孫廣尉，杜繼東，李世偉，鄧 培，程 前，黃 亮，周國(guó)澳，?，楊海生

（1.北京振興計(jì)量測(cè)試研究，北京 100074；2.火箭軍裝備部駐北京地區(qū)第六軍事代表室，北京 100070）

1 引 言

當(dāng)前，在我國(guó)多項(xiàng)科技工程中，真空紫外空間載荷得到越來(lái)越廣的應(yīng)用，如紫外告警、軍事目標(biāo)探測(cè)、夸父計(jì)劃、火星探測(cè)計(jì)劃、風(fēng)云三號(hào)／四號(hào)等，在對(duì)軍事、農(nóng)業(yè)、災(zāi)害、資源環(huán)境、公共安全等重大問(wèn)題進(jìn)行決策的時(shí)候，真空紫外空間載荷獲取的測(cè)量數(shù)據(jù)提供了有力依據(jù)。

作為載荷核心器件的真空紫外探測(cè)器光譜響應(yīng)率及線性度的校準(zhǔn)至關(guān)重要，直接決定了所研制儀器的性能指標(biāo)。 通過(guò)在地面實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行光譜響應(yīng)率及線性度的校準(zhǔn)，提供儀器定標(biāo)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，保障儀器輸入輻射量與輸出信號(hào)量值之間的定量關(guān)系，可以反演計(jì)算得到所需探測(cè)物質(zhì)的信息量，如得到不同成分氣體或氣溶膠類物質(zhì)的含量，這些信息可以用來(lái)幫助解決全球氣候變化、大氣層有害氣體含量增多、氣象預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度不高等問(wèn)題［1］。

國(guó)內(nèi)真空紫外空間載荷研制單位目前開(kāi)展技術(shù)研究的波段范圍覆蓋（120～200） nm，所用的真空紫外探測(cè)器需要校準(zhǔn)的參數(shù)主要包括光譜響應(yīng)率和線性度，光譜響應(yīng)率校準(zhǔn)不確定度要求不大于15 %，線性度校準(zhǔn)不確定度要求不大于3 %，為滿足國(guó)內(nèi)相關(guān)單位對(duì)校準(zhǔn)提出的新需求，開(kāi)展本裝置研究工作。

2 真空紫外探測(cè)器關(guān)鍵參數(shù)校準(zhǔn)方法

2.1 相對(duì)光譜響應(yīng)率校準(zhǔn)方法

相對(duì)光譜響應(yīng)率校準(zhǔn)方案示意圖如圖1 所示。

圖1 相對(duì)光譜響應(yīng)率校準(zhǔn)方案示意圖Fig.1 Schematic diagram of relative spectral response rate calibration

通過(guò)控制單色儀實(shí)現(xiàn)覆蓋（115～200） nm 光譜范圍的要求，設(shè)定5 nm 間隔進(jìn)行波長(zhǎng)掃描，讀取標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器在不同波長(zhǎng)位置的響應(yīng)信號(hào)值；控制真空倉(cāng)內(nèi)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，將待校探測(cè)器移入光路中，接收匯聚光斑，并將光斑打到探測(cè)器的中心位置，通過(guò)綜合控制系統(tǒng)控制單色儀在（115～200） nm 范圍內(nèi)以5 nm間隔進(jìn)行波長(zhǎng)掃描，讀取待校探測(cè)器在不同波長(zhǎng)位置的響應(yīng)信號(hào)值，通過(guò)比較測(cè)量法，測(cè)量得到待校探測(cè)器不同波長(zhǎng)點(diǎn)的光譜響應(yīng)率，然后進(jìn)行歸一化處理得到相對(duì)光譜響應(yīng)率［2，3］。

相對(duì)光譜響應(yīng)率計(jì)算過(guò)程如下［4，5］：

式中：STR（λ）——待校探測(cè)器的相對(duì)光譜響應(yīng)率；ITR——待校探測(cè)器的輸出電流信號(hào)，A；SSR（λ）——標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的光譜響應(yīng)率，A／W；ISR——標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的輸出電流信號(hào)，A；K——待校探測(cè)器相對(duì)光譜響應(yīng)歸一化系數(shù)，為待校探測(cè)器光譜響應(yīng)度的最大值。

