Часть IV обеспечение единства измерений радиометрических и фотометрических величин, характеризующих некогерентное оптическое излучение

Часть IV ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ РАДИОМЕТРИЧЕСКИХ И ФОТОМЕТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИХ НЕКОГЕРЕНТНОЕ ОПТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

 

Обеспечение единства измерений (ОЕИ) в любой области измерений невоз­можно переоценить. Оно играет главенствующую роль при решении проблемы обеспечения качества не только товаров и услуг, но и процессов, протекающих во всех сферах человеческой деятельности. Расширение научно-технических и экспортно-импортных контактов и связей нашей страны с наиболее раз­витыми в экономическом отношении иностранными государствами придает еще большую актуальность созданию и совершенствованию систем ОЕИ во всех областях измерений, в т. ч. в фотометрии и радиометрии оптического излучения.

Базисом системы ОЕИ в любой области измерений служат эталонная база страны и регламентируемый порядок воспроизведения и передачи до уровня РСИ размеров единиц соответствующих величин. На первый взгляд, после ознакомления с универсальными в оптической радиометрии техническими средствами представляется логичным переход к методикам и примерам вы­полнения технических измерений. Однако ни одно участвующее в измерениях техническое средство не является СИ, пока не получит размер единицы от вышестоящего по поверочной схеме СИ, т. е. от разрядного или вторичного эталона, что осуществляется путем поверки или калибровки.

Поэтому описание системы ОЕИ в области оптической радиометрии неко­герентного излучения мы начнем с отечественной эталонной базы, на кото­рой основано воспроизведение единиц энергетических и световых величин, рассмотрим методики исследований фотометров и радиометров и приведем примеры, иллюстрирующие методики выполнения измерений и обработки их результатов.

Глава 9 ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ЕДИНИЦ И ЭТАЛОННЫХ ШКАЛ РАДИОМЕТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН И ПЕРЕДАЧА ИХ РАЗМЕРОВ В РОССИИ

9. 1. Основы российской системы обеспечения единства измерений

В мировой метрологической практике в области оптической радиометрии созданию эталонов предшествовали тщательные метрологические исследо­вания и международные сличения таких основополагающих устройств, как ВМЧТ, эталонные лампы, трап-детекторы, эталонные фотометры и КАР. Затем на их основе разрабатывались национальные фотометрические, радио­метрические и спектрорадиометрические эталоны, а также воспроизводились эталонные шкалы не только фотометрических и радиометрических единиц, но и термодинамическая (радиационная) высокотемпературная шкала.

Наконец, в последнее десятилетие появлялись и реализовывались идеи комплектации эталонов и воспроизведения шкал на основе, в первую оче­редь, ВМЧТ и КАР. Таким образом, в эталонной фотометрии и радиометрии некогерентного оптического излучения были провозглашены два не только альтернативных, но и непрерывно конкурирующих подхода к воспроизведе­нию и передаче размеров единиц: излучательный и детекторный. Под первым из них подразумевается воспроизведение единиц и шкал на базе расчетного источника излучения, т. е. ВМЧТ, а под вторым — на основе эталонного ОЭИП с обмоткой замещения. Наилучшим ОЭИП для реализации детекторного под­хода в последнее десятилетие признан КАР.

Отечественная метрологическая школа в области оптической радиометрии с середины 80-х годов была ориентирована на оба подхода к созданию и раз­витию системы ОЕИ: излучательный и детекторный. Именно во ВНИИОФИ в середине 70-х годов появились первые эталонные ВМЧТ и началась разра­ботка комплексов эталонов, воспроизводящих и передающих размеры единиц радиометрических, спектрорадиометрических и фотометрических величин, характеризующих полихроматическое (некогерентное) оптическое излучение. Базирование эталонов на ВМЧТ имело очевидные преимущества, поскольку передачи размеров единиц идентичным по интенсивности и спектральному составу эталонным лампам и МЧТ позволили существенно сократить спек­тральные составляющие погрешности.

