Jurnal Fisika Indonesia, No: 6, Vol. IX. Edisi April 005 ISSN: 1410-994. hal. 13-0 SIFAT RELAKSASI ATOM GAS NEON DALAM TABUNG LUCUTAN AKIBAT BERINTERAKSI DENGAN CAHAYA LASER Oleh: A.B. Setio Utomo, I. Setiawan, dan G. Maruto Jurusan Fisika FMIPA UGM ABSTRAK Telah dilakukan eksperimen yang memperlihatkan bahwa lampu lucutan dapat berlaku sebagai cuplikan dan detektor sekaligus, sehingga dapat dipergunakan untuk tehnik spektroskopi optogalvanik dengan cara mengarahkan berkas laser zatwarna (Rh6-G, Rh-B, atau DCM) ke katoda lampu lucutan. Perekaman spektrum optogalvanik dan spektrum laser zatwarna secara bersamaan dilakukan dengan cara memisahkan berkas laser menjadi dua berkas, satu berkas kearah lampu lucutan untuk memperoleh sinyal optogalvanik dan berkas yang lain kearah meter panjang gelombang untuk menentukan panjang gelombang laser zatwarna pada saat terjadi resonansi. Pada puncak resonansi (λ = 588,3 dan 614,4 nm) diperoleh sinyal temporal optogalvanik. Sinyal ini memperlihatkan adanya osilasi seperti rangkaian listrik akibat ketakstabilan populasi elektron yang dipengaruhi oleh parameter relaksasi elektron pada aras tenaga tersebut. Kata kunci: optogalvanik, sinyal temporal, relaksasi THE RELAXATION BEHAVIOUR OF ATOMIC GAS IN A DISCHARGE LAMP CAUSED BY INTERACTION WITH A LASER RADIATION ABSTRACT It has been demonstrated in this experimen that a commercial hollow cathode discharge lamp can be used for an optogalvanic laser spectroscopy technique by sending the laser beam (a Rh6G, RhB or DCM dye) into its hollow cathode. To record the optogalvanic and the wavelength of dye laser simultaneously, the laser beam is split by a beam splitter into two laser beams. One beam is sent into a hollow cathode lamp to detect the optogalvanic signal and the other one is sent into a wavelength meter for measuring its wavelength when resonance is taken place. On the resonance peak (λ = 588,3 and 614,4 nm), the temporal optogalvanic has been detected. The temporal signal shows an oscillation as if an electric circuit due to an electron population instability which is caused by an electron relaxation on that energy level. Key words: optogalvanic, temporal signal, relaxation.
14 ABS. Utomo, I. Setiawan, G. Maruto / Sifat Relaksasi. I. PENDAHULUAN Hal yang paling menarik dari spektroskopi optogalvanik adalah pendeteksian gejala optik tapi tidak memakai peralatan deteksi optik. Dalam hal ini lampu lucutan berlaku sebagai cuplikan yang akan dideteksi sekaligus berlaku sebagai detektor 1. Hal ini yang menyebabkan spektroskopi optogalvanik merupakan suatu pilihan penting dibanding metoda spektroskopi optik lain, misal: metoda spektroskopi serapan, yang dibatasi oleh cacah cuplikan sasaran untuk diserap oleh radiasi yang mengenainya. Dalam penelitian terdahulu telah dibentuk tehnik spektroskopi metode optogalvanik menggunakan beberapa jenis dye (zatwarna) untuk menyelidiki transisi tertentu beberapa elemen 3,4. Laser zatwarna adalah jenis laser yang paling umum digunakan untuk bidang spektroskopi, Hal ini dikarenakan laser zatwarna mempunyai daerah penalaan relatif panjang, kontinyu dan juga mencakup seluruh daerah panjang gelombang tampak. Oleh sebab itu akan dilakukan penelitian tentang sinyal temporal optogalvanik menggunakan laser zatwarna. II. TEORI DASAR Dasar spektroskopi optogalvanik adalah efek optogalvanik. Efek ini terjadi disebabkan oleh adanya perubahan sifat kelistrikan dalam lampu lucutan akibat disinari oleh cahaya berpanjang gelombang sesuai dengan transisi aras-aras tenaga dari atom dalam