基于大口径高温固定点黑体的光谱辐射照度国家基准量值复现新方法

代彩红, 王彦飞, 李 玲, 吴志峰, 谢一航

中国计量科学研究院光学与激光计量科学研究所, 北京 100029

引 言

光谱辐射照度是光学领域的重要基础物理量, 是世界各国计量院独立复现和保存的关键基准量值, 被国际计量局确定为六项光学关键量值比对之一。 我国的光谱辐射照度国家基准装置始建于1975年, 为应对气候变化、 辐射遥感、 航空航天、 海洋水色、 气象观测、 材料光老化、 太阳能光伏、 光辐射安全、 成像显示、 照明、 光电子、 光刻、 紫外线消毒等领域提供了最高量值溯源标准[1-3]。 1989年、 2000年、 2010年分别对基准装置进行了三次能力提升, 形成第二代、 第三代、 第四代基准装置, 1990年、 2004年、 2017年三次代表我国参加了国际计量局组织的光谱辐射照度国际关键比对CCPR-K1.a。 2004年的比对结果表明: 在250～2 500 nm波长范围, 我国与国际参考值的平均相对偏离为0.90%[4], 取得了量值的国际等效互认。 2015年NIM组织并完成与全俄光物理测量研究院VNIIOFI(All-Russian Research Institute for Optical and Physical Measurements)的光谱辐射照度双边比对, 在全波段两院的平均偏离为0.45%[5]。 2023年2月, 发布了2017年最新国际关键比对结果的Draft-B稿: 在250～2 500 nm, NIM与国际参考值的平均相对偏离为0.17%。 在紫外、 可见和近红外波长范围, 平均相对偏离分别为0.13%、 0.28%和0.15%。 NIM成为国际上与国际参考值最为接近的两个实验室之一。

1999年日本计量院NMIJ(National Metrology Institute of Japan)的Yamada研制了金属(碳)-碳(M-C和MC-C)高温共晶体固定点[6-7], 具有和纯金属相似的相变特性以及更高的熔点温度。 随后一系列小口径M-C和MC-C高温共晶体固定点被研制出来, 作为温标定义固定点。 全俄光学与物理测量研究院VNIIOFI先后研制出3、 5和14 mm内径的WC-C高温固定点[8-10], 使高温固定点在光谱辐射照度计量领域中的应用成为了可能。 不同于辐射测温领域使用的3 mm小口径固定点, 应用于光辐射计量的大口径固定点需要更长的熔化温坪持续时间、 更强的辐射信号和更多的辐射通量。

长期以来, 我国光谱辐射照度基准量值复现采用的是基于变温黑体HTBB(High temperature blackbody)的方法, 在3021 K黑体温度的测量不确定度为0.64 K, 这是基准量值复现中最显著的不确定度来源。 因此, 降低黑体温度的测量不确定度是提升基准量值复现水平的重要途径。 随着经济的发展, 应对气候变化、 对地观测、 海洋水色等应用领域提出了0.5%～1.0%的高准确度计量需求[11], 当前我国基于变温黑体的光谱辐射照度量值复现不确定度为0.92%～3.2%[3]。 为提升量值复现的准确度水平, NIM在BB3500MP变温黑体辐射源腔内安装了一个14 mm内径的WC-C固定点腔, 组建了一套大口径WC-C高温固定点黑体HTFP(High temperature fixed point blackbody)系统, 将此作为基准辐射源, 采用光谱比较测量法, 直接复现光谱辐射照度基准量值。 能够缩短量值溯源链, 减小黑体的温度测量不确定度, 提升光谱辐射照度基准的测量准确度。

1 基于WC-C固定点黑体的光谱辐射照度基准量值复现原理

基于WC-C固定点黑体的光谱辐射照度基准主要由14 mm WC-C高温固定点黑体系统、 3 mm WC-C高温固定点黑体辐射源、 温度反馈系统及供电电源、 温度测量装置、 入射光学系统、 双光栅光谱辐射分光和比较测量系统、 副基准灯及供电电源、 信号采集与控制系统等组成。 复现装置的照片和原理示意图见图1。

