真空紫外光譜輻射亮度測(cè)試技術(shù)

劉 豪，趙天琦，占春連，鄒艷霞，金尚忠

（中國(guó)計(jì)量大學(xué) 光學(xué)與電子科技學(xué)院，浙江 杭州 310018）

引言

真空紫外光譜輻射測(cè)量技術(shù)被廣泛應(yīng)用于空間遙感儀器、航天材料損傷測(cè)試等領(lǐng)域[1]。例如，可以通過(guò)探測(cè)恒星產(chǎn)生的真空紫外波段輻射光譜研究其組成與演變，并預(yù)測(cè)太空天氣；2000 年巴士底太陽(yáng)風(fēng)暴中，太陽(yáng)耀斑引起了我國(guó)多地電波觀測(cè)站的通訊中斷，若能提前捕捉真空紫外信號(hào)，將有助于預(yù)防類似事件的發(fā)生。

德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（physikalisch-technische bundesanstalt，PTB）現(xiàn)已建立紫外同步輻射光源，波長(zhǎng)覆蓋40 nm～400 nm，可以用于真空紫外光譜輻射亮度高精度的測(cè)試、標(biāo)定和溯源。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（national institute of standards and technology，NIST）同樣在同步輻射存儲(chǔ)環(huán)紫外線輻射裝置（SURF Ⅲ）3號(hào)光束線上建立了同步輻射光譜照度定標(biāo)裝置，相對(duì)測(cè)量不確定度在紫外波段達(dá)到了1.2%[2-3]。

國(guó)內(nèi)相關(guān)部門開(kāi)展了“星載太陽(yáng)紫外光譜輻照監(jiān)視器”的研制任務(wù)，監(jiān)視器跟隨神舟三號(hào)升空，通過(guò)測(cè)量太陽(yáng)真空紫外光譜輻射參數(shù)完成了相關(guān)參數(shù)的國(guó)際比對(duì)[4]。2009 年中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心對(duì)真空紫外像增強(qiáng)器的光譜特性開(kāi)展測(cè)試，由于缺乏真空紫外波段的標(biāo)準(zhǔn)而只能進(jìn)行定性研究，無(wú)法實(shí)現(xiàn)真空紫外波段光譜響應(yīng)的定量分析[5]。2010 年底我國(guó)自研的臭氧垂直探測(cè)儀，通過(guò)測(cè)量太陽(yáng)大氣紫外光譜數(shù)據(jù)檢測(cè)全球大氣臭氧變化[6]。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)建立了國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)展了不同波段的光譜輻射亮度研究[7-8]，但主要針對(duì)紅外、可見(jiàn)光和大氣紫外波段或者在研究過(guò)程中包含了部分的近紫外波段，而在完全的真空紫外波段的研究較少，仍缺乏相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)[9-13]。2018 年中山大學(xué)研制了響應(yīng)真空紫外信號(hào)的光伏成像陣列，但光譜范圍也沒(méi)有覆蓋115 nm～200 nm 真空紫外波段[14]。因此，有必要圍繞真空紫外光譜輻射亮度測(cè)試開(kāi)展研究。

本文分析了不同的真空紫外光譜輻射亮度測(cè)量方法的應(yīng)用領(lǐng)域及優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了真空紫外光譜輻射亮度測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)光譜輻射亮度響應(yīng)度的標(biāo)定實(shí)現(xiàn)了對(duì)真空紫外光譜輻射亮度的精確測(cè)量。

1 真空紫外光譜輻射亮度測(cè)試方法

真空紫外光譜輻射亮度主要是用于評(píng)價(jià)真空紫外目標(biāo)輻射特性的參數(shù)，是評(píng)價(jià)真空紫外目標(biāo)的重要參數(shù)，目前測(cè)試方法主要有以下幾種。

1.1 直接測(cè)量法

直接測(cè)量法就是采用真空紫外輻射計(jì)直接對(duì)準(zhǔn)真空紫外目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，給出被測(cè)真空紫外目標(biāo)的真空紫外光譜輻射亮度。