2.2 線性度校準(zhǔn)方法

線性度校準(zhǔn)方案示意圖如圖2 所示。 設(shè)計(jì)線性度校準(zhǔn)用雙光闌、移動(dòng)擋板、移動(dòng)擋板切換機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)3 種通光狀態(tài)，分別為光闌A ＋B 通光、光闌A通光、光闌B 通光。

圖2 線性度校準(zhǔn)方案示意圖Fig.2 Schematic diagram of linearity calibration

在對(duì)真空紫外探測(cè)器線性度參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，首先保證倉(cāng)內(nèi)的真空度能夠滿足校準(zhǔn)要求，然后將光源點(diǎn)亮預(yù)熱，調(diào)節(jié)探測(cè)器位置，使之位于校準(zhǔn)光路中，并能夠完全接收到光源的入射光能量，對(duì)單色儀控制器發(fā)送指令，使單色儀處于0級(jí)狀態(tài)，并將移動(dòng)擋板移動(dòng)到與雙光闌完全不相交的位置，讀取待校探測(cè)器在光闌A ＋B 通光狀態(tài)下的響應(yīng)信號(hào)值IAi＋Bi；控制移動(dòng)擋板移動(dòng)到與雙光闌一半相交的位置，讀取待校探測(cè)器在光闌A 通光狀態(tài)下的響應(yīng)信號(hào)值IAi；控制移動(dòng)擋板移動(dòng)到與雙光闌另一半相交的位置，讀取待校探測(cè)器在光闌B 通光狀態(tài)下的響應(yīng)信號(hào)值IBi；通過(guò)比較三種狀態(tài)下的信號(hào)值得到待校探測(cè)器的線性度［6－8］。

線性度校準(zhǔn)原理如下：

式 中：NL（IAi＋Bi）——待 校 探 測(cè) 器 的 線 性 度；IAi＋Bi——待校探測(cè)器在光闌A、光闌B 全開(kāi)的狀態(tài)下響應(yīng)電流信號(hào)，A；IAi——待校探測(cè)器在光闌A開(kāi)、光闌B 關(guān)的狀態(tài)下響應(yīng)電流信號(hào)，A；IBi——待校探測(cè)器在光闌A 關(guān)、光闌B 開(kāi)的狀態(tài)下響應(yīng)電流信號(hào)，A。

3 校準(zhǔn)裝置組成

3.1 相對(duì)光譜響應(yīng)率校準(zhǔn)裝置分系統(tǒng)

1）真空紫外光源

該項(xiàng)目選擇使用L11798 型氘燈，本款氘燈不需要其它液體制冷，同時(shí)氘燈的窗口材料為MgF2，由于MgF2窗口自身的光譜透過(guò)率特性，氘燈的發(fā)射光譜可以達(dá)到115 nm，可以滿足本研究的短波波長(zhǎng)要求，其特性曲線如圖3 所示。

圖3 L11798 型氘燈光譜曲線圖Fig.3 The curve of L11798 lamp spectrum

2）真空紫外光源變換機(jī)構(gòu)

真空紫外光源變換機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光源進(jìn)行分光的功能，生成窄帶寬的準(zhǔn)單色光進(jìn)行出射，再與其它分系統(tǒng)組合，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)校準(zhǔn)及測(cè)量功能。

真空紫外光源變換機(jī)構(gòu)技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

表1 真空紫外光源變換機(jī)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Parameters of VUV light source transformation

3）真空紫外光學(xué)系統(tǒng)

由于單色分光系統(tǒng)出射的單色輻射存在一定的發(fā)散角，如直接照射探測(cè)器會(huì)導(dǎo)致探測(cè)器接收的能量過(guò)于微弱，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度偏低，因此需要通過(guò)真空紫外光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行匯聚，將光束進(jìn)行匯聚，并打在探測(cè)器光敏面的中心位置，完全被探測(cè)器所接收，其實(shí)物如圖4 所示。

