Pengaruh gas karbondioksida (CO2) terhadap amplitudo dan fase sinyal fotoakustik pada detektor fotoakustik berbasis laser CO2 - USD Repository

  PENGARUH GAS KARBONDIOKSIDA (CO 2 ) TERHADAP AMPLITUDO

DAN FASE SINYAL FOTOAKUSTIK PADA DETEKTOR

FOTOAKUSTIK BERBASIS LASER CO

  2 Skripsi

Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat

Memperoleh Gelar Sarjana Sains

  

Jurusan Fisika

Oleh :

Elisabeth Jeanny Oetama

  

NIM : 073214003

PROGRAM STUDI FISIKA

JURUSAN FISIKA

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

  

2011

  INFLUENCE OF CARBON DIOXIDE GAS (CO 2 ) ON THE AMPLITUDE

AND PHASE OF PHOTOACOUSTIC SIGNAL IN CO -LASER-BASED

  2 PHOTOACOUSTIC DETECTOR

Skripsi

Presented as Partial Fulfillment of the Requirements

  

To Obtain The Sarjana Sains Degree

in Physics Department

By :

Elisabeth Jeanny Oetama

  

NIM : 073214003

PHYSICS STUDY PROGRAM

PHYSICS DEPARTMENT

FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

  

2011

  

“Siapa mengindahkan didikan, menuju jalan kehidupan, tetapi siapa

mengabaikan teguran, tersesat”.

  

(Amsal 10 : 17)

“Setiap orang yang mempunyai, kepadanya akan diberi, sehingga ia

berkelimpahan. Tetapi siapa yang tidak mempunyai, apapum juga yang ada

padanya akan diambil dari padanya”.

  

(Matius 25 : 29)

“Ikhlas menerima kekurangan adalah awal dari kelebihan”.

  

(Mario Teguh)

“Saya tidak patah semangat, karena setiap usaha yang salah adalah satu

langkah maju”.

  

(Thomas Alva Edison)

“Jenius adalah 1 % inspirasi dan 99 % keringat. Tidak ada yang dapat

menggantikan kerja keras. Keberuntungan adalah sesuatu yang terjadi ketika

kesempatan bertemu dengan kesiapan”.

  

(Thomas Alfa Edison)

“Ujian bukanlah untuk mengukur kepandaian, tapi untuk mengenali kepatuhan

kita kepada proses belajar. Karena, kecepatan untuk belajar adalah kemampuan

yang lebih penting daripada keahlian apa pun”.

  

(Mario Teguh)

“ Intan tidak akan memiliki kilauan yang indah jika dia tidak

memberikan diri untuk diasah dengan sudut yang terbaik ”.

  

Kupersembahkan Karya ini kepada :

Tuhan Yesus Kristus,

Bunda Maria,

Ayah Harrys,

  

Ibu Maria Magdalena Aguswati,

Saudara dan Kerabat,

Semua Pihak yang Telah Memberikan Bantuan,

Universitas Sanata Dharma Almamaterku.

  

INTISARI

PENGARUH GAS KARBONDIOKSIDA (CO 2 ) TERHADAP AMPLITUDO

  

DAN FASE SINYAL FOTOAKUSTIK PADA DETEKTOR

FOTOAKUSTIK BERBASIS LASER CO

  2 Detektor fotoakustik berbasis laser CO 2 merupakan alat ukur konsentrasi

  gas. Pengukuran konsentrasi gas menggunakan detektor fotoakustik berbasis laser CO 2 terkait dengan sinyal fotoakustik, daya laser, dan koefisien serapan gas. Keberadaan gas karbondioksida dalam sampel gas yang mengandung gas etilen mempengaruhi amplitudo dan fase sinyal fotoakustik. Hal tersebut disebabkan oleh kinetic cooling.

  Penyelidikan pengaruh gas karbondioksida terhadap amplitudo dan fase sinyal fotoakustik pada detektor fotoakustik berbasis laser CO telah dilakukan

  2

  dalam penelitian ini. Penelitian tersebut dilakukan pada nilai konsentrasi etilen dan konsentrasi uap air yang tetap. Hasil pengukuran menunjukkan peningkatan nilai konsentrasi karbondioksida menyebabkan peningkatan nilai amplitudo tiap satuan daya dan nilai fase sinyal fotoakustik.

  

ABSTRACT

  INFLUENCE OF CARBON DIOXIDE GAS (CO 2 ) ON THE AMPLITUDE AND PHASE OF PHOTOACOUSTIC SIGNAL IN CO 2 -LASER-BASED

PHOTOACOUSTIC DETECTOR

  The CO

  2 -laser-based photoacoustic detector is an instrument for

  measuring gas concentration. The measurement of gas concentration using CO -

  2

  laser-based photoacoustic detector is related to photoacoustic signal, laser power, and gas absorption coefficient. The presence of carbon dioxide gas in a sample gas that contains ethylene gas influences the amplitude and phase of photoacoustic signal. It is caused by kinetic cooling.

  In this research, the influence of carbon dioxide gas on the amplitude and phase of photoacoustic signal in CO

  2 -laser-based photoacoustic detector has been

  performed. The research has been performed with constant ethylene concentration and constant water vapor concentration. The result of measurements indicates that the increase of carbon dioxide concentration causes the increase of amplitude per unit of power and phase of photoacoustic signal.

