.5. Manfaat Penelitian……………………………………………………… 4 1.6. Sistematika Penulisan…………………………………………………… 5 xiii PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI BAB II DASAR TEORI 2.1. Teori Atom……………………………………………………………… 6 2.2. Interaksi Elektromagnetik………………………………………………. 7 A. Penyerapan………………………………………………………...... 8 B. Pancaran Spontan…………………………………………………… 9 C. Pancaran Terangsang………………………………………………. 10 2.3. Koefisien-koefisien Einstein…………………………………………… 11 2.4. Prinsip Dasar Laser…………………………………………………….. 13 2.5. Pemompaan Laser……………………………………………………… 14 A. Skema Tiga Tingkat Tenaga……………………………………….. 15 B. Skema Empat Tingkat Tenaga…………………………………….. 16 2.6. Penguatan Laser……………………………………………………….. 17 2.7. Laser CO2 ……………………………………………………………... 19 2.8. Fotoakustik…………………………………………………………….. 21 BAB III METODELOGI PENELITIAN 3.1. Tempat Penelitian……………………………………………………… 24 3.2. Rangkaian Percobaan…………………………………………………. 24 3.3. Detektor Fotoakustik…………………………………………………. 3.3.1 25 Laser…………………………………………………………….. 26 A. Power Supply……………………………………………………. 27 B. Resonator Optis………………………………………………… 27 C. Tabung Laser…………………………………………………… . 28 D. Piezo…………………………………………………………….. 29 xiv PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI E. Chopper………………………………………………………….. 30 F. Powermeter………………………………………………………. 30 3.3.2 Sel fotoakustik……………………………………………………. 30 3.4. Persiapan Alat……………………………………………………………31 3.4.1. Lining Laser……………………………………………………… 31 A. Pengaturan Posisi Kisi…………………………………………… 31 B. Pemasangan Tabung Laser dan Chopper………………………… 32 C. Pemasangan dan Pengaturan Cermin…………………………….. 33 D. Perolehan Garis Laser……………………………………………. 33 E. Pencarian Daya Laser…………………………………………… 34 3.4.2. Optimalisasi Daya Laser………………………………………… 34 A. Arus Listrik……………………………………………………… 34 B. Pengaturan Tegangan pada Piezo………………………………. 35 3.4.3. Pemasangan Sel Fotoakustik……………………………………. 35 3.5. Perolehan Garis Laser CO2 untuk Gas Etilen………………………… 35 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Hasil…………………………………………………………………… 37 4.1.1. Perolehan Garis Laser…………………………………………… 37 4.1.2. Optimasi Laser CO2 sealed-off ………………………………… 39 A. Arus Listrik……………………………………………………… 39 B. Tegangan Piezo…………………………………………………. 40 4.1.3. Pemasangan Sel Fotoakustik…………………………………… 43 4.1.4. Penentuan Garis Etilen… ……………………………………… 45 xv PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 4.1.5. Pengukuran Konsentrasi Gas Etilen ............................................. 46 4.2. Pembahasan…………………………………………………………… 47 BAB V PENUTUP 5.1. Kesimpulan….……......………………………………………………... 55 5.2. Saran……......………………………………………………………….. 55 DAFTAR PUSTAKA…………………………………………………………….. 56 LAMPIRAN ……………………………………………………………………… 58 xvi PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI DAFTAR TABEL Halaman Tabel A hubungan daya terhadap piezo pada posisi steppermotor tertentu...........58 xvii PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI DAFTAR GAMBAR halaman Gambar 2.1 (A) Proses deeksitasi, elektron pindah dari tingkat 3 ke tingkat 1 (B) Proses eksitasi, elektron pindah dari tingkat 1 ke tingkat 2 ………. 7 Gambar 2.2 Penyerapan ...………………………………………………………….. 8 Gambar 2.3 Pancaran Spontan ................................................................................... 9 Gambar 2.4 Pncaran Terangsang .............................................................................. 10 Gambar 2.5 Proses Kerja Laser ................................................................................ 13 Gambar 2.6 Komponen Laser ................................................................................... 14 Gambar 2.7 Atom Tiga Tingkat ................................................................................ 16 Gambar 2.8 Atom Empat Tingkat ............................................................................. 17 Gambar 2.9 Skema Laser .......................................................................................... 18 Gambar 2.10 Tabung CO2 flowing out ...................................................................... 20 Gambar 2.11 Tabung CO2 sealed-off ......................................................................... 21 Gambar 3.1 Rangkain Percobaan Detektor Fotoakustik …………………………… 24 Gambar 3.2 Detektor Fotoakustik yang digunakan dalam percobaan ……………... 26 Gambar 3.3 Rangkaian Laser CO2 sealed-off ……………………………………… 26 Gambar 3.4 Kisi pada laser CO2 sealed-off ………………………………………… 28 Gambar 3.5 Bentuk tabung laser CO2 sealed-off …………………………………… 29 Gambar 3.6 Desain sel fotoakustik …………………………………………………. 31 Gambar 4.1 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap posisi steppermotor untuk panjang tabung 67,5 cm dan kisi berbentuk bulat ………………. 37 xviii PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI Gambar 4.2 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap posisi steppermotor untuk panjang tabung 52 cm dan kisi berbentuk kotak ………………… 38 Gambar 4.3 Keluaran Laser CO2 sealed-off yang ditangkap Powermeter …............ 38 Gambar 4.4 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap posisi steppermotor pada 11,15 mA ………………………………………………………… 39 Gambar 4.5 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap posisi steppermotor pada arus 10,75 mA …………………………………………………… 40 Gambar 4.6 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap pengatur tegangan piezo pada posisi steppermotor 1574 ………………………………………… 40 Gambar 4.7 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap pengatur tegangan piezo pada posisi steppermotor 2374 ………………………………………… 41 Gambar 4.8 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap pengatur tegangan piezo pada posisi steppermotor 5088 …………………………………........... 41 Gambar 4.9 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap pengatur tegangan piezo pada posisi steppermotor 6994 ............................................................... 41 Gambar 4.10 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap posisi steppermotor untuk nilai pengatur tegangan piezo 4,6 ………………………………. 42 Gambar 4.11 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap posisi steppermotor untuk nilai pengatur tegangan piezo 5,5 ……………………………….. 42 Gambar 4.12 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap posisi steppermotor untuk nilai pengatur tegangan piezo 6,2 ……………………………….. 43 Gambar 4.13 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap posisi steppermotor …………………………………………………….. 44 xix PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI Gambar 4.14 Grafik hubungan antara sinyal akustik (AU) terhadap posisi steppermotor ……………………………………………………. 44 Gambar 4.15 Grafik hubungan antara sinyal ternormalisir (AU) terhadap posisi steppermotor …………………………………………………………… 45 Gambar 4.16 Grafik hubungan antara sinyal ternormalisir (AU) terhadap posisi steppermotor untuk medium udara tanpa sampel ……………………… 45 Gambar 4.17 Grafik hubungan antara sinyal ternormalisir (AU) terhadap posisi steppermotor untuk medium udara dengan sampel ……………………. 46 Gambar 4.18 Grafik hubungan antara konsentrasi etilen (AU) terhadap waktu (jam)............................................................................................... 47 Gambar 4.19 Grafik kestabilan daya laser (AU) antara garis 10P14 dan 10P16 terhadap waktu (jam) .............................................................................................. 47 xx PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Bidang spektroskopi menduduki tempat utama dalam perkembangan fisika mulai abad ke-19 dan permulaan abad ke-20. Perkembangan laser yang cukup pesat juga mendorong timbulnya teknik-teknik baru dalam bidang spektroskopi. Spektroskopi fotoakustik merupakan salah satu bidang spektroskopi yang sangat cepat berkembang seiring dengan perkembangan laser [Laud,1988]. Dengan memanfaatkan keunggulan laser, telah dikembangkan teknik spektroskopi laser yang lebih baik dibandingkan dengan teknik konvensional. Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation atau penguatan cahaya dengan rangsangan pancaran radiasi) merupakan pemanfaatan proses radiasi. Penemuan laser memberikan dampak yang luar biasa pada dunia ilmiah, sekaligus menunjukkan bahwa optika sangat hidup. Dua laser pertama yang berhasil dikembangkan selama tahun 1960 adalah laser rubi (λ = 6943 Ǻ) dan laser gas helium-neon (λ = 11.500 Ǻ). Sejak saat itulah banyak usaha dilakukan untuk mempelajari laser. Laser telah diperoleh dengan atom-atom, ion-ion, dan molekul-molekul dalam gas, cairan, benda padat, gelas, nyala api, plastic dan semi konduktor pada panjang gelombang yang merentang dari daerah ultraviolet sampai pada frekuensi radio [Laud, 1988]. 