Prinsip Detektor

Prinsip Detektor Foton

Jika seberkas cahaya mengenai sebuah benda atau material, maka salah satu kemungkinannya adalah sebagian cahaya  akan diserap (absorbe) oleh  material tersebut. Panjang gelombang yang diserap adalah unik untuk setiap material.  Intensitas cahaya yang diserap sebanding dengan kuantitas material yang menyerapnya.  Sehingga, dengan mengetahui intensitas panjang gelombang tertentu yang diserap oleh suatu sample, maka kita dapat mengetahui kuantitas suatu jenis material yang terkandung dalam sample  tersebut. Sifat/fenomena inilah yang mendasari sistem pengukuran kuantitas dengan menggunakan cahaya termasuk sinar ultraviolet (UV).

Misalnya, untuk mengetahui jumlah senyawa dalam suatu sample, dapat dilakukan dengan melewatkan sinar UV dengan panjang gelombang tertentu (panjang gelombang yang dapat diserap oleh senyawa tersebut) ke sample. Intensitas sinar UV yang diserap dapat dihitung dengan membandingkan intensitas sinar UV yang tidak melewati sample (sebagai referensi) dan intensitas yang melewati sample.  Lalu bagaimana mengukur intensitas sinar UV? Untuk mengukur intenstias sinar UV diperlukan suatu peralatan yang disebut detector (UV detector).

Photonic detector memanfaatkan sifat terjadinya eksitasi electron apabila ditembaki photon (sinar IR). Semakin besar intensitas sinar IR yang diserap, semakin banyak eksitasi electron yang terjadi. Ada beberapa jenis IR photonic detector, antara lain:

Photoconductive, yang memanfaatkan sifat material yang menjadi lebih konduktif jika disinari gelombang IR. Kejadian ini dapat dijelaskan sbb: eksitasi electron menyebabkan electron bebas (dan hole) menjadi lebih banyak sehingga lebih conductif.

Photovoltaic; pada photovoltaic, eksitasi electron dimanfaatkan sebagai sumber arus. Photodiode; sama dengan photovoltaic, eksitasi electron dimanfaatkan sebagai

sumber arus/sumber tegangan.

Berikut ini adalah beberapa jenis UV detector yang ada saat ini, 1. Phototube.

Phototube terdiri dari anode dan cathode, apabila sinar UV ditembakan ke cathode (-), maka akan terjadi emisi/pergerakan electron dari cathode ke anode sebagai akibat dari efek photoelectric. Pergerakan electron ini akan diukur sebagai arus listrik yang sebanding dengan intensitas UV yang mengenai cathode tersebut.

2. Photomultiplier Tube (PMT). Cara kerja PMT mirip Phototube, terdiri dari

1

photocathode dan beberapa buah anode (tidak seperti pada phototube yang hanya terdiri dari satu buah anode) yang disusun secara serie (disebut dynode). Sinar UV (photons) yang ditembakan ke cathode akan menyebabkan emisi electron dari cathode ke anode. Anode yang satu dengan yang lainya diberi beda potensial, sehingga apabila emisi electron dari cathode sampai di dynode pertama, akan ada tambahan electron yang diteruskan ke dynode berikutnya, dan seterusnya sehingga secara akumulasi jumlah electron yang emisi di dynode terakhir semakin banyak (arusnya semakin besar), itu sebabnya mengapa PMT lebih sensitif dibandingkan dengan phototube.

3. Photodiode array (PDA) / Detektor diode silikonPDA berupa  semiconductor integrated circuit (IC).  Jika sinar mengenai PDA, akan terbentuk pasangan electron-hole dan electron yang terbentuk akan berpindah ke PIN juction terdekat, sehingga terbentuk beda potensial yang jika diberi bias (maksudnya voltage bias) maka akan terjadi arus listrik yang sebanding dengan intensitas sinar yang mengenainya.

http://asro.wordpress.com/2008/07/18/uv-detector/

4. Detektor Semikonduktor Prinsip kerja detektor ini cukup sederhana. Energi radiasi yang memasuki bahan semikonduktor akan diserap oleh bahan, sehingga beberapa elektronnya dapat berpindah dari pita valensi ke pita konduksi (seperti yang terjadi pada detektor sintilasi). Bila di antara kedua ujung bahan semikonduktor tersebut terdapat beda potensial, maka perpindahan elektron akan menyebabkan terjadinya aliran arus listrik. Jadi pada detektor semikonduktor, energi radiasi diubah menjadi energi listrik.Detektor semikonduktor memiliki resolusi yang tinggi karena mampu membedakan energi radiasi yang mengenainya dengan sangat teliti. Sebagai gambaran, detektor sintilasi untuk radiasi gamma mempunyai resolusi sebesar 50 keV, artinya, detektor ini dapat membedakan energi dari dua buah radiasi yang mengenainya, apabila beda energi antara kedua radiasi tersebut lebih besar dari 50 keV. Pada detektor semikonduktor untuk radiasi gamma, resolusinya jauh lebih kecil dari 50 keV, yaitu sekitar 2 keV. Dengan demikian, dapat dipastikan bahwa detektor semikonduktor jauh lebih teliti dalam membedakan energi radiasi.