lampu lucutan. Penyinaran lampu lucutan pada suatu panjang gelombang sesuai dengan transisi aras-aras tenaga atom materi lampu lucutan akan menyebabkan adanya gangguan pada aras-aras tenaganya. Secara umum, gangguan dari keadaan mantap akan menimbulkan gangguan juga pada kesetimbangan ionisasi lampu lucutan. Gejala ini akan mengubah sifat kelistrikan (impedansi) lampu lucutan tersebut. Perubahan impedansi dari tabung lucutan akan diikuti adanya perubahan arus/tegangan tabung lucutan 5. Sifat sinyal optogalvanik menggunakan laser pulsa dapat digambarkan dengan persamaan dinamis, dengan pengandaian bahwa pulsa laser lebih singkat dari pada seluruh proses dalam plasma 6. Tentu saja gambaran perubahan tegangan ini tergantung pada struktur aras-aras tenaga dan mekanisme variasi relaksasi dari
ABS. Utomo, I. Setiawan, G. Maruto / Sifat Relaksasi 15. sistem atom, yang dapat dibedakan sebagai: transisi metastabil dan transisi nonmetastabil 6, yaitu a). Aras tenaga metastabil (τ - konstanta waktu << T 1 dan T ) V ( t) βq ( n n1 ) a exp( t T ) a exp( t ) 1 T 1 + ( a a )exp( t / τ ) dengan sinyal awal negatif, dan pada T 1 > t >> T menjadi 1 (1) V ( t) β Q ( n ) exp( n1 a t 1 ) () T1 yang positif dan meluruh secara eksponensial dengan waktu T 1. b). Aras tenaga non-metastabil (γ ac konstanta gandengan tipe 1-3 - ) V ( t) β Q ( n n ) exp( ) exp( 1 a1γ act t t c a ) + a1 T1 T exp( t / T c (3) dan pada T c << T 1 dan T menjadi V ( t) β Q ( n n1 ) a1γ exp( t ac Tc ) a exp( t / T ) (4) T1 yang bertanda kebalikan dengan aras metastabil. Dengan β - faktor kecepatan perubahan pelipatan elektron terhadap perubahan tegangan. a i - faktor kecepatan perubahan pelipatan elektron terhadap perubahan populasi pada aras tenaga atom ke i. n i - cacah atom ke i dan populasi ion ke i, n i - penyimpangan populasi n i dari keadaan nilai steady state. T 1 - waktu relaksasi (waktu yang diperlukan oleh populasi dalam lucutan untuk kembali kekeadaan setimbang di aras energi 1). Q = σ I t) dt dengan σ 1 - tampang lintang serapan pada transisi 1 ke. I ij - intensitas laser yang ditala dengan energi transisi i ke j 1 1 ( )
16 ABS. Utomo, I. Setiawan, G. Maruto / Sifat Relaksasi. III. METODE PENELITIAN Peralatan untuk spektroskopi optogalvanik tersusun atas beberapa komponen, yaitu: (i) laser zatwarna sebagai sumber cahaya tertala (tunable) dengan laser pemompa Nd:YAG buatan Quanta-Ray DCR-11, (ii) lampu lucutan buatan Jobin- Yvon sebagai sasaran dan detektor, (iii) sistem deteksi/analisa data (a.l.: Scope Kenwood CS-101 dan plotter Y-t), dan wavelength meter untuk mengukur panjang gelombang berkas laser. Laser Nd:YAG Laser Zatwarna Trigger Scanner Plotter Scope Sumber tegangan, Pengatur arus dan Pre-mplifier Beam Splitter Lampu lucutan Sinyal Optogalvanik Wavelength meter Jalur laser Jalur elektronik Gambar 1. Skematik eksperimen optogalvanik dan pengukuran panjang gelombang laser serta spektrum laser zatwarna. Dalam eksperimen ini digunakan laser zatwarna pulsa dengan bahan aktif laser Rh6G, RhB atau DCM. Untuk mengaktifkan laser zatwarna ini diperlukan laser pemompa (laser pulsa Nd:YAG + kristal SHG yang berpanjang gelombang 53 nm). Sedangkan sebagai sasaran dan detektor digunakan lampu lucutan katoda. Lampu lucutan (berisi gas buffer neon) bekeria dengan sumber tegangan DC (0-300 volt/ 0-100 ma) yang dipasangkan pada anoda-katoda lampu lucutan. Disamping itu, sumber tegangan ini dilengkapi dengan pengatur arus untuk mengatur arus lampu lucutan dan juga dilengkapi pula dengan suatu sistim penguat signal (pre-amplifier) 3.
