TEKNIK HAMBURAN CAHAYA

1 4

2

3

1. Sumber CahayaSumber cahaya untuk sistem Hamburan cahaya biasanya menggunakan laser, akan tetapi sumber cahaya konvensional juga bisa dipergunakan, baik secara polikromatis (dengan perlakuan tertentu) maupun sumber cahaya monkromatis (dengan lebar pita spektrum cahaya lebih se memmpit). Untuk sumber cahaya yang bersifat polikromatis diperlukan prisma dan pin hole / celah sempit (slit) untuk memperoleh lebar pita spektrum cahaya yang sempit (mendekati monokromatis). Namun bisa juga dengan menggunakan fiter cahaya, seperti filter hijau untuk memfilter warna selain hijau, meneruskan cahaya yang berwarna hijau meskipun memiliki lebar pita yang relatif lebar.1)

2)

Sumber cahaya konvensional cendenrung ditinggalkan karena 2 alasan yaitu intensitas yang rendah dan spektrum yang lebar. Intensitas yang rendah menyebabkan kesulitan dalam sistim deteksi karena intensitas cahaya terhambur sangat lemah. Intensitas cahaya mengalami penurunan drastis setelah mengalami proses hamburan. Sedangkan lebar spektrum lebar cenderung sulit untuk mendapat derajat koherensi yang tinggi. Cahaya dalam sistim hamburan cerahaya untuk karakterisasi partikel koloid. Ada alasan mendasar dipilihnya laser sebagai sumber cahaya yang alasan-alasan itu dapat diklasifikasikan menjadi 2 kelompok, yaitu teknis dan non teknis:

a. Teknis: - Intensitasnya tinggi- Monokromatis- Polarisasi dari cahaya yang dapat diatur - Panjang gelombang tunggal- Memiliki fluktuasi tenaga intrinsik yang bisa disesuaikan dengan detektor

yang dipilih dengan benarBentuk berkaas sinar relatif teratur

Intensitas Cahaya

Io = Intensitas cahaya pada sumbu laser

Ir = Intensitas cahaya pada jarak r dari sumbu laser

r = Jarak sumbu sinar laser ke titik tinjauan

ro = Radius berkas sinar laser

b. Non Teknis- Ukurannya relatif kecil- Biaya operasional relatif murah

Untuk memperoleh derajat koherensi tinggi di depan laser dipasang 2 lensa double konveks. Untuk memfokuskan berkas sinar laser menjadi titik yang sangant kecil.

Diameter berkas sinar laser yang terfokus.

ω ωο

ωο=λfπω ,

λ f

dimana: = diameter berkas laserω

ωο = diameter laser fokus

2. SpektometerSpektometer dari sistem hamburan cahaya terdiri dari 2 bagian utama dan sistem penunjang. Dua bagian utama tersebut adalah sample cell dan sistem optis. Sedangkan sistem penunjang terdiri dari sistem filtrasi dan sistem pengatur suhu. Sampel cell yang terdsedia dipasaran memilik banyak bentuk yaitu silinder, oktogonal dan kotak. Dengan diameter dan tebal yang berbeda begitu juga bahan yang berbeda. Bahan sampel cell ini berpengaruh terhadap pembiasan cahaya yang terjadi jika punya indeks bias yang sama dengan pelarut yang digunakan. Untuk itu, bila kita gunakan pelarut yang sama dengan waktu panjang sebaiknya memilih bahan sampel cell yang punya indeks bias sama dengan bahan pelarut. Diameter atau tebal sampel berpengaruh pada sampel yang

diperlukan dan pelemahan intensitas cahaya datang sebelum masuk ke daerah hamburan (scattering region) semakin tebal sampel dan semakin tinggi konsentrasilarutan akan mengakibatkan pelemahan intensitas cahaya datang yang semakin besar. Bentuk sample berpengaruh terhadap sudut – sudut pengamatan. Untuk sampel cell yang berbentuk kotak biasa digunakan pada pengamatan sudut hamburan (45 , 90 ,135 ). Sedang untuk sudut yang lebih variatif,ᵒ ᵒ ᵒ