根據(jù)有關(guān)的輻射度量，輻射亮度響應(yīng)度定義為

經(jīng)過(guò)多次測(cè)量取平均，真空紫外光譜輻射亮度如下計(jì)算公式：

式中：V(λ)表 示被測(cè)光源的輸出電壓信號(hào)；Vnoise(λ)表示背景噪聲輸出電壓信號(hào)；Ri(λ)表示真空紫外光譜輻射計(jì)的光譜輻射亮度響應(yīng)度；L(λ) 表示經(jīng)過(guò)n次測(cè)量取平均后的紫外標(biāo)準(zhǔn)光源的光譜輻射亮度；n表示測(cè)量次數(shù)。

根據(jù)紫外光譜輻射原理，設(shè)計(jì)真空紫外光譜輻射計(jì)，對(duì)真空紫外光譜輻射亮度進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試可以分為對(duì)真空紫外輻射亮度和真空紫外光譜輻射亮度的測(cè)試，根據(jù)（1）式需要對(duì)紫外光譜輻射計(jì)的相對(duì)光譜輻射亮度響應(yīng)度進(jìn)行標(biāo)定。測(cè)試原理示意圖如圖1 所示。

圖1 直接測(cè)量法光譜輻射亮度測(cè)試原理圖Fig. 1 Schematic diagram of spectral radiance test based on direct measurement method

直接測(cè)量法核心是（2）式光譜輻射亮度響應(yīng)度的標(biāo)定，真空紫外光譜輻射響應(yīng)度定標(biāo)方法有直接定標(biāo)和比對(duì)定標(biāo)2 種，利用經(jīng)過(guò)計(jì)量單位標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)真空紫外光源，其光譜分布已知，采用直接定標(biāo)法對(duì)真空紫外光譜輻射亮度測(cè)試系統(tǒng)的光譜輻射亮度響應(yīng)度進(jìn)行定標(biāo)。

直接定標(biāo)法是將待定標(biāo)設(shè)備直接對(duì)準(zhǔn)紫外標(biāo)準(zhǔn)光源進(jìn)行定標(biāo)，實(shí)際定標(biāo)時(shí)，將待測(cè)真空紫外輻射計(jì)安裝在測(cè)光系統(tǒng)上，紫外標(biāo)準(zhǔn)光源利用滑軌根據(jù)不同距離到達(dá)待標(biāo)定輻射計(jì)時(shí)，測(cè)得待標(biāo)定輻射計(jì)輸出信號(hào)V(λ)，則真空紫外光譜輻射功率響應(yīng)度計(jì)算公式為

式中：Vnoise(λ)為 不同距離下的背景噪聲電壓；L(λ)為紫外標(biāo)準(zhǔn)光源的光譜輻射亮度。因此通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量真空紫外波段下的輸出信號(hào)V(λ)就可以對(duì)真空紫外光譜亮度響應(yīng)度進(jìn)行定標(biāo)。

直接測(cè)量法的結(jié)果除了與光源光譜分布有關(guān)，還與采樣視場(chǎng) ?、采樣面積A有關(guān)，其優(yōu)點(diǎn)就是測(cè)量簡(jiǎn)單直接，便攜性好，可在外場(chǎng)測(cè)試，缺點(diǎn)是精度受光譜匹配的影響。

1.2 比較法

比較法就是采用與已知真空紫外光譜輻亮度標(biāo)準(zhǔn)值的紫外光源進(jìn)行比較而獲得被測(cè)源的真空紫外光譜輻亮度測(cè)試結(jié)果。測(cè)試原理示意圖如圖2所示。分光系統(tǒng)反射損失 τ2(λ)、 探測(cè)器響應(yīng)度R(λ)、紫外單色儀的儀器函數(shù)F(λ)成正比，則測(cè)試系統(tǒng)光譜輻亮度響應(yīng)度：

圖2 比較法光譜輻射亮度測(cè)試原理圖Fig. 2 Schematic diagram of spectral radiance test based oncomparative method

