Photomultiplier Tubes ( Tabung Photomultiplier) PDF

Preview

Summary

TUGAS OPTOELEKTRONIKA TENTANG PHOTOMULTIPLIER TUBES Disusun oleh : Devara Ega Fausta (M0212025) Tugas Ini Disusun untuk Memenuhi Ujian Kompetensi Dasar (UKD) III Mata Kuliah Optoelektronika JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA Mei 2015 i DA...

Description

TUGAS OPTOELEKTRONIKA TENTANG PHOTOMULTIPLIER TUBES

Disusun oleh : Devara Ega Fausta (M0212025)

Tugas Ini Disusun untuk Memenuhi Ujian Kompetensi Dasar (UKD) III Mata Kuliah Optoelektronika

JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA Mei 2015

i

DAFTAR ISI COVER SAMPUL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i DAFTAR ISI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ii

DAFTAR GAMBAR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii LATAR BELAKANG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

PENGERTIAN PHOTOMULTIPLIER TUBES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

BAGIAN PADA PHOTOMULTIPLIER TUBES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 SKEMA DAN PROSES PADA PHOTOMULTIPLIER TUBES. . . . . . . . 7 KARAKTERISTIK PHOTOMULTIPLIER TUBES . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 APLIKASI DARI PHOTOMULTIPLIER TUBES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 DAFTAR PUSTAKA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

ii

DAFTAR GAMBAR Gambar 1.a. Tampak depan tabung Photomultiplier. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 Gambar 1.b. Tampak samping kanan tabung Photomultiplier. . . . . . . . . . . . .

4

Gambar 1.c. Tampak samping kiri tabung Photomultiplier. . . . . . . . . . . . . . .

4

Gambar 2.a. Dimensi tabung Photomultiplier tipe- QL30. . . . . . . . . . . . . . . .

4

Gambar 2.b. Dimensi tabung Photomultiplier tipe- B2. . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

Gambar 3. Foto katoda dengan konfigurasi side-on. . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

Gambar 4. Foto katoda dengan konfigurasi head-on. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Gambar 5.a. Foto katoda jenis mode refleksi.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

Gambar 5.b. Foto katoda jenis mode transmisi . . .. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . Gambar 6.a. Tipe Circular Cage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6 7

Gambar 6.b. Tipe Box-and-Grid. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

Gambar 6.c. Tipe Linier Focused. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

Gambar 7.a. Skema dalam tabung Photomultiplier. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

Gambar 7.b. Proses yang terjadi dalam tabung Photomultiplier. . . . . . . . . . . . .8

iii

LATAR BELAKANG Fisika adalah suatu ilmu dasar yang dapat mempelajari dan menjelaskan fenomena-fenomena yang terjadi di alam. Banyak hal yang bisa dikaji dalam fisika, mulai dari peristiwa pada benda berukuran makro hingga berukuran mikro. Perkembangan zaman membuat ilmu fisika juga selalu mengalami perkembangan dalam berbagai ranah bidang. Banyak bermunculan cabang-cabang ilmu baru yang memadukan fisika dengan ilmu-ilmu yang lain. Sebelumnya dalam fisika telah terdapat beberapa cabang ilmu yang telah umum dikaji, misalnya : fisika teori, fisika material, fisika elektronika dan instrumentasi, fisika astronomi, fisika inti dan nuklir, serta fisika optika. Semua cabang ilmu kajian dalam fisika saling berkolerasi atau berhubungan antara satu ilmu dengan ilmu yang lainnya, hingga muncul berbagai cabang ilmu fisika baru yang dapat diterapkan dan diaplikasikan dalam kehidupan manusia sehari-hari. Salah satu perpaduan cabang ilmu fisika yang menghasilkan cabang ilmu baru adalah optoelektronika. Secara arti kata, optoelektronika merupakan gabungan dari kata opto (optika) dan elektronika. Optoelektronika dapat diartikan sebagai Optoelektronika adalah cabang ilmu yang mengkaji peralatan elektronik yang berhubungan dengan cahaya dan dianggap juga sebagai sub-bidang fotonika. Dalam konteks ini, cahaya yang dikaji juga merangkumi semua spektrum cahaya dalam geleombang elektromagnetik (spektrumelektromagnetik). Dalam cabang ilmu ini, kelebihan-kelebihan yang didapati daripada penggabungan dari bidang optik dan elektronik ini, adalah untuk dapat menghasilkan suatu peralatan yang jauh lebih baik dan bermanfaat terutama yang berkaitan dengan teknologi telekomunikasi serat optik itu sendiri. Aspek penting dalam bidang ini adalah bagaimana memanfaatkan sumber foton sebagai media pengantar bit informasi [1] ., Dalam optoelektronika, banyak diterapkan dalam suatu aplikasi pada perangkat elektronik yanng berfungsi mendeteksi serta mengontrol sumber cahaya atau dapat dikatakan sebagai peralatan yanng difungsikan untuk mengubah dari tenaga listrik ke optik atau sebaliknya. Sumber cahaya yang digunakan dalam aplikasi diantaranya adalah fotodioda, LED, LASER, dan tabung Photomultiplier. Beberapa sumber ini telah banyak digunakan pada beberapa perangkat optoelektronik yang biasa digunakan dalam bidang telekomunikasi serat optik, atau digunakan sebagai sensor [2] Karena aplikasi dan penggunaan alat optoelektronika yang semakin hari semakin diperlukan, maka optoelektronika merupakan salah satu cabang ilmu yang terus berkembang dan diharapkan mampu untuk menghasilkan alat-alat