KATA PENGANTAR

  Puji Syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat dan bimbingan-Nya dalam penyusunan skripsi berjudul “PENGARUH GAS KARBONDIOKSIDA (CO

  2 ) TERHADAP AMPLITUDO DAN FASE SINYAL

  FOTOAKUSTIK PADA DETEKTOR FOTOAKUSTIK BERBASIS LASER CO

  2 ”. Skripsi ini disusun sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

  Sarjana Sains pada Program Studi Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Skripsi ini merupakan salah satu wujud harapan dan cita-cita penulis untuk belajar tanpa batas.

  Penyusunan skripsi ini tidak mungkin dapat terlaksana dengan baik tanpa adanya bantuan dan kerjasama dari berbagai pihak yang terkait. Oleh karena itu, penulis ingin menyampaikan terima kasih kepada :

  1. Universitas Sanata Dharma Yogyakarta khususnya Program Studi Fisika yang telah memberikan kesempatan untuk menimba ilmu dan memberikan beasiswa kepada penulis. Tanpa semuanya itu, skripsi ini tidak dapat terwujud.

  2. Bapak Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T, selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma.

  3. Bapak Dr.Ign.Edi Santosa, M.S., selaku Dosen Pembimbing Skripsi dan selaku Kepala Laboratorium Analisa Kimia Fisika Pusat Universitas Sanata Dharma. Beliau dengan penuh kesabaran telah membimbing, membantu, menyemangati dan meluangkan waktu selama proses perkuliahan, untuk melakukan penelitian di Laboratorium Analisa Kimia Fisika Pusat Universitas Sanata Dharma.

  4. Ibu Ir. Sri Agustini Sulandari, M.Si., selaku Ketua Jurusan Fisika Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma.

  5. Bapak Dr. Drs. Drs. Vet. Asan Damanik, M.Si., selaku Dosen pembimbing akademik.

  6. Bapak A. Prasetyadi, M.Si., Ibu Dwi Nugraheni Rositawati, M.Si., dan segenap Dosen di Universitas Sanata Dharma yang telah mendidik, membimbing selama masa studi, dan membagikan ilmunya.

  7. Mas A. Bima Windura, Mas Ngadiono, dan Bapak Sugito selaku laboran yang telah banyak membantu penulis selama masa studi dan selama masa penelitian.

  8. Segenap karyawan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma yang telah membantu selama masa studi.

  9. Ayah dan Ibu tercinta yang telah memberikan semua yang diperlukan dalam menyelesaikan skripsi ini.

  10. Saudara-saudara dan kerabat saya yang telah memberikan dukungan dalam menyelesaikan skripsi ini.

  11. Julianto, S.T. yang telah memberi dukungan dan memberikan saran selama pengerjaan skripsi ini.

  12. Rekan penelitian Fotoakustik : Bernadet Yati S. yang telah bekerjasama dan membantu selama proses penelitian dan pengambilan data, serta memberikan motivasi dan saran kepada penulis.

  13. Niken Sawitri, Maria Fransiska Putriyani W., L. Jerniat Telaumbanua, dan Bernadet Yati S. yang senantiasa mewarnai angkatan 2007, memberikan motivasi dan saran kepada penulis.

  14. Teman-teman mahasiswa angkatan 2002, 2004, 2005, dan 2008 Jurusan Fisika Universitas Sanata Dharma yang senantiasa membantu serta menguatkan penulis terutama dalam menyelesaikan skripsi ini.

  15. Teman-teman kos yang selama ini telah memberikan doa dan dukungan kepada penulis terutama dalam menyelesaikan skripsi ini.

  16. Semua pihak yang tidak bisa penulis sebutkan satu persatu yang telah banyak membantu selama menyelesaikan skripsi dan selama masa studi.

  Penulis menyadari sepenuhnya bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna karena keterbatasan pengetahuan yang dimiliki penulis. Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari berbagai pihak. Penulis berharap skripsi ini memberikan manfaat bagi para pembaca dan memberikan sedikit sumbangan untuk Ilmu Pengetahuan.

  Yogyakarta, 30 Mei 2011 Penulis

  

DAFTAR ISI

  Halaman HALAMAN JUDUL .............................................................................. i HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING ..................................... iii HALAMAN PENGESAHAN ................................................................ iv HALAMAN MOTTO ............................................................................. v HALAMAN PERSEMBAHAN ............................................................. vi PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ................................................. vii LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH ................................................................................... viii

  INTISARI ............................................................................................... ix ABSTRACT ............................................................................................ x KATA PENGANTAR ............................................................................ xi DAFTAR ISI ........................................................................................... xiv DAFTAR GAMBAR .............................................................................. xvi

  BAB I. PENDAHULUAN ...................................................................... 1

  1.1. Latar Belakang ........................................................................... 1

  1.2. Rumusan Masalah ...................................................................... 3

  1.3. Batasan Masalah ........................................................................ 3

  1.4. Tujuan Penelitian ....................................................................... 4

  1.5. Manfaat Penelitian ..................................................................... 4

  1.6. Sistematika Penulisan ................................................................ 4

  2.1. Metode Spektroskopi Laser ....................................................... 6

  2.2. Detektor Fotoakustik .................................................................. 7

  2.3. Amplitudo dan Fase Sinyal Fotoakustik .................................... 10

  BAB III. METODE PENELITIAN ........................................................ 17

  3.1. Tempat Penelitian ...................................................................... 17

  3.2. Alat dan Bahan ........................................................................... 17

  3.2.1. Alat-Alat ........................................................................... 17

  3.2.2. Bagian-Bagian Penting pada Penelitian ............................ 18

  3.2.3. Bahan ................................................................................ 19

  3.3. Prosedur Penelitian .................................................................... 20

  3.3.1. Penentuan Garis Laser ...................................................... 20

  3.3.2. Penyelidikan Pengaruh Gas Karbondioksida ................................................................. 21

  BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ............................................... 24

