劉 豪，趙天琦，占春連，鄒艷霞，金尚忠

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

德國聯(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試、標定和溯源。美國國家標準與技術(shù)研究院（national institute of standards and technology，NIST）同樣在同步輻射存儲環(huán)紫外線輻射裝置（SURF Ⅲ）3號光束線上建立了同步輻射光譜照度定標裝置，相對測量不確定度在紫外波段達到了1.2%[2-3]。

國內(nèi)相關(guān)部門開展了“星載太陽紫外光譜輻照監(jiān)視器”的研制任務(wù)，監(jiān)視器跟隨神舟三號升空，通過測量太陽真空紫外光譜輻射參數(shù)完成了相關(guān)參數(shù)的國際比對[4]。2009 年中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心對真空紫外像增強器的光譜特性開展測試，由于缺乏真空紫外波段的標準而只能進行定性研究，無法實現(xiàn)真空紫外波段光譜響應(yīng)的定量分析[5]。2010 年底我國自研的臭氧垂直探測儀，通過測量太陽大氣紫外光譜數(shù)據(jù)檢測全球大氣臭氧變化[6]。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)建立了國家同步輻射實驗室，開展了不同波段的光譜輻射亮度研究[7-8]，但主要針對紅外、可見光和大氣紫外波段或者在研究過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)真空紫外信號的光伏成像陣列，但光譜范圍也沒有覆蓋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試開展研究。

本文分析了不同的真空紫外光譜輻射亮度測量方法的應(yīng)用領(lǐng)域及優(yōu)缺點，設(shè)計了真空紫外光譜輻射亮度測量系統(tǒng)，通過光譜輻射亮度響應(yīng)度的標定實現(xiàn)了對真空紫外光譜輻射亮度的精確測量。

1 真空紫外光譜輻射亮度測試方法

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

1.1 直接測量法

直接測量法就是采用真空紫外輻射計直接對準真空紫外目標進行測量，給出被測真空紫外目標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)過多次測量取平均，真空紫外光譜輻射亮度如下計算公式：

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

根據(jù)紫外光譜輻射原理，設(shè)計真空紫外光譜輻射計，對真空紫外光譜輻射亮度進行測試。測試可以分為對真空紫外輻射亮度和真空紫外光譜輻射亮度的測試，根據(jù)（1）式需要對紫外光譜輻射計的相對光譜輻射亮度響應(yīng)度進行標定。測試原理示意圖如圖1 所示。

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

直接測量法核心是（2）式光譜輻射亮度響應(yīng)度的標定，真空紫外光譜輻射響應(yīng)度定標方法有直接定標和比對定標2 種，利用經(jīng)過計量單位標定的標準真空紫外光源，其光譜分布已知，采用直接定標法對真空紫外光譜輻射亮度測試系統(tǒng)的光譜輻射亮度響應(yīng)度進行定標。

直接定標法是將待定標設(shè)備直接對準紫外標準光源進行定標，實際定標時，將待測真空紫外輻射計安裝在測光系統(tǒng)上，紫外標準光源利用滑軌根據(jù)不同距離到達待標定輻射計時，測得待標定輻射計輸出信號V(λ)，則真空紫外光譜輻射功率響應(yīng)度計算公式為

式中：Vnoise(λ)為 不同距離下的背景噪聲電壓；L(λ)為紫外標準光源的光譜輻射亮度。因此通過測試系統(tǒng)測量真空紫外波段下的輸出信號V(λ)就可以對真空紫外光譜亮度響應(yīng)度進行定標。

直接測量法的結(jié)果除了與光源光譜分布有關(guān)，還與采樣視場 ?、采樣面積A有關(guān)，其優(yōu)點就是測量簡單直接，便攜性好，可在外場測試，缺點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準值的紫外光源進行比較而獲得被測源的真空紫外光譜輻亮度測試結(jié)果。測試原理示意圖如圖2所示。分光系統(tǒng)反射損失 τ2(λ)、 探測器響應(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試原理圖Fig. 2 Schematic diagram of spectral radiance test based oncomparative method

利用計量單位標定的氘燈作為真空紫外標準光源，光源經(jīng)過積分球、真空紫外聚焦系統(tǒng)、紫外分光儀，被光電倍增管接收測得輸出電壓。測試系統(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量，利用貝塞爾公式可得待測光源真空紫外光譜輻射亮度L1(λ)計算公式如下：式中：Vi表示真空紫外標準光源輸出電壓平均值；Vj表 示待測真空紫外光源輸出電壓平均值；l1(λ)表示真空紫外標準光源的光譜輻射亮度；l2(λ) 表示待測真空紫外光源的光譜輻射亮度；L1表示單次測量下待測光源真空紫外光譜輻射亮度；L2表示單次測量下標準光源真空紫外光譜輻射亮度；L2(λ)表示特定波長下多次測量取平均后真空紫外標準光源光譜輻射亮度。

這種方法是在相同條件下進行比對測試，克服了光譜匹配的問題而具有較高的測量精度，適合實驗室建立各級高精度的計量標準，缺點是一般采用開放式光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，便攜性差。

