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技术文章

辐射计校准技术的研究

2005/10/31 19:48:00

         摘　要: 　辐射计校准是一种用校准过的标准探测器对通用探测器进行校准的技术。它以绝对辐射计(标准辐射计) 作为最高标准, 通过选择合适的辐射源标准, 用标准辐射计对传递标准探测器进行校准。辐射计校准最核心的设备是标准辐射计和标准辐射源。介绍了使用标准辐射计校准探测器的基本原理。对提高光谱分辨率所用的标准选择问题作了讨论。通过讨论, 解决了如何选择探测器和辐射源的问题。通过探测器和辐射源类别的列表以及它们的性能比较, 并根据这些性能指标进行权衡, 以便选择出合适的标准探测器和标准辐射源。
关键词: 　辐射计; 校准技术; 探测器

引言
    用标准辐射计进行高准确测量, 必须考虑以下3 个问题: 第1, 满足辐射计工作范围的辐射源; 第2, 用于测量性能可*且稳定的工作标准; 第3, 能够完成工作标准和一级、二级标准的传递以及工作标准和一级、二级标准的比对步骤(例如: 校准操作步骤)。下面对这些问题进行一一讨论, 以便能够选择出最适合的且最好的工作标准。
1　一级标准的选择
    完成一项特殊测量任务时, 应该选择最好的一级标准。通常选择的标准探测器的不确定度(如绝对辐射计) 应小于标准源(如黑体辐射源) 的不确定度。因此, 应用探测器标准需首先考虑对工作标准的传递, 这样将不会使不确定度大幅度增加。由此可以看出, 用以上所考虑的标准辐射计对非选择性的热电堆和功率计校准显然是可行的。它同样也适用于确定选择性探测器的响应度, 甚至可以对二级标准灯的总辐射度进行校准, 而二级标准灯是检测非选择性热电堆时间稳定性很好的工具。根据以上考虑进行操作并且保持环境恒定, 二级标准灯的辐照度稳定在每小时3×105W öm 2。利用黑体校准标准灯及滤波器将会限制投射到探测器的光谱范围, 校准不确定度将增加。这不仅是由于几何测量和黑体大的光谱范围的相对不确定度以及滤波器绝对光谱传输率的影响, 更准确地说, 是由于滤波器自身的不确定度以及自身因环境的改变而改变。
      确定校准灯光谱分布时, 需考虑辐射源的光谱范围。若将两个仪器的光谱直接比较, 则不必考虑光谱选择仪器的光谱传输率。确定被测灯的光谱分布方法与用已知标准探测器的光谱响应率确定另一未知探测器的光谱响应率相同。
    总之, 辐射计校准最基本的设备是一套标准探测器和标准辐射源。适用于实际测量的标准越多,校准时间越短, 工作标准范围的传递不确定度就越小。为了确保不同标准的光谱范围一致, 应使光谱范围重叠, 以便于不同校准标准之间的比较。

2　探测器的校准步骤
   为了准确校准探测器, 首先通过一个例子讨论存在的一些问题。例如, 为了确定一个硅光电二极管的绝对光谱响应度, 以探测器标准作为出发点,选择发射源, 通常选用一个有色激光器作为光源(如图1 所示)。它产生单色辐射, 其波长能够通过波长计准确测量, 其功率同硅光电二极管相比足够
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高。由于激光的发散角很小, 经历的光学路径又长,从而避免了由于热辐射产生的误差; 另一方面, 普通的激光源有两个缺点, 即它的功率比其它辐射计使用的白织灯的功率稳定性差, 而且标准探测器和硅光电二极管是交替使用的。为了解决这两个问题, 通常采用电光平台或参考信号法: 第一种方法使辐射功率大量减小且对频率重新作了调整; 第二种方法使用参考电路补偿的办法(图1 中采用)。

    一定比例的辐射通过分束镜进入参考通道, 应满足以下4 条件。
(1) 分束镜分光的比例对时间和温度来说是常量, 使用这种办法时, 由于光束进入参考探测器的光线是楔入的, 避免了干涉。如果光束有侧移, 那么参考探测器应当有非常好的空间均匀性, 且温度应保持恒定, 以确保对偏移不敏感。
(2) 主光路和参考光路的信号必须同步读出,最好能通过2 个计算机控制数字电压值。
(3) 参考信号通常通过参考探测器的光电二极管产生。这个参考信号是对时间常数积分而得到的, 积分通过R 2C 电路执行, 通过编程器积分器数字电压表可实现积分容量时间常数的准确调整。
(4) 激光功率的变化不能太快。辐射计吸收产生的热从产生的地方到被传感的地方传播时间需要短。这个过程中, 辐射计接受的功率不仅被时间常数所平均, 而且被延迟了。为了解决这个问题, 测量信号的数字电压表应有相应的延迟。否则, 光路中探测器的输出信号与参考光路中参考探测器的输出信号之比率对激光器功率的波动变化不灵敏。
   如果考虑上述4 个条件, 用标准绝对辐射计测量的“归一化”激光功率5 n 为