  4.1. Hasil ........................................................................................... 24

  4.1.1. Penentuan Garis Laser ...................................................... 24

  4.1.2. Penyelidikan Pengaruh Gas Karbondioksida ................................................................. 26

  4.2. Pembahasan ................................................................................ 30

  BAB V. PENUTUP ................................................................................ 36

  5.1. Kesimpulan ................................................................................ 36

  5.2. Saran .......................................................................................... 36 DAFTAR PUSTAKA ............................................................................. 38

  

DAFTAR GAMBAR

  Halaman

Gambar 2.1. Proses yang terjadi pada molekul yang terkena radiasi laser ............................................................... 7Gambar 2.2. Bagan proses pengukuran konsentrasi gas pada detektor fotoakustik ...................................................... 10Gambar 2.3. Sinyal fotoakustik dan Gelombang Laser ............................. 15Gambar 2.4. Resultan amplitudo dan fasenya akibat serapan terhadap daya laser oleh dua molekul gas pada sel fotoakustik .......... 16Gambar 3.1. Rangkaian alat yang digunakan dalam penelitian ................. 17Gambar 3.2. Rangkaian alat untuk scanning gas nitrogen ......................... 20Gambar 3.3. Rangkaian alat untuk scanning gas etilen ............................. 21Gambar 3.4. Rangkaian alat untuk pengisian cuvet dengan karbondioksida ......................................................... 22Gambar 4.1. Grafik sinyal ternormalisir terhadap posisi steppermotor dari gas nitrogen .................................................................... 25Gambar 4.2. Grafik sinyal ternormalisir terhadap posisi steppermotor dari campuran gas etilen dengan gas nitrogen ...................... 26Gambar 4.3. Grafik hubungan amplitudo tiap satuan daya (R/P) terhadap konsentrasi karbondioksida untuk

  nilai konsentrasi etilen 0,99 ppm .......................................... 28

Gambar 4.4. Grafik hubungan fase sinyal fotoakustik (θ)

  terhadap konsentrasi karbondioksida untuk nilai konsentrasi etilen 0,99 ppm ................................ 29

BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Kendaraan bermotor telah menjadi alat transportasi yang penting bagi

  masyarakat di Indonesia. Kendaraan bermotor merupakan kendaraan yang paling banyak digunakan terutama di kota besar. Data dari Badan Pusat Statistik [Badan

  

Pusat Statistik Republik Indonesia, 2009 ], menunjukkan jumlah kendaraan

bermotor dari tahun 1987 sampai tahun 2008 cenderung terus meningkat.

  Kendaraan bermotor merupakan sumber polutan terbesar [Juliantara, 2010]. Asap hasil pembakaran bahan bakar dari kendaraan bermotor mengandung polutan (zat pencemar). Hal tersebut merupakan salah satu penyebab semakin buruknya kualitas udara terutama di kota besar, seperti Jakarta, Yogyakarta, dan Semarang.

  Gas buang kendaraan bermotor mengandung beberapa jenis polutan, seperti CH

  4 , SO 2 , NO 2 , C

  2 H 4 , CO, dan CO 2 . Gas-gas tersebut mendapat perhatian

  yang cukup besar karena efek serius yang ditimbulkannya pada kesehatan manusia, pertumbuhan tanaman, dan iklim seperti hujan asam, pemanasan global, pembentukan lubang pada lapisan ozon, dan membangkitkan kabut fotokimia [Gondal, 1997]. Pengetahuan tentang jumlah gas-gas tersebut di udara akan membantu upaya penanggulangannya. Salah satu diantara gas-gas tersebut adalah gas etilen (C H ).

  2

  4 Konsentrasi etilen dari suatu sampel gas dapat diukur menggunakan alat pendeteksi gas. Keberadaan gas etilen dalam suatu sampel gas dapat disertai dengan keberadaan gas-gas yang lain. Gas buang kendaraan bermotor merupakan salah satu contoh sampel gas yang mengandung beberapa jenis gas. Jumlah gas etilen yang terdapat dalam suatu sampel gas dapat berubah-rubah setiap saat. Oleh karena itu, untuk dapat mengetahui konsentrasi etilen diperlukan suatu alat yang mampu mengukur lebih dari satu macam gas secara serempak, memiliki selektivitas tinggi, sensitif, dan waktu tanggap yang cepat sehingga dapat dilakukan pengukuran secara online.

  Detektor fotoakustik berbasis laser CO

  2 merupakan alat ukur konsentrasi

  gas yang berdasarkan prinsip dasar serapan cahaya. Pada detektor ini terjadi konversi berkas cahaya laser menjadi sinyal fotoakustik. Alat ini mampu mengukur lebih dari satu macam gas secara serempak. Detektor ini menjadi alat ukur konsentrasi yang sangat sensitif dan waktu tanggapnya relatif cepat sehingga dapat digunakan secara online [Santosa, 2008].