Вместе с тем, стало очевидным, что при использовании ВМЧТ в обла­сти спектра 0, 25-3, 0 мкм, использование пирометров (Т > 2500 К) сопря­жено с большими погрешностями измерений рабочих температур излучаю­щих полостей. Это обстоятельство дало толчок становлению и развитию во ВНИИОФИ с начала 80-х годов детекторного подхода к системе ОЕИ в оте­чественной оптической радиометрии. На базе разработанных и тщательно метрологически исследованных прецизионных ФГ были созданы эталонные фотометры, фильтровые радиометры (ФР) и трап-детекторы, что позволи­ло значительно повысить точность измерений высокой термодинамической температуры радиационным методом, а также реализовать детекторный под­ход при воспроизведении фотометрических единиц и подготовить современ­ную отечественную эталонную базу к калибровке по КАР. Разработанный во ВНИИОФИ параметрический ряд МЧТ, работающих при фиксированных и переменных температурах, позволил реализовать концепцию комплектации эталонов и создания единой системы воспроизведения и передачи размеров единиц с использованием эталонных ИП.

Становление отечественной эталонной базы в области оптической радио­метрии началось в 70-х годах.

В 1977 г. в СССР под научным руководством проф. Л. Н. Самойлова был создан Государственный специальный эталон единицы спектральной плотно­сти энергетической яркости (ГСЭ СПЭЯ) непрерывного оптического излуче­ния в диапазоне длин волн 0, 25-2, 5 мкм. Под руководством проф. В. И. Са-нрлщкото в \%%\ ν. был создан Государственный перайчный эталон единиц СПЭЯ, СПЭО и СПСИ в диапазоне длин волн 0, 22-10, 6 мкм, а в 1989 г. — Государственный первичный радиометрический эталон (ГПЭ-Р) для воспро­изведения и передачи размеров единиц следующих величин:

· спектральной плотности энергетической яркости (СПЭЯ), ;

· спектральной плотности силы излучения (СПСИ), ;

· спектральной плотности энергетической освещенности (СПЭО), , в диапазоне длин волн (0, 25-25) мкм;

· силы излучения Iе;

· энергетической освещенности (ЭО), Ее, в диапазоне длин волн (0, 2-25) мкм.

 

При создании единого радиометрического эталона было решено с его помо­щью воспроизводить единицы радиометрических величин, характеризующих как источники, так и приемники излучения. Важной проблемой являлось ис­пользование в эталонах минимального количества ЭОИП и ОЭИП, базирую­щихся на фундаментальных физических законах. В созданном во ВНИИОФИ едином радиометрическом эталоне используется комплекс, состоящий из МЧТ и АР. Специальные измерительные установки позволяют передавать размеры единиц вторичным источникам излучения — МЧТ, ленточным и галогенным лампам накаливания, а также неселективным приемникам излучения [4в].

Структурная схема воспроизведения и передачи размеров единиц радио­метрических и спектрорадиометрических величин в диапазоне длин волн (0, 2-25) мкм приведена на рис. 9. 1.

Рис. 9. 1. Схема воспроизведения и передачи размеров единиц радиометрических и спектро­радиометрических величин в диапазоне длин волн (0, 2-25) мкм

 

Все единицы относятся к некогерентному излучению в диапазоне длин волн (0, 25-25) мкм, для СПЭЯ, СПСИ и СПЭО, и в диапазоне длин волн (0, 2-25) мкм для СИ*) и ЭО. Единицы воспроизводятся в следующих диапа­зонах:

СПЭЯ - от 1 · 107 до 1 · 1012 Вт· cр-1· м-3;

СПСИ - от 1 · 102 до 1 · 108 Вт· ср-1· м-1;

СПЭО - от 1 · 102 до 1 · 108 Вт- м-3;

СИ 1) - от 3, 5 · 101 до 1 · 102 Вт· ср-1;

ЭО-от1-101 до2-103Вт-м-2.