利用計(jì)量單位標(biāo)定的氘燈作為真空紫外標(biāo)準(zhǔn)光源，光源經(jīng)過(guò)積分球、真空紫外聚焦系統(tǒng)、紫外分光儀，被光電倍增管接收測(cè)得輸出電壓。測(cè)試系統(tǒng)光譜輻亮度響應(yīng)度與聚焦系統(tǒng)反射損失 τ1(λ)、

在相同條件下多次測(cè)量，利用貝塞爾公式可得待測(cè)光源真空紫外光譜輻射亮度L1(λ)計(jì)算公式如下：式中：Vi表示真空紫外標(biāo)準(zhǔn)光源輸出電壓平均值；Vj表 示待測(cè)真空紫外光源輸出電壓平均值；l1(λ)表示真空紫外標(biāo)準(zhǔn)光源的光譜輻射亮度；l2(λ) 表示待測(cè)真空紫外光源的光譜輻射亮度；L1表示單次測(cè)量下待測(cè)光源真空紫外光譜輻射亮度；L2表示單次測(cè)量下標(biāo)準(zhǔn)光源真空紫外光譜輻射亮度；L2(λ)表示特定波長(zhǎng)下多次測(cè)量取平均后真空紫外標(biāo)準(zhǔn)光源光譜輻射亮度。

這種方法是在相同條件下進(jìn)行比對(duì)測(cè)試，克服了光譜匹配的問(wèn)題而具有較高的測(cè)量精度，適合實(shí)驗(yàn)室建立各級(jí)高精度的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，缺點(diǎn)是一般采用開(kāi)放式光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，便攜性差。

2 真空紫外光譜輻射亮度測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)真空紫外光譜輻射亮度測(cè)試方法的對(duì)比分析，設(shè)計(jì)了真空紫外光譜輻射亮度測(cè)試系統(tǒng)，兼顧了2 種測(cè)試方法，該系統(tǒng)主要由標(biāo)準(zhǔn)真空紫外光源、光學(xué)成像系統(tǒng)、紫外分光系統(tǒng)、探測(cè)器模塊、真空腔以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成。其中數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)置于真空腔外，其余系統(tǒng)均置于真空腔內(nèi)。

根據(jù)真空紫外光源的特點(diǎn)，選取30 W 的經(jīng)過(guò)標(biāo)定的氘燈在100 nm～400 nm 的波長(zhǎng)范圍內(nèi)有連續(xù)的輸出，在115 nm～200 nm 范圍內(nèi)輻射強(qiáng)度較高。光學(xué)成像系統(tǒng)采用離軸非球面雙反射式成像物鏡，提高反射率，減少真空紫外光子損失。真空紫外分光系統(tǒng)由于光柵分光儀對(duì)真空紫外光子有大量吸收，同時(shí)為了小型化、便攜化，采用了濾光片分光系統(tǒng)。考慮到探測(cè)器需要對(duì)真空紫外信號(hào)有高的響應(yīng)度以及自身低的暗電流，選取北方夜視公司型號(hào)為PF 2006-5006 的具有真空紫外波段增強(qiáng)響應(yīng)功能的PMT，采用碘化銫光電陰極，光窗為MgF2，倍增系統(tǒng)采用微通道板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的打拿型，覆蓋真空紫外波段115 nm～200 nm、有不低于1 mA·W?1的陰極靈敏度，暗電流為1.14 nA。真空艙可根據(jù)需要滿足不同真空環(huán)境需求，真空紫外光譜輻射亮度測(cè)試系統(tǒng)原理圖及實(shí)物圖如圖3 和圖4 所示。

圖3 真空紫外光譜輻射亮度測(cè)試系統(tǒng)原理圖Fig. 3 Schematic diagram of vacuum UV spectral radiance test system

圖4 真空紫外光譜輻射亮度測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖Fig. 4 Physical drawing of vacuum UV spectral radiance test system