1

optoelektronika yang mampu bermanfaat dalam kehidupan manusia sehari-hari. Salah satu alat optoelektronika yang kini dikembangkan adalah photosensor atau photodetector. Photodetector merupakan suatu sensor cahaya atau energi elektromagnetik yang lainnya [3]. Beberapa jenis dari photodector adalah LED, Optical Detector, photovoltaic, photodiodes, phototubes, phototransistors, quantum dot photoconductors, dan Photomultiplier tubes [4]. Tabung Photomultiplier merupakan salah satu perangkat optoelektronika yang berfungsi untuk mengukur cahaya yang sangat lemah. Tabung mengandakan efek dari cahaya yang mengenainya dan mengkonversikan foton dari cahaya kedalam sinyal listrik, sehingga cahaya dapat diukur secara tepat. Untuk mengetahui mengenai apa itu Photomultiplier, bagaimana prinsip kerjanya, dan apa aplikasi dari alat tersebut, serta apa kelebihan dan kekurangannya, maka dibuatlah suatu artikel yang membahas mengenai Photomultiplier [5]. PENGERTIAN PHOTOMULTIPLIER TUBES Photomultiplier merupakan alat yang sensitif terhadap cahaya yang secara optik terhubung dengan kristal Natrium Iodine (NaI). Tujuannya adalah untuk menkornversikan energi cahaya dari kristal menuju energi listrik dan memperkuat pulsa hasil kelistrikan. Tabung Photomultiplier terdiri dari foto katoda dan biasanya serinya 10 dynodes. Selubung kaca diluarnya berfungsi sebagai tekanan batas untuk mempertahankan kondisi kevakumannya didalam tabung, itulah yang diperlukan. Sehingga, elektron dengan energi rendah dapat dipercepat secara efektif dengan medan listrik internal [6]. PRINSIP KERJA PHOTOMULTIPLIER TUBES Pada Photomultiplier, ketika cahaya masuk dalam foto katoda, foto katoda mengeluarkan foto elektron kedalam vakum. Foto elektron merupakan elektron yang dihasilkan dari peristiwa efek fotolistrik. Elektron dapat menyerap energi dari foton yang dipancarkan. Semua energi dari satu foton harus diserap dan digunakan untuk membebaskan satu elektron dari ikatan atom, atau energi yang di emisikan kembali. Jika energi foton diserap, beberapa energi akan membebaskan elektron dari atom, dan sisanya berkontribusi terhadap energi kinetik elektron sebagai partikel bebas [7]. Foto elektron ini selanjutnya diarahkan dengan memfokuskan tegangan elektroda kearah pengganda elektron (electron multiplier) dimana elektron akan digandakan oleh proses secondary emission. Secondary emission adalah fenomena dimana partikel utama yang kelebihan energi, kemudian mengenai permukaan atau melewati suatu material mengakibatkan emisi dari partikel sekunder. Bentuk

2

ini sering diasumsikan terhadap emisi dari elektron ketika partikel bermuatan seperti elektron atau ion dalam tabung vakum mengenai suatu permukaan metal, yang dinamakan elektron sekunder [8]. Elektron yang digandakan dikumpulkan oleh anoda sebagai suatu sinyal keluaran (output). Karena penggandaan emsisi kedua, tabung Photomultiplier menyediakan sensitivitas tinggi dan noise atau gangguan yang rendah diatanara alat yang sensitif terhadap cahaya yang kini digunakan mendeteksi energi radiasi dari ultra violet, tampak, dan dekat daerah sinar infra merah. Tabung Photomultiplier juga mempunyai kelebihan seperti : respon cepat, noise rendah, dan pilihan area yang sensitif terhadap cahaya luas [9]. Bentuk dari alat Photomultiplier dapat dilihat pada gambar 1 (a), 1 (b), dan 1 (c) sebagai berikut :