图1 基于WC-C固定点黑体的光谱辐射照度国家基准装置的照片和原理示意图

来自高温黑体腔底的等温辐射通过一个精密水冷光阑, 以限定的视场角投射至积分球型入射光学系统, 成像系统以1∶1倍率将积分球出口成像至单色仪入射狭缝。 经双光栅单色仪分光, 由探测器探测得到黑体的光辐射信号Vλ, B。 黑体的光谱辐射照度Eλ,B可根据式(1)计算

(1)

式(1)中:Eλ, B为黑体的光谱辐射照度;A是水冷光阑的面积;d是水冷光阑与积分球入口之间的距离;λ是真空中的波长;n是空气的折射率;T是14 mm WC-C黑体的热力学温度;c1=2πhc2=3.741 771 852…×10-16W·m2是第一辐射常数;c2=hc/k=1.438 776 877…×107nm·K是第二辐射常数。

几何因子g表示为

(2)

计算光谱比较测量装置的光谱响应度Rλ

Rλ=Vλ, B/Eλ, B

(3)

测量黑体的信号Vλ, B, 移动实验平台, 使FEL灯位于测量系统的光轴上, 测量灯辐射信号Vλ, L, 根据式(4)计算FEL灯的光谱辐射照度Eλ, L。

(4)

采用M207D型双光栅单色仪作为分光设备, 焦距0.67 m, 光栅尺寸110 mm×110 mm。 用低压汞灯校准单色仪的波长, 采用三阶多项式进行波长误差的曲线拟合, 得到任意波长的修正值。 在紫外、 可见和近红外波段, 波长误差不超过±0.04 nm、 ±0.03 nm和±0.09 nm。

在黑体出口前设置一个已知面积的精密水冷光阑, 通过光路设计, 确保进入入射光学系统的光辐射全部为来自黑体腔底的等温均匀辐射。 采用精密千分尺测量水冷光阑至入射光学系统的距离。 光谱辐射比较测量系统的光信号采用低噪声光电倍增管接收, 通过I-V转换由七位半数字电压表显示。 水冷光阑面积、 距离、 电压和电阻的测量标准不确定度分别为0.003 m2、 0.3%、 0.011%和1.1×10-5Ω, 量值分别溯源至中国计量科学研究院的面积、 长度、 电压和电阻计量基标准。

2 大口径WC-C高温固定点黑体的温度测量及其测量不确定度

采用变温黑体进行光谱辐射照度量值复现时, 通过光电高温计测量黑体的温度, 其量值溯源至Pt-C(2 011.05 K)、 Re-C(2 746.97 K)和WC-C(3 020.60 K)高温共晶点黑体。 黑体温度的测量不确定度为0.64 K。

基于大口径WC-C固定点黑体进行量值复现时, 用光电高温计LP4比较测量14和3 mm直径WC-C固定点黑体的温度。 国际组织已对3 mm WC-C固定点进行温度赋值3 020.60 K[8-9, 12-13]。 通过多次比较测量, 测得大、 小固定点的平均温差为-0.49 K[14-15], 计算得到14 mm固定点黑体的温度为3 020.11 K, 测量标准不确定度为0.06 K。 不确定度来源包括: 测量复现性0.03 K, 大口径固定点的重复性0.01 K, 小口径固定点的重复性 0.01 K, 高温计的不稳定性0.03 K, 高温计的源尺寸效应0.04 K。 通过国际Real-K项目的持续研究, 未来WC-C固定点的不确定度能够进一步改善[16]。 3 mm WC-C固定点黑体的热力学温度平均值(3 020.6 K)的标准不确定度为0.35 K[9]。 不同的固定点腔体温度特性会有一定的差异, 典型固定点复现的标准不确定度为0.035 K[17]。 历经140个熔凝循环后, 小口径WC-C固定点的长期不稳定性(生产商和固定点结构设计相同)约为0.12 K。 实验中使用的是新研制的3 mm固定点腔, 使用了20个熔凝循环, 长期不稳定性为0.017 K。 假设符合矩形概率分布, 3 mm WC-C固定点长期不稳定性的不确定度为0.01 K。 因此, 14 mm WC-C大口径固定点黑体熔点POI温度的合成标准不确定度为0.36 K。 见表1。