1 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 2 Detektor fotoakustik merupakan alat untuk mengukur konsentrasi berbagai jenis gas. Sistem kerja dari detektor fotoakustik yaitu dengan prinsip serapan cahaya. Sistem fotoakustik mengukur langsung cahaya yang diserap oleh sampel [Santosa, 2008]. Waktu tanggap detektor fotoakustik relatif cepat, sehingga dapat digunakan secara on-line serta dapat mengukur gas secara simultan. Detektor fotoakustik memiliki tiga komponen penting, yaitu: laser, sel fotoakustik, dan mikrofon. Sel fotoakustik merupakan komponen yang berfungsi sebagai tempat konversi cahaya laser menjadi sinyal akustik yang akan ditangkap oleh mikrofon. Mikrofon kemudian mengirim sinyal untuk diolah oleh komputer. Laser digunakan sebagai sumber cahaya karena intensitas spektral yang tinggi serta dapat ditala [Santosa,2008]. Detektor fotoakustik dapat diaplikasikan dalam berbagai bidang antara lain: biologi, pertanian, medis dan lingkungan. Dalam bidang lingkungan, detektor fotoakustik dapat digunakan untuk mengukur gas-gas polutan di udara. Dalam bidang pertanian, detektor fotoakustik dapat digunakan untuk mengukur konsentrasi gas etilen dalam proses pematangan buah. Untuk pengukuran gas etilen, digunakan laser CO2 sebagai sumber cahaya pada detektor fotoakustik. Pada penelitian sebelumnya, telah dibuat sistem spektroskopi fotoakustik sistem ekstrakavitas dengan menggunakan sumber radiasi laser CO2 jenis axial flowing [Mitrayana.dkk, 2002]. Pada laser CO2 dengan jenis axial flowing memerlukan banyak gas untuk proses pengoperasiannya. Selama pengoperasian, gas isian yang digunakan (CO2, He, N2) terus-menerus dialirkan sehingga membutuhkan biaya pengoperasian yang sangat mahal. PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 3 Untuk mengurangi biaya operasional, diperlukan sistem fotoakustik dengan sumber radiasi laser yang memerlukan biaya operasional yang murah. Untuk menghemat biaya operasional tersebut dapat digunakan laser CO2 jenis sealed off, dimana dengan jenis laser ini gas isian yang digunakan lebih sedikit dibanding dengan jenis axial flowing. Penggunaan sumber radiasi laser CO2 sealed-off membuat detektor ini lebih unggul dibandingkan dengan detektor fotoakustik yang sebelumnya, karena detektor ini dapat digunakan secara mobile. Untuk itu, pengukuran tidak hanya dilakukan di dalam laboratorium saja, melainkan dapat dilakukan di tempat lain. Detektor fotoakustik yang tersedia di Lab Analisa Fisika dan Kimia Pusat Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma menggunakan sistem intrakavitas dengan sumber radiasi laser CO2 sealed-off. Digunakannya laser CO2 sealed-off membuat detektor ini lebih unggul dibandingkan dengan detektor sebelumnya. Selain itu, batas deteksi detektor fotoakustik mencapai orde ppb (part per billion atau 10-9) Sebelum detektor fotoakustik digunakan, diperlukan pengaturan laser CO2 sealed-off. Dalam proses tersebut, dibutuhkan ketepatan pengaturan resonator optis agar diperoleh aksi laser. Dalam penelitian ini dilakukan pengesetan resonator optis sumber radiasi laser CO2 sealed-off yang digunakan pada detektor fotoakustik sistem intrakavitas, sehingga detektor fotoakustik tersebut dapat digunakan untuk berbagai keperluan. PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 4 1.2. Perumusan Masalah Berdasarkan uraian yang telah dikemukakan dalam latar belakang di atas, maka dirumuskan suatu masalah untuk penulisan skripsi ini. Perumusan masalah yaitu bagaimana penggunaan laser CO2 sealed-off pada detektor fotoakustik sistem intrakavitas. 1.3. Batasan Masalah Pada penelitian ini akan dilakukan penelitian bagaimana mengatur resonator optis sumber radiasi laser CO2 sealed-off pada detektor fotoakustik sistem intrakavitas yang ada di Universitas Sanata Dharma. 1.4. Tujuan Penelitian Dapat mengetahui serta memahami laser CO2 sealed-off pada detektor fotoakustik sistem intrakavitas Dapat menentukan keluaran daya yang optimum dengan cara mengatur posisi resonator Laser CO2 sealed-off pada detektor fotoakustik sistem intrakavitas 1.5. Manfaat Penelitian Dapat memberi informasi bagaimana cara mengatur resonator optis pada sumber radiasi laser CO2 sealed-off pada detektor fotoakustik Dapat memberi informasi tambahan dalam bidang ilmu pengetahuan dan teknologi PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 5 1.6. Sistematika Penulisan BAB I. Pendahuluan Pada bab. I diuraikan tentang latar belakang masalah yang diangkat, perumusan masalah, pembatasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, dan sistematika penulisan. BAB II Dasar Teori Pada bab. II diuraikan tetang dasar-dasar teori pendukung dalam penelitian Laser CO2 sealed-off pada detektor fotoakustik. BAB III Metode Eksperimen Dalam bab III diuraikan tentang alat-alat yang akan digunakan saat penelitian serta langkah-langkah yang dilakukan saat penelitian. BAB IV Hasil dan Pembahasan Pada bab IV diuraikan tentang hasil penelitian dan pembasan hasil penelitian. BAB V Penutup Pada bab.V berisi kesimpulan dari hasil penelitian dan saran. PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI BAB II DASAR TEORI 2.1. Teori Atom Pada tahun 1898 J.J. Thomson mengusulkan bahwa atom merupakan bola bermuatan positif serbasama yang mengandung elektron. Model ini gugur pada tahun 1911 saat Rutherford mengemukakan bahwa atom terdiri dari inti dan elektron, dimana inti bermuatan positif dan elektron bermuatan negatif yang mengelilingi inti [Halliday-Resnick, 1985]. Setelah Rutherford mengemukakan bahwa massa dan muatan positif atom terhimpun pada suatu daerah kecil di pusatnya, Niels Bohr pada tahun 1913 mengemukakan bahwa atom ternyata mirip seperti planet mini dengan elektron-elektron mengedari matahari [Krane,1992]. Elektron-elektron yang berputar mengelilingi inti, berada pada kedudukan tertentu dengan tingkat energi yang tertentu pula. Elektron dapat berpindah dari satu tingkat energi ke tingkat energi yang lain, seperti terlihat pada gambar 2.1. Perpindahan elektron dari tingkat energi yang rendah ke tingkat energi yang lebih tinggi disebut sebagai eksitasi. Untuk melakukan eksitasi, elektron membutuhkan energi dari luar yang sesuai dengan energi transisi dari kedua tingkat energi. Sedangkan perpindahan elektron dari tingkat energi yang tinggi ke tingkat energi yang lebih rendah disebut sebagai deeksitasi. Saat melakukan deeksitasi, elektron memancarkan energi yang berupa foton secara terus menerus sehingga mengalami pengurangan tenaga 6 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 7 elektron dan elektron akan berpindah dari satu tingkat energi ke tingkat energi yang lebih rendah. Gambar 2.1. (A) Proses deeksitasi, elektron pindah dari tingkat 3 ke tingkat 1 (B). Proses eksitasi, elektron pindah dari tingkat 1 ke tingkat 2 Dalam proses deeksitasi, energi yang dipancarkan oleh elektron berupa energi foton yang mempunyai frekuensi ν21 dengan besar energi adalah : ∆E = hν 21 (2.1) dimana hν 21 adalah energi foton yang dipancarkan elektron selama proses deeksitasi berlangsung. ν 21 adalah frekuensi foton dari tingkat energi 2 ke tingkat energi 1. ∆E merupakan energi foton dimana ∆E = E 2 − E1 (2.2) E2 = energi pada tingkat energi atas E1 = energi pada tingkat energi rendah 2.2. Interaksi Elektromagnetik Gelombang elektromagnetik cahaya merupakan wujud medan elektromagnetik yang merambat dan membawa energi. Dengan demikian bila PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 8 suatu atom dikenai cahaya akan terjadi interaksi elektromagnetik antara keduanya. Terdapat tiga cara interaksi radiasi elektromagnetik dengan atom yaitu: (a) penyerapan, (b) pancaran spontan, dan (c) pancaran terangsang [Krane,1992]. A. Penyerapan Atom-atom dapat dinaikkan tingkat energinya dengan penyerapan radiasi (foton) dari keadaan 1 ke keadaan 2. Keadaan 1 merupakan tingkat energi dasar atau rendah dan keadaan 2 merupakan tingkat energi atas. Untuk proses penyerapan tersebut diperlukan radiasi dengan frekuensi yang tepat [Laud,1988]. Proses penyerapan tampak seperti pada gambar 2.2. Mula-mula atom berada pada keadaan 1. Jika terdapat radiasi elektromagnetik berupa foton dengan energi hν 12 mengenai atom-atom tersebut, maka akan terjadi tumbukan antara atom dengan foton. Atom akan menyerap energi foton dan tereksitasi ke keadaan 2. Proses ini dikenal sebagai serapan dan dapat dituliskan sebagai : atom + foton → atom ∗ , dengan asterisk menunjukkan suatu keadaan eksitasi [Krane,1992]. 