90ᵒ

kotak oktogonal silinder

Sistem optis dirancang untuk mengurangi pembiasan pemantulan, hambiran balik dan untuk menentukan daerah hamburan sistem optis ini terdiri dari:

1. Vat2. Prisma Ganda (Beam Stopper)3. Lensa double konveks 3 1 2

1. VatDi dalam Vat diisi dengan refracting index matching liquid (RIML) cairan yang memiliki indeks bias sesuai denga sampel cell yang bisa berupa toluen, hexana, dekana dan lain-lain (vat berupa silinder dengan masukan datar).Pelemahan cahaya karena pemantulan dikueangi dengan cara membuat enterence flat, sedang untuk mengurangi pembiasan yang terjadi pada permukaan sampel cell digunakan RIML yang memiliki indeks bias sesuai sampel cellnya. Dan untuk mengurangi hamburan balik (back scatter) menggunakan BEAM STOPPER yang berbentuk prisma ganda yang sebagiannya dicat dengan warna hitam.

0.8mm 0.5 mm

2. Prisma Ganda (Beam Stopper)

Beam Stopper terdiri dari 2 prisma ganda yang sebagian permukaannya dicat hitam cahaya yang masuk dalam prisma ini mengalami pemantulan dan pembiasan berulang kali sehingga intensitasnya semakin lemah karena penyerapan yang dilakukan oleh bahan pembuat prisma dan cat hitam di dinding prisma. Hamburan balik perlu dikenalkan karena (back scatter) karena hamburan cahaya dari back scatter memberi sumbangan yang cukup besar terhadap hamburan cahaya yang masuk ke detektor pada sudut hamburan besar. Padahala pada dosis itu intensitas cahaya terhambur yang berasal dari cahaya datang relatif lemah.3. Lensa double konveks (cembung-cembung)

Lensa berfungsi memfokuskan cahaya di daerah hamburan agar intensitas di daerah tersebut maksdimal sehingga intensitas cahaya terhamburpun maksimal dan berfungsi menentukan volume daerah hamburan. Volume daerah hamburan yang dilihat oleh detektor berkaitan erat dengan konsentrasi partikel atau banyaknya partikel dalam volume hambran tersebut. Fluktuasi konsentrasi partikel di daerah hamburan berkorelasi dengan fluktuasi intensitas cahaya yang diterima oleh detektor.

Susunan Pin Hole dan LensaBerfungsi untuk menentukan volume hamburan yang dilihat oleh detektor, fluktuasi konsentrasi dalam hamburan berkorelasi dengan fluktuasi jumlah foton cahaya yang diterima detektor / satuan waktu. Agar detektor melihat objek dalam daerah hamburan sama seperti yang di terima di permukaann (detektor) maka lensa cemnbung-cembung haruus diposisikan pada posisi 2f dari hamburan dan possi 2f dari permukaan detektor. Pinhole (n0.4) berfungsi menentukan daerah hamburan dan menghalangi cahaya yang datang dari luar daerah hamburan. Sedangkan pinhole no. 5 berfungsi untuk menghalangi foton yang menyasar, supaya tidak masuk ke permukaan detektor. Susunan lensa dan pinhole ini dirangkai menjadi 1 dengan detektor yang konsentrik dengan sample cell.

move Moving Arm

Panjang moving arm 90cm. Moving arm itu tidak digunakan lagi pada sistim yang menggunakan Fiber Optic.