(a)

(b)

3

(c) Gambar 1.(a) Tampak depan tabung Photomultiplier [10] (b) Tampak samping kanan tabung Photomultiplier [11} [12], dan (c) Tampak samping kiri tabung Photomultiplier [13] BAGIAN PADA PHOTOMULTIPLIER TUBES Pada gambar 1 (a), (b), dan (c) merupakan bentuk dari Photomultiplier. Secara umum, ukuran dari Photomultiplier (dalam tulisan ini diambil contoh phtomultiplier produksi Et Enterpires Limited) untuk beberapa tipe yang berbeda ditunjukkan pada gambar 2 (a) dan 2 (b) sebagai berikut :

(a)

(b) Gambar 2 (a) Dimensi tabung Photomultiplier tipe- QL30, (b) Dimensi tabung Photomultiplier tipe- B2 [14] Pada gambar 2 (a) dan (b) mendiskripsikan dimensi dari tabung Photomultiplier dalam satuan milimeter (mm). Untuk tabung Photomultiplier 4

tipe- QL30 mempunyai massa sebesar 260 gram dan tipe-B2 mempunyai massa sebesar 1200 gram. Tabung Photomultiplier secara umum mempunyai foto katoda pada konfigurasi side-on atau head-on. Pada tipe side-on mendapatkan sinar menembus bagian samping dari bolam kaca. Pada umumnya, tabung Photomultiplier tipe side-on mempunyai harga yang murah dan secara luas digunakan untuk spektrofotometer dan sistem fotometrik umum. Kebanyakan tipe side-on menggunakan fotokatoda yang buram (fotokatoda mode refleksi) dan sebuah tempat pengganda elektron dengan struktur melingkar yang mempunyai sensitivitas dan penguatan yang tinggi pada tegangan masukan yang relatf rendah. Untuk tabung foto katoda dengan konfigurasi side-on ditunjukkan pada gambar 3 sebagai berikut :

Gambar 3. Foto katoda dengan konfigurasi side-on Tipe head-on (atau disebut juga end-on) mempunyai fotokatoda semitransparan (fotokatoda mode transmisi) disimpan pada permukaan bagian dalam dari jendela masuk. Tipe head-on memberikan keseragaman spasial yang lebih baik daripada tipe side-on yang punya fotokatoda mode refleksi. Fitur yang lain pada tipe head-on termasuk pilihan pada area fotosensitif dari puluhan milimeter persegi hingga ratusan sentimeter persegi. Variasi dari tipe head-on mempunyai jedela hemi-spherical yang luas telah dikembangkan untuk eksperimen fisika energi tinggi dimana sudtut penerimaan cahaya adalah penting. Untuk tabung foto katoda dengan konfigurasi side-on ditunjukkan pada gambar 4 sebagai berikut :

5

Gambar 4. Foto katoda dengan konfigurasi head-on [9] Untuk gambar 5 (a) dan 5 (b) merupakan gambar dari dua buah jenis foto katoda yang digunakan pada tabung Photomultiplier

(a)

(b) Gambar 5 (a) Foto katoda jenis mode refleksi (b) Foto katoda jenis mode transmisi Secara umum foto katoda adalah sebuah elektroda yang diberi muatan secara negatf pada alat pendeteksi cahaya seperti pada tabung photo multiplier dan photo tube yang dilapisi dengan material yang mempunyai sifat sensitif terhadap cahaya. Ketika foto katoda dikenai oleh foton, energi yang terserap menyebabkan emisi elektron karena efek fotolistrik [15]. Selanjutnya adalah pengganda elektron (electron multiplier). Sensistivitas yang sangat baik (penguatan arus tinggi dan rasio S/N yang tinggi) dari tabung Photomultiplier karena menggunakan pengganda elektron dengan noise rendah yang menguatkan elektron dengan proses emsisi sekunder elektron. Pengganda

6

elektron terdiri dari 8 sampai 19 bagian elektroda dinamakan dynode. Berikut ini merupakan beberapa contoh dari pengganda elektron yang digunakan pada saat ini:

(a)

(b)