ABS. Utomo, I. Setiawan, G. Maruto / Sifat Relaksasi 17. Jika suatu sumber tegangan DC (0-300 volt/ 0-l00 ma), dengan pengatur arus, dipasang antara anoda-katoda lampu lucutan yang berisi gas buffer (neon), maka gas neon akan tereksitasikan/ terionkan dan arus akan mengalir dalam lampu lucutan tersebut oleh adanya elektron ataupun ion. Tumbukan pada kecepatan tinggi antara ion dengan atom pada katoda akan menyebabkan sebagian atom katoda lepas dari materi katoda. Bila berkas laser zatwarna diarahkan ke lampu lucutan dan ditala panjang gelombangnya maka jika sinar laser beresonansi pada suatu transisi aras tenaga pada atom lampu lucutan akan menyebabkan kondisi populasi menyimpang dari kesetimbangannya. Hal ini tidak lama karena akan kembali kekeadaan semula. Kondisi ke takseimbangan dapat mengganggu keadaan populasi melalui beberapa proses melibatkan perpindahan eksitasi maupun de-eksitasi non-radiatif. Pada kondisi ke takseimbangan akan teramati adanya efek optogalvanik. Spektrum optogalvanik dan panjang gelombang laser pada saat terjadi resonansi antara berkas laser dengan atom gas dalam lampu lucutan dapat teramati secara serempak. Dalam hal ini cahaya laser zatwarna dibagi menjadi dua menggunakan kaca pemisah berkas (beam splitter). Sebagian berkas cahaya di arahkan ke alat pengukur panjang gelombang (wavelength meter) untuk ditentukan panjang gelombang berkas cahayanya dan sebagian berkas yang lain diarahkan ke lampu lucutan untuk pendeteksian sinyal/spektrum optogalvaniknya. Sinyal ini setelah diperkuat lewat pre-amplifier lalu ke Scanner akan menghasilkan sinyal/spektrum optogalvanik pada scope/recordery-t 7. Interpretasi spektrum dengan pembanding struktur garis spektrum atom akan memberikan informasi tentang struktur aras tenaga atom gas. IV. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN Menggunakan laser zatwarna DCM diperoleh sinyal temporal optogalvanik pada saat terjadi resonansi antara panjang gelombang laser λ = 633,5 nm dengan salah satu transisi atom neon (Gambar )
18 ABS. Utomo, I. Setiawan, G. Maruto / Sifat Relaksasi. I (t) skala bebas t (ms) skala bebas Gambar. Sinyal optogalvanik temporal transisi neon pada λ = 633,5 nm menggunakan laser Zatwarna DCM (waktu scanning 10 detik) Adapun sinyal resonansi pada transisi antar aras-aras tenaga akan memberikan informasi tentang sifat dari transisi yang berkaitan dengan relaksasi dari aras tenaga tersebut. Hal tersebut akan terlihat jika dilakukan perubahan arus lucutan. Semakin tinggi arus lucutan, sinyal optogalvanik temporal atom neon akan cenderung naik turun (osilasi) (Gambar 3). Fenomena seperti ini dapat terjadi diduga karena adanya pengaruh dari uap atom bahan katoda yang dibebaskan akibat proses sputtering sehingga menyebabkan terjadinya ionisasi penning 8 : Ne * + M Ne + M + + e dengan M adalah adalah atom bahan katoda. Ionisasi penning ini dapat terjadi pada semua arus, sama halnya dengan ionisasi gas neon, karena konsentrasi elektron - elektron lebih besar dibandingkan dengan atom - atom yang mengalami proses sputtering, maka efek ini tidak begitu kelihatan pengaruhnya kecuali pada arus lucutan yang besar. Hal mirip juga terjadi pada transisi ber panjang gelombang 588,3 nm dan 614,4 nm, disamping adanya sifat tertentu pada aras tenaga yang berhubungan dengan waktu relaksasi (relaxation time) akibat adanya perubahan arus lucutan 6. Hasil penalaan daerah cakupan panjang gelombang lasing dari laser zatwarna dan spektrum optogalvanik atom neon telah diperoleh 4.