表1 14 mm大口径WC-C固定点黑体熔点温度的测量不确定度分析

基于变温和大口径WC-C固定点黑体的光谱辐射照度量值溯源框图见图2。 变温黑体的温度测量不确定度为0.64 K, WC-C固定点黑体的温度测量不确定度为0.36 K。 可见, 采用基于大口径WC-C固定点黑体的方法, 能够有效缩短溯源链, 温度测量不确定度得到显著改善, 进而减小光谱辐射照度量值的复现不确定度。

图2 基于变温黑体和基于固定点黑体的光谱辐射照度基准量值溯源图

3 基于大口径WC-C固定点黑体的光谱辐射照度量值复现

3和14 mm 直径的WC-C固定点腔的照片和熔化温坪曲线见图3。 与3 mm小口径WC-C固定点黑体不同, 14 mm大口径固定点的熔化温坪曲线的持续时间更长, 但温度起伏也更大。 用于小口径固定点的传统拐点POI算法不再适用, 因此提出一种可筛选多次拟合法用于计算大口径固定点黑体的拐点温度。 采用3 mm小口径WC-C和Re-C固定点对新方法的有效性进行验证, 新方法与传统方法的平均值的最大偏差为-0.007 K, 在500 nm引入的光谱辐射照度最大测量误差为0.002 2%[18-19]。 新的POI计算方法能够有效减小外界因素引入的温度误差。

图3 3和14 mm直径WC-C固定点腔的照片和熔化温坪曲线

14 mm固定点黑体的熔化温坪持续时间大约在20 min, 其中温度变化比较平缓的时间为12 min。 为了得到比较稳定的辐射信号, 实验中将每次测量的时间严格控制在10 min以内。 将250～2 500 nm全波段划分成三段分别进行测量: 250～400 nm, 采样间隔10 nm; 400～1 000 nm, 采样间隔50 nm; 1 100～2 500 nm, 采样间隔100 nm。 当WC-C熔化温坪开始时, 用光电高温计测量固定点黑体的温度, 再移动实验平台, 将比较测量系统对准固定点光轴, 测量几个设定波长点下黑体的光谱辐射照度信号。 测量结束后, 再次测量固定点的温度, 确保测量期间温度的漂移在可接受的范围内。

由于高温计只能在测量开始和结束时瞄准固定点黑体的光轴, 其余时间由比较测量系统测量固定点黑体的光谱辐射照度信号, 因此不能得到完整的熔化温坪曲线。 图4(a)中实线部分代表用高温计测量到的温度, 中间部分为缺失的温坪曲线。 采用Akima拟合算法重构中间缺失的熔化温坪曲线, 与测量数据之间的最大偏差为0.017 K[20]。 拟合曲线见图4(b)中的橙色虚线部分。

图4 熔化温坪曲线的重构

由于高温计自身存在定标误差、 漂移等, 因此它只作为一个监测设备使用。 图3中的熔化温坪曲线是高温计的测量数据, 不是固定点黑体的实际温度。 采用Akima拟合算法得到重构后的温坪曲线后, 我们再对该曲线进行校正, 将其POI值修正为大口径固定点黑体的3 020.11 K, 这样就得到大口径WC-C固定点的真实熔化曲线。

在固定点黑体出口一定距离处, 同轴放置一个精密水冷光阑, 面积为20.479 mm2, 用来限制光谱比较测量系统的视场角, 仅接收来自固定点腔底的等温均匀辐射。 黑体的光谱辐射照度测量完成后, 实验平台移至标准灯位置, 测量标准灯的光谱辐射照度信号。

4 测量不确定度评定

基于大口径固定点黑体的光谱辐射照度量值复现不确定度模型为

(5)

式(5)中,Kg为几何因子g近似带来的不确定度;δTu为黑体腔底温度不均匀性带来的不确定度;δTa为采用Akima算法对固定点熔化曲线的拟合不确定度;Kcurrent为灯电流对光谱辐射照度的影响因子;Kl, λ为测量系统的非线性因子;δEs, λ为系统的杂散辐射。