(Здесь СИ — сила излучения. )

 

Воспроизведение единиц спектральных величин в эталоне базируется на ВМЧТ, излучение которой описывается законом Планка:

,

Где — излучательная способность ВМЧТ; λ — длина волны; с1, с2 — постоянные излучения; n — коэффициент преломления воздуха; Τ — термо­динамическая температура полости МЧТ.

Для обеспечения достаточной интенсивности излучения в УФ и видимой областях спектра температура МЧТ должна лежать в пределах 2000-3000 К. Поэтому для воспроизведения единиц величин в диапазоне 0, 25-3, 0 мкм ис­пользуются ВМЧТ типов МЧТ-3000 и МЧТ-2500. МЧТ-3000 выполнена из карбида ниобия и имеет рабочую температуру 1800-3000 К. МЧТ-2500 выпол­нена из графита, и ее рабочая температура составляет 1500-2500 К.

Использование ВМЧТ в ИК диапазоне длин волн нецелесообразно, так как повышение температуры не дает существенного увеличения интенсивности излучения в ИК области, однако резко увеличивает интенсивность излучения в более коротковолновой области, устранение которой становится серьезной проблемой.

Снижение рабочей температуры МЧТ дает существенные преимущества: позволяет работать на воздухе, т. е. отказаться от выходного окна, что особен­но важно в ИК области, и проводить измерения температуры МЧТ контакт­ным методом. Поэтому для воспроизведения единиц спектральных величин в области (3, 0-25) мкм используется МЧТ-1200, работающая в диапазоне температур 800-1200 К. Излучающая полость МЧТ-1200 выполнена в виде тепловой трубы с натриевым теплоносителем.

Значение , рассчитанное с помощью модифицированного метода Монте-Карло, для МЧТ-3000, в зависимости от длины волны, меняется от 0, 9942 до 0, 9995, для МЧТ-1200 — от 1, 0001 до 0, 9999.

Воспроизведение единиц интегральных величин базируется на полостном АР. Возможность размещения в едином вакуумном объеме МЧТ-3000 и АР позволяет сличать их между собой. На МЧТ-3000, МЧТ-2500, МЧТ-1200 и АР базируются радиометрическая и спектрорадиометрическая шкалы во всех указанных выше спектральном и динамическом диапазонах.

В качестве компараторов при спектральных измерениях в диапазоне (0, 25-3) мкм используется монохроматор HRD-1 фирмы «Жобен-Ивон» (Франция), в диапазоне 3-25 мкм — монохроматор ИКС-31, при интегральных измерениях — неселективные радиометры с конической приемной полостью и лампы накаливания. В качестве ВЭ используются различные типы МЧТ, ламп и радиометров.

При воспроизведении единиц спектрорадиометрических величин с исполь­зованием ВМЧТ, важной задачей является наиболее точное определение тем­пературы излучающей полости. Как показывает анализ, погрешность изме­рения температуры вносит основной вклад в погрешность воспроизведения спектрорадиометрических величин. В этой связи серьезной проблемой яв­ляется отличие термодинамической температурной шкалы от практической. Во ВНИИОФИ были проанализированы варианты абсолютных и относительных радиометрических методов измерений термодинамической температуры ВМЧТ.

Было установлено, что при использовании абсолютных методов первич­ным эталоном служит КАР. Погрешности измерений абсолютной СХ спектро­метра или ФР, площади апертуры,  ВМЧТ, а также дифракционные потери и пр. источники неопределенности измерений существенно снижают точность этих методов. Поэтому для воспроизведения радиометрических и спектрора-диометрических шкал на основе ВМЧТ во ВНИИОФИ было решено восполь­зоваться относительным методом.