Sistem Filtrasi

RIML di dalam vet akan mudah kotor karena sample cell yang dimasukkan dan dikeluarkan dari vet mengalami kontak denga udara yang mengandung debu dan tangan peneliti yang kotor. Untuk diperlukan sistem pembersih RIML dengan menggunakan pompa dan filter. Ada 2 macam filter yang harus dipilih untuk mendapatkan hasil yang optimal yakni filter yang berbasis minyak dan filter yang berbasis air. Untuk RIML dengan bahan dasar toluene, dekana dan hexana dipergunakan filter yang berbasis minyak. RIML yang kotor dihisap oleh pompa masuk ke dalam pipa vet didorong ke dalam unit filtrasi untuk selanjutnya diteruskan ke dalam pipa outlet kembali kedalam vat. Mekanisme seperti ini menyebabkan terjadinya percampuran antara RIML yang sudah bersih dan yang masih kotor sehingga untuk pembersihan RIML ini diperlukan waktu yang relatif lama, berkisar 15-30 menit. Waktu filtrasi ditentukan oleh kualitas filter dan kekeruhan RIML sendiri.

Sistem Kontrol Suhu

Pengontrolan suhu di dalam sistem hamburan cahaya bisa dilakukan melalui dua cara:

1. Dengan mengikuti suhu ruang. Maka ruang penelitian untuk sistem hamburan cahaya. Dibuat tertutup rapat untuk menjaga stabilitas suhu ruang dan untuk menjaga debu agar tidak masuk ke dalam.

2. Dengan membuat Housing untuk sample cel yang trtutup dan sistem pemanas yang dapat dipergunakan untuk menaikkan / menurunkan suhu.

Untuk mekanisme yang pertama, pengaturan suhu dilakukan dengan termometer, sedangkan yang kedua menggunakan termistor. Pengaturan suhu ini sangat penting, karena suhu berpengaruh terhadap index agar bahan pelarut dan permitivitas / konstanta dielektrik larutan.

Sistem Detektor

Sistem deteksi hamburan cahaya terdiri dari:1. Photomultiplier tube (PMT)2. Pulsa amplifier and discriminnator (PAD)

katoda

foton pulsa 105−107 elektron

Sebuah foton cahaya yang diterima oleh katoda dari PMT akan menghasilkan sebuah foto elektron. Sebuah foto elektron yang bergerak dan menghantam fotodinoda akan menghasilkan dua buah elektron yang lain. Dua buah foto elektron tersebut menghantam dinoda nerikutnya menghasilkan 8 buah elektron, begitu seterusnya sampai ke ujung PMT yang lain dalam waktu yang singkat, menghasilkan 105-107 elektron. Elektron sebanyak itu mengalir dalam bentuk pulsa/ denyut dan dimasukkan ke dalam input PAD. Oleh unit amplifier pulsa yang berada dalam bentuk tegangan listrik / arus listrik diperkuat. Sinyal yang dihasilkan dimasukkan ke dalam unit diskriminator. Di dalam unti diskriminator ini, sinyal tersebut diseleksi yang berada dalam kriteria tertentu diteruskan untuk dinalisa, sedangkan yang tidak sesuai dengan kriteria, ditolak.

PMT V+∆V ∆V

V analisa

Amplifier

Sistem Analisis Data

Data yang berwujud pulsa yang dikeluarkan PAD dianalisis menggunakan digital corelator. Yang berupa sebuah kartu MCA (Multi Channel Analyzer) beserta softwarenya untuk menganalisis data dan menggunakan fungsi korelasi dini. Ini adalah fungsi yang digunakan untuk menganalisis statistik random. Keluaran dari konektor ini bisa berupa grafik dan juga berupa ukuran partikel langsung.

Sistem Fiber Optic

Sistem hamburan cahaya yang konvensional memiliki ukuran relatif besar. Ukuran ini berpengaruh terhadap biaya pembuatan dan kesulitan di dalam transportasi alat dari satu lokasi ke lokasi lain (tidak portable) untuk itu para ilmuwan memilih menggunakan Fiber Optic dalam menciptakan hamburan cahaya yang comoag (kecil-portable) dalam konteks ini Fibe rOptic dapat memiliki fungsi ganda, sebagai pipa cahaya dari cahaya datang masuk ke dalam larutan dan sebagai pipa cahaya dari cahaya terhambur masuk ke dalam detektor. Dalam konteks FO yang kedua, dapat dibuat 2

sistem hamburan cahaya yang berbeda yaitu multi fixed angle system dan loose sistem artinya bebas bergerak.