2 foton 1 Gambar 2.2 Penyerapan PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 9 Laju transisi atom dari keadaan 1 ke keadaan 2 adalah B12 ρ , dimana B12 merupakan koefisien Einstein yang menyatakan kebolehjadian penyerapan atom tiap satuan waktu dan ρ kerapatan energi radiasi yang berinteraksi dengan atom. Jumlah atom yang menyerap radiasi tiap satuan waktu adalah : R12 = B12 ρN 1 (2.3) dimana N 1 merupakan populasi atau jumlah atom tiap satuan volume dalam keadaan 1. B. Pancaran Spontan Seperti yang telah disampaikan pada interaksi sebelumnya, atomatom yang menyerap radiasi akan mengalami transisi dari keadaan 1 ke keadaan 2. Atom-atom yang tereksitasi pada keadaan 2 dapat kembali ke keadaan semula (keadaan 1) dengan memancarkan kelebihan energinya secara spontan (gambar 2.3). Proses pancaran spontan dapat dituliskan sebagai : atom ∗ → atom + foton 2 foton 1 Gambar 2.3 pancaran spontan PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 10 Dalam proses tersebut, kemungkinan atom secara spontan turun ke keadaan dasar tiap satuan waktu sebesar A21 sambil memancarkan foton. Jumlah atom turun dari keadaan 2 ke keadaan 1 secara spontan dengan memancarkan radiasi tiap satuan waktu sama dengan R21( sp ) = A21 N 2 (2.5) dimana N 2 merupakan populasi atau jumlah atom tiap satuan volume dalam keadaan 2 dan A21 koefisien Einstein untuk pancaran spontan. C. Pancaran Terangsang Atom-atom yang tereksitasi pada keadaan 2 bila diberikan foton dengan energi hν 12 , maka atom-atom tersebut akan dirangsang untuk melakukan deeksitasi dari keadaan 2 ke keadaan 1 dengan memancarkan radiasi (foton) dengan energi yang sama. Proses dapat dituliskan sebagai : atom ∗ + foton → atom + 2 foton 2 foton foton foton 1 Gambar 2.4 Pancaran Terangsang Jumlah atom yang turun secara terangsang dengan memancarkan radiasi tiap satuan waktu dituliskan sebagai : R21(st ) = ρB21 N 2 (2.6) PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 11 dimana B21 merupakan koefisien Einstein yang menyatakan kebolehjadian tiap satuan waktu atom mengalami transisi dari keadaan 2 ke keadaan 1 oleh pancaran terangsang. 2.3. Koefisien-koefisien Einstein Dari ketiga interaksi radiasi elektromagnetik yang telah disampaikan di atas, terlihat bahwa transisi atom dari keadaan rendah ke keadaan energi yang lebih tinggi terjadi hanya dengan satu cara yaitu penyerapan foton. Sedangkan apabila atom dalam keadaan tereksitasi, dapat melakukan transisi radiasi ke tingkat yang lebih rendah melalui dua cara yaitu pancaran terangsang dan pancaran spontan [Laud,1988]. Apabila telah dicapai keadaan setimbang, jumlah populasi pada keadaan atas dan jumlah populasi pada keadaan bawah tetap. Jumlah atom yang menyerap radiasi tiap satuan waktu sama dengan jumlah atom yang memancarkan radiasi tiap satuan waktu. Sehingga jumlah atom pada setiap tingkat tidak berubah. Untuk laju perubahan populasi tingkat atas N 2 adalah dN 2 = − N 2 A21 + N 1 B12 ρ − N 2 B21 ρ dt (2.8) dN 2 = N 1 B12 ρ − ( N 2 B21 ρ + N 2 A21 ) dt (2.9) untuk keadaan seimbang dN 2 = 0 , maka : dt N 2 A21 = ( N 1 B12 − N 2 B21 )ρ (2.10) PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 12 ρ= N 2 A21 N 1 B12 − N 2 B21 A21 B21 ρ= N 1 B12 −1 N 2 B21 (2.11) Menurut Boltzmann kerapatan partikel dalam dua keadaan energi diberikan oleh: (E − E1 ) N2 hν = exp 2 = exp N1 kT kT (2.12) dimana k adalah tetapan Boltzmann . Dengan menggunakan persamaan (2.12) maka persamaan (2.11) menjadi A21 B21 ρ= B12 hν exp −1 B21 kT (2.13) Penyelesaian ρ menurut hukum Planck : ⎛ ⎞ ⎟ 8πhν 3 ⎜ 1 ⎜ ⎟ ρ= hν c3 ⎜ ⎟ −1⎟ ⎜ exp kT ⎝ ⎠ (2.14) Dengan membandingkan persamaan 2.13 dan persamaan 2.14, diperoleh nilai : B12 =1 B21 (2.15) dan A21 8πhν = B21 c3 3 (2.16) PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 13 2.4. Prinsip Dasar Laser Andaikan kita mempunyai sekumpulan atom yang semuanya berada pada keadaan tereksitasi. Sebuah foton yang melewati atom pertama, menyebabkan terjadinya pancaran terangsang yang menghasilkan dua buah foton. Masingmasing foton ini kemudian menyebabkan pancaran terangsang yang menghasilkan total empat buah foton. Proses ini berlangsung terus dengan menghasilkan penggandaan foton disetiap tahap, hingga tercipta seberkas foton yang kuat, koheren dan bergerak dalam arah yang sama [Krane,1992]. Proses kerja laser dapat dilihat pada gambar 2.5. Gambar 2.5 proses kerja laser Laser terdiri dari beberapa komponen, yaitu : medium aktif, power supply, dan resonator optis (gambar 2.6). Power supply digunakan untuk memberikan arus listrik pada laser. Medium aktif merupakan bahan aktif laser yang dimasukkan ke dalam rongga resonator optis. Resonator terdiri dari dua buah cermin yang PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 14 disusun secara berhadapan. Di dalam resonator, cahaya akan berosilasi diantara kedua cermin. Cermin-cermin akan memantulkan cahaya kembali ke dalam kumpulan atom. Ketika cahaya terpantul bolak-balik antara kedua cermin, menyebabkan terjadinya pancaran terangsang tambahan. Untuk menghasilkan keluaran laser, pada salah satu ujung resonator digunakan cermin parsial. Sebagian berkas akan keluar dari resonator melalui cermin tersebut, berkas yang keluar tadi merupakan keluaran laser atau laser output [Krane,1992]. Cermin (100%) Power supply Cermin parsial Medium aktif Resonator optis Gambar 2.6 komponen laser 2.5. Pemompaan Laser Seperti yang telah dipaparkan sebelumnya bahwa prinsip dasar laser atau syarat terjadinya laser adalah terjadinya proses pancaran terangsang. Untuk itu agar terjadinya aksi laser diperlukan sarana untuk memenuhi syarat tersebut. Sarana untuk memenuhi syarat terjadinya laser yaitu tercapainya kondisi inversi populasi (pembalikan populasi). Pada kondisi normal, populasi atom PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 15 pada tingkat energi rendah lebih banyak daripada populasi atom pada tingkat energi yang labih tinggi. Agar terjadinya proses pancaran terangsang, kondisi inversi populasi harus terpenuhi dimana jumlah populasi atom tingkat atas lebih banyak dari jumlah populasi tingkat bawah. N 2 > N1 (2.17) N 1 merupakan jumlah populasi atom tingkat bawah dan N 2 merupakan jumlah populasi atom tingkat atas. Untuk mencapai keadaan seperti persamaan 2.17 di atas, maka atom-atom pada medium aktif dipacu untuk mencapai kondisi inversi populasi dengan memberikan elektron pada atom-atom tersebut. Proses tersebut merupakan proses pemompaan laser dua tingkat tenaga. Namun proses pemompaan pada sistem dua tingkat tenaga tidak dapat menghasilkan inversi populasi, karena atom secara spontan dapat turun kembali ke keadaan semula. Selain itu atom-atom yang masih berada pada keadaan dasar akan menyerap foton yang lewat sehingga menghilangkan beberapa foton dari berkas penggandaan foton yang sedang dibangun [Krane,1992]. Masalah ini kemudian dapat diatasi dengan melakukan pemompaan pada sistem tiga atau empat tingkat tenaga. A. Sistem tiga tingkat tenaga Atom-atom pada tingkat tenaga 1(tingkat dasar), dipompa ke tingkat tenaga 3. Kemudian atom-atom tersebut mengalami transisi deeksitasi yang cepat ke tingkat tenaga 2. Atom-atom yang telah mengalami deeksitasi berada pada tingkat tenaga 2 cukup lama, sehingga tercapai kondisi inversi populasi antara tingkat tenaga 1 dan 2. Transisi dari PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 16 tingkat tenaga 2 ke tingkat dasar merupakan proses pancaran terangsang. Pada sistem ini dapat dihasilkan kondisi inversi populasi sehingga syarat terjadinya laser terpenuhi (gambar 2.6). Sistem tiga tingkat tenaga belum dapat memecahkan persoalan yang kedua, dimana atom-atom pada tingkat dasar akan menyerap foton hasil transisi pelaseran [Krane,1992]. 