(c) Gambar 6 (a) Tipe Circular Cage, (b) Tipe Box-and-Grid, (c) Tipe Linier Focused Pengganda elektron tipe Circular Cage pada gambar 6 (a) merupakan tipe yang umum digunakan pada tipe side-on dari tabung Photomultiplier. Fitur dari tipe ini adalah keutuhan dan respon cepat. Tipe box-and-grid pada gambar 6 (b) terdiri dari seperempat silinder dynode dan secara luas digunakan pada tipe headon tabung Photomultiplier, tipe ini mempunyai desain dynode yang simpel dan meningkatkna keseragaman walau responnya lambat. Selanjutnya, tipe Linier Focused yang diilustrasikan pada gambar 6 (c) mempunyai respon yang luar biasa cepat dan secara luas digunakan pada tabung Photomultiplier dengan konfigurasi head-on, dimana resolusi dan linieritas pulsa berperan penting. SKEMA DAN PROSES PADA PHOTOMULTIPLIER TUBES

(a)

7

(b) Gambar 7 (a) Skema dalam tabung Photomultiplier [16] (b) Proses yang terjadi dalam tabung Photomultiplier [17] Pada gambar 7(a) menunjukkan skema dari tabung Photomultiplier. Sedangkan, gambar 7(b) menggambarkan proses yang terjadi daidalam tabung tersebut. Pada gambar 7(b) terjadi beberapa proses pada tabung, saat mendeteksi sinyal cahaya yang dirubah menjadi energi listrik. Proses-proses tersebut yakni : 1. Cahaya masuk dari jendela masuk 2. Cahaya tereksitasi dalam fotokatoda, sehingga foto elektron dipancarkan kedalam vakum (efek fotolistrik eksternal) 3. Foto elektron dipercepat dan difokuskan dengan elektroda pemfokus kedalam dynode pertama dimana fotoelektron digandakan, atau terjadi proses emisi sekunder elektron. Emisi sekunder elektron mengalami perulangan secara berturut-turut pada setiap dynode 4. Penggandaan elektron sekunder dipancarkan dari dynode terakhir akhirnya dikumpulkan oleh anoda [18]

8

KARAKTERISTIK PHOTOMULTIPLIER TUBES Sama halnya dengan alat atau perangkat dengan basis elektronika yang lainnya, tabung Photomultiplier mempunyai beberapa karakteristik yang harus diperhatikan. Hal tersebut berkaitan dengan ranah dimana tabung Photomultiplier akan diaplikasikan atau digunakan sebagai komponen penunjang dalam suatu sistem instrumentasi sederhana maupun yang sudah rumit. Beberapa karakteristik yang harus diperhatikan antara lain : 1. Karakteristik waktu Tabung Photomultiplier merupakan foto detektor yang mempunyai respon waktu cepat. Waktu respon secara primer ditentukan oleh waktu transisi yang diperlukan untuk foto elektron dipancarkan dari foto katoda untuk mencapai anoda setelah digandakan sebagaimana perbedaan waktu transisi diantara setiap foto elektron. 2. Linieritas Tabung Photomultiplier menunjukkan linieritas yang baik dalam keluaran arus anoda pada rentang luas dari level sinar cahaya sebaik daerah penghitungan foton 3. Keseragaman Keseragaman merupakan variasi dari sinyal keluaran berdasar posisi foto katoda. 4. Stabilitas Variasi keluaran dari tabung Photomultiplier dengan waktu kerjanya secara umum digambarkan sebagai karakteristik “hidup”. Dengan kata lain, kemerosotan dihasilkan dari terkenan tekanan dari sumber tegangan, arus, dan suhu ruangan yang dinamakan sebagai “kelelahan”. 5. Histerisis Ketika sinar datang dari sumber tegangan dirubah dalam fungsi step, tabung Photomultiplier mungkin tidak menghasilkan keluaran yang sama dengan fungsi step tersebut. Fenomena ini yang dinamakan sebagai histerisis. 6. Arus gelap (Dark Current) Akan muncul arus lemah yang mengalir dalam tabung Photomultiplier bahkan saat dijalankan dalam keadaan benar-benar gelap, arus tersebut dinamakan arus gelap. Arus gelap idealnya harus dijaga sekecil mungkin karena tabung Photomultiplier digunakan untuk mendeteksi jumlah cahaya dan arus tiap menit.