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   确定探测器光谱响应度存在的另一个问题是激光光源的非均匀性。如果光源不均匀, 那么将有可能导致被校光电二极管结果的非均匀性。例如对v (K) 曲线进行校准时, 高照度水平下, 光源的非均性与非线性相关。因为在许多情况下, 曲线的非线性是照度而不是辐射功率的函数, 所以评价一个好的同类辐射是否在线性范围内是必要的。实际应用中, 一个非常均匀的辐射通常是通过从高斯光束中分割出一个孔径, 用一个被校准的长焦镜头将分割的孔径成像在探测器表面来获得的。另外, 许多类似辐射的获得也可以积分球作为二级辐射源(参见图1)。为了减小损失, 积分球的入口应当小, 并且内表面的涂层反射率应尽可能地高。硅光电二极管光谱响应度通常是利用汞灯或石英卤素灯来完成的。因为它的辐射是通过双色仪进行选择的(如图2 所示) , 因此更适用于宽的波长范围。此外, 光源的光谱范围宽也是一个优点。



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  如果不满足以上4 个条件, (6) 式将不适用。为了提高光谱分辨率, 要求双单色仪的光谱带宽仅在几纳米内, 其结果是仅有几毫瓦的激光功率可以利用。这对一个绝对辐射计同光电二极管直接比较是行不通的, 因此必须在其中间加入更灵敏的二级标准作为传递。
    确定二级传递标准最简单的办法是使用一个与被测硅光电二极管尺寸相同的已校准的硅光电二极管作为二级标准, 但由于二极管时间稳定性很短, 对实验不利, 因此我们使用高灵敏的真空热电堆作为二级标准。它们有较高的响应率和较小的时间常数, 通常取很小的灵敏面并作成细缝型。但这样做的缺点是, 它不可能可*地将辐射聚焦到双单色仪的出射狭缝处并在灵敏面上以量的形式表示,并且对于光谱灵敏度来说, 由于没有准直, 故而产生百分之一的损耗(是不能接受的)。另一方面, 这种损耗在相对光谱校准上没有负面影响。对于相对测量来说, 损耗仅与波长有关, 对于系统而言可忽略(如图2 所示)。这意味着将热电堆作为二级标准时仅适合于相对光谱灵敏度的测量。对于绝对光谱响应度的测量要使用其它的办法, 例如, 同时用汞发射器和滤光片可确定绝对光谱响应度。
   相对光谱响应度测量用的传递标准是非选择性的腔形热电堆, 为了保持它的非选择性, 热电堆必须在窗口外操作。但由于没有窗口, 探测器随外界空气波动很灵敏, 它将产生一个毫瓦级的等效噪声功率。为了准确测量, 必须提供几十毫瓦的辐射功率, 该辐射功率对双单色仪来说是不能接受的。如果使用单个单色仪, 则将会产生大量的杂散辐射, 但不会影响测量准确度, 因为被校准的热电堆与腔探测器一样无选择性。
    从另一方面讲, 使用腔探测器对选择性探测器( 如光电二极管v (K) ) 进行校准时, 由于杂散辐射的存在导致校准失败(但使用已校准的同类型v (K) 探测器对其进行校准除外)。同理可知, 单个单色仪的高带宽不会产生严重的误差, 且(6) 式仍适用。

2　工作标准和校准环境的选择
      对工作标准的选择普遍采用以下准则: 第一,从标准到其它测量仪器校准的传递容易且准确, 设备要小。第二, 用户用不熟悉的设备执行常规校准时, 尽可能选择与曾经用过的相似的设备, 并且在校准工作标准和后续设备时, 测量环境应尽可能相同(包括辐射面位置和面积、辐照度量级、光束发散角、温度、探测器的阻抗及相对湿度)。
    更严格的要求是找出工作标准的时间稳定性极限目前。使用黑色燃料的涂层不仅比光电二极管稳定, 也比热探测器稳定, 因为后者常常用极易碎的黑金涂层。
    探测器的其它选择准则是处理的方便性和对实验室环境以及测量电子装置的要求。若考虑上面准则, 则光电二极管优于热探测器。例如, 对于无窗口的热电堆, 需要一个不随波动变化的空气房。为了避免测量误差, 探测器视场内的温度必须保持恒定。这些要求对于热电探测器来说是不严格的, 因为使用这种探测器会出现其它的误差源。例如, 对声音噪声的灵敏, 调制器的发热和空间不均匀性,探测器的输出信号依赖于光束尺寸的大小和形状。
3　结束语
    主要探讨研究了利用辐射计校准时的传递标准——标准探测器的校准过程及如何选择最好工作标准装置的问题。对这两个问题的讨论结果是,选择最好的辐射源和标准探测器可有效地减小辐射计校准过程中的不确定度。实验发现, 以热电堆作为探测器是一个比较好的选择。

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