3 2 1 Gambar 2.7 Atom tiga tingkat B. Sistem empat tingkat tenaga Pada sistem empat tingkat yang digambarkan pada Gambar 2.8, atom-atom pada tingkat tenaga 1 (keadaan dasar) dipompa ke suatu keadaan eksitasi tingkat tenaga 4. Atom-atom yang berada pada keadaan tersebut akan mengalami transisi deeksitasi dengan cepat ke tingkat tenaga 3, seperti pada sistem tiga tingkat. Atom-atom yang telah mengalami deeksitasi berada pada tingkat tenaga 3 cukup lama, sehingga tercapai kondisi inversi populasi antara tingkat tenaga 1 dan 3. Pada tingkat 3 terjadi transisi dari tingkat tenaga 3 ke suatu keadaan eksitasi lain (tingkat tenaga 2). Transisi dari tingkat tenaga 3 ke tingkat tenaga 2 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 17 merupakan proses pancaran terangsang. Atom-atom yang berada pada tingkat tenaga 2 kemudian mengalami deeksitasi ke keadaan dasar secara spontan. Dengan demikian atom-atom pada keadaan dasar tidak menyerap foton dari transisi pelaseran. Pada sistem ini dapat memenuhi syarat terjadinya laser [Krane,1992]. 4 3 2 1 Gambar 2.8 Atom empat tingkat 2.6. Penguatan Laser Untuk memperoleh aksi laser, diperlukan kondisi inversi populasi. Penguatan diperlukan untuk mempertahankan kondisi inversi populasi. Penguatan dapat dilakukan dengan cara meletakkan bahan aktif laser di dalam rongga resonator laser. Resonator laser terdiri dari dua buah cermin. Cermincermin memantulkan cahaya yang dipancarkan kembali ke dalam kumpulan atom, sehingga terjadi pancaran terangsang tambahan. PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 18 r1 r2 Laser output Bahan laser Cermin 1 Cermin 2 Gambar 2.9 skema laser Tidak semua intensitas cahaya yang jatuh pada cermin dipantulkan. Jika I intensitas cahaya yang jatuh pada cermin dan r adalah koefisien pantulan, maka intensitas cahaya yang dipantulkan : I r = rI (2.18) r merupakan koefisien pantulan cermin. Pada salah satu resonator optis digunakan cermin parsial sehingga koefisien pantulannya akan kurang dari 1. Dalam keadaan normal, berkas cahaya yang melewati suatu bahan sepanjang z intensitasnya menurun setelah keluar dari bahan tersebut, dituliskan sebagai berikut : I v (z ) = I v (0 ) exp(− k v z ) (2.19) Jika k v negatif, akan terjadi penguatan dan intensitasnya naik sebesar [Laud,1988]: I v ( z ) = I v (0) exp αz dimana α = − k v merupakan koefisien penyerapan cahaya (2.20) PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 19 Misalkan r1 , r2 merupakan koefisien pantulan dari kedua cermin. Akan terjadi pengurangan energi dalam lintasan bolak-balik sebesar faktor r1 r2 , dapat dituliskan : r1 r2 = exp(− 2γ ) 1 2 γ = − ln r1 r2 (2.21) (2.22) dimana γ merupakan besarnya energi yang dipancarkan cahaya. Bila γ positif, maka akan terjadi kehilangan cahaya dalam satu lintasan. Apabila terjadi kehilangan cahaya, maka intensitas dalam tiap lintasan akan berubah sebesar: I = I exp(αL − γ ) Agar diperoleh aksi laser, penguatan harus cukup untuk mengimbangi kehilangan energi sehingga kondisi inversi populasi dapat tercapai. Untuk itu, exp(αL − γ ) > 1 atau αL > γ (2.23) Keadaan ambang akan tercapai jika αL = γ (2.24) Sehingga laser akan bekerja jika : α≥ γ L (2.25) 2.7. Laser CO2 Laser CO2 merupakan bagian yang sangat penting dalam spektroskopi fotoakustik. Laser CO2 ini merupakan sumber cahaya koheren yang pertama kali ditemukan oleh Patel pada tahun 1966. Laser CO2 bekerja dengan panjang PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 20 gelombang 9,6µm dan 10,6 µm . Medium aktif pada laser CO2 merupakan gas yang terdiri dari campuran CO2, N2 dan He. Jika elektron dilewatkan tabung berisi CO2, elektron membentur molekul ke tingkat-tingkat elektronis dan vibrasi-rotasi yang lebih tinggi. Perpindahan energi resonansi dari molekul lain seperti N2 yang ditambahkan ke dalam gas isian, untuk menaikkan pemompaan. Untuk menghindari populasi laser rendah karena adanya rangsangan panas, diperlukan agar temperatur CO2 rendah. Helium mempunyai penghantar panas yang tinggi, karena itu Helium membantu menghantarkan panas keluar dan menjaga agar temperatur CO2 tetap dingin [Laud,1988]. Pada laser CO2 terdapat dua sistem, yaitu axial flowing dimana gas selalu dialirkan ke dalam tabung dan sealed-off dimana gas diisi ke dalam tabung kemudian ditutup. Untuk laser CO2 axial flowing dapat dilihat pada gambar 2.9. Dan untuk laser CO2 sealed-off secara umum seperti gambar 2.10. Gambar 2.10 tabung Laser CO2 sistem axial flowing PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 21 Gambar 2.10 tabung laser CO2 sistem sealed off Penggunaan laser CO2 dipilih berdasarkan panjang gelombangnya, untuk itu digunakan kisi pada salah satu resonator optis laser CO2. Penggunaan kisi bertujuan agar kita dapat memilih panjang gelombang sesuai dengan wilayah kerja yang diinginkan. 2.8. Teori Fotoakuatik Efek Fotoakustik atau yang disebut juga optoakustik, pertama kali ditemukan oleh Alexander Graham Bell pada tahun 1880 [Spike,2006]. Pada tahun 1960an telah dicapai terobosan baru yaitu untuk pertama kalinya digunakan laser sebagai sumber pada spektroskopi fotoakustik [Besson,2006]. Pada tahun 1980an lebih dikembangkan lagi spektroskopi fotoakustik dengan sensitivitas yang tinggi. Ini dicapai dengan digunakannya laser CO dan laser CO2. Laser CO dan laser CO2 memiliki kemonokromatisan dan daya yang tinggi. Hal inilah yang membuat pengukuran menggunakan spektroskopi fotoakustik sangat sensitif sehingga dapat menjangkau orde pengukuran yang sangat kecil (ppb). Jika laser ditala pada frekuensi transisi dari molekul yang berada di dalam sel fotoakustik, sebagian molekul dengan aras tenaga E1 akan dieksitasi ke aras PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 22 tenaga yang lebih tinggi E2. Molekul-molekul dengan aras tenaga E2 kemudian dapat melepaskan tenaga eksitasinya secara radiasi maupun non-radiasi [Santosa,2008]. Apabila pelepasan tenaga eksitasi berlangsung secara nonradiasi, maka pada waktu bertumbukan molekul tersebut akan memberikan tenaga eksitasinya kepada molekul yang ditumbuknya. Kenaikan tenaga translasi tersebut akan menyebabkan kenaikan suhu dan tekanan. Apabila laser dimodulasi, tekanan dalam sel fotoakustik akan berubah secara periodik. Perubahan tekanan tersebut akan menghasilkan sinyal akustik yang diukur menggunakan mikrofon. Dengan adanya sinyal akustik maka dapat ditentukan konsentrasi gas dalam sel akustik. Keluaran dari mikrofon atau sinyal akustik dipengaruhi oleh daya laser, koefisien serapan, dan konsentrasi gas. apabila di dalam sel fotoakustik hanya terdapat satu jenis gas “g”, hubungan antara sinyal akustik dengan besaranbesaran lainnya dinyatakan dalam persamaan [Santosa,2008]: S l = CPl C g α gl (2.26) dengan S l adalah sinyal keluaran mikrofon pada waktu menggunakan laser jenis “l” dengan daya laser Pl , C adalah konstanta sel akustik, C g adalah konsentrasi gas “g” yang berada dalam sel fotoakustik dan α gl adalah koefisien serapan dari gas “g” pada laser jenis “l”. Kemudian diperoleh sinyal ternormalisasi dengan daya laser sebagai berikut [Santosa,2008]: ⎛S⎞ ⎜ ⎟ = CC g α gl ⎝ P ⎠l (2.27) PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 23 Apabila di dalam sel fotoakustik terdapat lebih dari satu jenis gas,maka masing-masing gas akan memberikan sumbangan pada sinyal keluaran dari mirofon. Sehingga keluaran mikrofon total memenuhi persamaan [Santosa,2008]: G G ⎛S⎞ ⎛S⎞ = = C ⎜ ⎟ ∑⎜ ⎟ ∑g C g α ⎝ P ⎠l g ⎝ P ⎠l dengan G adalah cacah komponen gas yang berada di dalam fotoakustik. (2.28) PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1. TEMPAT PENELITIAN Laboratorium Analisa Kimia Fisika Pusat Kampus III Universitas Sanata Dharma Yogyakarta Paingan Maguwoharjo Depok Sleman Yogyakarta 3.2. RANGKAIAN PERCOBAAN Rangkaian percobaan yang digunakan dalam penelitian adalah sebagai berikut: Gambar 3.1 Rangkaian percobaan detektor fotoakustik Keterangan: 1. Powermeter 2. Piezo 24 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 25 3. Cermin 4. Sel fotoakustik 5. Tabung Laser CO2 6. Chopper 7. Kisi 8. Steppermotor 9. Lock-in Amplifier 10. Komputer 11. Power supply 12. Laser Kontrol 3.3. DETEKTOR FOTOAKUSTIK Detektor fotoakustik merupakan alat yang dapat mengukur konsentrasi gas. Detektor fotoakustik memiliki beberapa bagian penting yaitu laser, sel fotoakustik dan mikrofon. Sistem kerja detektor fotoakustik menggunakan prinsip serapan cahaya. Cahaya yang berasal dari sumber cahaya (laser) akan ditangkap oleh mikrofon dan kemudian akan dikonversi menjadi sinyal akustik. Gambar 3.1 diatas merupakan susunan alat yang digunakan dalam detektor fotoakustik. Sedangkan pada gambar 3.2 berikut merupakan gambar dari detektor fotoakustik yang digunakan dalam penelitian. PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 26 Gambar 3.2 Detektor fotoakustik yang digunakan dalam percobaan Gambar 