ABS. Utomo, I. Setiawan, G. Maruto / Sifat Relaksasi 19. ma,5 ma 4,0 I (t) skala bebas,0 1,75 1,5 1,0 3,0,5,0 1,5 1,0 0,5 0,5 t (ms) t (ms) λ = 588,3 nm λ = 614,4 nm Gambar 3. Sinyal optogalvanik temporel sebagai fungsi arus lucutan. (waktu scanning 10 detik) 7 Sinyal temporel optogalvanik ini dipengaruhi waktu relaksasi yang terkait dengan populasi elektron pada aras tenaga tertentu, dengan naiknya arus lucutan akan menambah proses tumbukan dalam lampu lucutan tersebut 6. Dalam hal ini adanya pengaruh proses tumbukan dan relaksasi ke keadaan mantap dapat dianalogikan seperti rangkaian listrik akibat ketergantungan perubahan arus pada resistan negatif lampu lucutan, jika arus naik akan menyebabkan naiknya ionisasi sehingga akan menurunkah tegangan pada lampu lucutan tersebut 9. V. KESIMPULAN DAN SARAN Sistim spektroskopi optogalvanik dengan sumber cahaya laser zatwarna Rh6G, Rh-B atau DCM menghasilkan spektrum optogalvanik atom neon pada transisi tertentu akibat adanya resonansi antara laser zatwarna dengan transisi elektron dalam atom neon. Sinyal temporel yang diperoleh memperlihatkan
0 ABS. Utomo, I. Setiawan, G. Maruto / Sifat Relaksasi. adanya osilasi seperti rangkaian listrik akibat ketakstabilan populasi elektron pada suatu aras tenaga tertentu yang dipengaruhi oleh parameter relaksasi elektron pada aras tenaga tersebut. Untuk penentuan parameter waktu relaksasi, dapat digunakan program komputasi (fitting) pada spektrum yang diperoleh. VI. DAFTAR PUSTAKA [1] Zink, L., 1990, in Appl Laser Spectroscopy, Series Physics 41, p 491, Plenum Press. [] Stewart, R. S., dan Lawler, J. E. (Ed), 1990, Optogalvanic Spectroscopy, IOP Series 113. [3] Setio Utomo, A. B., 1997, Aplikasi Lampu Lucutan Katoda Berongga pada Tehnik Laser Optogalvanik Menggunakan Laser Zatwarna DCM + Piridine, Kontribusi Fisika Indonesia vol 8, no 3, edisi September, p 89. [4] Setio Utomo, A.B, Maruto G, dan Hermanto A, 1997, Tehnik Spektroskopi Optogalvanik untuk Menentukan Transisi Atom Neon dalam Lampu Lucutan Menggunakan Laser Zatwarna Rhodamine, Jurnal Jurusan Fisika vol 8. no 1, edisi Februari, p 7. [5] Shuker, R., Ben-Amar, A., dan Erez. G., 198, Inverted Population Observation Using Pulsed Optogalvanic Effect., Optics Comm. 4 (1), p 9. [6] Ben-Amar, A., Erez, G., dan Shuker, R., 1983, Pulsed Resonant Optogalvanic Effect in Neon Discharges, J. Appl. Phys. 54 (7), p 3688. [7] Setio Utomo A B, 000, Sifat Elektrik/Galvanik Atom Gas dalam Tabung Lucutan Akibat Efek Cahaya Laser, Laporan Penelitian DIKS UGM. [8] Reddy, B. R., dan Venkateswarlu, P., 1991, Optogalvanic Effect in Neon Hollow Cathode Discharge, Optics Comm. 85, p 491. [9] Lee ST dan Rothe E.W, 1987, Influence of Electrical Resonance on the Interpretation of Optogalvanic Data, J. Appl. Phys. 61(1), p 109.