FO cahaya datang

prope sampel

laser

Double layer dalam sistem non poler akan mengalami modifikasi bila partikel mengalami kuat medan listrik yang sangat tinggi. Dalam medan listrik yang rendah untuk partikel bola double berbentuk bola simetri dan bersifat konsenttrik terhadap partikel. Dengan partikel berada pada posisi depan pada elips tersebut. Pusat bola partikel bergeser ke depan. Sedangkan untuk kuat medan listrik yang sangat tinggi bola keluar dari double layer. Posisi double layer tertinggal di belakang.

E rendah double layer

E medium double layer

E tinggi

double layer hilang

Teori hamburan cahaya telah dikembangkan oleh ilmuwan yang berbeda dengan tujuan yang berbeda sesuai dengan kondisi yang dipersyaratkan dengan mereka. Ada yang mengembangkan sebagai teori yang dimanfaatkan untuk menentukan bentuk partikel, ada pula yang memanfaatkannya untuk ukuran dan muatan partikel.

Beberapa teorinya telah dikembangkan untuk menentukan ukuran partikel dikenal sebagai:

1. Static Light Scattering (HC statis)2. Dynamic Light Scattering (HC dinamis)

Untuk hamburan cahaya statis terkenal ada 3 teori, yakni:1. Hamburan Rayliegh 2. Hamburan Rayliegh-Gan-Debyer (RGD)3. Hamburan Mie

Sedangkan hamburan cahaya dinamis dikenal dengan nama yang berbeda yaitu Photon Correlation Spectroscopy (PCS). Untuk pengukuran partikel telah dikembangkan teori:

1. Laser Doppler Electrophoresis (LDE)2. Phase Analysis Light Scattering (PALS)

LDE memanfaatkan efek Doppler untuk menentukan kecepatan gerak partikel. Kecepatan gerak partikel berhubungan dengan mobilitas partikel dan mobilitas elektroforesis partikel tsb, berhubungan dengan muatan pada efek Doppler. Terbentuknya layangan BEAT karena interferensi antara cahaya datang dengan cahaya terhambur. Sedangkan PALS memanfaatkan terjadinya peredaan perubahan fase cahaya yang dihamburkan oleh partikel yang bergerak. Sebuah partikel yang berada pada posisi Xi akan menghamburkan cahaya dengan fase ∅ 1 berbeda dengan cahaya yang datang. Kerika partikel ietu bergerak ke posisi Ⅹ2, maka cahaya yang dihamburkan oleh partikel tersebut pada posisi baru, akan mengalami perubahan fase juga, namun besarnya berbeda yakni ∅ 2. Maka ketika partikel bergerak dari posisi Ⅹ1 ke posisi Ⅹ2 akan mengalami perubahan posisi sebesar ∆Ⅹ = Ⅹ2 - Ⅹ1 dan cahaya yang terhambur akan mengalami perubahan fase sebesar ∆Ⅹ = ∅ 2 - ∅ 1. Oleh karena itu, perubahan posisi

per satuan waktu: ∆Ⅹ

∆Ⅹ = V ∽

Δ∅Δt

.

Maka dengan mengamati perubahan perbedaan fase, akan dapat ditentukan kecepatan partikel. Kecepatan partikel ini berhubungan dengan mobilitas dan mobilitas berhubungan dengan muatan.