  Detektor fotoakustik berbasis laser CO sangat peka untuk mengukur

  2

  12

  konsentrasi etilen dengan batas deteksi pada orde ppt (part per trillion, 1:10 ), karena etilen mempunyai koefisien serapan yang sangat tinggi di daerah operasi laser CO

  2 [Santosa, 2008]. Oleh karena itu, detektor tersebut digunakan untuk

  mengukur konsentrasi etilen dari suatu sampel gas. Suatu sampel gas dapat mengandung gas etilen dan gas karbondioksida (CO ). Keberadaan gas

  2

  karbondioksida (CO

  2 ) dalam sampel gas tersebut mempengaruhi hasil ukur konsentrasi etilen. Selain gas etilen, gas karbondioksida (CO ) juga menyerap

  2

  radiasi laser CO 2 dan menghasilkan sinyal fotoakustik.

  Pengaruh gas karbondioksida (CO ) terhadap hasil ukur konsentrasi etilen

  

2

  disebabkan oleh kinetic cooling. Kinetic Cooling disebabkan oleh kopling dari tingkat energi tereksitasi molekul CO

  

2 dan N

2 [Rooth et al., 1990]. Kinetic cooling

  menyebabkan proses pemanasan berlangsung dalam waktu yang lama sehingga terjadi perubahan pada amplitudo dan fase sinyal fotoakustik. Perubahan pada amplitudo dan fase sinyal fotoakustik menyebabkan ketidakakuratan hasil ukur konsentrasi etilen dari suatu sampel gas. Dengan mengetahui pengaruh yang ditimbulkan oleh gas karbondioksida (CO

  2 ) terhadap amplitudo dan fase sinyal fotoakustik, maka dapat diperoleh hasil ukur konsentrasi etilen yang optimal.

1.2. Rumusan Masalah

  Berdasarkan uraian yang telah diuraikan dalam latar belakang, dapat dirumuskan pokok permasalahan. Pokok permasalahan tersebut yaitu bagaimana pengaruh gas karbondioksida terhadap amplitudo dan fase sinyal fotoakustik pada detektor fotoakustik berbasis laser CO .

  2 1.3.

   Batasan Masalah

  Pengukuran amplitudo dan fase sinyal fotoakustik dari sampel gas menggunakan detektor fotoakustik berbasis laser CO

  2 . Sampel gas yang digunakan dalam penelitian ini mengandung gas etilen dan gas karbondioksida.

  1.4. Tujuan Penelitian

  Tujuan penelitian ini adalah mengetahui pengaruh gas karbondioksida terhadap hasil ukur amplitudo dan fase sinyal fotoakustik pada detektor fotoakustik berbasis laser CO 2 .

  1.5. Manfaat Penelitian

  Penelitian ini diharapkan dapat memberi manfaat sebagai berikut : 1. Menambah kepustakaan tentang detektor fotoakustik.

  2. Dapat menjadi acuan bagi penelitian selanjutnya, khususnya yang berkaitan dengan penggunaan detektor fotoakustik berbasis laser CO

  2

  untuk pengukuran gas etilen dari sampel gas yang mengandung gas etilen dan gas karbondioksida.

  3. Memberikan informasi tentang pengaruh gas karbondioksida terhadap amplitudo dan fase sinyal fotoakustik pada detektor fotoakustik berbasis laser CO

  2 .

  1.6. Sistematika Penulisan

  Sebuah karya tulis memiliki sistematika penulisan. Karya ini memiliki sistematika penulisan sebagai berikut : BAB I PENDAHULUAN Bab 1 berisi latar belakang, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, dan sistematika penulisan. BAB II DASAR TEORI Bab 2 berisi dasar-dasar teori yang mendukung penelitian pengaruh gas karbondioksida terhadap amplitudo dan fase sinyal fotoakustik pada detektor fotoakustik berbasis laser CO

  2 . Dasar-dasar teori

  tersebut adalah metode spektroskopi laser, detektor fotoakustik, dan amplitudo dan fase sinyal fotoakustik.

  BAB III METODE EKSPERIMEN Bab 3 berisi tempat pelaksanaan, alat dan bahan yang digunakan saat penelitian, dan prosedur penelitian. BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN Bab 4 berisi hasil penelitian dan pembahasan hasil penelitian. BAB V PENUTUP Bab 5 berisi kesimpulan hasil penelitian dan saran.

BAB II DASAR TEORI

2.1. Metode Spektroskopi Laser

  Sejak ditemukannya laser, terjadi perkembangan yang pesat dalam bidang spektroskopi. Penggunaan laser sebagai sumber cahaya ini memunculkan teknik- teknik baru dalam bidang spektroskopi. Pengembangan teknik-teknik baru tersebut memanfaatkan kelebihan laser. Keunggulan laser itu diantaranya berdaya tinggi, monokromatik, dan frekuensi yang dapat ditala. Dengan keunggulan- keunggulan yang dimiliki laser, permasalahan yang tidak dapat diselesaikan oleh spektroskopi klasik mampu diselesaikan oleh spektroskopi laser.

  Perkembangan bidang spektroskopi laser erat kaitannya dengan kemajuan bidang spektroskopi molekuler. Salah satu bidang aplikasi dalam spektroskopi molekuler adalah pengamatan polusi udara [Wang dan Xia, 1991]. Hal ini memungkinkan untuk memperoleh informasi komposisi molekul dan atom yang terkandung dalam atmosfer. Selain itu, dengan menggunakan sumber radiasi laser, dapat dipelajari eksitasi dan relaksasi dari atom dan molekul.

