rachmat, djoko s. pudjorahardjo. subarkah

10
KARAKTERISTIK SPEKTROFON UNTUK FOTOAKUSTIK Rachmat, Djoko S. Pudjorahardjo. Subarkah Pusal Penelilian Nuklir Yogyakarla ABSTRAK Telah diamali karaklerislik hubungan anlara sinyal akuslik dengan frekuensi pada sel foloakuslik berbenluk silinder berukuran panjang 10 cm dan diameler rongga 1 cm. 3endela ZnSe digunakan pada kedua ujung sel dan mikrofon kondensor digunakan sebagai lranduser akuslik. Selelah di- perkual dengan IC 741, sinyal yang diperoleh lernyala semaki n keci 1 unluk frekuensi semaki n besar. Pengamalan dilakukan unluk cuplikan gas CO dengan lekanan 22 mmHg dan 2 frekuensi coper anlara 0 sampai 350 Hz. ABSTRACT Relalion belween acoustic signal and ils frequency characlerislics of a pholoacouslic cylindrical cell with lenglh of 10 cm, inner diameler of 1 cm has been sludied. The cell is pr ovi ded wilh ZnSe windows al i ls ends and a condencer microphone is used as acousli c lranducer. Afler amplified wilh Ic 741 lhe signal oblained is smaller for grealher frequency. The experimenl performed using CO gas 2 sample al 22 mmHg pressure and chopper frequency varied belween 0 lo 350 Hz. I. PENDAHULUAN Sejak dua puluh lahun lerakhir speklroskopi [oloakuslik menunjukkan perkembangannya, lerulama dengan lersedianya 1aser sebagai sumber cahaya koheren. (J.) Speklroskopi ini berdasar pada efek foloakuslik, yailu limbulnya gelombang akuslik bila sualu bahan, baik padal. cair maupun gas dike- nai cahaya lermodulasi. Efek ini perlama kali dit.emukan 01 eh A.G. Bell pada lahun 1880. Telapi penggunaan 1aser unt.uk speklroskopi foloakuslik baru dilakukan perlama kali pada t.ahun 1968 01eh Alwood dan Kerr unluk mengukur pila serapan uap air t.erhadap laser delima. (Z) 13

Upload: voduong

Post on 12-Jan-2017

232 views

Category:

Documents


2 download

TRANSCRIPT

Page 1: Rachmat, Djoko S. Pudjorahardjo. Subarkah

KARAKTERISTIK SPEKTROFON UNTUK FOTOAKUSTIK

Rachmat, Djoko S. Pudjorahardjo. Subarkah

Pusal Penelilian Nuklir Yogyakarla

ABSTRAK

Telah diamali karaklerislik hubungan anlara sinyalakuslik dengan frekuensi pada sel foloakuslik berbenluksilinder berukuran panjang 10 cm dan diameler rongga 1 cm.3endela ZnSe digunakan pada kedua ujung sel dan mikrofonkondensor digunakan sebagai lranduser akuslik. Selelah di­perkual dengan IC 741, sinyal yang diperoleh lernyalasemaki n keci 1 unluk frekuensi semaki n besar. Pengamalandilakukan unluk cuplikan gas CO dengan lekanan 22 mmHg dan2

frekuensi coper anlara 0 sampai 350 Hz.

ABSTRACT

Relalion belween acoustic signal and ils frequencycharaclerislics of a pholoacouslic cylindrical cell withlenglh of 10 cm, inner diameler of 1 cm has been sludied.The cell is provi ded wilh ZnSe windows al i ls ends and acondencer microphone is used as acousli c lranducer. Afleramplified wilh Ic 741 lhe signal oblained is smaller forgrealher frequency. The experimenl performed using CO gas2

sample al 22 mmHg pressure and chopper frequency variedbelween 0 lo 350 Hz.

I. PENDAHULUAN

Sejak dua puluh lahun lerakhir speklroskopi [oloakuslik

menunjukkan perkembangannya, lerulama dengan lersedianya

1aser sebagai sumber cahaya koheren. (J.) Speklroskopi ini

berdasar pada efek foloakuslik, yailu limbulnya gelombang

akuslik bila sualu bahan, baik padal. cair maupun gas dike-

nai cahaya lermodul asi . Efek ini perlama kali dit.emukan

01eh A.G. Bell pada lahun 1880. Telapi penggunaan 1aser

unt.uk speklroskopi foloakuslik baru dilakukan perlama kali

pada t.ahun 1968 01eh Alwood dan Kerr unluk mengukur pila

serapan uap air t.erhadap laser delima. (Z)

13

Page 2: Rachmat, Djoko S. Pudjorahardjo. Subarkah

14

Pada spekt.roskopi f'ot.oakust.ik gas. cahaya t.ermodulasidilewat.kan pada gas cuplikan yang dit.empat.kan di dalam self'oloakust.ik. Tenaga cahaya akan diserap oleh molekul-mole­kul gas apabila panjang gelombang cahaya sesuai dengan garisserapan molekul gas. Serapan t.enaga cahaya mengakibat.kanmolekul -mol ekul gas t.er eksi t.asi . Kembali nya molekul t.er­eksit.asi ke keadaan dasar dapat. berupa peluruhan radiat.if'dan peluruhan t.ak radiat.if'. Pada prinsipnya spekt.roskopif'oloakust.ik memanf'aat.kan peluruhan t.ak radiat.if'. Tenagacahaya yang diserap berubah menjadi t.enaga kinelik ket.ikamolekul gas yang t.ereksit.asi bert.umbukan dengan molekullain. (3) Kenaikkan t.enaga kinelik berart.i kenaikkan suhugas di dalam sel. Karena volume sel konst.an. maka kenaikkan

suhu gas mengakibat.kan kenaikkan t.ekanan gas. Bila cahayayang dat.ang dimodulasi. maka t.erjadi modulasi t.ekanan gas di

dalam sel; dengan kat.a lain t.erjadi gelombang akust.ik yangf'rekuensinya sarna dengan f'rekuensi modulasi cahaya.

Unt.uk mendeleksi sinyal akuslik pada umumnya digunakanmikrof'on. Mikrof'on ini dit.empat.kan di dalam sel f'ot.oakust.ikdan akan mengubah sinyal akust.ik menjadi sinyal list.rik. Self'oloakust.i k besert.a mikrof'onnya bi asa di sebut. spekt.rof'on.Speklrof'on merupakan bagian pent.ing dari peralat.an spekt.ros­kopi f'ot.o akuslik. karena di dalam spekt.rof'on inilah t.er­benluknya sinyal akust.ik. Selain t.ergant.ung pada laser danparamet.er gas euplikan. sinyal akust.ik yang t.erbent.uk jugadit.ent.ukan oleh wat.ak spekt.rof'onnya. Berdasarkan sif'at.akusliknya dibedakan spekt.rof'on resonan dan spekt.rof'on t.akresonan. Pada spekt.rof'on resonan f'rekuensi modulasi eahayadisesuaikan dengan f'rekuensi rasonansi spekt.rof'on. Padaumumnya spekt.rof'on resonan berbent.uk silinder. Agar reso­nansi mudah t.er j adi. maka panj ang dan gar is t.engah spek­t.rof'on harus lebih besar dari pada penampang berkas1aser. (4.> Spekt.rof'on t.ak resonan bi asanya mempunyai ukuranyang lebih keeil dari spekt.rof'on resonan. Yang paling se­derhana adalah t.ipe "single pass nonresonant. speet.rophone".

Page 3: Rachmat, Djoko S. Pudjorahardjo. Subarkah

15

SpekLrofon ini berupa Labung silinder yang pada kedua ujung-

nya dipasang jendela opLik untuk lewaL laser. Oleh karema

iLU jendela optik dipilih dari bahan Lransparan Lerhadap

panjang g~lombang laser yang dipergunakan.

(A = 10,6 prrO dapa t di gunak an bahan ZnSe.

Untuk laser COz

Untuk meneapai

kepekaan yang Linggi maka volume dan garis Lengah spekLrofon

Lak resonan harus keeil, disamping frekuensi modulasi juga

harus rendah (puluhan Hz). Dengan kondisi seperti ini si­

nyal akustik akan homogen diseluruh ruang spekLrofon. (::»

Teori fotoakustik untuk gas menunjukkan bahwa sinyal

akustik sebanding dengan daya laser yang diserap dan jumlah

molekul gas euplikan yang menyerap. (Z) Jika daya laser P ,odaya laser yang diserap menurut hukum Lambert-Beer adalah

di

-CtLP = P (1 -e )~ CtLabs 0 0

mana Ct = koefisien serapan gas-1

euplikan (em )

(1)

dan L =

panjang kolom gas euplikan (errO. Sinyal akustik akan di-

terima oleh mikrofon dan diubah menjadi sinyal listrik.

Besarnya sinyal listrik yang dihasilkan oleh mikrofon adalah

S = RP ::::::RP CtLabs 0

di mana R adalah responsivitas mikrofon ev/W).

(2)

Sebagai pereobaan pendahuluan sebelum dipergunakan

untuk spektroskopi fotoakustik gas, akan diamati terlebih

dahulu tanggap frekuensi spektrofon tak resonan yang telah

dl buat. Hal ini penLing untuk mengetahui apakah frekuensi

mudulator sangat berpengaruh Lerhadap sinyal akustik yang

di hasi 1kan. Untuk itu dilakukan pengamaLan dengan frekuensi

modulator yang divariasi pada tekanan gas euplikan yang

Letap.

II. TATA KERJA DAN PERCOBAAN

A. Reneana Spektrofon Tak Resonan

Pada gambar 1 ditunjukkan raneangan spektrofon tak

resonan yang telah dlbuat. Spektrofon ini terdiri dari sel

Page 4: Rachmat, Djoko S. Pudjorahardjo. Subarkah

16

fo~oakus~ik berbentuk silinder yang ~erbuat dari bahan

~efIon dengan ukuran garis tengah 1uar 38 mm dan garis

tengah dalam 10 mm. 3endela optik pada kedua ujung sel

~erbua~ dari bahan ZnSe. Di samping transparan terhadap

Hal

panj ang gelombang 1aser CO, ZnSe mempunyai indek bias dan2koefisien serapan yang keeil pada panjang gelombang laser

-3 -1masing-masing n = 2,40 dan a = 2 x 10 em .CO yai~u2

ini mengun~ungkan karena dapat mengurangi derau fotoakus~ik

akiba~ serapan pada jendela optik. (4) Sebagai tranduser yang

mengubah sinyal akus~ik menjadi sinyal listrik dipergunakan

mikrofon kondenser yang dipasang pada dinding sebelah dalam

sel fotoakus~ik.

Gas cuplik an

a - Ring

Jendela ZnSe

~1_ ._._ 27.

~l._._._._._. ._. _._._. 11 __ 38 _

1~rJendeta ZnSe

25

Ior

<-·25 ~

Gambar 1. Raneangan spek~rofon ~ak resonan Cukuran dalam mm)

Page 5: Rachmat, Djoko S. Pudjorahardjo. Subarkah

17

B. Pengamalan Tanggap Frekuensi Speklrofon

Unluk mengamali langgap frekuensi speklrofon yang Lelah

dibual.

gambar 2.

dipergunakan peralalan seperli dilunjukkan pada

HeNe

11

CO2 CW

9 8

IMAIl10

12

Gambar 2. Peralalan speklroskopi fotoakustik gas

1. detektorcahaya 8.penguat2.

melerdaya 9.sumberlegangan searah3.

pencacahfrekuensi 10.osiloskop4.

gascuplikan 11.manomeler5.

1ensa 12.pompavakum6.

selfoloakuslik 13.coper7.

mikrofon

Laser CO konlinyu berdaya 10zfokuskan ke dalam speklrofon

walt. bualan

ber i si gas

PPNY-BATAN

cuplikan

di-

co .2

Berkas laser ini sebelumnya dimodulasi dengan sebuah coper

mekanik yang frekuensinya dapal divariasi anlara 80 sampai

320 Hz dengan regulalor t.egangan searah. Frekuensi coper

diukur dengan pencacah frekuensi digit.al Sablronic Model

Page 6: Rachmat, Djoko S. Pudjorahardjo. Subarkah

18

8000. Sebelum diisi gas cuplikan spektrofon terlebih dahulu

divakumkan dengan pompa vakum Edwards Model EDM 20 A.

Kevakuman yang telah dapat dicapai sebesar 10-z mbar. Baru

kemudian gas cuplikan CO diisikan ke dalam spektrofon.zSinyal listrik yang dihasilkan mikrofon diperkuat dengan

sebuah penguat dan selanjutnya ditampilkan pada layar osi­

loskop Tektronix 7904. Penguat yang dipergunakan mempunyai

penguatan tak linier dengan faktor ketidaklinieran sebesar

50.6% dan lebar pita (bandwidth) sebesar 25 kHz.

III. HASIL DAN PEMBAHASAN

S

(5 my)

3

2

1

o 50 100 150 200 250 300 t- Hz

Gambar 3. Ketergantungan sinyal total terhadap frekuensi

Dengan set up percobaan seperti tampak dalam gambar 2.

diperoleh hasil hubungan antara sinyal total yaitu sinyal

yang telah diperkuat dengan !'rekuensi coper. dan hasilnya

tampak dalam gambar 3. Ada dua titik untuk frekuensi di­antara 200-300 Hz yang agak rendah ini mungkin karena. ke­

tidakstabilan laser. dan ini belum dipantau dan diperbaiki

dengan cara normalisasi dalam percobaan yang dilakukan.

Gambar 4 menunjukkan ketergantungan penguatan terhadap fre-

Page 7: Rachmat, Djoko S. Pudjorahardjo. Subarkah

19

kuensi sinyal masukan dan ~ernya~a ama~ menyolok perubahan-

nya un~uk f'rekuansi an~ara 0-500 Hz. Kebe~ul an perubahan

i~u ~erle~ak di daerah f'rekuensi pengama~an dilakukan karena

i~u un~uk mendapa~kan hubungan an~ara sinyal ~erhadap f're­

kuensi besar pengua~an haruslah diperhi~ungkan un~uk masing-

masing f'rekuensi. Bi1a hasi 1 dal am gambar 3 dibagi dengan

pengua~an yang ~ampak dalam gambar 4 un~uk masing-masing

f'rekuensi. maka akan diperoleh hasil yang ~ampak dalam

gambar 5. Tampak dalam gambar 5 ini ampl i ~udo si nyal se-

makin kecil un~uk f'rekuensi coper semakin besar. Ini sesuai

dengan ~eori yang menya~akan hubungan an~ara amplitudo

sinyal akus~ik dengan f'rekuensi coper untuk sel berbentuk

si1inder .

