紫外探測器的輻射定標及標準傳遞

陳 健 ，王偉國，高慧斌，劉廷霞，吉桐伯，于洪君

(1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春130033;2.中國科學院 研究生院，北京100039)

1 引 言

近年來，隨著科學技術的快速發(fā)展，紫外光學在空間科學、材料、生物物理和等離子物理等領域顯示出了廣闊的應用前景，尤其是國內(nèi)外空間紫外光學遙感領域的發(fā)展，使得針對紫外空間遙感方向的研究顯得尤為重要［1-5］。

隨著定量化遙感研究的深入及測量精度的不斷提高，用紫外波段的高精度標準來標定各類傳感器，評估其測量精度、穩(wěn)定性以及數(shù)據(jù)可比較性十分必要。從理論上講，實現(xiàn)絕對光譜輻射定標的途徑有兩個:一是基于輻射光源的標準光源定標法，二是基于輻射探測器的標準探測器定標法。目前，在紫外輻射定標領域，標準光源定標方法被廣泛采用，但由于其標準源不確定度較高( 2%) ，且定標過程中引入了較多不確定因素，使得定標精度無法進一步提升。而采用標準探測器定標方法一方面降低了標準源的不確定度( 1.2%) ，同時所采用的定標原理更為合理，消除了部分不確定因素，因此該方法是提高紫外波段輻射定標精度的最有效手段。本文圍繞紫外探測器標準的建立及量值傳遞過程展開討論，對探測器定標方法的研究和定標精度的提升有著重要意義［6-10］。

2 紫外探測器標準建立

美國國家標準研究院( NIST) 的高精度低溫輻射計( HACR) 系統(tǒng)結構及工作原理如圖1 所示。以無氧銅為材質的圓柱型斜底腔作為接收腔，其內(nèi)壁鍍有 Ni-P 涂層，腔體吸收率＞0.999 9。Rh-Fe 電阻溫度傳感器和薄膜加熱器置于腔體底部，腔體與5 K 的熱沉相連，熱沉與液氦儲藏池相連。整個輻射計內(nèi)真空度＜133.3 ×10-5Pa，使液氮持續(xù)較長時間，并消除了熱對流。55 K 的屏蔽套位于吸收腔外用于阻擋熱輻射，而接收腔與外界沒有熱傳導，基本處于絕熱狀態(tài)。溫度為77 K 的保溫液氮儲藏池位于液氦儲藏池外側，用于減小液氦的消耗。輻射計入射窗( Brewster) 對線偏振光的透射比可達0.999 7。當接收腔接收光輻射后，將光能轉化為熱能，腔體溫度逐漸升高，溫度值由溫度傳感器記錄;然后關掉光源，用位于腔體底部的薄面加熱器對腔體進行加熱至相同溫度，此時記錄下加熱電壓和電流，計算出光功率，即可得出入射光的光功率［12-16］。

圖1 NIST 高精度低溫輻射計Fig.1 High accuracy cryogenic radiometer in NIST

低溫輻射計的基本原理［17］為:采用溫度傳感器測量探測器接收面相對于溫度恒定熱沉的溫升，達到穩(wěn)態(tài)后測量探測器的溫升;然后屏蔽入射光，調節(jié)探測器加熱功率。當穩(wěn)態(tài)條件下探測器的溫升與光加熱的溫升相同時，測量加熱探測器的電功率，如此等效于測量入射到探測器的光功率。

對于低溫輻射計腔體，由于吸收熱輻射量與溫度變化呈嚴格的線性關系，在實際測量中，須施加一個高加熱功率和一個低加熱功率，使平衡溫度位于光加熱平衡溫度的兩側，然后通過線性插值求得光功率的大小。光功率的測量由1 次光加熱和2 次電替代加熱組成，如圖2 所示。對于光功率測量有:

