低温辐射计计量比对研究

徐 楠， 俞 兵， 史学舜， 张鹏举，范纪红， 刘志伟， 林延东

(1.中国计量科学研究院， 北京 100029； 2. 西安应用光学研究所，陕西 西安 710065；3. 中国电子科技集团公司第四十一研究所，山东 青岛 266555)

1 引 言

绝对辐射计是最早用于作为光辐射计量基准的探测器。绝对辐射计中的光接收面是一层吸收系数比较高的黑色物质构成的，接收光照射后会产生温升。绝对辐射计的工作原理就是利用光辐射加热和电加热的等效性来测量光辐射功率。随着科学技术的不断发展，常温绝对辐射计经历了多次不断的改进，到20世纪80年代，使用常温绝对辐射计测量光辐射功率的不确定度水平已经接近0.1%;然而由于工作在常温环境下，绝对辐射计受到材料、环境等诸多因素的影响，其测量不确定度难以进一步改善。

通过改进英国NPL用于测量斯忒藩-玻尔兹曼常数和复现热力学温度的系统，到20世纪80年代中期，Martin J 等建立了第一个测量光辐射功率达到10-4不确定度水平的装置——低温辐射计[1,2]。低温辐射计是工作在真空、低温(～4K)条件下的绝对辐射计，其工作原理和绝对辐射计是相同的，但由于工作在液氦温度所以突破了常温下环境和材料的限制，并且真空、超导技术基本隔绝了热对流与热传导，因此低温辐射计的测量不确定度比常温绝对辐射计降低了约一个量级，显示出了极其卓越的性能，成为光辐射计量领域的热点和重点。低温辐射计达到光辐射探测最低不确定度，成为国际上公认的光辐射测量最准确的方法[3]。除光谱透射比和反射比等量纲为一的物理量外，如激光功率、探测器响应度、光度、辐射照度与辐射亮度响应度等关键光辐射量值均可以与低温辐射计建立联系并由此提高相应量的测量准确度[4～11]。

为提高光学相关量值的测量准确度， 验证不同实验室间的低温辐射计装置的一致性，由中国计量科学研究院作为主导实验室组织了低温辐射计比对，参比实验室包括中国电子科技集团第四十一研究所与西安应用光学研究所。比对自2021年10月起，于2021年12月底完成。比对结果将为各实验室的探测器量值源头——低温辐射计的量值一致性提供参考依据。

2 比对方法与路线

2.1 比对方法

此次实验室间的比对传递标准的传递方式为：中国计量科学研究院(简称中国计量院)校准传递探测器后发送给中国电子科技集团第四十一研究所(简称中电科41所)，经中电科41所校准后发送给中国计量院，经中国计量院校准后再发送给西安应用光学研究所(简称西安205所)，经西安205所校准后返回中国计量院校准。在此过程中中国计量院负责在发送前后检测传递标准的稳定性。

2.2 传递标准

由于整套系统的复杂难以通过搬运至同一实验室进行，低温辐射计通常通过对传递探测器进行功率响应度定标的方法进行比对。虽然这样比对的不确定度稍大于低温辐射计整体搬运到一起的直接比对，但仍然能在绝大多数应用范围需要的不确定度内证明低温辐射计的准确性与一致性。

此次比对选择响应度非常稳定的陷阱探测器作为传递标准探测器，并选择常用且性能可靠的氦氖激光波长632.8 nm进行传递探测器的功率响应度比对。比对的传递标准由2只硅陷阱探测器与1套电流-电压放大器(IV放大器)组成，均由主导实验室提供。硅陷阱探测器是3片式反射结构，IV放大器的放大倍数溯源至国家电阻基准与电压基准。各参比实验室利用各自的低温辐射计装置测量同一传递标准探测器在632.8 nm激光波长下的功率响应度，通过相互之间探测器功率响应度标定结果的比较从而实现实验室间低温辐射计的量值比对。

2.3 测量装置

各实验室的测量装置包括氦氖激光器、光功率稳定系统、空间滤波器、光开关、光阑、低温辐射计以及探测器定标部分。首先利用低温辐射计测量稳定激光输出的光功率，之后光路切换到传递标准探测器，由探测器响应输出光电流，通过IV放大器后用数字电压表读出输出电压，扣除暗背景后可计算标准探测器的功率响应度。

现有的低温辐射计按照光入射真空的方式可分为激光窗口型与Y形窗口型两种。中电科41所与西安205所的低温辐射计为激光窗口型[12～14]。如图1所示，低温辐射计的真空入射窗口为布鲁斯特窗口，在真空中测量经窗口入射后的激光功率，之后激光入射到处于空气中的传递标准探测器进行功率响应度的测量，因此在测量传递标准探测器的响应度时还需进行布鲁斯特窗口的透射比测量。

