其它辐射测量_仪表百科

1简介

2光度导轨

3积分球

4单色仪

1简介

在1900年，辐射这个词一直被用于描述电磁波 [2] 。大约在下个世纪,电子,x射线、天然放射性被发现。新发现的辐射显示的粒子特征,与此相对照的电磁辐射,被当作一个波。在1920年代,德布罗意发展了他的理论二元性的物质,它很快就被后来被证明是正确的电子衍射实验，粒子和波的区别不在是[B-1]了到[C-1]那么重要了。今天,辐射是指所有已发现的[D-1]整个电磁频谱以及所有的原子与亚原子粒子。其中的许多不同类型的辐射被组合在一起是指[D-2）电离和非电离辐射。电离是指电离辐射的能力，以原子或它穿越的介质分子。非电离辐射的波长的约10nm或更长。该电磁波谱的一部分包括无线电波、微波、可见光（λ=770~390nm）,和紫外线（λ=390~10nm）。电离辐射包括其余电磁波谱（x射线,λ≈0.01~10nm）和比x射线波长短的γ线。它也包括所有的原子与亚原子粒子,如电子,正电子,质子,阿尔法机,中子,和介子。该材料在本文仅适用于电离辐射。

辐射测量的仪器主要包括主要包括光度导轨、积分球、单色仪、分光光度计、光谱辐射计以及傅立叶变换光谱辐射计 [1] 。

2光度导轨

光辐射测量中 [3] ，在光度导轨上用标准光源来标定待测光源、探测器和光辐射测量系统，仍是常用而且、可靠的装置之一。

光度导轨

光度导轨和一般导轨的主要区别在于：

有的轴向距离刻度和标尺

有的轴向距离刻度和标尺；

1）可使部件之间轴向相对位置对准，并在其相对移动时保持对准关系；

2）确定测量部件之间的轴向距离。

光度导轨的主要功能

使两个或多个部件之间轴向的相对位置对准，并在其相对移动时保持对准关系。

光度导轨的特点是其它方法（如加中性密度滤光片改变光阑孔径等）不能或不能实现的。由于在光度导轨上调节的参数是距离，不会改变光源的光谱分布（不考虑中间大气的影响），而一般加入光阑等很难同时做到又连续可调。

用光源加上相距一定距离的透射-漫射屏，可得到透射、漫射特性近似朗伯的均匀辐亮度源。改变光源至屏的距离，光源的辐亮度值可连续、地变化。

导轨上装有数个带距离精细刻度的滑动架或滑动车，以便和导轨上的距离刻尺对准，提高距离读数的精度。为了增加垂直测量平面上辐照度等的变化范围，减少距离误差对测量的影响，光度导轨应尽可能长。

3积分球

中文名称：积分球 [4]

英文名称：integrating sphere

定义：光度测用的中空球体。在球的内表面涂有无波长选择性的（均匀）漫反射性的白色涂料。在球内任一方向上的照度均相等。

理想积分球的条件：

①积分球的内表面为一完整的几何球面,半径处处相等

②球内壁是中性均匀漫射面，对各种波长的入射光线具有相同的漫反射比

③球内没有任何物体,光源也看作只发光而没有实物的抽象光源

设有一束入射辐射通量照在积分球内表面A上（如图6-6）,这里分析不在A处的某一表面元dA‘上的辐照度值。当积分球内壁涂以反射比为ρ具有朗伯漫射特性的涂料，表面A上某一面元dA的反射辐亮度LA和它的辐照度EA之间存在着关系：

考虑到积分球可能有几个样品、探测器等的开孔，第i个孔的反射比为ρi，开口面积和球内表面积之比称为开口系数fi.。

使用注意事项：

若设ρ（λ）=0.98，照度的相对变化率约为反射比相对变化的50倍。即涂层材料光谱反射比的少量变化，会引起出射辐照度相当大的变化。为此，应当选用光谱反射比近似平且朗伯漫射特性好的材料作为涂层。常用的有*、氧化镁、海伦（聚四氟乙烯）等，其光谱反射特性在可见光和近红外相当平坦，漫射特性在小于60°以内很好，反射比高达0.98以上。

积分球和探测器与光源一起工作时，应作为一个整体来考虑其光谱特性。

要求高的涂层反射比主要是为了增加出射窗处的辐亮度值，因为积分球出射窗处的辐照度值和球半径的平方成反比，球较大时，辐照度值将相当低。

当出射窗的辐照度要求不强，而要求辐照度的时间稳定性好时，可用反射比较低的涂层。这时涂层反射比的变化，球内脏物对辐照度值的影响就较小。

当积分球工作在中远红外谱段时，由于*等在波长大于2.5mm时, 反射比下降很快，因此用作涂层材料性能较差。硫是一种较理想的红外漫射材料，在3~12mm的平均反射比高达0.94，只是在11.8mm处有一吸收带, 其朗伯漫射特性和*等相近。

出射窗应当选用无选择性的透明材料。窗的位置离开球表面（图6-8）会使部分球面积的光不能进入出射窗。因为实际积分球的工作特性并非理想，出射窗处的辐照度也不是*均匀，因此，出射窗口的尺寸和积分球应当有一定的比例。经验表明，如果要保证出射窗辐照度均匀性在1%左右，则出射窗的直径不大于球直径的1/10。图6-9是用作定标源的积分球在出射窗口的辐亮度相对分布（积分球的直径为0.76m，出射窗直径是0.3m）。可以看出，相对辐亮度分布差异可达2.6%。

4单色仪

单色仪 [5] 的构思萌芽可以追述到1666年，牛顿在研究三棱镜时发现将太阳光通过三棱镜太阳光分解为七色光。1814年夫琅和费设计了包括狭缝、棱镜和视窗的光学系统并发现了太阳光谱中的吸收谱线（夫琅和费谱线）。1860年克希霍夫和本生为研究金属光谱设计成较完善的现代光谱仪—光谱学诞生。由于棱镜光谱是非线性的，人们开始研究光栅光谱仪。光栅单色仪是用光栅衍射的方法获得单色光的仪器，它可以从发出复合光的光源（即不同波长的混合光的光源）中得到单色光，通过光栅一定的偏转的角度得到某个波长的光，并可以测定它的数值和强度。因此可以进行复合光源的光谱分析。

单色仪用来将具有宽谱段辐射的光源分成一系列谱线很窄的单色光，因而它既可作为一个可调波长的单色光源，也可作为分光器。

单色仪是利用色散元件（棱镜、光栅等）对不同波长的光具有不同色散角的原理，将光辐射能的光谱在空间分开，并由入射狭缝和出射狭缝的配合，在出射狭缝处得到所要求的窄谱段光谱辐射。

5棱镜单色仪

单色仪工作的谱段范围主要取决于棱镜所用材料及其色散值，棱镜的色散值应尽可能大。

在可见谱段，玻璃的色散值随波长λ的增大而减小；在红外谱段材料的工作谱段内, 色散值随波长的增大而增加。当单色仪工作在相当宽谱段范围内时, 需更换不同材料的棱镜。

主要性能指标：

角色散表示色散元件分开不同波长辐射能的能力。对于棱镜，角色散为式中，t是三角形棱镜底边尺寸，a0是沿缝高方向光束的口径，dn/dλ是棱镜材料的色散值。

主要性能指标：

光谱分辨率定义为λ/dλ，表示波长为l和波长为λ+dλ的色光刚能分开的能力。对于某一波长λ，其与相邻色光刚能分开的dλ越小，说明棱镜的光谱分辨能力越高。

根据方孔衍射极限角分辨率dq=dλ/a0，则棱镜的大理论分辨率Rmax

即对应狭缝宽度趋近于零时，棱镜的大理论分辨率和棱镜的尺寸以及棱镜材料的色散成正比。实际上，由于物镜有一定的像差以及要得到一定出射光能量，狭缝需要有一定的宽度，加上杂散光等的影响，实际单色仪的分辨率比Rmax小。

6光栅单色仪

参数：

光栅的角色散

线色散

光谱分辨率

如果对应某一波长，使i= 列德洛自准直式安装），且使i»0，则（6-16）式，

即在相当宽的光谱范围内角色散近似均匀——光栅单色仪的优点（棱镜单色仪由于角色散是波长的函数，以致色散小的小谱区因其光谱分辨率低而难以应用）。

由于通过光栅的能量大部分集中在无法使用的零级光谱，而其它谱级的能量迅速减弱。为了大限度地提高光能利用的可能性，炫耀光栅得到了广泛的应用。

每个刻痕的断面都相当于一个小反射镜，把光线反射到预定的方向上，就能使衍射的大部分光能量集中在所需要的某一光谱级次的波段范围内。具有这种特性的光栅称为定向光栅或炫耀光栅。

7分光光度计

在光辐射测量中，分光光度计主要用于测量材料光谱反射比或光谱透射比 [6] 。典型的系统有：

双光束光学自动平衡系统（Optical null system）

双光束电学平衡系统（Electrical ratio-recording system）

8光谱辐射计

用以测量光源光谱辐射度量的仪器叫光谱辐射计，其基本由比较光路、单色仪和探测显示系统组成。图6-27是贝克曼DK-2R分光辐射计的结构原理图，标准光源和待测光源分别放在两个灯室中，它们发出的光分别经过一石英漫射器（注意：球只是用于固定漫射器，其本身不是积分球），再经反射镜照在摆动反射镜上；摆动反射镜交替地将来自标准/待测光源的光能引入单色仪；在单色仪的出射狭缝处安装探测器，探测器输出信号的大小与待测光源和标准光源光谱辐强度之比成正比。仪器测量精度在3%以内。

9傅立叶变换光谱辐射计

随着光谱技术应用领域的迅速扩大，各种光谱仪器得到越来越广泛的应用。提高光谱分辨率常受到光谱谱段变窄使光谱信号减弱、测量时间增长等的限制，增加精细光谱测量的困难。尤其是红外谱段，近十多年来发展起来的傅里叶变换光谱辐射计（简记作FT辐射计）、哈达玛变换光谱仪等，以光谱分辨率高、信噪比大、测量时间短等一系列优点得到日益广泛的应用。新型光电探测器、信号处理技术以及计算机技术的发展，使傅立叶光谱仪器的应用前景更为广阔，不仅在实验室，而且被广泛用于航空航天的光谱测量仪器 [7] 。