9

7. Rasio S/N Ketika mengamati bentuk gelombang keluaran dari tabung Photomultiplier, dua jenis komponen noies dapat dilihat, satu muncul bahkan tanpa input sinyal, dan lainnya dihasilkan oleh sinyal input cahaya. 8. Afterpulsing Afterpulsing merupakan pulsa yang keluar setelah pulsa sinyal output. Terkadang afterpulse mengganggu pengukuran sinyal dengan tingkat yang lemah diikuti pulsa amplitudo yang lebar, mengurangi resolusi energi pada penghitungan sintilasi dan menghasilkan eror pada aplikasi penghitung pulse. 9. Ketergantungan Cahaya Terpolarisasi Sensitivitas Photomultiplier mungkin akan berpengaruh terhadap polarisasi cahaya. Ketika cahaya yang terpolarisasi memasuki bagian foto katoda pada bagian tabung Photomultiplier, pemantulan foto katoda bervariasi terhadap sudut datangnya [18]. APLIKASI DARI PHOTOMULTIPLIER TUBES Penggunaan tabung Photomultiplier sebagai alat tidak lepas tentunya dari peristiwa pengolahan sinyal listrik. Karena, telah dikethaui bahwa tabung Photomultiplier mempunyai fungsi untuk mengubah sinyal masukan cahaya menjadi keluran berupa sinyal listrik. Informasi yang berkaitan dengan sinyal cahaya dapat diklarifikasikan dalam tiga macam, sehingga aplikasi dari tabung Photomultiplier diklarifikasikan menjadi 3 jenis, yaitu : 1. Photon Counting Pada awal tahun 1950 astronot menggunakan Photomultiplier dalam photon counting untuk mengukur bintang dengan kekuatan yang sangat lemah. Sejak saat itu, terjadi peningkatan pesar dalam aplikasi photon counting. Informasi dalam sinyal mengandung laju deteksi foton dan struktur waktunya. Contoh penggunnan photon counting adalah :  Uji Kesehatan dan Narkoba  Pemeriksaan antibiotik, insektisida, dan bakteri dalam industri makanan  Hamburan laser dalam spektroskopi raman untuk analisis molekul  Pengukuran partikel sub-mikro

10

2. Pulse Encoding Teknik ini dikembangkan dalam industri tenaga nuklir untuk mengamati radiasi, menggunakan Photomultiplier dan sintilasi untuk mendeteksi X-Ray, sinar Gamma, dan ionisasi partikel telah meluas kedalam rentang penggunaan yang sangat komersial seperti :  Pengobatan Nuklir  Radiologi  Uji Non-Destructive  Pengamatan ketebalan dan massa jenis Sinyal informasi mengandung daerah dalam setiap pulsa dan laju kejadian. 3. Analogue Detector Digunakan pertama kali untuk membaca suara dalam film, Photomultiplier masih digunakan hari ini untuk menkonversi hasil tapak hasil celluloid kedalam bentuk digital dengan mesin penayang film dan scan dalam fotografi resolusi tinggi. Sinyal informasi mengandung level transisi, dan level absolut. Diaplikasikan dalam:  Mikroskop elektron  Spektroskopi masa  Inspeksi kaca  Pengamatan polusi [14]

11

DAFTAR PUSTAKA 1. Emmanuel Rosencher, Borge Vinter, (2002), Optoelectronics 2. Anonim. id.wikipedia.org/wiki/optoelektronika 3. (Haugan, H. J.; Elhamri, S.; Szmulowicz, F.; Ullrich, B.; Brown, G. J.; Mitchel, W. C. (2008). "Study of residual background carriers in midinfrared InAs∕GaSb superlattices for uncooled detector operation". Applied Physics Letters 92 (7): 071102.). 4. Anonim.tt. En.Wikipedia.org/wiki/detector) diakses : 17 Mei 2015 5. Anonim.tt. history.nih.gov/exhibits/bowman/scienPMT.html diakses : 18 Mei 2015 6. Cristina Zaveleta ( Photodiodes as Subtitues for Photomultiplier tubes) 7. Millikan, R. (1916). "A Direct Photoelectric Determination of Planck's "h"" (PDF).Physical Review 7 (3): 355–388) 8. H. Semat, J.R. Albright, Introduction to Atomic and Nuclear Physics, 5th ed., ch. 4.12, Chapman and Hall, London (1972)). 9. Hamatsu. Photomultiplier Tubes Construction anda Operating Characteristics Connections to External Circuits. (pdf) ). 10. Anonim.tt.(www.pchemlabs.com) diakses : 18 Mei 2015 11. Anonim.tt.(bigbangtheory.wikia.com) diakses : 19 Mei 2015 12. Anonim.tt. (www.kolumbus.fi) diakses : 19 Mei 2015 13. Anonim.tt. (www.hofstragroup.com) diakses : 19 Mei 2015 14.Anonim.tt.(http://www.et-enterprises.com/files/file/PMT-accessoriesbrochures/accessories_1.pdf) diakses : 19 Mei 2015 15.Anonim.tt.(en.wikipedia.org/wiki/Photocathode). Diakses : 20 Mei 2015 16.Anonim.tt.(www.bmglabtech.com) diakses : 20 Mei 2015 17.Anonim.tt.(www.olympu...