2 真空紫外光譜輻射亮度測試系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)對真空紫外光譜輻射亮度測試方法的對比分析，設(shè)計了真空紫外光譜輻射亮度測試系統(tǒng)，兼顧了2 種測試方法，該系統(tǒng)主要由標準真空紫外光源、光學(xué)成像系統(tǒng)、紫外分光系統(tǒng)、探測器模塊、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，選取30 W 的經(jīng)過標定的氘燈在100 nm～400 nm 的波長范圍內(nèi)有連續(xù)的輸出，在115 nm～200 nm 范圍內(nèi)輻射強度較高。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)由于光柵分光儀對真空紫外光子有大量吸收，同時為了小型化、便攜化，采用了濾光片分光系統(tǒng)?？紤]到探測器需要對真空紫外信號有高的響應(yīng)度以及自身低的暗電流，選取北方夜視公司型號為PF 2006-5006 的具有真空紫外波段增強響應(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試系統(tǒng)原理圖及實物圖如圖3 和圖4 所示。

圖3 真空紫外光譜輻射亮度測試系統(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試系統(tǒng)實物圖Fig. 4 Physical drawing of vacuum UV spectral radiance test system

3 測試結(jié)果及分析

3.1 光譜輻射亮度測量結(jié)果及相對誤差分析

對于真空紫外光譜輻射亮度的測試，可采用直接測量法或比較法：若采用直接測量法，將本測試系統(tǒng)直接對準被測光源即可，直接測量法主要應(yīng)用于測量儀器的對應(yīng)響應(yīng)度已經(jīng)過標定；若采用比較法，則需配置標準光源并編制定標軟件，測量流程較為復(fù)雜，通常比較法的應(yīng)用場景必須配備1 個被測源、1 個標準源、2 個光源進行測量實驗。本文首先完成了該測試系統(tǒng)光譜輻射響應(yīng)度的定標，因此本文基于直接測量法，以真空紫外標準光源（氘燈）作為被測對象，開展了光譜輻射亮度的測量，工作波長分別為121.2 nm、135.6 nm、160 nm、180 nm、200 nm，相應(yīng)的光譜輻射亮度測量示值誤差可由（12）式得到：

式中：L2(λ)為真空紫外標準光源（氘燈）的真空紫外光譜輻射亮度標準值；Lmeasure為相應(yīng)的真空紫外光譜輻射亮度測量值。測量結(jié)果如表1 所示，在以上5 個工作波長下該系統(tǒng)的光譜輻射亮度相對示值誤差均小于0.50%，證明了該測試系統(tǒng)的準確性，可以滿足115 nm～200 nm 真空紫外波段的測試需求。針對誤差的產(chǎn)生，通過對真空紫外輻射計的重復(fù)性測試，測量重復(fù)性的不確定性會引起測量的誤差；同時真空紫外標準光源由于本身光輻射功率有一個最大值變化范圍而造成光源的不穩(wěn)定性，會造成一定的測量誤差。

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

3.2 衰減片對測試結(jié)果的影響

為了考核衰減片在真空中對不同波長透過率的影響，且實現(xiàn)測試系統(tǒng)0.01 μW/cm2·nm·sr～1 μW/cm2·nm·sr 范圍光譜輻射亮度的精確測量，設(shè)計了一組衰減片，項目組對每個波段透過率進行了測試分析，測試結(jié)果如圖5～圖9 所示。

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

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

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

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

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

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

圖10 不同波長下衰減片透過率測試結(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 組合衰減片對測試結(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現(xiàn)真空紫外光譜 輻 射 亮 度0.01 μW/cm2·nm·sr～1 μW/ cm2·nm·sr測量范圍的同時，能夠保證測試系統(tǒng)對于真空紫外光譜輻射亮度的準確測量，從圖10 也可以看出衰減片對于不同波長真空紫外信號的透過率影響。

3.3 真空度對光譜輻射亮度測量結(jié)果的影響

真空紫外信號的精確探測對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于真空紫外信號的光譜輻射亮度的影響。本次從真空工作環(huán)境6×10?3Pa 開始測試，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 波長處擬合曲線趨向于一個固定值，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，其標準偏差分別是13.45、11.73、17.77、4.18、4.31，測量數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定，說明了在6×10?3Pa 以下的真空環(huán)境中測試系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作，證明了測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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

3.4 光譜輻射亮度重復(fù)性測試

重復(fù)性能夠反映測試系統(tǒng)短時間內(nèi)測量參數(shù)的相近能力，通過不同時間段的多次測量可以反映測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性，表3 截取部分重復(fù)性實驗測量數(shù)據(jù)，重復(fù)性用多次測量的標準差來表征，在121.2 nm 和180 nm 的重復(fù)性分別為1.344×10?3和2.088×10?4，通過大量重復(fù)性試驗?zāi)軌蚩闯稣婵兆贤夤庾V輻射亮度測試系統(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)性部分測試結(jié)果Table 3 Partial test results of vacuum UV spectral radiance repeatability

4 總結(jié)

本文通過對真空紫外光譜輻射亮度的測量實驗，可知本測試系統(tǒng)的工作波長覆蓋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)定運行，相對示值誤差低于0.5%，且測量結(jié)果穩(wěn)定。該測試系統(tǒng)靈敏度較高，通過采用衰減片對氘燈衰減約106量級，實現(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量，證明了本測試系統(tǒng)可以實現(xiàn)對微弱真空紫外信號的測試，并有望應(yīng)用于其他各類真空紫外輻射源的檢測工作。