3 測(cè)試結(jié)果及分析

3.1 光譜輻射亮度測(cè)量結(jié)果及相對(duì)誤差分析

對(duì)于真空紫外光譜輻射亮度的測(cè)試，可采用直接測(cè)量法或比較法：若采用直接測(cè)量法，將本測(cè)試系統(tǒng)直接對(duì)準(zhǔn)被測(cè)光源即可，直接測(cè)量法主要應(yīng)用于測(cè)量?jī)x器的對(duì)應(yīng)響應(yīng)度已經(jīng)過(guò)標(biāo)定；若采用比較法，則需配置標(biāo)準(zhǔn)光源并編制定標(biāo)軟件，測(cè)量流程較為復(fù)雜，通常比較法的應(yīng)用場(chǎng)景必須配備1 個(gè)被測(cè)源、1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)源、2 個(gè)光源進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)。本文首先完成了該測(cè)試系統(tǒng)光譜輻射響應(yīng)度的定標(biāo)，因此本文基于直接測(cè)量法，以真空紫外標(biāo)準(zhǔn)光源（氘燈）作為被測(cè)對(duì)象，開(kāi)展了光譜輻射亮度的測(cè)量，工作波長(zhǎng)分別為121.2 nm、135.6 nm、160 nm、180 nm、200 nm，相應(yīng)的光譜輻射亮度測(cè)量示值誤差可由（12）式得到：

式中：L2(λ)為真空紫外標(biāo)準(zhǔn)光源（氘燈）的真空紫外光譜輻射亮度標(biāo)準(zhǔn)值；Lmeasure為相應(yīng)的真空紫外光譜輻射亮度測(cè)量值。測(cè)量結(jié)果如表1 所示，在以上5 個(gè)工作波長(zhǎng)下該系統(tǒng)的光譜輻射亮度相對(duì)示值誤差均小于0.50%，證明了該測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，可以滿足115 nm～200 nm 真空紫外波段的測(cè)試需求。針對(duì)誤差的產(chǎn)生，通過(guò)對(duì)真空紫外輻射計(jì)的重復(fù)性測(cè)試，測(cè)量重復(fù)性的不確定性會(huì)引起測(cè)量的誤差；同時(shí)真空紫外標(biāo)準(zhǔn)光源由于本身光輻射功率有一個(gè)最大值變化范圍而造成光源的不穩(wěn)定性，會(huì)造成一定的測(cè)量誤差。

表1 真空紫外光譜輻射亮度測(cè)試結(jié)果Table 1 Test results of vacuum UV spectral radiance

3.2 衰減片對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

為了考核衰減片在真空中對(duì)不同波長(zhǎng)透過(guò)率的影響，且實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)0.01 μW/cm2·nm·sr～1 μW/cm2·nm·sr 范圍光譜輻射亮度的精確測(cè)量，設(shè)計(jì)了一組衰減片，項(xiàng)目組對(duì)每個(gè)波段透過(guò)率進(jìn)行了測(cè)試分析，測(cè)試結(jié)果如圖5～圖9 所示。

圖5 衰減片對(duì)121.2 nm 透過(guò)率的影響測(cè)試結(jié)果Fig. 5 Test results of transmittance at 121.2 nm by attenuator

圖6 衰減片對(duì)135.6 nm 透過(guò)率的影響測(cè)試結(jié)果Fig. 6 Test results of transmittance at 135.6 nm by attenuator

圖7 衰減片對(duì)160 nm 透過(guò)率的影響測(cè)試結(jié)果Fig. 7 Test results of transmittance at 160 nm by attenuator

圖8 衰減片對(duì)180 nm 透過(guò)率的影響測(cè)試結(jié)果Fig. 8 Test results of transmittance at 180 nm by attenuator

圖9 衰減片對(duì)200 nm 透過(guò)率的影響測(cè)試結(jié)果Fig. 9 Test results of transmittance at 200 nm by attenuator

由圖10 可取平均計(jì)算得到衰減片在121.2 nm、135.6 nm、160 nm、180 nm、200 nm 波長(zhǎng)處的透過(guò)率平均值分別為1.2%、23.9%、0.6%、15.4%、16.5%，同時(shí)對(duì)組合衰減片的測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了真空紫外光譜輻射亮度的測(cè)試和誤差分析，測(cè)試記錄數(shù)據(jù)如表2 所示，組合衰減片對(duì)測(cè)試結(jié)果影響如圖11所示。

圖10 不同波長(zhǎng)下衰減片透過(guò)率測(cè)試結(jié)果Fig. 10 Test results of attenuator transmittance at different wavelengths

表2 組合衰減片的真空紫外光譜輻射亮度記錄表Table 2 Vacuum UV spectral radiance record of combined attenuator

圖11 組合衰減片對(duì)測(cè)試結(jié)果影響Fig. 11 Effect of combined attenuator on test results

由表2 可以看出衰減片在實(shí)現(xiàn)真空紫外光譜 輻 射 亮 度0.01 μW/cm2·nm·sr～1 μW/ cm2·nm·sr測(cè)量范圍的同時(shí)，能夠保證測(cè)試系統(tǒng)對(duì)于真空紫外光譜輻射亮度的準(zhǔn)確測(cè)量，從圖10 也可以看出衰減片對(duì)于不同波長(zhǎng)真空紫外信號(hào)的透過(guò)率影響。

3.3 真空度對(duì)光譜輻射亮度測(cè)量結(jié)果的影響

真空紫外信號(hào)的精確探測(cè)對(duì)工作真空度要求很高，因此有必要研究高真空環(huán)境下不同工作真空度對(duì)于真空紫外信號(hào)的光譜輻射亮度的影響。本次從真空工作環(huán)境6×10?3Pa 開(kāi)始測(cè)試，觀察真空紫外光譜輻射亮度的變化。

由圖12 可以看出在真空工作環(huán)境中不同波段的真空紫外光譜輻射亮度值可以保持穩(wěn)定，在121.2 nm、135.6 nm、160 nm、180 nm、200 nm 波長(zhǎng)處擬合曲線趨向于一個(gè)固定值，其真空紫外光譜輻 射 亮 度 值 平 均 值 分 別 是438.19 μW/cm2·nm·sr、156.17 μW/cm2·nm·sr、1 039.58 μW/cm2·nm·sr、40.56 μW/cm2·nm·sr、39.37 μW/cm2·nm·sr，其標(biāo)準(zhǔn)偏差分別是13.45、11.73、17.77、4.18、4.31，測(cè)量數(shù)據(jù)相對(duì)穩(wěn)定，說(shuō)明了在6×10?3Pa 以下的真空環(huán)境中測(cè)試系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作，證明了測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖12 不同真空度環(huán)境對(duì)真空紫外光譜測(cè)量的影響Fig. 12 Effect of different vacuum degree environment on vacuum UV spectrum measurement

3.4 光譜輻射亮度重復(fù)性測(cè)試

重復(fù)性能夠反映測(cè)試系統(tǒng)短時(shí)間內(nèi)測(cè)量參數(shù)的相近能力，通過(guò)不同時(shí)間段的多次測(cè)量可以反映測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性，表3 截取部分重復(fù)性實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，重復(fù)性用多次測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)表征，在121.2 nm 和180 nm 的重復(fù)性分別為1.344×10?3和2.088×10?4，通過(guò)大量重復(fù)性試驗(yàn)?zāi)軌蚩闯稣婵兆贤夤庾V輻射亮度測(cè)試系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性[15]。

表3 真空紫外光譜輻射亮度重復(fù)性部分測(cè)試結(jié)果Table 3 Partial test results of vacuum UV spectral radiance repeatability

4 總結(jié)

本文通過(guò)對(duì)真空紫外光譜輻射亮度的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，可知本測(cè)試系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)覆蓋115 nm～200 nm的真空紫外波段，且在高真空工作環(huán)境低于6×10?3Pa中能夠穩(wěn)定運(yùn)行，相對(duì)示值誤差低于0.5%，且測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定。該測(cè)試系統(tǒng)靈敏度較高，通過(guò)采用衰減片對(duì)氘燈衰減約106量級(jí)，實(shí)現(xiàn)了0.01 μW/cm2·nm·sr ～1 μW/cm2·nm·sr 范圍光譜輻射亮度的精確測(cè)量，證明了本測(cè)試系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱真空紫外信號(hào)的測(cè)試，并有望應(yīng)用于其他各類真空紫外輻射源的檢測(cè)工作。