3.3 Rangkaian laser CO2 sealed-off 3.3.1. Laser Pada detektor fotoakustik laser berfungsi sebagai sumber cahaya. Laser banyak digunakan dalam sistem fotoakustik, karena intensitas spektral yang tinggi dan dapat ditala [Santosa,2008]. Laser yang digunakan sebagai sumber cahaya detoktor fotoakustik pada penelitian ini adalah laser PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 27 CO2 sealed-off. Rangkaian laser seperti pada gambar 3.3. Berikut akan disampaikan bagian-bagian dari laser CO2 sealed-off. A. Power Supply Power supply (gambar 3.1(11)) digunakan agar kita dapat mengatur arus listrik pada laser. Dalam arus listrik yang mengalir, terkandung elektron-elektron. Dengan memberikan arus listrik pada laser, maka elektron-elektron akan menembak molekul-molekul yang terdapat pada medium laser. Molekul-molekul tersebut akan melakukan eksitasi ke tingkat energi yang lebih tinggi. Melalui proses tersebut kondisi inversi populasi dapat tercapai. B. Resonator Optis Resonator optis pada laser CO2 sealed-off yang digunakan terdiri dari cermin parsial dan kisi yang dipasang sejajar dan saling behadapan. Kedua cermin ini akan memantulkan cahaya yang datang. Melalui proses ini akan terjadi pancaran terangsang tambahan yang akan membentuk aksi laser. Pada resonator optis salah satu cermin yang digunakan (gambar 3.1(3)) adalah cermin 98%. Pada cermin tersebut 98% cahaya akan dipantulkan untuk penguatan laser dan 2% cahaya akan diteruskan sebagai keluaran laser. Untuk cermin lainnya (gambar 3.1(7)) digunakan kisi. Kisi berfungsi memantulkan cahaya. Selain itu, dengan menggunakan kisi kita dapat memilih panjang gelombang laser yang akan kita gunakan. Posisi kisi dapat diatur oleh steppermotor (gambar 3.1(8)). Steppermotor akan menggerakkan kisi dan PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 28 menempatkannya pada posisi panjang gelombang laser sesuai yang diinginkan. Pada penelitian digunakan dua jenis kisi yang berbeda, seperti pada gambar 3.4 (a) kisi yang digunakan pada penelitian pertama dan gambar 3.4 (b) kisi yang digunakan pada penelitian kedua. (a) kisi pada penelitian pertama (b) kisi pada penelitian kedua Gambar 3.4 kisi pada laser CO2 sealed-off C. Tabung Laser Pada penelitian ini, ada 2 jenis tabung laser yang digunakan yaitu LTG (LaserTech Group INC.) model No. 70262, serial No. 061201, panjang 67,5 cm dan model LT 30-626, serial No. 200801, panjang 52 cm. Pada laser CO2 sealed-off gas isian yang digunakan adalah campuran gas CO2, N2 dan He. Di dalam tabung terdapat 2 pipa atau ruang. Ruang bagian dalam merupakan ruang tempat gas isian laser yang telah diukur kemudian ditutup. Ruang bagian luar merupakan tempat untuk pendingin laser yaitu air kran yang terus-menerus dialirkan selama beroperasi. Perlu di perhatikan pula tekanan air yang PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 29 masuk, untuk menghindari kebocoran. Bentuk tabung laser CO2 sealedoff seperti pada gambar 3.5. Gambar 3.5 Bentuk tabung laser CO2 sealed-off D. Piezo Piezo (gambar 3.1 (2)) digunakan untuk menentukan panjang resonator laser. Piezo terletak dibelakang cermin. Bila diberi tegangan, piezo akan bertambah panjang dan mendorong cermin sehingga panjang resonator laser berubah. Piezo dapat diatur sesuai dengan panjang resonator laser yang diinginkan. Dengan mengatur piezo maka akan diperoleh daya laser yang maksimum. Perolehan daya maksimum dilakukan dengan mengatur tegangan pada piezo. Namun pada saat pengoperasian detektor fotoakustik untuk pengukuran konsentrasi gas, piezo akan bekerja secara otomatis mencari daya laser yang paling maksimum. PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 30 E. Chopper Chopper (gambar 3.1 (6)) digunakan untuk memodulasi laser. Disaat laser melalui celah chopper, maka cahaya laser akan langsung mengenai kisi sehingga dapat dipantulkan sehingga intensitas laser akan tinggi. Namun jika cahaya laser mengenai chopper atau terhalang maka intensitas laser yang dihasilkan adalah nol. F. Powermeter Powermeter (gambar 3.1 (1)) digunakan untuk mengukur keluaran daya laser (output laser) yang dihasilkan. 3.3.2. Sel Fotoakustik Sel fotoakustik (gambar 3.1 (4)) merupakan ruang proses konversi cahaya menjadi sinyal akustik berlangsung. Sel fotoakustik mempunyai dua bagian utama yaitu, resonator dan mikrofon. Sinyal keluaran dari mikrofon akan dimonitor oleh lock-in amplifier, kemudian akan diolah oleh komputer. Desain sel fotoakustik seperti pada gambar 3.6. Mikrofon yang digunakan untuk menangkap sinyal akustik terletak di dalam sel fotoakustik. Mikrofon ini sangat peka sehingga desain dari sel fotoakustik sangat tebal yang bertujuan agar terhindar bunyi dari luar. Bunyi yang ditangkap mikrofonpun adalah bunyi yang sesuai dengan frekuensi resonansi gas yang terdapat di dalam sel fotoakustik. PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 31 Untuk sistem intrakavitas, sel fotoakustik ditempatkan di dalam rongga laser. Sistem ini dipilih karena dapat menghasilkan daya yang besar sehingga memungkinkan batas deteksi yang sangat rendah. I: pintu masuk gas; O: pintu keluar gas M: Mikropon Gambar 3.6 desain sel fotoakustik 3.4. PERSIAPAN ALAT Penelitian dilakukan dua kali pada waktu yang berbeda. Pada penelitian pertama digunakan tabung laser LTG (LaserTech Group INC.) model No. 70262, serial No. 061201 dan penelitian kedua menggunakan tabung model LT 30-626, serial No. 200801. Untuk masing-masing penelitian, tahap-tahap yang dilakukan sebagai berikut: 3.4.1. Pelurusan Laser A. Pengaturan Posisi Kisi Untuk membuat suatu laser, cahaya datang dan pantul harus tepat berada di tengah atau berada dalam satu garis. Langkah pertama yang harus dilakukan adalah memastikan bahwa cahaya yang lewat benarbenar barada di tengah. Hal ini dilakukan dengan menggunakan alat bantu pengatur cahaya yaitu dengan laser HeNe. Pengatur tersebut di PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 32 pasang, kemudian diamati cahaya yang melalui diafragma (mambantu pengamatan posisi cahaya) sampai ke kisi. Jika posisi cahaya datang belum di tengah maka cahaya datang dapat diatur dengan menggunakan pengatur posisi cahaya yang ada. Pada laser HeNe tersebut, terdapat dua tempat untuk mengatur, dimana pada masing-masing pengatur terdapat dua sekrup pemutar. Salah satu sekrup pemutar untuk mengatur posisi naik turunnya cahaya, dan sekrup yang lain untuk mengatur posisi kiri dan kanan. Semua pengatur kemudian diatur agar posisi cahaya yang jatuh pada kisi berada di tengah. Setelah posisi cahaya yang jatuh ke permukaan kisi berada di tengah, dilakukan pengecekan arah pantulan cahaya yang berasal dari kisi menuju kembali ke diafragma (sumber datangnya cahaya). Apabila pantulan cahaya tersebut belum segaris atau kembali ke posisi datangnya cahaya, maka pantulan cahaya tersebut dapat diarahkan dengan mengatur posisi kisi. Pengaturan dilakukan dengan memutar mikrometer pada kisi. Selain itu juga dilakukan pengecekan banyaknya berkas pantulan cahaya yang segaris yang masuk kembali ke diafragma. Berkas pantulan cahaya yang masuk kembali ke diafragma diusahakan sebanyak mungkin dapat masuk, dengan arah tepat pada satu titik. B. Pemasangan Tabung Laser dan Chopper Setelah posisi cahaya datang maupun cahaya pantul berada pada satu titik, tabung laser dapat dipasang. Kemudian posisi tabung juga diatur agar cahaya laser yang melalui tabung berada di tengah dan tidak PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 33 mengenai sisi tabung. Pada tabung terdapat pengatur untuk masingmasing ujung tabung. Pengatur tersebut diatur agar posisi cahaya yang melewati tabung benar-benar berada di tengah tabung dan tidak membentur sisi tabung. Setelah tabung terpasang dan telah diatur posisi cahaya laser, chopper dapat dipasang. Pemasangan chopper harus diperhatikan letaknya. Agar pada saat bekerja tidak mengenai tabung laser. Chopper ditempatkan di dekat kisi dengan tujuan mengurangi bunyi yang masuk ke sel fotoakustik dan juga untuk menghindari sinar pantulan laser dari chopper tidak masuk ke sel fotoakustik. C. Pemasangan dan Pengaturan Cermin Apabila cahaya datang dan pantulannya telah diyakini berada ditengah, pemasangan cermin dapat dilakukan. Bila cermin telah dipasang, pantulan dari cermin juga diatur agar posisi pantulan berada ditengah-tengah sumber cahaya. Pengaturan dilakukan dengan memutar dua buah mikrometer yang ada. Salah satu