Информации, содержащейся в формуле Планка, в принципе достаточ­но для определения спектральных компонент излучения без привлечения результатов пирометрии. Термодинамическую температуру ВМЧТ можно определить, например, путем измерения отношения  и  при длинах волн λ ι и λ 2 и температурах Т1 и Т2· Одна длина волны выбирается в видимой части спектра, а другая — в инфра­красной.

Другой способ был предложен и экспериментально проверен во ВНИИО­ФИ. Отношение  определялось при одной длине вол­ны λ в УФ или видимой областях спектра. Кроме того, бралось отношение суммарных потоков (мощностей)  при двух температурах Τ 1 и T2. Измерения Р1 и Р2 выполнялись КАР (подробнее метод описан в следу­ющем параграфе).

Основным достоинством относительных методов измерения радиационной температуры ВМЧТ является возможность определения ее СХ без использо­вания таких первичных эталонов, как газовый термометр или КАР.

Высокоточная ВМЧТ ВНИИОФИ явилась эталонным ЭОИП и для систе­мы ОЕИ световых величин. Фильтровые радиометры и трап-детекторы при наличии спектрорадиометра (или монохроматора) позволили воспроизводить шкалы абсолютной и относительной СХ, а высокостабильные -фильтры обеспечили возможность реализации прецизионных фотоэлектрических фо­тометров для передачи размеров единиц наиболее широко распространенных фотометрических величин: силы света, освещенности, яркости и светового потока (см. гл. 11).

Описанный концептуальный подход к построению в России первичного эталонного радиометрического комплекса позволил реализовать взаимоувя­занную систему ОЕИ энергетических и световых величин, к рассмотрению фрагментов которой мы и приступаем.

9. 2. Воспроизведение и передача вторичным эталонам спектрорадиометрических шкал и единиц

Для воспроизведения шкал СПЭЯ и СПЭО предстояло выбрать наиболее точный и удобный метод измерения радиационной температуры излучающей полости и разработать установки для воспроизведения единиц спектрорадио­метрических величин.

Начнем с разработанного во ВНИИОФИ и упомянутого в конце предыдущего параграфа метода измерения радиационных температур ВМЧТ в ГПЭ-Р.

Рассмотрим отношения спектральных яркостей и интегральных потоков  ВМЧТ при двух температурах Т1 и Т2:

;

;                                    (9. 1)

.

Любая комбинация двух функций из системы (9. 1) позволяет определить значения Т2 и Τ ι. Однако погрешность определения температур сильно зави­сит от выбора конкретной комбинации, кроме того, она зависит и от значений температур Τ ι, Т2 и от длин волн.

Проведенный на ЭВМ расчет показал, что минимальная погрешность достигается при использовании системы уравнений, составленной из отноше­ния X, измеренного в видимой области спектра, и отношения Ζ. В видимой области спектра при температурах 2000-3000 К справедливо приближение Вина, и систему уравнений можно записать в следующем виде:

; .

Отсюда

;                              . (9. 2)

При этом

.

Метод определения температуры по отношению X и Ζ был использован при создании ряда эталонов, базирующихся на ВМЧТ, в том числе описывае­мого эталона.

Схемы установок в первом варианте для воспроизведения и передачи размеров единиц спектрорадиометрических величин показаны на рис. 9. 2. Воспроизведение размера единицы в видимой области осуществляет­ся с помощью МЧТ-3000 (рис. 9. 2 о). При этом в одном вакуумном объеме с МЧТ-3000 для измерения отношения интегральных потоков излучения на­ходится радиометр, который можно вводить и выводить из потока излучения. Излучение МЧТ-3000, вышедшее из окна вакуумной камеры, а также излуче­ние ленточной вольфрамовой лампы, используемой в качестве ВЭ, с помощью зеркального конденсора поочередно направляется на входную щель спектро­метра.