Hamburan Rayliegh

Rayliegh mengamati partikel yang sangat kecil, yang berbentuk bola dan berfungsi sebagai partikel penghambur. z A

y

A’ x

cahaya

Bila partikel berbentuk bola yang sangat kecil, seperti gambar di atas, mendapatkan cahaya datang searah sumbu Z dengan kuat medan listrik terpolarisasi tegak lurus dalam bidang x,z dan diamati dari titik A yang berjarak r dari pusat partikel, maka intensitas cahaya terhambur yang diberikan oleh Rayliegh sebesar:

I=16π4ɑ6

r2 x4¿ φ

Dengan: ɑ = radius partikel r = jarak titik pengamatan ke pusat partikel

m = indeks bias relatif (n1n2

) dengan, n1= indeks bias partikel

n2 = indeks bias pelarut = panjang gelombang cahayaλ

Bila cahaya terpolarisasi tegak lurus dengan bidang hamburan y,z maka

I=16π4ɑ6

r2 x4 [m2−1m2+2]

Polarisasi bidang tegak lurus bidang hamburan (y,z) di sisi lain jika bidang hamburannya diambil bidang (x,z) artinya polarisasi cahaya searah dengan bidang hamburan, maka

φ ¿ π2 - ϴ

atau sin = cos φ ϴ

Maka polarisorisasi yang searah dengan bidang hamburan:

I=16π4ɑ6

r2 x4¿ ϴ

Hukum Rayliegh-Gans-Debye (HRGD)

RGD adalah teori hamburan untuk partikel yang jauh lebih besar daripada penghambur Rayliegh dengan ukuran yang sembarang. Pada prinsipnya teori ini menganggap partikel penghambur RGD merupakan kumpulan partikel penghambur Rayliegh. Erhambur diberikan oleHamburan total dari RGD merupakan kumpulan dari elemen-

elemen kecil hamburan Rayliegh. Untu kcahaya yang terpolarisasi tegak lurus bidang hamburan, intensitas cahaya terhambur diberikan oleh:Tegak lurus:

I= k 4 v2

4 π2 r2[m2−1]2 P( )ϴ ϴ

Sejajar:

I= k 4 v2

4 π2 r2[m2−1]2 cos2 P( )ϴ ϴ

Dengan,K = angka GelombangV = volumeP = faktor bentuk (form factors)

Misal untuk partikel yang berbentuk bola

P(ϴ)= 9 π2u3

j23/2(U )

Dengan, j2

U = K a

= vektor gelombang = Π4 πλ

sin ( θZ

)

J 32

= fungsi based orde 32

Hamburan PartikelAdalah hamburan yang terjadi pada partikel penghambur yang berbentuk bola dengan ukuran yang sembarang dan indeks bias yang sembarang pula. Untuk partikel seperti ini Mie memberikan

I= λ2

4 π2 r2Si2

Fiber Optic

Banyak dimanfaatkan dalam sistem hamburan cahaya FO. Biasanya dimanfaatkan untuk miniaturisasi perangkat hamburan cahaya sehingga dihasilkan alat yang compact , berukuran relatif kecil, lebih murah dan portable.Fungsi FO adalah untuk transmisi cahaya dalam arti memandu cahaya dari satu ujung ke ujung lainnya. Mekanisme pemanduan cahaya didasarkan pada total internal reflection (pemantulan internal sempurna) sehingga secara struktural FO terdiri dari 2 bagian:

Bagian Utama, terdiri dari: core dan clading Bagian Penunjang, berfungsi sebagai pelindung, terdiri dari: buffer, kevlar, jacket

Inti

kulit

jacket

Fiber core dan clading terbuat dari silica dengan unsur Boron, Phospor dan sejenisnya untuk mengatur besar kecilnya indeks bias. Indeks bias clading biasanya dibuat lebih kecil daripada core untuk memperoleh total internal reflection. Buffer terbuat dari bahan plastik / PVC yang relatif lebih keras daripada bahan fiber, namun masih tetap memiliki kelenturan yang tinggi. Buffer berfungsi untuk melindungi fiber dari tekanan samping sehingga tidak mudah pecah.Sedangkan Cevlar berfungsi untuk melindungi fiber dari regangan. Serabut kevlar ini tidak mudah putus sekalipun ditarik dengan kuat bahkan tidak mudah diputus, dengan menggunakan gunting logam. Tetapi dapat putus dengan gunting keramik. Sedangkan jaket berfungsi sebagai pelindung kevlar, agar tetap berada di tempatnya tidak menyebar dan berfungsi untuk pembeda antara 1 fiber dengan fiber lainnya, karena warna jaket yang berbeda-beda.