mikrometer untuk posisi naik turunnya cahaya dan mikrometer yang lain untuk posisi kiri kanan cahaya. Kedua mikrometer tersebut diatur agar posisi cahaya pantulan yang berasal dari cermin tepat berada ditengah cahaya datang. D. Perolehan Garis Laser Langkah selanjutnya adalah pencarian garis laser. Laser HeNe kemudian diangkat dan diganti dengan powermeter. Laser kemudian dinyalakan dan dihubungkan dengan osiloskop. Pencarian awal PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 34 dilakukan secara manual yaitu dengan menggerakkan kisi menggunakan tangan. Langkah ini dilakukan agar diketahui daerah kerja laser. Pencarian daerah kerja laser perlu agar pada saat dijalankan kisi tidak mengenai chopper. Pada saat menggerakkan kisi, osiloskop terus diperhatikan apakah terdapat sinyal atau tanda adanya laser. Apabila terdapat sinyal adanya laser, maka pencarian dilanjutkan menggunakan komputer. E. Pencarian Daya Laser Apabila daerah kerja laser telah diketahui, selanjutkan komputer dihubungkan untuk menggerakkan steppermotor menggunakan program software yang telah tersedia. Dengan menggunakan program tersebut, scanning dapat dilakukan untuk menampilkan hasil pengesetan laser. Dari hasil scanning dapat diketahui keluaran laser yang dihasilkan dan juga besarnya daya laser yang diperoleh. 3.4.2. Optimalisasi Daya Laser Proses optimalisasi dilakukan untuk mencari daya laser yang maksimal. Optimalisasi dilakukan dengan beberapa cara sebagai berikut : A. Arus Listrik Setelah didapat posisi cermin dan kisi yang menghasilkan daya laser terbesar, optimalisasi dilanjutkan dengan mengatur arus listrik. Arus listrik kemudian divariasikan dan dilakukan proses scanning untuk mengetahui perubahan yang terjadi. PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 35 B. Pengaturan Tegangan pada Piezo Optimalisasi juga dilakukan dengan memvariasikan tegangan pada piezo. Tegangan pada piezo diatur secara manual melalui pengatur tegangan piezo pada laser kontrol. Setiap pengaturan tegangan pada piezo, kemudian diamati daya yang dihasilkan. Bila diperoleh indikasi kenaikan daya, proses scanning dlakukan pada posisi tegangan tersebut. 3.4.3. Pemasangan Sel Fotoakustik Setelah proses optimalisasi dilakukan, pemasangan sel fotoakustik dapat dilakukan. Untuk sistem intrakavitas, sel fotoakustik diletakkan di dalam rongga resonator laser, yaitu diantara cermin dan tabung laser. Pada saat pemasangan sel fotoakustik, posisi steppermotor diletakkan pada posisi garis laser yang memiliki daya paling besar. Hal ini dilakukan karena pada waktu pemasangan sel fotoakustik akan terjadi penyerapan. Apabila pada posisi garis dengan daya yang kecil, maka daya tersebut akan habis. Pemasangan sel fotoakustik harus secara hati-hati. Kerena bobot dari sel fotoakustik yang sangat berat akan mempengaruhi posisi resonator laser. Apabila posisi resonator laser berubah maka daya laser akan hilang. Posisi sel fotoakustik juga diatur, agar laser tidak membentur dinding sel akustik. 3.5. Perolehan garis laser CO2 untuk gas etilen Setelah pemasangan dan pengaturan sel fotoakustik, pencarian garis laser untuk gas etilen dapat dilakukan. Proses pencarian dilakukan dengan PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 36 memasukkan sampel ke dalam kuvet, kemudian dilakukan proses scanning. Setelah diperoleh hasil scanning, kemudian diamati garis laser yang mengalami penyerapan terbesar. Apabila terjadi penyerapan terbesar pada salah satu garis laser, maka garis tersebut merupakan garis laser untuk gas etilen. Garis laser tersebut kemudian digunakan untuk mengukur konsentrasi gas etilen pada buah. PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Hasil 4.1.1. Perolehan Garis Laser Pada penelitian pertama digunakan tabung laser CO2 sealed-off dengan panjang 67,5 cm dan kisi berbentuk bulat seperti gambar 3.4(a). Setelah proses pelurusan laser, dilakukan scanning untuk mengetahui keluaran daya laser CO2 sealed-off. Telah dihasilkan keluaran daya laser CO2 sealed-off pada penelitian pertama seperti pada gambar 4.1. Gambar 4.1 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap posisi steppermotor untuk panjang tabung 67,5 cm dan kisi berbentuk bulat Dilakukan pula penelitian kedua menggunakan jenis laser yang sama yaitu laser CO2 sealed-off, namun dengan bentuk tabung laser dan kisi yang berbeda. Pada penelitian kedua ini digunakan tabung dengan panjang 52 cm dan kisi berbentuk kotak seperti gambar 3.4(b). Melalui proses pelurusan 37 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 38 dan scanning yang telah dilakukan, dihasilkan keluaran daya laser CO2 sealed-off seperti pada gambar 2.4 berikut. Gambar 4.2 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap posisi steppermotor untuk panjang tabung 52 cm dan kisi berbentuk kotak Pada gambar 4.2 diatas, merupakan keluaran daya laser CO2 sealedoff berupa garis-garis radiasi laser. Bentuk keluaran laser CO2 sealed-off juga dapat dilihat pada gambar 4.3 berikut. Gambar 4.3 keluaran laser CO2 selaed-off yang ditangkap powermeter PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 39 4.1.2. Optimasi Laser CO2 sealed-off Hasil yang telah diperoleh gambar 4.2, kemudian dioptimalkan dengan mengatur arus listrik laser dan tegangan pada piezo. Optimasi dilakukan agar diperoleh daya laser yang optimal. A. Arus Listrik Optimasi laser dilakukan dengan mengatur arus listrik pada laser CO2 sealed-off. Proses optimasi dilakukan melalui penscanan pada nilai arus listrik yang berbeda. Gambar 4.4 merupakan scanning laser pada arus sebesar 11,15 mA dan gambar 4.5 scanning laser pada arus 10,75 mA. Gambar 4.4 grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap posisi steppermotor pada arus 11,15 mA PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 40 Gambar 4.5grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap posisi steppermotor pada arus 10,75 mA B. Tegangan Piezo Selain mengatur arus, optimasi juga dilakukan dengan mengatur tegangan pada piezo agar diperoleh daya laser yang maksimum. Besarnya tegangan pada piezo ditentukan dengan memberikan nilai pada pengatur tegangan piezo (data tabel A pada lampiran). Pada gambar 4.6, gambar 4.7, gambar 4.8 dan gambar 4.9 diperlihatkan besarnya daya laser terhadap nilai pengatur tegangan pada piezo untuk beberapa garis laser yang telah dihasilkan pada gambar 4.5. Gambar 4.6 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap pengatur trgangan piezo pada posisi steppermotor 1574 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 41 Gambar 4.7 Grafik hubungan antara daya laser terhadap pengatur tegangan piezo pada posisi steppermotor 2374 Gambar 4.8 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap pengatur tegangan piezo pada posisi steppermotor 5088 Gambar 4.9 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap pengatur tegangan piezo pada posisi steppermotor 6994 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 42 Dari perolehan hasil pengaturan tegangan pada piezo di atas, kemudian dilakukan scanning untuk beberapa nilai pengatur tegangan piezo. Gambar 4.10 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap posisi steppermotor untuk nilai pengatur tegangan piezo 4,6 Gambar 4.11 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap posisi steppermotor untuk nilai pengatur tegangan piezo 5,5 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 43 Gambar 4.12 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap posisi steppermotor untuk pengatur tegangan piezo 6,2 4.1.3. Pemasangan Sel Fotoakustik Setelah diperoleh keluaran daya laser CO2 sealed-off dari hasil optimasi, dilakukan pemasangan sel fotoakustik. Sel fotoakustik merupakan tempat pengukuran konsentrasi gas berlangsung. Pada sistem intrakavitas akan terjadi penyerapan. Untuk itu pemasangan sel fotoakustik dilakukan pada posisi garis laser dengan daya terbesar. Garis laser yang digunakan merupakan hasil keluaran daya laser yang telah dihasilkan pada penelitian kedua dan telah dioptimasi (gambar 4.5). Dari hasil penscanan, selain daya laser juga diperoleh sinyal akustik. Gambar 4.13 merupakan daya laser CO2 sealed-off dan gambar 4.14 merupakan sinyal akustik yang dihasilkan. PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 44 Gambar 4.13 Grafik hubungan antara daya laser (AU) terhadap posisi steppermotor Pada kondisi penscanan yang sama dihasilkan sinyal akustik seperti pada gambar 