Воспроизведение проводится в несколько этапов. Первоначально МЧТ-3000 выводится в температурный режим 7\ и 1800 К, и на нескольких длинах волн А* в области 0, 4-0, 7 мкм проводится измерение отношения

Где — спектральная яркость ленточной лампы. Измерения отноше­ния спектральной яркости ВМЧТ и ленточной лампы позволяют исключить временную нестабильность спектрометра и одновременно осуществить калиб­ровку лампы.

 

Рис. 9. 2. Установка для воспроизведения и передачи размеров единиц спектрорадиометрических величин: а — воспроизведение размера единицы Le, V(λ ) в видимой области спектра; б — воспроизведение размеров единиц Le, \(\) и £ 7ε, λ (λ ) в диапазоне длин волн (0, 25-3) мкм

 

Затем на оптическую ось выводится радиометр и измеряется интеграль­ный поток излучения Ρ (Τ 1). После этого температура МЧТ-3000 поднимается до 2500-3000 К, и измеряется поток Р(Т2), после чего радиометр выводится с оптической оси и измеряется отношение

.

Наконец, подставляя в выражение (9. 2) экспериментальные значения Хi = Ki(Ti)/Ki(T1) и Ζ = Ρ (Τ 2)/Ρ (Τ 1), получаем систему уравнений, решая которую с использованием метода наименьших квадратов, находим значе­ния Τ ι и Т2.

Теперь, зная температуру МЧТ-3000 и используя Ki(Ti), рассчитываем СПЭЯ  вторичного эталона. Эксперимент повторяется несколько (по­рядка десяти) раз, и окончательные значения  выбираются как средние по всей серии.

Для воспроизведения размера единицы СПЭЯ в остальных участках спек­трального диапазона от 0, 25 до 3 мкм и размера единицы СПЭО и передачи размеров этих величин в эталоне, на момент его введения в эксплуатацию в 1989 г., использовалась установка, показанная на рис. 9. 2 б, и МЧТ-2500. При этом температура МЧТ-2500 измерялась с помощью эталонной ленточной лампы, откалиброванной предварительно в единицах СПЭЯ по МЧТ-3000.

Высокотемпературная МЧТ является равноярким источником, и исполь­зование ее для воспроизведения  имеет определенные преимущества перед галогенной лампой. Однако при этом необходимо обеспечить от ВМЧТ достаточный уровень энергетической освещенности.

Для обеспечения необходимой точности измерений во ВНИИОФИ была применена специальная методика. В соответствии с ней на первом этапе из­мерялись относительные спектральные распределения излучений МЧТ-2500 и ВЭ (обычно галоидно-вольфрамовой лампы). При этом МЧТ-2500 устанав­ливалась в непосредственной близости от входной диафрагмы ИС, изготовлен­ной из политетрафлуорэтилена. Расстояние от апертурной диафрагмы ВМЧТ до входной диафрагмы ИС составило 200 мм. Для увеличения энергетической освещенности апертурная диафрагма устанавливалась внутри вакуумной ка­меры МЧТ-2500, что позволяло увеличить ее площадь.

На втором этапе вне вакуумной камеры МЧТ-2500 устанавливалась пре­цизионная диафрагма и осуществлялась операция абсолютизации значения измеренной освещенности в диапазоне длин волн 0, 5-0, 6 мкм.

Установка (рис. 9. 2 б) представляет собой два параллельных оптических стенда 1 и 2 длиной 4 м, между которыми на специальных направляющих перемещается спектрометр 12 типа HRD-1 фирмы «Жобен-Ивон» (Франция). Перед входной щелью монохроматора устанавливается перекидное зеркало 9. Лазеры 14 предназначены для юстировки источников. В измерительную си­стему входят ВМЧТ 3 и 4 типа МЧТ-2500 с фотоэлектрическими пирометра­ми 5, калибруемые лампы 6, установленные на электроуправляемые поворот­ные столы 7, зеркальные конденсоры 10 и 11, перекидные плоские зеркала 9, интегрирующие сферы 8, фотометр 15.

Оптический тракт 1 предназначен для передачи размеров единиц  и , оптический тракт 2 — для передачи размера единицы .