5. Sel Photovoltaics

Sel Photovoltaics terlihat seperti Solar Panel akan tetapi sistem kerja dan hasil yang didapat keduanya berbeda. Solar panel menghasilkan air panas atau bahkan uap, sedangkan Sel Photovoltaic sendiri menghasilkan energi listrik dengan mengubah energi yang di dapat dari sinar matahari secara langsung. Efek sel photovoltaik terjadi akibat lepasnya elektron yang disebabkan adanya cahaya yang mengenai logam. Logam-logam yang tergolong golongan 1 pada sistem periodik unsur-unsur seperti Lithium, Natrium, Kalium, dan Cessium sangat mudah melepaskan elektron valensinya. Selain karena reaksi redoks, elektron valensilogamlogam tersebut juga

2

mudah lepas olehadanya cahaya yang mengenai permukaan logam tersebut. Diantara logam-logam diatas Cessium adalah logam yang paling mudah melepaskan elektronnya, sehingga lazim digunakan sebagai foto detektor. Proses Pembangkitan Tegangan

Pada Solar Cell Tegangan yang dihasilan oleh sensor foto voltaik adalah sebanding dengan frekuensi gelombang cahaya (sesuai konstanta Plank E = h.f). Semakin kearah warna cahaya biru, makin tinggi tegangan yang dihasilkan. Tingginya intensitas listrik akan berpengaruh terhadap arus listrik.

Bila foto voltaik diberi beban maka arus listrik dapat dihasilkan adalah tergantung dari intensitas cahaya yang mengenai permukaan semikonduktor.

Prinsip Detektor PanasSinar IR mengandung energi panas, sehingga apabila ditembakan ke suatu material

maka temperature material tersebut akan meningkat. Semakin besar intensitas IR, semakin besar energi panas yang dikandungnya. Dengan mengetahui besarnya kenaikan temperature material yang dikenai sinar IR tersebut, kita dapat mengetahui intensitas sinar IR yang mengenainya. Jadi ada relasi antara kenaikan temperature sebuah material dengan intensitas sinar IR yang mengenai material tersebut. Thermal detector memanfaatkan relasi ini. Cara kerja thermal detector adalah dengan memanfaatkan beberapa sifat material yang bergantung pada temperature. Ada beberapa jenis IR thermal detector, antara lain:

Bolometer dan Microbolometer, yang didasarkan pada perubahan resistansi material terhadap perubahan temperature.

Thermocouple dan Thermopoles, yang didasarkan pada efek thermoelectric.

1. Detektor ThermocoupleDetektor yang paling banyak digunakan dalam spektrofotometer infra merah adalah thermocouple. Thermocouple merupakan alat yang mempunyai impedans rendah dan sering kali dihubungkan dengan preamplifier dengan impedans tinggi. Detektor thermocouple terdiri dua kawat halus terbuat dari logam seperti platina (Pt) dan perak (Ag) atau antimoni (Sb) dan bismuth (Bi). Energi radiasi inframerah akan menyebabkan terjadinya pemanasan pada salah satu kawat dan panasnya ini sebanding dengan perbedaan gaya gerak listrik (emf) yang dihasilkan dari kedua kawat. Detektor ini bekerja berdasarkan efek peltir dimana selisih tegangan akan timbul, antara dua tempat sambungan logam-logam yang berbeda janisnya atau semikonduktor, apabila kedua tempat sambungan tersebut memiliki temperatur yang berlainan. Jadi apabila sambungan yang satu (sambungan panas) lebih tinggi suhunya atau temperaturnya pada sambungan kedua (sambungan dingin), maka akan timbul selisih tegangan listrik yang kecil diantara sambungan panas dan sambungan dingin tersebut.

Apabila Thermokoppel dipakai sebagai detektor, maka sambungan dingin dilindungi dengan cermat terhadap efek-efek pemanasan dan suhunya dijaga konstan, sebaliknya sambungan panas disinari dengan infra merah, sehingga suhu sambungan

3

tersebut akan naik. Selisih tegangan yang ditimbulkan dalam kawat penghubung diantara kedua sambungan tersebut bergantung dari pada selisih suhu di antara kedua sambungan tersebut, jadi bergantung pada banyaknya sinar infra merah yang mencapai sambungan panas. Detektor thermokoppel yang peka akan memberikan respon kepada perubahan suhu sebesar 100C (A. L. Underwood:1993).

2. Detektor BolometerBolometer merupakan semacam termometer rasistans terbuat dari kawat

platina atau nikel. Dalam hal ini akibat pemanasan akan terjadi perubahan tahanan pada bolometer sehingga signal menjadi tidak seimbang. Signal yang tidak seimbang ini kernudian diperkuat sehingga dapat dicatat atau direkam. Saat ini bolometer jarang digunakan dalam spektrofotometer infra merah.

Bagian yang paling utama dari detektor ini adalah suatu logam atau suatu konduktor yang tipis. Apabila sinar infra merah jatuh ke bolometer ini ,maka temperatur atau suhunya akan naik, dengan berubahnya temperatur tersebut maka tahanan listrik bolometer akan berubah pula. Jadi dengan singkat, apabila disinari, maka bolometer akan mengalami perubahan tahanan listrik sebagai fungsi temperatur atau suhu. Logam atau setengah konduktor bolometer ini merupakansalah satu tahanan pada jambatan Wheatstone. Sepotong logam atau setengah konduktor lain yang sama, tetapi yang tidak disinari dengan sinar infra merah merupakan tahanan penyetimbang (R2) dalam sebuah rangkaian wheatstone. Apabila tidak ada sinar jatuh pada bolometer maka tahanan listriknya adalah sedemikian rupa sehinnga jambatan wheatstone tersebut setimbang. Apabila bolometer tersebut dikenai oleh sinar infra merah, maka tahanan listriknya akan berubah dan kesetimbangan rangkaian tersebut akan terganggu. Dan melalui galvanometer G akan mengambil arus. Galvanometer akan mengukur besarnya arus yang mengalir. Besarnya arus yang mengalir tersebut merupakan ukuran bagi besarnya perubahan tahanan listrik di dalam bolometer, jadi juga merupakan ukuran bagi besarnya intensitas sinar yang jatuh pada bolometer tersebut (A. L. Underwood:1993).

4