Di pasaran tersedia FO dalam bentuk kabel (kabel tunggal) dan dalam bentuk bundle (kumpulan orang). Berdasarkan transmisi cahaya di dalamnya, fiber optic dibagi menjadi 2 macam, yakni: single mode dan multi modeSingle mode biasanya sekitar 5 – 10 mm. Multi mode 5 – 10 mm>Fiber single mode memiliki sudut divergen yang kecil, sehingga cahaya masuk dengan sudut datang yang besar akan tertolak. Berkas cahaya yang merambat di dalam core mengalami pemantulan yang relatif lebih kecil dibanding dengan multi mode, sehingga pelemahan cahaya pada single mode lebih kecil daripada multi mode. Berdasarkan

bentuk lintasan cahaya yang berada di dalam core fiber optic dibagi menjadi 2 macam pola, yakni:

1. Step index2. Graded index

Di dalam FO step index, berkas cahaya menjalar dalam lintasan lurus, terpantul dari satu titik ke titik lain, step by step.

Step index

Graded index

Sedangkan untuk Graded Index, berkas cahaya menjalar di dalam core dengan lintasan berbentuk sinusoida. Hal ini disebabkan karena besar indeks ias yang bervarias ite3rhadap sumbu FO core.Besar indeks bias pada posisi r, dari sumbu fiber, diberikan persamaan:

nr=n0(1−A r2

2)

Dengan,

nr= indeks bias pada posisi r dari sumbu core

n0 = indeks bias pada sumbu 0

r = jarak posisi yang ditinjau dari sumbu 0

√A = refractive index graded constant

Lensa Grind

Adalah bentuk raksasa dari FO, dengan graded index. Di dalam lensa grind, cahaya membentuk lintasan sinusoida. Lensa grind ini ebrmanfaat untuk melakukan polimasi cahaya, artinya cahaya terfokus dapat diubah menjadi cahaya sejajar, begitu juga sebaliknya. Lensa ini diukur dengan satuan Pitch.

1 Pitch = panjang lensa ( lensa grind)

1 P =

1p

Dimana cahaya melintasi di dalamnya dalam satu panjang gelombang. Jika sejajar:

Maka

LED

Ukuran real dari lensa Grind diberikan oleh persamaan:

Z=2 π p√A

P = pitch

Sedang unsur sudut divergennya sering diberi nama

NA: Numerical Apechere

: sin ϴ

: [Anr rO

2(1−R2)1−R2 sin∅

]1/2

dengan R = rr 0

rϴ

x

r 0

Transmisi cahaya di dalam FO dapat mengalami pelemahan, yang disebabkan oleh:

1. Refleksi2. Refraksi3. Absorbsi4. Coupling (menggabung)5. Junction (sambungan)

Refleksi yang menyebabkan terjadinya pelemahan terjadi tidaknya hanya saat cahaya masuk dari fiber, tetapi terjadi juga refleksi dari permukaan batas core dengan clading. Begitu pula pada saat cahaya kelua dari fiber. Pelemahan cahaya karena refleksi terjadi karena cahaya yang sama. Bahkan sebagian cahaya yang dibiaskan dari core ke clading akan menjadi berkas cahaya yang hilang. Pelemahan cahaya karena absorbsi terjadi karena impuritis bahan untuk fiber, dan sengaja karena doping. Pelemahan karena Coupling terjadi karena fiber dicouple dengan bahan lain seperti lensa grind/ konvensional. Pelemahan karena junction terjadi karena fiber yang putus disambung/ didaerah penyambungan.

Fiber Optic Lensa Grind ¼ P

α 0

t 1 t 2 r 0