Конденсор 10 изготовлен из внеосевых параболических зеркал с фокусным расстоянием 822 мм и углом 22°, конденсор 11 — из сферических зеркал с фокусным расстоянием 1000 мм. МЧТ 3 имеет возможность перемещаться вдоль оптической оси.

Перед вакуумной камерой МЧТ устанавливается съемная прецизионная апертурная диафрагма 16 диаметром 3 мм, выполненная фотолитографиче­ским способом. Внутри камеры установлена апертурная диафрагма 17 диа­метром 5 мм.

Средние квадратические отклонения результатов сличений 6Ό ВЭ единиц СПЭЯ, СПСИ и СПЭО с государственным эталоном должны лежать в диа­пазоне 0, 5 · 10-2-2, 0 · 10-2.

Затем возникла задача увеличения точности воспроизведения шкалы СПЭО, и стала очевидной необходимость разработки новой широкоапертурной ВМЧТ, позволявшей использовать апертурные диафрагмы достаточно больших размеров при надежной юстировке. В результате были разработаны ВМЧТ ВВ22р и ВВ39р. Задача увеличения уровня СПЭО была решена не только за счет увеличения геометрических размеров полости, но и путем по­вышения верхней границы температурного диапазона, ставшего возможным благодаря переходу от вакуумированной камеры ВМЧТ к камере с аргоновым заполнением, что одновременно позволило работать без выходного окна и тем самым устранить связанные с ним погрешности. Аналогичным образом была модернизирована и камера МЧТ-2500.

Кроме разработки новых ВМЧТ, было признано целесообразным модерни­зировать установку для воспроизведения и передачи размеров единиц СПЭЯ и СПЭО (рис. 9. 2 б), разделив ее на две независимых. В результате, установки для воспроизведения и передачи размеров единиц СПЭЯ и СПЭО приняли вид, представленный на рис. 9. 3 о и 9. 3 б, соответственно. Воспроизведение и передача размеров единиц СПЭЯ (рис. 9. 3 а) осуществлялись, как и прежде, с помощью ВМЧТ1 типа МЧТ-2500. Заменять ее новой не имело смысла, так как она полностью оправдала себя во время сличений. Но теперь она эксплуатировалась без выходного окна с продувкой камеры инертным газом. Оптическая схема не претерпела принципиальных изменений. Существенное отличие состоит в том, что датчик системы обратной связи 2 регистриру­ет излучение не вспомогательной, как было раньше, а излучающей полости ВМЧТ. Новая система стабилизации позволила в (1, 5-2) раза сократить время калибровки каждой лампы.

Установка для воспроизведения и передачи размеров единиц СПЭО (рис. 9. 3 б) претерпела существенные изменения. Она основана не на МЧТ-2500, как прежде, а на более высокотемпературной широкоапертурной ВМЧТ1 ВВ22р. Эта замена позволила поднять рабочую температуру ВМЧТ до 2900 К и увеличить диаметр внешней апертурной диафрагмы 12 до 8 мм и, таким образом, максимально приблизить уровень СПЭО, создаваемый ВМЧТ, к уровню СПЭО киловаттной галоидно-вольфрамовой лампы — например, типа FEL-1000, широко распространенной в ряде зарубежных стран, или КГМ110-1000, применяемой в России. Максимальное отношение уровней составляет 3-4 раза.

ВВ39р используется в качестве дополнительного излучателя в эталоне единицы СПЭО, а также эта ВМЧТ заменила МЧТ-3000 при проведении спе­циальных экспериментов по определению термодинамической температуры оптическим методом.

Рис. 9. 3. Модернизированные установки для воспроизведения и передачи размеров единиц СПЭЯ (а) и СПЭО (б): а) воспроизведение размера единицы Le, A (λ ); 5) воспроизведение размера единицы Ее \ (λ )

 

⇐ Предыдущая30313233343536373839Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: