Macam-Macam Detektor dan Prinsipnya

         Hai guys, kemarin aku dapat tugas makul Dasar Analisis Spektrometri disuruh nyari tentang prinsip dari macam-macam detektor. Kemarin sempat kelabakan nyari materi tentang ini. Kaya'nya masih sedikit orang yang memposting tentang materi ini, nggak tahu kenapa? Karena pengalaman itu, aku mau berbagi materi nih ke teman2 semua. Semoga bisa bermanfaat. :)

Detektor Foton

Detector foton merupakan bagian dari fotodetektor yang telah dikenal selama ini. Berdasarkan tipenya, fotodetektor dapat dibagi menjadi dua yaitu detector foton dan detector panas.

Detector foton mendeteksi cahaya berdasarkan pada prinsip quantum photoelectric effect. Prinsip  quantum photoelectric effect yaitu foton mengeksitasi carrier sehingga menghasilkan photocurrent. Photoelectric effect didasarkan pada energi foton hv, dengan mengacu pada panjang gelombang λ yang berkaitan dengan energi transisi ∆E.

Untuk membuat foton dapat mengeksitasi carrier, energi foton harus lebih besar dari energi transisi (hv > ∆E). Pada divais semikonduktor, energi transisi ∆E merupakan gap energi dari semikonduktor. Sehingga untuk memanipulasi fotodetektor tersebut dapat dilakukan dengan memanipulasi energi gap dari semikonduktor dengan memilih material semikonduktor dengan energi gap tertentu.

 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 dan intensitas yang melewati sample. Untuk mengukur intenstias sinar UV diperlukan suatu peralatan yang disebut detector (UV detector). Ada beberapa jenis UV detector yang ada saat ini, yaitu :

1.  Sel Photovoltaic 

            Foto sel (Photovoltaic atau Barrier Layer Cells) digunakan untuk deteksi dan pengukuran radiasi pada daerah tampak. Suatu Barrier Layer Cells  terdiri dari sebuah plat logam yang dilapisi dengan suatu lapisan semikonduktor. Biasanya dipakai logam besi dengan lapisan semikonduktor selen. Suatu lapisan transparan yang sangat tipis dari perak dilekatkan di atas semikonduktor dan berlaku sebagai elektron kolektor.

            Energi cahaya yang jatuh di atas permukaan akan sampai ke semikonduktor dan mengeksitasi elektron-elektron pada permukaan perak-selen yang akhirnya menuju ke elektron kolektor. Suatu daerah hypotical barrier rupanya terjadi diantara permukaan semikonduktor yang memudahkan elektron meninggalkan semikonduktor menuju elektron kolektor. Arus listrik yang dihasilkan oleh detektor kemudian diperkuat dengan amplifier dan akhirnya diukur oleh indikator biasanya berupa recorder analog atau komputer.

  Sel surya mengubah cahaya menjadi listrik.Sel surya sering kali disebut sel photovoltaic, photovoltaic dapat diartikan sebagai "cahaya-listrik". Sel surya atau sel PV bergantung pada efek  photovoltaic untuk menyerap energi matahari dan menyebabkan arus mengalir antara dua lapisan bermuatan yang berlawanan. Sel surya biasanya berbentuk wafer bulat diameter 3 inci (7,6 cm) dan tebal 300 mm.

            Kepingan sel photovoltaic terdiri atas kristal silikon yang memiliki dua lapisan silisium doped, yaitu lapisan solar sel yang menghadap ke cahaya matahari memiliki doped negatif dengan lapisan fosfor, sementara lapisan dibawahnya terdiri dari doped positif dengan lapisan borium. Antara kedua lapisan dibatasi oleh penghubung p-n. Jika pada permukaan sel photovoltaic terkena cahaya matahari maka pada sel bagian atas akan terbentuk muatan-muatan negatif yang bersatu pada lapisan fosfor. Sedangkan pada bagian bawah lapisan sel photovoltaic akan membentuk muatan positif pada lapisan borium. Kedua permukaan tersebut akan saling mengerucut muatan masing-masingnya jika sel photovoltaic terkena sinar matahari. Sehingga pada kedua sisi sel photovoltaic akan menghasilkan beda potensial berupa tegangan listrik. 

2.    Phototube

Phototube (Photo Emissive Cell) bentuk yang sederhana terdiri dari suatu bola gelas yang hampa udara atau berisi gas mulia pada tekanan rendah, misalnya argon pada 0,2 mmHg. Di dalam bola terdapat katoda yang berbentuk lempeng setengah lingkaran dan bagian dalamnya dilapisi zat yang sangat peka terhadap cahaya, misalnya campuran cesium oksida atau kalium oksida dan perak oksida. 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.

3.    Photomultiplier Tube (PMT)

Cara kerja PMT mirip Phototube, terdiri dari 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. Maka untuk setiap foton sinar yang jatuh pada katoda pada akhirnya akan dibebaskan 10^6– 10^7 elektron yang terkumpul di anoda.

4.    Detektor Semikonduktor

Bahan semikonduktor, yang diketemukan relatif lebih baru daripada dua jenis detektor di atas, terbuat dari unsur golongan IV pada tabel periodik yaitu silikon atau germanium. Detektor ini mempunyai beberapa keunggulan yaitu lebih effisien dibandingkan dengan detektor isian gas, karena terbuat dari zat padat, serta mempunyai resolusi yang lebih baik daripada detektor sintilasi.

Pada dasarnya, bahan isolator dan bahan semikonduktor tidak dapat meneruskan arus listrik. Hal ini disebabkan semua elektronnya  berada di pita valensi sedangkan di pita konduksi kosong. Perbedaan tingkat energi antara pita valensi dan pita konduksi di bahan isolator sangat besar sehingga tidak memungkinkan elektron untuk berpindah ke pita konduksi ( > 5 eV ) seperti terlihat di atas. Sebaliknya, perbedaan tersebut relatif kecil pada bahan semikonduktor ( < 3 eV ) sehingga memungkinkan elektron untuk meloncat ke pita konduksi bila mendapat tambahan energi.

Energi radiasi yang memasuki bahan semikonduktor akan diserap oleh bahan sehingga beberapa elektronnya dapat berpindah dari pita valensi ke pita konduksi. Bila di antara kedua ujung bahan semikonduktor tersebut terdapat beda potensial maka akan terjadi aliran arus listrik. Jadi pada detektor ini, energi radiasi diubah menjadi energi listrik.

Sambungan semikonduktor dibuat dengan menyambungkan semikonduktor tipe N dengan tipe P (PN junction).Kutub positif dari tegangan listrik eksternal dihubungkan ke tipe N sedangkan kutub negatifnya ke tipe P seperti terlihat pada Gambar 7. Hal ini menyebabkan pembawa muatan positif akan tertarik ke atas (kutub negatif) sedangkan pembawa muatan negatif akan tertarik ke bawah (kutub positif), sehingga terbentuk (depletion layer)  lapisan kosong muatan pada sambungan PN. Dengan adanya lapisan kosong muatan ini maka tidak akan terjadi arus listrik. Bila ada radiasi pengion yang memasuki lapisan kosong muatan ini maka akan terbentuk ion-ion baru, elektron dan hole, yang akan bergerak ke kutub-kutub positif dan negatif. Tambahan elektron dan hole inilah yang akan menyebabkan terbentuknya pulsa atau arus listrik.

Oleh karena daya atau energi yang dibutuhkan untuk menghasilkan ion-ion ini lebih rendah dibandingkan dengan proses ionisasi di gas, maka jumlah ion yang dihasilkan oleh energi yang sama akan lebih banyak. Hal inilah yang menyebabkan detektor semikonduktor sangat teliti dalam membedakan energi radiasi yang mengenainya atau disebut mempunyai resolusi tinggi. Sebagai gambaran, detektor sintilasi untuk radiasi gamma biasanya mempunyai resolusi sebesar 50 keV, artinya, detektor ini dapat membedakan energi dari dua buah radiasi yang memasukinya bila kedua radiasi tersebut mempunyai perbedaan energi lebih besar daripada 50 keV. Sedang detektor semikonduktor untuk radiasi gamma biasanya mempunyai resolusi 2 keV. Jadi terlihat bahwa detektor semikonduktor jauh lebih teliti untuk membedakan energi radiasi.

Kelemahan dari detektor semikonduktor adalah harganya lebih mahal, pemakaiannya harus sangat hati-hati karena mudah rusak dan beberapa jenis detektor semikonduktor harus didinginkan pada temperatur Nitrogen cair sehingga memerlukan dewar yang berukuran cukup besar.

5.    Photo Diode-Array/ PDA (Detektor Diode Silikon)

            PDA merupakan detektor dengan teknologi modern.Detektor yang terdiri atas suatu tatanan yang teratur (array) dari fotodiode aktif dalam jumlah yang sangat banyak (330 buah). Tiap foto diode memberikan respon spesifik terhadap radiasi dengan panjang gelombang tertentu, sehingga radiasi elektromagnetik dengan rentang panjanggelombang yang luas (UV-Vis) dapat diterima dengan serempak. Hal ini mengakibatkan proses scanning dapat berlangsung dengan cepat.

            Dioda yang paling umum adalah silikon, yang mempergunakan panjang gelombang radiasi antara 0,82 mm dengan 1,1 mm, serta germanium, pada panjang gelombang radiasi antara 1,4 mm dengan 1,9mm. Pengkondisian sinyal biasanya melibatkan rangkaian dioda standar dimana radiasi yang datang akan mengakibatkan pergeseran dalam titik operasi dioda.

            Suatu diode array terdiri atas serangkaian detektor fotodiode yang posisinya berdampingan dengan kristal silikon. Susunan tersebut biasanya mengandung antara 100 dan 200 elemen tergantung pada instumennya.Siklus pindah lebih kurang 100 mili detik. Cahaya dilewatkan melalui suatu polikromator yang menghamburkannya sehingga jatuh pada diode array, yang akan mengukur seluruh rentang spektrum sekaligus.

            Keunggulan detektor ini dibandingkan detektor lain adalah sumber radiasinya tunggal, radiasi yang diukur polikromatis, sehingga sampel kompartemen terbuka, wave length reproducibility karena tidak ada gerakan mekanis untuk mengatur panjang gelombang, dan kecepatan scanning sangat tinggi. (Tim Penyusun, 2008).

Detector Termal

Detector termal mendeteksi cahaya dengan memanfaatkan kenaikan suhu ketika energi cahaya diserap oleh permukaannya.Dengan prinsip kerja tersebut, divais ini biasanya digunakan untuk detector cahaya dengan panjang gelombang far-infrared.

1.    Thermocouple

            Thermocouple adalah dua logam yang didekatkan yang apabila terpapar oleh kalor dengan suhu tertentu akan menghasilkan beda potensial. Thermocouple suhu didefinisikan sebagai jumlah dari energi panas dari sebuah objek atau sistem. Perubahan suhu dapat memberikan pengaruh yang cukup signifikan terhadap proses ataupun material pada tingkatan molekul (Wilson, 2005). Sensor suhu adalah device yang dapat melakukan deteksi pada perubahan suhu berdasarkan pada parameter-parameter fisik seperti hambatan, ataupun perubahan voltage (Wilson, 2005). Salah satu jenis sensor suhu yang banyak digunakan sebagai sensor suhu pada suhu tinggi adalah termokopel seperti pada gambar dibawah ini:

            Thermocouple adalah salah satu dari beberapa jenis sensor temperatur yang menggunakan metode secara elektrik.Sensor ini terdiri atas dua kawat halus yang terbuat dari logam seperti platina (Pt) dan perak (Ag) atau antimony (Sb) dan bismuth (Bi). Kemudian kawat ini dikoneksikan menjadi satu sama lain pada salah satu ujungnya. Thermocouple memiliki paling sedikit dua atau lebih hubungan yang memiliki fungsi yaitu hubungan pertama sebagai variable pengukuran (hot junction) dan hubungan yang kedua sebagai referensi variable (cold junction) yang digunakan sebagai pembanding antar elemen.

            Detektor thermocouple mempunyai impedansi tinggi. Energi radiasi inframerah akan menyebabkan terjadinya pemanasan pada salah satu kawat dan panasnya ini sebanding dengan perbedaan gaya gerak listrik yang dihasilkan dari kedua kawat.  Detektor ini bekerja berdasarkan efek peltir dimana selisih tegangan akan timbul antara dua tempat sambungan logam-logam 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 (A. L. Underwood : 1993).

            Thermocouple dibangun berdasarkan Asas Seeback dimana bila dua jenis logam yang berlainan disambungkan ini akan menjadi rangkaian tertutup sehingga perbedaan temperature pada sambungan akan menimbulkan beda potensial listrik pada kedua logam tersebut, selanjutnya akan dibaca oleh alat ukur temperatur (Fraden, 2003).

            Prinsip kerja dari thermocouple adalah adanya perbedaan panas secara gradien sehingga menghasilkan tegangan listrik yang disebut sebagai efek termoelektrik. Untuk mengukur perubahan panas ini, gabungan dua macam konduktor sering dipakai pada ujung benda panas yang diukur. Konduktor tambahan ini akan mengalami gradiasi suhu, dan perubahan tegangan secara berkebalikan dengan perbedaan temperatur benda.  Apabila menggunakan logam yang berbeda untuk melengkapi sirkuit akan menghasilkan tegangan yang berbeda, meninggalkan perbedaan kecil tegangan akibatnya dapat dilakukan pengukuran, yang bertambah sesuai temperatur. Thermocouple hanya mengukur perbedaan temperatur di antara 2 titik bukan temperatur absolut.

            Apabila digunakan sebagai detektor, maka sambungan dingin dilindungi dengan cermat terhadap efek-efek pemanasan dengan suhu konstan, sebaliknya sambungan panas disinari dengan inframerah, sehingga suhu sambungan tersebut akan naik. Selisih tegangan yang ditimbulkan dalam kawat penghubung diantara kedua sambungan tersebut bergantung pada selisih suhu antara kedua sambungan tersebut, sehingga hal ini bergantung pada banyaknya sinar inframerah yang mencapai sambungan panas. Detektor thermocouple yang peka akan memberikan respon kepada perubahan suhu sebesar 100C (A. L. Underwood : 1993).

2.    Bolometer

            Bolometer merupakan semacam thermometer resistansi yang terbuat dari kawat platina atau nikel. Dalam hal ini akibat pemanasan akan terjadi perubahan tahanan pada bolometer sehingga sinyal menjadi tidak seimbang. Sinyal yang tidak seimbang ini kemudian diperkuat sehingga dapat dicatat atau direka. Bagian yang paling utama dari detektor ini adalah suatu logam atau suatu konduktor yang tipis. Apabila sinar inframerah mengenai bolometer maka temperaturnya akan naik, dengan berubahnya temperatur tersebut maka tahanan listrik bolometer akan berubah pula.

            Prinsip kerja bolometer ini apabila sinar inframerah mengenai bolometer akan mengalami perubahan tahanan listrik sebagai fungsi temperatur atau suhu. Logam atau setengah konduktor bolometer ini merupakan salah satu tahanan pada jembatan Wheatstone. Sepotong logam atau setengah konduktor lain yang sama, tetapi yang tidak disinari dengan sinar inframerah 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 (A. L. Underwood:1993).

            Apabila bolometer tersebut dikenai oleh sinar inframerah, 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).

Sumber :
http://ardyone.com/photon-detektor-sebagai-aplikasi-photodetektor/

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

http://www.batan.go.id/pusdiklat/elearning/Pengukuran_Radiasi/Dasar_04.htm