式中:Plaser為光加熱功率值，PL為低電壓替代加熱功率值，PH為高電壓替代加熱功率值，Tlaser為光加熱平衡時的溫度值，TL為低電壓替代平衡時的溫度值;TH為高電壓替代平衡時的溫度值。

圖2 電代替法測量原理Fig.2 Measurement principle of electricity substitution method

1，4 為光功率加熱，溫度平衡至Tlaser;2，5 為低電功率加熱，溫度平衡至TL;3，6 為高電功率加熱，溫度平衡至TH。

利用電替代方法測量光功率，必須要得到準確的施加電功率值。由于通過高穩(wěn)定度的直流電壓源發(fā)送的電功率并不是全部提供給吸收腔的加熱電阻［17-18］，還有部分被標準電阻、傳輸導線等負載所分擔，所以在實際實驗過程中，利用數(shù)字電壓表實時地對加熱電阻和標準電阻上的電壓進行測量，最終結果由式(3) 求得:

式中:Pheat為電代替功率，Vsr為標準電阻兩端電壓;Rsr為標準電阻阻值，Vhr為加熱電阻兩端電壓。

在實驗過程中，當獲得1 組高電壓替代加熱的溫度和功率值，以及1 組低電壓替代加熱的功率和溫度值之后，可以利用線性插值法獲得當前光功率值。最終的光功率由式(4) 求得:

式中:Pcorr為校正后的光功率，T為窗口透射率，Pe為電替代線性插值求得的光功率，A為腔體吸收率，S為由低溫輻射計內(nèi)部的四象限硅光電二極管測得的進入低溫輻射的雜散光。

在以上校正因子中，只有腔體吸收率較為固定，而窗口透射率與入射光線的偏振度、布魯斯特窗的角度調節(jié)及其潔凈度等因素有關。因此有必要在實驗進行前測量; 雜散光可通過電壓表對四象限硅光電二極管測量獲得。

通過以上過程建立了低溫輻射計標準，但直接利用低溫輻射計對待測探測器進行標準傳遞是難以實現(xiàn)的，主要有以下幾點原因:

(1) 由于低溫輻射計的自身工作特性，它所能測量的光源只能為激光光源。

(2) 安裝并測量低溫輻射計花費的時間特別長，通常一個波長要幾天時間。

(3) 測量波段也局限在可利用的激光，一般適用于高精度低溫輻射計( HACR) 高精度測量的光輻射能量約為0.8 mW，明顯高于正常光輻射應用的值。

因此，需要將高精度低溫輻射計的標準傳遞給其他便于應用的探測器。

3 紫外探測器標準量值傳遞

3.1 傳遞標準探測器—陷阱探測器

圖3 陷阱探測器結構示意圖Fig.3 Configuration of trap detector

鑒于低溫輻射計在實際定標應用中的缺陷，找到一個適合的探測器來攜帶低溫輻射計的標準進行標準傳遞就成為了關鍵。經(jīng)過多年研究，陷阱探測器被公認為目前最好的傳遞標準探測器。比起單片式的光電二極管，陷阱探測器具有低反射率，低溫度系數(shù)，較好的空間和角度均勻性等優(yōu)點［19］，其結構如圖3 所示。

第1，2 個硅管的入射面相互垂直，入射角相等，第3 個硅管正入射，反射光束沿原路返回，3 個光電二極管在光路上并聯(lián)。這種設計有如下優(yōu)點:

(1) 通過多次反射，總反射率大為降低;

(2) 第1，2 個硅管的入射面相互垂直，入射角相等，第3 個硅管正入射，保證了探測器對入射光的偏振態(tài)是非常敏感的;

(3) 多次吸收提高了光電轉換效率和靈敏度。

3.2 傳遞標準探測器—熱電探測器

由于陷阱探測器工作波段有限，無法實現(xiàn)紫外波段的標準傳遞，因此需要采用熱電探測器作為另一個傳遞標準探測器，進行紫外波段的標準傳遞。

熱電探測器的性能取決于其金黑材料的吸收比［20］，根據(jù)能量守恒定律: 其吸收比αp( λ) 可表示為:

式中，ρ( λ) 為反射率。因此，其光譜響應度Rp( λ) 可表示為:

式中:τw( λ) 為熱電探測器窗口透射率，CFp為定標因子，由輸出信號和接收光強之比決定，這個因子可通過與陷阱探測器的對比定標給出。而熱電探測器反射率可由Lambda-19 分光光度計測得［21］。窗口透射率可由NIST 透射率測量裝置測得。

3.3 標準傳遞過程

本文以NIST 的紫外探測器標準傳遞過程為例，介紹紫外探測器標準的傳遞過程。

整個標準傳遞過程如圖4 所示，以高精度低溫輻射計( HACR) 作為絕對標準探測器，以陷阱探測器作為傳遞探測器。首先用HACR 對陷阱探測器進行定標，并利用定標后的陷阱探測器對待測光電管探測器在可見光波段上進行標定，再利用陷阱探測器對熱電探測器進行標定，然后用標定好的熱電探測器對硅探測器在紫外波段上進行擴展定標，最終完成待測硅探測器紫外波段的定標工作。

圖4 NIST 探測器標準傳遞過程Fig.4 Procedure of standard transmission for NIST detector

由低溫輻射計對陷阱探測器進行標準傳遞的裝置如圖5 所示，在406 ～920 nm 上選取9 個激光波長進行定標。采用替代法，用HACR 給出陷阱探測器的量子效率，其不確定度為0.05%［18］。

圖5 HACR-陷阱探測器的標準傳遞過程及定標后的陷阱探測器量子效率Fig.5 Standard transferring procedure from HACR to trap detector and the calibrated quantum efficiency of trap detector

利用定標過的陷阱探測器作為傳遞標準探測器，對待測的硅探測器進行可見光波段的定標。之后就要把其定標波段擴展到紫外波段。這里應用熱電探測器作為第二級的傳遞標準探測器。用陷阱探測器對熱電探測器進行可見光波段標定，給出其響應度。由于熱電探測器響應度與波長無關，因此，可以在紫外波段(200 ～400 nm) 用標定后的熱電探測器對待測的硅探測器進行定標。

圖6 NIST 紫外探測器定標裝置Fig.6 Calibration instrument of NIST UV detector

由陷阱探測器及熱電探測器對待測硅探測器的定標裝置如圖6 所示，它由氬弧光源、光柵雙單色儀、前置光線系統(tǒng)、后置光學系統(tǒng)、探測器轉臺組成。將熱電探測器及待測硅探測器置于轉臺上，在計算機控制下交替移入光路，隨著光柵轉動，不同波長單色光照射在探測器接收面上，分別用熱電探測器及待測硅探測器進行信號采集。標定時以5 nm為間隔，定標波段為200 ～400 nm。

在熱電探測器響應度已知的情況下，可對待測硅探測器進行紫外波段的響應度定標，同樣采用替代法，待測硅探測器的響應度Rx可表示為:

式中:Rp( λ) 為熱電探測器的響應度;Bx( λ) 為待測硅探測器與監(jiān)視探測器信號的比值;Bp( λ) 為熱電探測器與監(jiān)視探測器信號的比值。

通過以上方法完成了對待測硅探測器紫外波段的定標。該探測器結構緊湊，性能穩(wěn)定，便于在實際定標工作中的應用。在所選取的紫外波段220 ～400 nm，其不確定度為0.38% ～1.2%。利用這種攜帶紫外探測器標準的硅探測器可實現(xiàn)在輻射定標具體研究工作中的應用。

4 結 論

本文深入探討了紫外探測器標準的建立及發(fā)達國家建立探測器基準的發(fā)展現(xiàn)狀，并詳細介紹了其標準傳遞過程，以便加深對紫外探測器標準的認識，促進紫外探測器定標方法的使用和完善，研究結果對探測器定標方法的研究和紫外輻射定標精度的提高有著重要意義。

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