A Cw) = i. aC y - 1) WIo wCl + i.WT )Vo c

di manaa=koef'isienserapan gasy

=kons~antagasC /Cp

vW

=f'rekuensicoperW

=dayayangmasuksalto~al

= I/ICV)c

I = in~ensi~as laserI = panj ang sel

V = vol ume selcT = f'aktor redaman panas karena konduksi ke dindingo

V1/ Vo)(1000

/3

2

o 100 200 300 400 500 f - Hz

Gambar 4. Katergantungan pengua~an ~erhadap f'rekuensi

Page 8: Rachmat, Djoko S. Pudjorahardjo. Subarkah

20

syv

2

o 50 150 200 250 300 f -Hz

Gambar 5. Ke~ergan~ungan sinyal akus~ik ~erhadap frekuensicoper

III. KESIMPULAN DAN SARAN

Dengan sel fo~o akus~ik sederhana yang ~elah dibua~ di­

peroleh karak~eris~ik hubungan an~ara sinyal akus~ik dengan

frekuensi coper sesuai dengan ~eori yai~u semakin besar

frekuensi semakin kecil sinyal yang diperoleh.

Un~uk tahap beriku~nya ada baiknya bila dapa~ digunakan

pengua~ yang mempunyai pengua~an ~e~ap un~uk daerah

frekuensi yang lebih 1uas. Normalisasi sinyal ~erhadap

in~ensi~as laser yang digl"U1akanJuga dihar:apkanakal.'1-~mper­

baiki -hasil--pengama~an.

UCAPAN TERIMA KASIH

Bersama ini penulis mengucapkan ~erima kasih kepada

semua s~af Bidang Fisika A~om dan Nuklir yang ~uru~ memban~u

pelaksanaan percobaan dan penulisan makalah ini.

Page 9: Rachmat, Djoko S. Pudjorahardjo. Subarkah

21

ACUAN

1. B.Zuidberg, "Recenl Developmenl in Pholoacouslic Spec­lroscopy", Perlemuan HFIY, Yogyakarla, 1988.

2.

3.

A.Rosencweig, "Pholoacouslic andcopy", Wiley, New York, 1980.

Yoh-Han Pao Ced), "Oploacousliclion", Academic Press, New York,

Pholoacouslic Speclros-

Speclroscopy and Delec- '.1977.

4. D.Bicanic, "Some Applicalions of Pholoacouslic and Rela­led Sensing Melhode Relevan lo Agricullure in General ",Winler College on Alomic and Mollecular Physics, ICT?Triesle, 1987.

5. V.P.Zharov, V.S.Lelokov, "Laser Oploacouslic Speclrosco­py", Springer Series in Oplical Science, vol. 58, Spri­nger Verlag, Heidelberg, 1986.

TANYA JAWAB

1. Sri Hulyono

- Berapa heteba1.an jendel.a ZnSe yang di811naP.an?

JAWABAN

- 0.12" merupahan tebal.jendel.a Zn.Se.

- diame ternya 1.0".

2. Pramudita Anggraita

Dari hasil. ehsperimen berapa frehuensi coper yang ter­

baih? Apa tergantung gasnya ?

JAWABAN

- Hulai dari 250 Hz - 350 Hz yaitu batas frehuensi coper

maksimum yang ada.

- TidaJ.z,tetapi tergantung pada geometri dan uhuran se1..

3. Widdi Usada

APaP.ah ada perbaikan pen811at,

respons pen811at tidah ba811s ?mengingat frehuensi

Page 10: Rachmat, Djoko S. Pudjorahardjo. Subarkah

22

JAWABAN

Ada. yaitu akan dipakainya tock in amptifier E8 26 yan8tetah dimi tiki.

4. Si8it Haryanto

Garis spektrum apa saja yan8 dipakai untuk eksperimen

PAS ?

- Untuk taser CO2 ini 8as yan8 cocok dipakai seba8ai cu­ptikan apa saja ?

JAWABAN

- Garis P20-10.6 ~m

- Banyak. antara tain

Etitena C2H4

Propitena C3H6

1.3 Butadiena C4H6

Benzena C6H6

Totuena C7H8

Trikhtoroetitena C2HCt3

Perkhtorotitena C2Ct4

Ozon 03Amonia NH3

FOS8es Ct2CO