  Salah satu spektroskopi laser adalah spektroskopi fotoakustik. Spektroskopi ini sensitif dalam mendeteksi gas. Spektroskopi fotoakustik merupakan spektroskopi yang menggunakan metode kalorimetrik. Pada spektroskopi fotoakustik, radiasi laser yang diserap sampel dideteksi langsung dari pemanasan yang terjadi pada sampel. Pemanasan tersebut memunculkan gelombang akustik yang kemudian dideteksi oleh sensor [Zharov dan Letokhov,

2.2. Detektor Fotoakustik

  Spektroskopi fotoakustik merupakan salah satu bidang spektroskopi yang memanfaatkan kelebihan laser. Radiasi laser yang mengenai medium akan menyebabkan molekul-molekul dalam medium yang terkena radiasi tersebut mengalami eksitasi dari tingkat energi dasar (E ) ke tingkat energi tereksitasi (E ).

  1

  2 Eksitasi pada molekul tersebut akibat penyerapan foton dengan energi yang dinyatakan oleh persamaan (2.1).

  2 – E 1 (2.1) h ν = E

• 34

  dengan h adalah tetapan planck (6,63 x 10 J.s) dan

  ν adalah frekuensi radiasi

  laser yang diserap molekul. Molekul dalam keadaan tereksitasi akan mengalami proses relaksasi. Relaksasi tersebut dapat terjadi secara radiasi dan secara non- radiasi. Proses tersebut ditunjukkan oleh Gambar 2.1.

  )

  2 Tingkat energi tereksitasi (E Relaksasi secara radiasi Relaksasi secara Pemanasan Radiasi laser non-radiasi medium ( hν)

  ) Tingkat energi dasar (E

  1 Gambar 2.1. Proses yang terjadi pada molekul yang terkena radiasi laser Detektor fotoakustik merupakan alat ukur konsentrasi gas yang menggunakan prinsip dasar serapan cahaya. Serapan terhadap daya laser dideteksi secara langsung menggunakan metode kalorimetrik. Hal penting dalam metode kalorimetrik terkait dengan waktu relaksasi. Relaksasi merupakan peristiwa pelepasan energi suatu molekul dari tingkat energi tereksitasi ke tingkat energi dasar. Peristiwa tersebut mengikuti proses interaksi laser dengan medium tertentu.

  Waktu relaksasi meliputi waktu relaksasi secara radiasi dan waktu relaksasi secara non-radiasi. Relaksasi secara non-radiasi terdiri dari relaksasi homogen dan relaksasi heterogen. Relaksasi secara non-radiasi yang terjadi lewat tumbukan dengan molekul lain dalam suatu volume tertentu merupakan relaksasi homogen. Sedangkan, relaksasi secara non-radiasi yang terjadi lewat tumbukan dengan dinding sel tempat molekul tersebut berada merupakan relaksasi heterogen. Waktu relaksasi molekul dinyatakan oleh persamaan (2.2) [Zharov dan Letokhov, 1986 ].

• -1 -1 -1 -1 r hom het )} (2.2)

  τ = {(τ ) + (τ ) + (τ

  dengan adalah waktu relaksasi secara radiasi,

  τ adalah waktu relaksasi molekul, τ r hom adalah waktu relaksasi homogen, dan het adalah waktu relaksasi heterogen. τ

τ

Laser merupakan sumber cahaya yang digunakan pada sistem fotoakustik.

  Jenis laser yang digunakan akan menentukan wilayah kerja sistem fotoakustik. Salah satu contoh laser yang digunakan pada sistem fotoakustik adalah laser CO

  2

  yang bekerja di daerah panjang gelombang 9 - 11 μm [Santosa, 2008]. Detektor inframerah. Pada daerah panjang gelombang tersebut, relaksasi homogen merupakan relaksasi yang dominan dari keseluruhan proses relaksasi yang terjadi pada molekul-molekul dalam medium. Hal tersebut mengakibatkan kenaikan energi kinetik pada medium. Kenaikan energi kinetik menyebabkan kenaikan suhu dan tekanan. Jika intensitas radiasi laser CO yang datang menuju medium

  2 dimodulasi secara periodik, maka tekanan tersebut akan berubah secara periodik.

  Hal ini menyebabkan munculnya bunyi. Pada detektor fotoakustik berbasis laser CO 2 , proses pembangkitan bunyi tersebut terjadi di dalam sel fotoakustik.

  Sel fotoakustik merupakan salah satu komponen penting pada detektor fotoakustik. Bagian utama dari sel fotoakustik adalah resonator akustik dan mikropon. Resonator akustik merupakan tempat terjadinya resonansi bunyi. Bunyi yang berasal dari medium dalam resonator akustik akan dideteksi oleh mikropon.

  Keluaran dari mikropon tersebut akan diperkuat oleh lock-in amplifier. Keluaran dari mikropon merupakan sinyal fotoakustik yang kemudian diolah komputer bersama dengan daya laser yang terukur oleh powermeter. Dari data tersebut dapat diperoleh nilai konsentrasi gas penyerapnya [Santosa, 2008]. Secara sederhana, proses yang terjadi pada detektor fotoakustik dapat dijelaskan dengan bagan pada Gambar 2.2.

  Laser (sumber cahaya) Penyerapan energi oleh molekul gas pada sel fotoakustik

  Kenaikan energi kinetik Kenaikan suhu dan tekanan pada sel fotoakustik

  Laser dimodulasi Tekanan berubah secara periodik

  Sinyal fotoakustik (bunyi) dideteksi mikropon dan daya diukur powermeter

  Pengukuran konsentrasi molekul gas penyerap

Gambar 2.2. Bagan proses pengukuran konsentrasi gas pada detektor fotoakustik

2.3. Amplitudo dan Fase Sinyal Fotoakustik

  Tiap gas yang terkandung dalam suatu sampel gas akan memberikan sumbangan terhadap sinyal fotoakustik jika gas tersebut menyerap radiasi laser CO pada detektor fotoakustik. Suatu sampel gas yang mengandung gas etilen

  2 fotoakustik. Pada detektor fotoakustik berbasis laser CO

  2 , radiasi laser dengan panjang gelombang tertentu diarahkan ke sel fotoakustik yang berisi sampel gas.

  Molekul-molekul gas H

  2 O, C

  2 H 4 , dan CO 2 yang terdapat pada sampel gas akan dieksitasi secara simultan seperti dinyatakan oleh persamaan di bawah ini.

• * 2 H

  

2 H

4 (2.3) hν

  4 x  C + C

• *

  H

  2 x  H

  2 O (2.4) O + hν

• *

  CO  CO

  (2.5)

  2 + hν x

  

2

Persamaan (2.3), persamaan (2.4), dan persamaan (2.5) menunjukkan molekul gas

  C

  2 H 4 , molekul gas H

  2 O, dan molekul gas CO 2 menyerap energi sebesar x hν

  sehingga molekul-molekul gas tersebut berpindah dari keadaan dasar ke keadaan

• * * *

  tereksitasi ( C H , H O , CO ). Suatu molekul yang tereksitasi akan mengalami

  2

  4

  2

  2

  relaksasi. Dalam proses relaksasi, energi foton yang diserap oleh molekul tersebut akan dilepaskan. Relaksasi vibrasi suatu molekul secara non-radiasi mengakibatkan kenaikan suhu.

• * *

  Molekul gas H

2 O dan C

  2 H 4 yang tereksitasi ( H

  2 O dan C

  2 H 4 ) akan

  mengalami relaksasi vibrasi dengan menyerahkan energinya saat menumbuk molekul gas N

  2 dan O 2 yang terkandung dalam sampel gas. Proses tersebut terjadi

  dalam waktu yang singkat (seketika) pada kondisi atmosfer. Molekul gas CO

  2 yang tereksitasi oleh radiasi laser CO

  2 akan mengalami relaksasi vibrasi yang dinyatakan oleh persamaan di bawah ini.

• * *

  CO 2 + N 2  CO 2 + N 2 (2.6)

  Pada proses relaksasi yang ditunjukkan oleh persamaan (2.6), molekul gas CO

  2

• * tereksitasi ( CO

  

2 ) menyerahkan energinya ke molekul gas N

2 yang memiliki

  tingkat energi vibrasi resonan. Sehingga, molekul gas N berada dalam keadaan

  2

• * *

  terkesitasi ( N

  2 ). Molekul gas N 2 tereksitasi ( N 2 ) berelaksasi dengan

  menyerahkan energinya saat menumbuk molekul gas N

  2 dan O 2 yang terkandung

  dalam sampel gas. Proses ini terjadi dalam waktu yang relatif lama. Hal tersebut menyebabkan proses pemanasan berlangsung dalam waktu yang lama. Proses inilah yang disebut kinetic cooling [Rooth et al., 1990].

  Pada detektor fotoakustik, pemanasan sampel gas yang mengandung gas etilen, uap air, dan gas karbondioksida akibat serapan radiasi laser akan membangkitkan sinyal fotoakustik. Sinyal fotoakustik tersebut dinyatakan oleh persamaan (2.7) [Rooth et al., 1990].

  

 

AI  i ωτ  ₄ p t = α x α x α + + x

  1 − β exp i ω t (2.7) ( )

  ( )  ^{1 1 2 2 3 3 }  

  ω ωτ

  1 i + i ₄  

 

  dengan α

  1 adalah koefisien serapan molekul gas H

  2 O, x 1 adalah konsentrasi uap

  air (H

  2 O), 2 adalah koefisien serapan molekul gas etilen (C

  2 H 4 ), x 2 adalah α

  konsentrasi molekul gas etilen (C

  2 H 4 ), 3 adalah koefisien serapan molekul gas

α CO

  2 , x 3 adalah konsentrasi molekul gas CO 2 , ω adalah frekuensi modulasi,

  τ adalah waktu relaksasi vibrasional efektif dari

  I adalah intensitas radiasi laser, ₄

  β adalah koefisien, dan A adalah tingkat energi tereksitasi molekul gas nitrogen, konstanta sel fotoakustik.

  Pada persamaan (2.7) terlihat sinyal fotoakustik terkait dengan koefisien serapan dan konsentrasi gas. Sinyal fotoakustik tersebut sebanding dengan penjumlahan linear dari hasil kali koefisien serapan dengan konsentrasi gas, tetapi

   i   i  ωτ ^{4 ωτ 4} untuk molekul gas CO

  2 terdapat faktor

  1 − β . Faktor 1 − β    

  1

  i

  1

  i

  ωτ + ₄ ωτ + ₄     menunjukkan adanya pengaruh kinetic cooling akibat relaksasi yang lama dari molekul gas CO

  2 . Hal tersebut ditunjukkan dengan faktor

  τ yang merupakan ₄ waktu relaksasi dari molekul gas nitrogen tereksitasi. Energi eksitasi pada molekul gas nitrogen tersebut akibat tumbukan dari molekul gas karbondioksida tereksitasi yang memiliki tingkat energi vibrasi resonan dengan molekul gas nitrogen.

  Sinyal fotoakustik memiliki amplitudo (R) dan fase (

  θ). Persamaan

  amplitudo (R) dan fase (

  θ) diperoleh dari persamaan (2.7). Amplitudo (R) sinyal

  fotoakustik dinyatakan oleh persamaan (2.8) dan fase (

  θ) sinyal fotoakustik dinyatakan oleh persamaan (2.9) [Rooth et al., 1990]. _{2 2 2 1 / 2} −

   α α β α α α α ωτ 

  AI ( x x (

• 1 − ) x ) ( + + + + x x x ) ( ) 
^{1 1 2 2 3 3 1 1 2 2 3 3 4 }

  R =

  (2.8)  _{2 − 2} 

  ω 1 ωτ ωτ

  ( ) + ₄ ( ) ₄

   [ ] 

  1 −

  − βα x ( ωτ ) _{3 3 4} θ = arctan _{2 2} (2.9)

  −

  α α α ωτ ωτ βα

  ( x x x ) ( _{1 1 2 2 3 3} + 1 ) ( ) + + − x _{4 4 3 3} [ ] Peristiwa kinetic cooling mempengaruhi amplitudo dan fase sinyal fotoakustik.

  Hal tersebut ditunjukkan oleh faktor τ pada persamaan (2.8) dan (2.9). ₄ Jika pada sel fotoakustik terdapat sampel yang mengandung dua molekul gas, maka sinyal fotoakustik yang dihasilkan merupakan perpaduan masing- masing sinyal fotoakustik yang berasal dari masing-masing molekul gas tersebut.

  Relaksasi molekul pertama terjadi dalam waktu yang singkat. Waktu relaksasi yang singkat menunjukkan waktu datang sinyal fotoakustik seketika setelah dikenai radiasi laser. Relaksasi molekul gas kedua terjadi dalam waktu yang lama. Hal tersebut menunjukkan waktu datang sinyal fotoakustik lebih lambat daripada saat dikenai radiasi laser. Waktu datang sinyal fotoakustik yang lebih lambat daripada saat dikenai radiasi laser menyebabkan pergeseran fase sinyal fotoakustik. Gambar 2.3 menunjukkan waktu munculnya kedua sinyal fotoakustik tersebut.

  Keterangan : Gelombang laser t

  Δt Sinyal fotoakustik yang muncul seketika setelah dikenai radiasi laser t Sinyal fotoakustik yang memiliki pergeseran fase terhadap saat dikenai radiasi laser t

Gambar 2.3. Sinyal fotoakustik dan gelombang laserGambar 2.3 menampilkan tiga buah gelombang yaitu dua sinyal fotoakustik dan satu gelombang laser. Sinyal fotoakustik pertama muncul seketika setelah dikenai

  radiasi laser. Sinyal fotoakustik kedua muncul setelah selang beberapa waktu dari saat dikenai radiasi laser. Hal ini menyebabkan pergeseran fase terhadap saat dikenai radiasi laser.

  Masing-masing sinyal fotoakustik memiliki amplitudo dan fase. Molekul gas pertama menghasilkan sinyal fotoakustik dengan amplitudo R

  1 dan fase

  bernilai nol. Molekul gas kedua menghasilkan sinyal fotoakustik dengan amplitudo R

  2 2 . Perpaduan dua sinyal fotoakustik dari dua jenis

  dan fase sebesar θ Perpaduan tersebut dapat digambarkan dengan diagram fasor seperti pada Gambar 2.4 [Sutrisno, 1982].

  R

  R

  2 θ

  θ

  2 R

  

1

Gambar 2.4. Resultan amplitudo dan fasenya akibat serapan terhadap daya laser oleh dua molekul gas pada sel fotoakustik

  Jika kedua molekul gas memiliki waktu relaksasi yang singkat, maka resultan amplitudo dari kedua sinyal fotoakustik yang berinterferensi merupakan penjumlahan dari amplitudo masing-masing sinyal fotoakustik tersebut. Jika salah satu molekul gas memiliki waktu relaksasi yang lama maka muncul beda fase yang disebabkan oleh molekul tersebut. Hal tersebut menyebabkan resultan amplitudo dari kedua sinyal fotoakustik lebih kecil dari penjumlahan amplitudo masing-masing sinyal fotoakustik.

BAB III METODE PENELITIAN

  3.1. Tempat Penelitian

  Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Analisa Kimia Fisika Pusat, Kampus III Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

  3.2. Alat dan Bahan 3.2.1. Alat – Alat

  Penelitian ini dilakukan menggunakan instrumen Detektor Fotoakustik dengan sumber cahaya Laser CO

  2 . Rangkaian alat yang digunakan diperlihatkan pada Gambar 3.1. flowcontroller

  Cuvet

  Detektor fotoakustik

  flowcontroller Komputer 1 flow-

  Cuvet dan controller

  Sensor H ^{2 O} Cuvet dan Sensor CO ² etilen

  Komputer 2 flowmeter nitrogen

Gambar 3.1. Rangkaian alat yang digunakan dalam penelitianGambar 3.1. menunjukkan rangkaian alat yang digunakan untuk meneliti pengaruh gas karbondioksida terhadap amplitudo dan fase sinyal

  fotoakustik. Pada penelitian ini, digunakan gas-gas yang berasal dari tabung gas. Berikut adalah bagian-bagian penting pada penelitian.