图1 布鲁斯特窗口式低温辐射计系统示意图Fig.1 Cryogenic radiometer system with Brewster window

中国计量院的低温辐射计系统为Y形窗口型，如图2所示，低温辐射计与传递标准探测器处于同一真空腔内，共用Y形窗口，从而低温辐射计与传递标准探测器在自动切换时可以实现共光路的状态，透射比始终保持不变，因此无需进行真空窗口的透射比测量[15～18]。

图2 Y形窗口式低温辐射计系统示意图Fig.2 Cryogenic radiometer system with Y-shape window

3 比对结果

3.1 测量结果

表1至表3分别为各参比实验室的测量结果数据，包括两个传递标准探测器在632.8 nm下的功率响应度、测量重复性以及合成标准不确定度。

表1 中电科41所测量结果Tab.1 Results measured by the 41th Research Institute of CETC

表2 西安205所测量结果Tab.2 Results measured by Xi’an Institute of Applied Optics

表3 中国计量院测量结果Tab.3 Results measured by National Institute of Metrology

中电科41所测量结果的合成测量不确定度为0.025%，不确定度分量包括低温辐射计功率测量(含窗口透射比)、响应电压测量、激光功率稳定度、探测器定位、前置放大器校准、测量重复性;其中低温辐射计功率测量(含窗口透射比)分量最大，为0.017%。

西安205所测量结果的合成测量不确定度为0.02%，不确定度分量包括低温辐射计功率测量、窗口透射比、前置放大器校准、杂散光、响应电压测量、测量重复性;其中前3项较大的分量均为0.01%。

中国计量院测量结果的合成测量不确定度为0.015%，不确定度分量包括低温辐射计功率测量、前置放大器校准、响应电压测量、测量重复性;其中前两项较大的分量均为0.01%。

主导实验室中国计量院在整个比对过程中对传递标准的漂移进行了监测，且传递标准的漂移小于0.005%，因此中国计量院的功率响应度测量结果取3次监测结果的平均值。

3.2 比对参考值计算

比对共同参考值的计算采用国际常用的加权平均法：使用xi(每个实验室测量值)和ui(此不确定度包含了每个实验室的测量不确定度和与传递探测器相关的不确定度)计算加权平均值，在加权平均值中，与每个结果xi相关的权重wi可以从不确定度ui中计算出来：

(1)，

则加权平均值为

(2)，

其中，与传递探测器相关的比对测量不确定度是由探测器本身特性所决定。与传递探测器相关的比对测量不确定度评定如表4所示，包括均匀性、温度特性、角度特性、偏振特性及探测器漂移等，最终合成的不确定度为0.009%。

表4 与传递探测器相关的比对测量不确定度评定Tab.4 Uncertainties associated with the transfer detectors for comparing results.

根据第3.1节的测量结果与表4数据，利用式(2)计算此次比对的加权平均值，可得表5的结果。

表5 比对加权平均值与相对标准不确定度Tab.5 Weighted mean of comparison results and relative standard uncertainty

3.3 比对结果

计算各参比实验室相对于加权平均值的相对偏差与相对标准不确定度(包含了每个实验室的测量不确定度、与传递探测器相关的不确定度与加权平均值的不确定度)，可得表6与表7。

表6 2001SI探测器相对参考值的偏差与相对标准不确定度Tab.6 Relative difference from the reference value of 2001SI and relative standard uncertainty 10-4

表7 2003SI探测器相对参考值的偏差与相对标准不确定度Tab.7 Relative difference from the reference value of 2003SI and relative standard uncertainty 10-4

将表6与表7的数据用国际通用的棒状图方式表示，如图3与图4所示，圆点表示相对参考值的偏差，棒的长度表示不确定度。

图3 2001SI探测器比对结果Fig.3 Relative difference in the calibration of the transfer detectors 2001SI.

图4 2003SI探测器比对结果Fig.4 Relative difference in the calibration of the transfer detectors 2003SI.

将表6与表7的数据用归一化偏差En值[19，20]的方式表示，如表8所示，各实验室的En值均远小于1。

表8 实验室比对的归一化偏差En值Tab.8 En value of comparison for two transfer standards

4 结 论

随着低温辐射计的制作工艺进步以及吸收腔的高吸收率涂层与腔型结构的优化设计，在较宽波长范围内腔体对光辐射的吸收比较容易实现在0.999 9以上，因此此次比对结果可作为低温辐射计在不同波长下光辐射功率绝对测量能力的参考依据。

各参比实验室相对于比对参考值的测量偏差在±0.02%之内，各参比实验室的En值均远小于1，证实了各参比实验室的基于各种类型和来源的低温辐射计的测量结果具有较好的一致性。这既表明了各参比实验室的光辐射功率测量能力的一致性，也表明了各参比实验室使用低温辐射计进行对陷阱探测器等进行量值传递的能力。