基于大口径固定点复现光谱辐射照度量值的不确定度来源包括: 测量重复性, 安装装调复现性, 固定点黑体的温度测量, 固定点黑体辐射不均匀性, Akima拟合算法, 发射率, 水冷光阑的面积, 电流, 测量系统的非线性, 波长准确度, 光谱带宽, 距离, 几何因子近似, 空气折射率n, 杂散辐射等。

基于14 mm直径WC-C固定点黑体直接复现卤钨灯的光谱辐照度基准量值的不确定度评定见表2和图5。 新方法的测量不确定度(k=2)为: 250～400 nm,Urel=3.9%～0.43%; 400～1 000 nm,Urel=0.43%～0.25%; 1 000～2 200 nm,Urel=0.25%～0.76%; 2 200～2 500 nm,Urel=0.76%～2.4%。

表2 基于WC-C固定点黑体的光谱辐射照度量值复现不确定度评定

图5 基于WC-C固定点黑体复现光谱辐射照度量值的测量不确定度(k=2)

5 与基于变温黑体量值复现方法的一致性

分别采用基于固定点和变温黑体的方法对一只1 000 W FEL副基准灯BN-9101进行光谱辐射照度量值复现, 两种方法复现结果的相对偏差见图6。 在280～2 100 nm波长范围, 两种方法之间的相对偏差为-0.66%～0.79%, 最大偏差为1.13%(2 500 nm), 均在测量不确定度范围内。

图6 基于固定点黑体与基于变温黑体复现光谱辐射照度量值之间的相对偏差

两种方法的测量不确定度见图7。 在300～1 000 nm波长范围, 与变温黑体法相比, 大口径固定点黑体法的优点为: 缩短了温度溯源链, 黑体温度的测量不确定度从0.64 K减小为0.36 K; 采用与小口径固定点比较法确定大口径固定点的温度, 不需要考虑大口径固定点温度的长期不稳定性; 大口径固定点的温度均匀性更好。 在270 nm以下波长, 由于信噪比较低, 固定点黑体法的不确定度较大。 波长大于1 100 nm时, 温度测量对总不确定度的影响减小, 两种方法的不确定度趋于接近。 将基于固定点和变温黑体两种方法相结合, 我国光谱辐射照度基准量值复现的不确定度(k=2)为: 250～400 nm,Urel=1.9%～0.43%; 400～1 000 nm,Urel=0.43%～0.25%; 1 000～2 200 nm,Urel=0.25%～0.76%; 2 200～2 500 nm,Urel=0.76%～2.4%。

图7 基于固定点黑体与基于变温黑体复现光谱辐射照度量值的测量不确定度(k=2)

6 色温和分布温度量值复现

采用14 mm大口径高温固定点黑体和光谱比较测量系统, 测量一只钨丝灯在380～780 nm的相对光谱分布, 复现相关色温和分布温度量值。 与基于变温黑体的复现结果进行比较, 两种方法相对光谱分布的最大偏差小于1.0%。 基于固定点黑体和基于变温黑体复现的相关色温和分布温度的结果见表3。 相关色温的偏差为-0.50 K, 分布温度的偏差为-2.9 K。

表3 采用基于固定点黑体和变温黑体复现的相关色温、 分布温度及其不确定度

7 结 论

采用14 mm直径WC-C高温固定点黑体新方法, 直接复现了我国光谱辐射照度基准量值。 在250～2 500 nm, 基于固定点和变温黑体法复现结果的平均偏离为0.42%。 由于测量信噪比差, 在250 nm和近红外波段的复现结果不太理想。 下一步将通过采用光子计数型紫外探测器, 高灵敏近红外探测器, 以及绝对和相对测量相结合的方法提升信号水平。

近期, 大口径固定点WC-C黑体被用于遥感领域校准地物光谱仪, 缩短了量传链, 提升光谱辐射亮(照)度响应度的定标准确度。 此外, 未来计划采用2856 K大口径σMoC-C固定点黑体, 因其具有和钨丝灯非常接近的光谱分布, 用于复现相关色温、 分布温度和光度量值并提升基准的测量水平。