3.2.2. Bagian-Bagian Penting pada Penelitian

  Bagian-bagian penting dari alat-alat yang digunakan pada penelitian adalah :

• Flowcontroller

  Flowcontroller digunakan sebagai pengatur kecepatan aliran gas pada

  sistem fotoakustik. Rangkaian alat pada Gambar 3.1 menggunakan tiga flowcontroller .

• Cuvet Cuvet merupakan tempat menampung gas karbondioksida.
• Detektor Fotoakustik Detektor fotoakustik berbasis laser CO

  2 digunakan untuk mengukur

  amplitudo dan fase sinyal fotoakustik. Laser CO

  2 yang digunakan

  sebagai sumber cahaya terdiri dari medium aktif, resonator optis, dan power supply. Pada sel fotoakustik terjadi konversi berkas cahaya laser menjadi sinyal fotoakustik yang akan ditangkap oleh mikropon. Sinyal yang ditangkap mikropon akan diperkuat menggunakan lock-in

  amplifier dan kemudian diolah komputer.

• Komputer Komputer digunakan sebagai pencatat data, penampil data, dan pengolah data serta pengendali proses pengukuran.
• Sensor CO

  2 dan Sensor H

2 O

  Sensor CO digunakan untuk mengetahui konsentrasi karbondioksida

  2

  saat dilakukan pengukuran amplitudo dan fase sinyal fotoakustik menggunakan detektor fotoakustik. Sensor H

  2 O digunakan untuk

  mengetahui konsentrasi uap air. Data dari kedua sensor ini akan diolah menggunakan komputer.

• Flowmeter

  Flowmeter digunakan untuk mengetahui kecepatan aliran gas pada

  sistem fotoakustik. Besar kecepatan aliran gas ini ditunjukkan oleh flowmeter dalam satuan ml/menit.

3.2.3. Bahan

  Sampel yang digunakan dalam penelitian ini adalah gas etilen, gas karbondioksida, dan gas nitrogen. Penelitian ini menggunakan gas-gas yang berasal dari tabung gas dimana campuran gas-gas tersebut diatur komposisinya. Penggunaan gas-gas yang berasal dari tabung bertujuan menjamin hasil ukur yang baik karena konsentrasi gas yang berada di dalam tabung telah diketahui dengan pasti. Penelitian ini menggunakan gas nitrogen sebagai gas pembawa dalam sistem fotoakustik.

3.3. Prosedur Penelitian

  Tahap-tahap pada penelitian ini adalah sebagai berikut : 3.3.1.

   Penentuan Garis Laser

  Penentuan garis laser yang mempunyai serapan etilen dilakukan dengan scanning terhadap gas nitrogen dan scanning terhadap gas etilen.

  Scanning terhadap gas nitrogen dilakukan menggunakan rangkaian pada

Gambar 3.2. Pada Gambar 3.2 terlihat gas nitrogen dialirkan ke

  flowcontroller untuk diatur kecepatan alirannya, kemudian menuju

  detektor fotoakustik untuk scanning. Besar kecepatan aliran gas nitrogen diukur menggunakan flowmeter. Scanning dilakukan pada nilai frekuensi resonansi 1741 Hz.

  Detektor fotoakustik

  flowcontroller flowmeter

  nitrogen

Gambar 3.2. Rangkaian alat untuk scanning gas nitrogen

  Setelah dilakukan scanning terhadap gas nitrogen, akan dilakukan

  scanning terhadap gas etilen. Rangkaian alat yang digunakan yaitu

  rangkaian pada Gambar 3.3. Konsentrasi etilen yang digunakan harus kecil diperoleh melalui pengenceran. Pengenceran tersebut dilakukan dengan cara mencampur gas etilen dengan gas nitrogen. Pencampuran tersebut dilakukan dengan mengatur kecepatan aliran kedua gas dari masing- masing tabung gas menggunakan flowcontroller.

  Pada Gambar 3.3 terlihat gas nitrogen dialirkan ke flowcontroller. Gas etilen juga dialirkan ke flowcontroller. Setelah mengalir melewati

  flowcontroller , kedua gas dengan kecepatan aliran tertentu bercampur dan

  menuju detektor fotoakustik untuk scanning. Selanjutnya, aliran campuran gas ini akan diukur besar alirannya menggunakan flowmeter. Scanning dilakukan pada nilai frekuensi resonansi 1741 Hz.

  flowcontroller

  Detektor fotoakustik

  flowmeter flowcontroller

  nitrogen etilen

Gambar 3.3. Rangkaian alat untuk scanning gas etilen

3.3.2. Penyelidikan Pengaruh Gas Karbondioksida

  Penyelidikan pengaruh gas karbondioksida terhadap amplitudo dan fase sinyal fotoakustik dilakukan dengan cara memberikan variasi nilai konsentrasi karbondioksida. Hal pertama yang dilakukan dalam penyelidikan ini adalah mengisi cuvet dengan gas karbondioksida yang memiliki konsentrasi 5000 ppm. Pengisian ini dilakukan menggunakan rangkaian pada Gambar 3.4.

  Sebelum mengisi cuvet dengan gas karbondioksida, gas karbondioksida dari tabung gas diencerkan terlebih dahulu. Pengenceran ini dilakukan karena konsentrasi karbondioksida pada tabung gas terlalu besar. Gas karbondioksida yang telah diencerkan tersebut dialirkan ke dalam cuvet. Selanjutnya, gas ini akan mengalir ke cuvet yang berisi sensor CO

  2 untuk diukur nilai konsentrasinya kemudian mengalir menuju