4.14 berikut. Gambar 4.14 Grafik hubungan antara sinyal akustik (AU) terhadap posisi steppermotor Setelah diperoleh daya laser dan juga sinyal akustik, kemudian dilakukan normalisasi sinyal terhadap daya laser. Sinyal ternormalisasi ini yang kemudian digunakan untuk proses pengukuran. Hasil normalisasi seperti gambar berikut: PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 45 Gambar 4.15 Grafik hubungan antara sinyal ternormalisir (AU) terhadap posisi steppermotor 4.1.4. Penentuan Garis etilen Selanjutnya akan ditentukan garis laser untuk gas etilen. Penentuan garis etilen dilakukan dengan penscanan untuk medium udara tanpa sampel dan juga menggunakan sampel. Gambar 4.19 berikut merupakan hasil penscanan untuk medium udara tanpa sampel. Gambar 4.16 Grafik hubungan antara sinyal ternormalisir (AU) terhadap posisi steppermotor untuk medium udara tanpa sampel PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 46 Dari hasil yang telah diperoleh diatas, kemudian dilakukan penscanan dengan menggunakan sampel. Pada kondisi alat yang sama dilakukan penscanan menggunakan sampel. Berikut adalah hasil penscanan dengan menggunakan sampel, jenis sampel yang digunakan adalah buah apel. Gambar 4.17 Grafik hubungan antara sinyal ternormalisir (AU) terhadap posisi steppermotor untuk medium udara dengan sampel 4.1.5. Pengukuran Konsentrasi Gas Etilen Setelah dilakukan pencarian garis radiasi laser etilen, kemudian dilakukan pengukuran konsentrasi etilen pada buah apel. Diperoleh hasil pengukuran seperti pada gambar 4.18. Kondisi A sebelum sampel dimasukkan dan kondisi B sesudah sampel dimasukkan. PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 47 Gambar 4.18 grafik hubungan antara konsentrasi etilen (AU) terhadap waktu (jam) Selama proses pengukuran berlangsung, dapat dilihat pula kestabilan daya laser CO2 sealed-off. Kestabilan daya tampak seperti gambar berikut : Gambar 4.19 grafik kestabilan daya laser (AU) antara garis 10P14 dan 10P16 terhadap waktu 4.2. Pembahasan Faktor yang mempengaruhi pengukuran menggunakan detektor fotoakustik gas adalah daya laser. Daya laser mempengaruhi keluaran mikrofon atau sinyal akustik yang dihasilkan. Daya laser diperoleh melalui proses pelurusan laser seperti yang telah disampaikan pada metodelogi penelitian. PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 48 Gambar 4.1 merupakan hasil dari penelitian pertama. Pada penelitian tersebut digunakan tabung laser CO2 sealed-off dengan panjang 67,5 cm dan model kisi berbentuk bulat seperti pada gambar 3.4 (a). Dari hasil yang diperoleh terlihat bahwa garis-garis laser CO2 sealed-off yang dihasilkan sangat sedikit. Daya laser menggunakan satuan sembarang (AU). Satuan yang tertera pada hasil bukanlah satuan yang sebenarnya, karena belum adanya kalibrasi. Dari hasil tersebut kemudian dilakukan optimasi laser CO2 sealed-off dengan mengatur posisi kisi dan cermin. Langkah ini diupayakan agar perolehan daya lebih besar dan garis-garis laser semakin banyak. Namun setelah beberapa beberapa kali proses pengesetan laser dan juga optimasi laser, tidak diperoleh garis laser yang lebih banyak. Hasil yang diperoleh pada penelitian yang pertama tidak maksimal, maka dilanjutkan penelitian kedua. Pada penelitian kedua rangkaian alat maupun proses pelurusan laser sama seperti penelitian yang pertama. Namun pada penelitian yang kedua digunakan bentuk tabung dan kisi yang berbeda. Tabung yang digunakan lebih pendek dengan panjang 52 cm dan model kisi berbentuk kotak seperti pada gambar 3.4(b). Pada penelitian kedua permukaan kisi yang lebih kecil, sedangkan kisi yang digunakan sebelumnya permukaannya lebih lebar. Pada penelitian pertama, sinar datang dan berkas cahaya yang dipantulkan oleh kisi tidak berada pada satu titik. Pada kisi tidak terdapat sekrup pengatur, sehingga hanya sedikit berkas cahaya yang kembali ke arah sinar datang. PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 49 Sedangkan kisi pada penelitian kedua memiliki sekrup pengatur, sehingga berkas-berkas cahaya pantul dapat diarahkan ke arah datangnya sinar. Semakin banyak berkas cahaya yang mengenai titik sinar datang, maka semakin banyak garis-garis radiasi laser yang dihasilkan Hasil yang diperoleh pada penelitian pertama maupun kedua dapat terlihat pada gambar 4.1 dan gambar 4.2. Dari gambar-gambar tersebut terlihat perbedaan hasil dari kedua penelitian. Pada penelitian pertama dihasilkan 5 garis laser. Penelitian kedua diperoleh 35 garis radiasi laser yang tersebar dalam 4 band. Dimana band pertama peroleh 4 garis, band kedua 6 garis, band ketiga 13 garis dan band keempat 12 garis. Hasil yang diperoleh pada penelitian kedua lebih baik dari penelitian pertama. Banyaknya garis-garis laser yang dihasilkan menunjukkan bahwa daya yang diperoleh juga semakin besar. Semakin banyak garis laser yang nampak, semakin banyak pula kemungkinan pengukuran konsentrasi untuk berbagai macam jenis gas yang mempunyai panjang gelombang sesuai dengan panjang gelombang garis-garis laser CO2. Keluaran laser yang ditangkap oleh powermeter dapat dilihat pada gambar 4.3. Gambar 4.1 dan gambar 4.2 merupakan gambar grafik hubungan antara daya laser terhadap posisi steppermotor. Posisi steppermotor terkait dengan panjang gelombang laser. Setiap garis laser memiliki daya laser dan panjang gelombang. Dapat dilihat pada grafik dimana setiap garis laser memiliki daya dan kedudukan pada posisi steppermotor yang berbeda. PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 50 Hasil yang diperoleh pada gambar 4.2 belum maksimal, sehingga perlu adanya optimasi. Optimasi laser CO2 sealed-off dilakukan dengan mengatur arus listrik pada laser dan tegangan pada pengatur tegangan piezo. Hasil optimasi arus listrik laser, dapat dilihat pada gambar 4.4 dan gambar 4.5. Pengaturan arus listrik mempengaruhi perolehan daya laser. Dengan arus yang semakin besar, maka jumlah elektron juga semakin banyak. Kemungkinan elektron menembak atom-atom yang terdapat dalam tabung laser juga semakin besar, sehingga membantu proses inversi populasi berlangsung. Pada arus listrik 10,75 mA jumlah total garis-garis radiasi yang dihasilkan adalah 37 garis yang tersebar dalam 4 band. Band 1 terdapat 4 garis, band 2 terdapat 7 garis, band 3 terdapat 13 garis, dan band 4 terdapat 13 garis (gambar 4.5). Sedangkan pada arus listrik 11,15mA jumlah garis-garis laser yang dihasilkan sebanyak 35 garis (gambar 4.4). Pada cermin yang digunakan terdapat piezo, yang dapat berpengaruh dalam perubahan daya yang dihasilkan. Piezo terletak tepat dibelakang cermin. Jika piezo diberi tegangan, maka piezo akan menggeser cermin yang mengakibatkan panjang resonator laser akan berubah. Perubahan panjang resonator laser juga akan mempengaruhi daya yang diperoleh. Tegangan piezo diatur oleh laser kontrol. Dalam laser kontrol terdapat pengatur nilai tegangan piezo yang diberikan melalui komputer. Tegangan piezo akan berubah jika diberikan nilai pada pengatur tegangan piezo. Pengaruh perubahan tegangan piezo terhadap daya laser, dapat dilihat pada gambar 4.6, gambar 4.7, dan gambar 4.8. Dari grafik-grafik tersebut terlihat bahwa hanya PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 51 pada tegangan tertentu saja terdapat daya laser. Jika posisi cermin berada pada posisi resonansi laser, maka daya yang dihasilkan akan semakin besar. Proses ini dapat terlihat pada gambar 4.10, gambar 4.11, dan gambar 4.12. Tegangan yang tertera pada gambar merupakan nilai masukan untuk pengatur tegangan piezo yang terdapat dalam laser kontrol. Dengan adanya piezo yang mengatur panjang resonator laser, membantu perolehan daya yang maksimum. Pengukuran dilakukan pada daya yang maksimum. Selama proses pengukuran berlangsung laser kontrol akan menggerakkan piezo secara otomatis untuk mencari panjang resonator laser yang menghasilkan daya maksimum. Selain laser komponen penting pada detektor fotoakustik adalah sel fotoakustik dan mikrofon. Mikrofon terletak di dalam sel fotoakustik. Mikrofon yang digunakan sangat peka terhadap bunyi, untuk itu desain sel fotoakustik sangat tebal agar terhindar dari gangguan bunyi dari luar. Desain yang sangat tebal inilah yang membuat bobot dari sel fotoakustik menjadi berat. Sel fotoakustik merupakan tempat dimana pengukuran konsentrasi gas berlangsung. Tanpa adanya sel fotoakustik, laser yang telah dikerjakan tidak dapat digunakan untuk proses pengukuran. Untuk