低溫輻射計計量比對研究

徐 楠， 俞 兵， 史學舜， 張鵬舉，范紀紅， 劉志偉， 林延東

(1.中國計量科學研究院， 北京 100029； 2. 西安應用光學研究所，陜西 西安 710065；3. 中國電子科技集團公司第四十一研究所，山東 青島 266555)

1 引 言

絕對輻射計是最早用于作為光輻射計量基準的探測器。絕對輻射計中的光接收面是一層吸收系數(shù)比較高的黑色物質構成的，接收光照射后會產(chǎn)生溫升。絕對輻射計的工作原理就是利用光輻射加熱和電加熱的等效性來測量光輻射功率。隨著科學技術的不斷發(fā)展，常溫絕對輻射計經(jīng)歷了多次不斷的改進，到20世紀80年代，使用常溫絕對輻射計測量光輻射功率的不確定度水平已經(jīng)接近0.1%;然而由于工作在常溫環(huán)境下，絕對輻射計受到材料、環(huán)境等諸多因素的影響，其測量不確定度難以進一步改善。

通過改進英國NPL用于測量斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)和復現(xiàn)熱力學溫度的系統(tǒng)，到20世紀80年代中期，Martin J 等建立了第一個測量光輻射功率達到10-4不確定度水平的裝置——低溫輻射計[1,2]。低溫輻射計是工作在真空、低溫(～4K)條件下的絕對輻射計，其工作原理和絕對輻射計是相同的，但由于工作在液氦溫度所以突破了常溫下環(huán)境和材料的限制，并且真空、超導技術基本隔絕了熱對流與熱傳導，因此低溫輻射計的測量不確定度比常溫絕對輻射計降低了約一個量級，顯示出了極其卓越的性能，成為光輻射計量領域的熱點和重點。低溫輻射計達到光輻射探測最低不確定度，成為國際上公認的光輻射測量最準確的方法[3]。除光譜透射比和反射比等量綱為一的物理量外，如激光功率、探測器響應度、光度、輻射照度與輻射亮度響應度等關鍵光輻射量值均可以與低溫輻射計建立聯(lián)系并由此提高相應量的測量準確度[4～11]。

為提高光學相關量值的測量準確度， 驗證不同實驗室間的低溫輻射計裝置的一致性，由中國計量科學研究院作為主導實驗室組織了低溫輻射計比對，參比實驗室包括中國電子科技集團第四十一研究所與西安應用光學研究所。比對自2021年10月起，于2021年12月底完成。比對結果將為各實驗室的探測器量值源頭——低溫輻射計的量值一致性提供參考依據(jù)。

2 比對方法與路線

2.1 比對方法

此次實驗室間的比對傳遞標準的傳遞方式為：中國計量科學研究院(簡稱中國計量院)校準傳遞探測器后發(fā)送給中國電子科技集團第四十一研究所(簡稱中電科41所)，經(jīng)中電科41所校準后發(fā)送給中國計量院，經(jīng)中國計量院校準后再發(fā)送給西安應用光學研究所(簡稱西安205所)，經(jīng)西安205所校準后返回中國計量院校準。在此過程中中國計量院負責在發(fā)送前后檢測傳遞標準的穩(wěn)定性。

2.2 傳遞標準

由于整套系統(tǒng)的復雜難以通過搬運至同一實驗室進行，低溫輻射計通常通過對傳遞探測器進行功率響應度定標的方法進行比對。雖然這樣比對的不確定度稍大于低溫輻射計整體搬運到一起的直接比對，但仍然能在絕大多數(shù)應用范圍需要的不確定度內(nèi)證明低溫輻射計的準確性與一致性。

此次比對選擇響應度非常穩(wěn)定的陷阱探測器作為傳遞標準探測器，并選擇常用且性能可靠的氦氖激光波長632.8 nm進行傳遞探測器的功率響應度比對。比對的傳遞標準由2只硅陷阱探測器與1套電流-電壓放大器(IV放大器)組成，均由主導實驗室提供。硅陷阱探測器是3片式反射結構，IV放大器的放大倍數(shù)溯源至國家電阻基準與電壓基準。各參比實驗室利用各自的低溫輻射計裝置測量同一傳遞標準探測器在632.8 nm激光波長下的功率響應度，通過相互之間探測器功率響應度標定結果的比較從而實現(xiàn)實驗室間低溫輻射計的量值比對。

2.3 測量裝置

各實驗室的測量裝置包括氦氖激光器、光功率穩(wěn)定系統(tǒng)、空間濾波器、光開關、光闌、低溫輻射計以及探測器定標部分。首先利用低溫輻射計測量穩(wěn)定激光輸出的光功率，之后光路切換到傳遞標準探測器，由探測器響應輸出光電流，通過IV放大器后用數(shù)字電壓表讀出輸出電壓，扣除暗背景后可計算標準探測器的功率響應度。

現(xiàn)有的低溫輻射計按照光入射真空的方式可分為激光窗口型與Y形窗口型兩種。中電科41所與西安205所的低溫輻射計為激光窗口型[12～14]。如圖1所示，低溫輻射計的真空入射窗口為布魯斯特窗口，在真空中測量經(jīng)窗口入射后的激光功率，之后激光入射到處于空氣中的傳遞標準探測器進行功率響應度的測量，因此在測量傳遞標準探測器的響應度時還需進行布魯斯特窗口的透射比測量。

圖1 布魯斯特窗口式低溫輻射計系統(tǒng)示意圖Fig.1 Cryogenic radiometer system with Brewster window

中國計量院的低溫輻射計系統(tǒng)為Y形窗口型，如圖2所示，低溫輻射計與傳遞標準探測器處于同一真空腔內(nèi)，共用Y形窗口，從而低溫輻射計與傳遞標準探測器在自動切換時可以實現(xiàn)共光路的狀態(tài)，透射比始終保持不變，因此無需進行真空窗口的透射比測量[15～18]。

圖2 Y形窗口式低溫輻射計系統(tǒng)示意圖Fig.2 Cryogenic radiometer system with Y-shape window

3 比對結果

3.1 測量結果

表1至表3分別為各參比實驗室的測量結果數(shù)據(jù)，包括兩個傳遞標準探測器在632.8 nm下的功率響應度、測量重復性以及合成標準不確定度。

表1 中電科41所測量結果Tab.1 Results measured by the 41th Research Institute of CETC

表2 西安205所測量結果Tab.2 Results measured by Xi’an Institute of Applied Optics

表3 中國計量院測量結果Tab.3 Results measured by National Institute of Metrology

中電科41所測量結果的合成測量不確定度為0.025%，不確定度分量包括低溫輻射計功率測量(含窗口透射比)、響應電壓測量、激光功率穩(wěn)定度、探測器定位、前置放大器校準、測量重復性;其中低溫輻射計功率測量(含窗口透射比)分量最大，為0.017%。

西安205所測量結果的合成測量不確定度為0.02%，不確定度分量包括低溫輻射計功率測量、窗口透射比、前置放大器校準、雜散光、響應電壓測量、測量重復性;其中前3項較大的分量均為0.01%。

中國計量院測量結果的合成測量不確定度為0.015%，不確定度分量包括低溫輻射計功率測量、前置放大器校準、響應電壓測量、測量重復性;其中前兩項較大的分量均為0.01%。

主導實驗室中國計量院在整個比對過程中對傳遞標準的漂移進行了監(jiān)測，且傳遞標準的漂移小于0.005%，因此中國計量院的功率響應度測量結果取3次監(jiān)測結果的平均值。

3.2 比對參考值計算

比對共同參考值的計算采用國際常用的加權平均法：使用xi(每個實驗室測量值)和ui(此不確定度包含了每個實驗室的測量不確定度和與傳遞探測器相關的不確定度)計算加權平均值，在加權平均值中，與每個結果xi相關的權重wi可以從不確定度ui中計算出來：

(1)，

則加權平均值為

(2)，

其中，與傳遞探測器相關的比對測量不確定度是由探測器本身特性所決定。與傳遞探測器相關的比對測量不確定度評定如表4所示，包括均勻性、溫度特性、角度特性、偏振特性及探測器漂移等，最終合成的不確定度為0.009%。

表4 與傳遞探測器相關的比對測量不確定度評定Tab.4 Uncertainties associated with the transfer detectors for comparing results.

根據(jù)第3.1節(jié)的測量結果與表4數(shù)據(jù)，利用式(2)計算此次比對的加權平均值，可得表5的結果。

表5 比對加權平均值與相對標準不確定度Tab.5 Weighted mean of comparison results and relative standard uncertainty

3.3 比對結果

計算各參比實驗室相對于加權平均值的相對偏差與相對標準不確定度(包含了每個實驗室的測量不確定度、與傳遞探測器相關的不確定度與加權平均值的不確定度)，可得表6與表7。

表6 2001SI探測器相對參考值的偏差與相對標準不確定度Tab.6 Relative difference from the reference value of 2001SI and relative standard uncertainty 10-4

表7 2003SI探測器相對參考值的偏差與相對標準不確定度Tab.7 Relative difference from the reference value of 2003SI and relative standard uncertainty 10-4

將表6與表7的數(shù)據(jù)用國際通用的棒狀圖方式表示，如圖3與圖4所示，圓點表示相對參考值的偏差，棒的長度表示不確定度。

圖3 2001SI探測器比對結果Fig.3 Relative difference in the calibration of the transfer detectors 2001SI.

圖4 2003SI探測器比對結果Fig.4 Relative difference in the calibration of the transfer detectors 2003SI.

將表6與表7的數(shù)據(jù)用歸一化偏差En值[19，20]的方式表示，如表8所示，各實驗室的En值均遠小于1。

表8 實驗室比對的歸一化偏差En值Tab.8 En value of comparison for two transfer standards

4 結 論

隨著低溫輻射計的制作工藝進步以及吸收腔的高吸收率涂層與腔型結構的優(yōu)化設計，在較寬波長范圍內(nèi)腔體對光輻射的吸收比較容易實現(xiàn)在0.999 9以上，因此此次比對結果可作為低溫輻射計在不同波長下光輻射功率絕對測量能力的參考依據(jù)。

各參比實驗室相對于比對參考值的測量偏差在±0.02%之內(nèi)，各參比實驗室的En值均遠小于1，證實了各參比實驗室的基于各種類型和來源的低溫輻射計的測量結果具有較好的一致性。這既表明了各參比實驗室的光輻射功率測量能力的一致性，也表明了各參比實驗室使用低溫輻射計進行對陷阱探測器等進行量值傳遞的能力。