sistem intrakavitas, sel fotoakustik ditempatkan di dalam rongga laser. Pemilihan sistem intrakavitas karena pengukuran dapat dilakukan pada daya yang besar sehingga memungkinkannya diperoleh batas deteksi yang sangat rendah. Setelah diperoleh laser dan dioptimasi, sel fotoakustik kemudian diletakkan di dalam rongga laser. Pemasangannya rumit dan juga memiliki PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 52 resiko yang tinggi. Dengan bobotnya yang berat memungkinkan pada saat pemasangan, posisi resonator optis pada laser akan berubah. Dengan berubahnya posisi resonator optis, laser yang diperoleh juga akan hilang. Pada sistem intrakavitas terjadi penyerapan, untuk itu pada waktu pemasangan sel fotoakustik dilakukan pada garis laser dengan daya terbesar. Pada penelitian kedua telah berhasil dilakukan pemasangan sel fotoakustik dengan hasil seperti pada gambar 4.13, gambar 4.14 dan gambar 4.15. Gambar 4.13 merupakan grafik hubungan antara daya laser terhadap posisi steppermotor. Pada gambar hanya tampak garis-garis laser pada band 3 dan 4 saja. Hal ini dikarenakan pada waktu pemasangan sel fotoakustik terdapat beberapa daya laser yang memiliki daya laser rendah. Selain itu pada waktu pemasangan, posisi steppermotor ditempatkan pada posisi garis laser yang memiliki daya tertinggi yang terletak pada band 4. Sehingga membuat band 1 dan band 2 tidak tampak. Sel fotoakustik menghasilkan sinyal akustik yang terlihat pada gambar 4.14. Sinyal tersebut kemudian dinormalisir terhadap daya laser, yang kemudian digunakan untuk mengukur konsentrasi gas. Normalisasi dilakukan karena pada masing-masing garis laser memiliki besar daya yang berbeda. Dengan melakukan normalisasi sinyal terhadap daya laser, dapat mengatasi kestabilan daya selama detektor fotoakustik beroperasi. Dari perumusan dasar teori dipaparkan bahwa salah satu faktor yang mampengaruhi sinyal akustik adalah daya laser. Terlihat pada gambar 4.12 dan 4.13, pada satu panjang gelombang yang sama terdapat daya laser dan juga PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 53 sinyal akustik. Apabila terjadi perubahan daya maka sinyal yang dihasilkan juga berubah sesuai perubahan daya. Dalam pengukuran setiap garis laser digunakan untuk satu jenis gas tertentu. Untuk pengukuran etilen misalnya, digunakan garis laser etilen yang terdapat pada daerah kerja laser CO2 sealed-off. Penentuan garis etilen dengan memasukkan sampel kedalam kuvet yang tersedia. Sampel yang digunakan adalah apel, dimana apel merupakan salah satu buah yang mengeluarkan gas etilen. Setelah apel dimasukkan ke dalam kuvet, terjadi perubahan volume gas yang ada (gambar 4.14 dan gambar 4.15). Dengan membandingkan kedua gambar tersebut dapat terlihat bahwa setelah apel dimasukkan kedalam kuvet terjadi pertambahan nilai pada sinyal ternormalisasi. Proses ini menunjukkan bahwa apel mengeluarkan gas. Untuk mengukur konsentrasi gas etilen yang dihasilkan apel, terlebih dahulu diketahui garis laser untuk etilen. Penentuan garis laser untuk gas etilen ditentukan dengan memasukkan sampel yang telah tersedia ke dalam kuvet yang berisi udara yang berfungsi sebagai gas pembawa. Garis laser untuk gas etilen ditandai dengan adanya penyerapan terbesar pada saat gas etilen dimasukan. Dari hasil perolehan garis etilen. Kemudian dilakukan percobaan pengukuran konsentrasi etilen pada buah apel. Hasil pengukuran seperti pada gambar 4.18. Pengukuran dilakukan dengan waktu kurang dari satu jam. Nilai konsentrasi daerah A menunjukkan nilai nol. Pada kondisi ini sampel belum dimasukkan sehinga belum ada kenaikan nila konsentrasi. Kenaikan konsentrasi PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 54 tampak pada daerah B, pada kondisi ini sampel dimasukkan ke dalam kuvet. Setelah sampel dimasukkan nilai konsentrasi bertambah, ini ditunjukkan dari bentuk grafik semakin meningkat. Selama proses pengukuran berlangsung dilakukan pula pemantauan kestabilan daya laser yang telah diperoleh. Kestabilan daya laser CO2 sealed-off selama detektor fotoakustik beroperasi dapat terlihat pada grafik 4.19. Pada waktu pengukuran digunakan dua garis laser yaitu garis 10P14 dan 10P16. Daya yang dihasilkan kedua garis cukup stabil. Terlihat pada grafik, nilai daya tidak mengalami penurunan PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI BAB V PENUTUP 5.1. Kesimpulan 1. Panjang tabung dan bentuk kisi yang digunakan mempengaruhi keluaran daya laser CO2 sealed-off 2. Pada pengaturan resonator optis laser CO2 sealed-off yang telah dilakukan, diperoleh hasil maksimum pada arus 10,75 mA dengan jumlah garis radiasi laser yang dihasilkan sebanyak 37 garis. 5.2. Saran Untuk pengukuran beberapa gas secara simultan, terlebih dahulu dilakukan penentuan garis laser untuk setiap gas. Diharapkan untuk penelitian selanjutnya diperoleh garis radiasi laser yang lebih banyak lagi, sehingga semakin banyak jenis gas yang dapat diukur. 55 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI DAFTAR PUSTAKA Amin, M.N.,2008,Kinerja Spektroskopi Fotoakustik Konfigurasi Intrakavitas Laser CO2 untuk menyelidiki pengaruh scrubber KOH dan CaCl2 terhadap pengaruh sinyal serapan gas Aseton dan Etilen, Skripsi FMIPA Universitas Gajah Mada Yogyakarta. Besson,J.P., 2006, “Photoacoustic Spectroscopy for Multi-Gas Sensing Using Near Infrared Lasers”,http:// bibion.epfl.ch/EPFL/theses/2006/3070/3670_abs.pdf., Diakses pada tanggal, 6 November 2007. Budi, S., Hogervorst, W., 1999, Fisika Laser, Jakarta Darmawati, V., 2007. Penentuan Panjang Gelombang yang paling Sensitif pada Detektor HPCL untuk Pengukuran Choromphornicol Plamiat, Skripsi FMIPA universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Haliday, D. dan Resnick, R.,1996, Fisika jilid 2 edisi 3, Jakarta : Erlangga. Krane, K. S., 1992, Fisika Modern, Jakarta : Universitas Indonesia. Laud, B.B., 1988, Laser dan Optik Linear, Jakarta : Universitas Indonesia. Mitrayana, Muslim, Wasono, M.A.J., “Spektrometer Fotoakustik Laser Sistem Multipass Berkepekaan PPT”, Jurnal Fisika Indonesia, No 19, Vol. VI edisi Desember 2002, hal 67-74. Persijn,S., 2007, Sensitive gas Detection using CO2 Laser Photoacoutic Spectrocopy, Makalah kursus singkat laboratorium analisa kimia fisika pusat : Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. 56 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 57 Santosa, I. E., 2003, Pengukuran Konentrasi Gas dengan Detektor Fotoakustik, Makalah seminar dosen Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam: Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Santosa, I. E., 2008, Pengukuran Konsentrasi Gas menggunakan Detektor Fotoakustik, Lab. Analisa Kimia Fisika Pusat : Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Spike, B.T. 2006. “The uw.physics.wisc.edu/timbie/P325/ Photoacoustic Effec”. Spike-photoacoustic http:// effect.pdf. Diakses pada tanggal, 6 November 2007. Watini, K., 2008, Optimalisasi Detektor Fotoakustik dengan Menentukan Frekuensi Resonansinya, Skripsi FST Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI LAMPIRAN Tabel A hubungan daya terhadap piezo pada posisi steppermotor tertentu Daya (AU) pada posisi steppermotor Pengatur Tegangan (AU) 1574 2374 5088 0 0,08 0,2 0,19 0,2 0,2 0,1 0,22 0,17 0,22 0,4 0,12 0,25 0,12 0,23 6994 0,6 0,1 0,24 0,02 0,24 0,8 0,05 0,21 0 0,23 1 0,01 0,14 0 0,21 1,2 0,01 0,02 0,02 0,19 1,4 0,01 0,01 0,08 0,15 1,6 0,01 0,01 0,15 0,16 1,8 0,01 0,01 0,17 0 2 0,01 0,01 0,2 0 2,2 0,01 0,01 0,22 0,06 2,4 0,01 0,06 0,22 0,13 2,6 0,01 0,18 0,21 0,17 2,8 0,05 0,21 0,2 0,2 3 0,11 0,25 0,16 0,22 3,2 0,12 0,25 0,13 0,23 3,4 0,09 0,23 0,02 0,24 3,6 0,02 0,21 0,08 0,23 3,8 0,01 0,14 0,1 0,22 4 0,01 0,02 0,15 0,21 4,2 0,01 0,01 0,17 0,19 4,4 0,01 0,01 0,19 0,16 4,6 0,01 0,01 0,21 0,11 4,8 0,01 0,01 0,22 0,05 5 0,01 0,01 0,22 0 5,2 0,01 0,01 0,22 0 5,4 0,01 0,08 0,22 0,02 5,6 0,01 0,15 0,22 0,08 5,8 0,07 0,2 0,21 0,13 6 0,09 0,23 0,21 0,17 6,2 0,11 0,25 0,19 0,18 6,4 0,12 0,25 0,17 0,21 6,6 0,1 0,25 0,14 0,22 6,8 0,06 0,23 0,1 0,23 7 0,02 0,2 0 0,24 7,2 0,02 0,16 0 0,24 7,4 0,02 0,1 0 0,24 7,6 0,02 0,02 0 0,23 7,8 0,02 0,02 0,1 0,22 8 0,02 0,02 0,13 0,21 58 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 59 Lanjutan 8,2 0,02 0,02 0,15 0,2 8,4 0,02 0,02 0,17 0,17 8,6 0,02 0,02 0,18 0,15 8,8 0,02 0,02 0,2 0,12 9 0,02 0,02 0,21 0,06 9,2 0,02 0,02 0,2 0,01 9,4 0,02 0,02 0,2 0 9,6 0,02 0,02 0,2 0 9,8 0,02 0,02 0,2 0 10 0,02 0,02 0,2 0