圖4 真空紫外光學(xué)系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.4 Picture of VUV optical system

4）真空二維掃描機(jī)構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器和待校探測(cè)器放置在真空二維掃描機(jī)構(gòu)上，通過(guò)二維掃描機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)，將標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器和待校探測(cè)器分別置于匯聚光路中。 二維掃描機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)角范圍為360 °，臺(tái)面尺寸為600 mm，角度分辨率為0.01 °，重復(fù)定位精度為0.1 °。

5）真空條件下微弱信號(hào)放大處理組件

選用適用于真空紫外波段的探測(cè)器，，這里采用IRD 公司生產(chǎn)的型號(hào)為AXUV100G 的紫外增強(qiáng)型硅光電二極管，其在（120～200） nm 波段具有良好的光譜響應(yīng)特性，如圖5 所示，并具有量子效率高、噪音低，無(wú)需外加電壓，對(duì)外磁場(chǎng)不敏感，對(duì)真空環(huán)境污染不敏感等優(yōu)點(diǎn)。

圖5 硅光電二極管AXUV－100G 實(shí)物圖Fig.5 Picture of silicon photodiode AXUV－100G

6）真空倉(cāng)系統(tǒng)

真空倉(cāng)系統(tǒng)的作用是在測(cè)量校準(zhǔn)的光路中有效地屏蔽紅外和可見(jiàn)光的雜散輻射，提供真空紫外校準(zhǔn)的環(huán)境，其實(shí)物如圖6 所示。 實(shí)現(xiàn)真空度小于6 ×10－3Pa 的真空度要求，從而消除由于真空度不滿足使用要求所引入的測(cè)量誤差。

圖6 真空倉(cāng)實(shí)物圖Fig.6 Picture of vacuum chamber

7）真空紫外探測(cè)器光譜響應(yīng)率校準(zhǔn)軟件

校準(zhǔn)軟件利用VC ＋＋編制，通過(guò)模塊化方式設(shè)計(jì)。 實(shí)現(xiàn)對(duì)綜合控制系統(tǒng)的指令發(fā)送與數(shù)據(jù)采集，輸出相對(duì)光譜響應(yīng)率參數(shù)校準(zhǔn)結(jié)果，自動(dòng)繪制校準(zhǔn)曲線，軟件界面如圖7 所示。

圖7 光譜響應(yīng)率校準(zhǔn)軟件界面圖Fig.7 Interface of calibration for spectral response rate software

3.2 線性度校準(zhǔn)裝置分系統(tǒng)

3.2.1 真空紫外能量調(diào)節(jié)系統(tǒng)

與相對(duì)光譜響應(yīng)率校準(zhǔn)裝置所用單色分光系統(tǒng)一致，通過(guò)單色儀的入射狹縫、出射狹縫實(shí)現(xiàn)出射光能量的調(diào)節(jié)，進(jìn)而覆蓋線性度測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍20 dB的要求，如圖8 所示。

圖8 真空紫外能量調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.8 Picture of VUV energy regulating system

3.2.2 雙光闌及擋板切換機(jī)構(gòu)

雙光闌與真空紫外光學(xué)系統(tǒng)尺寸一致，口徑為Φ90 mm，中間設(shè)計(jì)10 mm 寬的分隔條，具體示意圖如圖9 所示。

圖9 雙光闌示意圖Fig.9 Schematic diagram of double aperture

通過(guò)設(shè)計(jì)擋板實(shí)現(xiàn)雙光闌三種通光狀態(tài)，擋板的寬度為50 mm，高度為100 mm，通過(guò)將擋板移動(dòng)到不同的位置，可分別遮擋雙光闌的A 和B 半光闌，也可全部遮擋和全部通光。 擋板移動(dòng)通過(guò)擋板移動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，擋板移動(dòng)機(jī)構(gòu)為一維平移臺(tái)。

4 測(cè)量不確定度評(píng)定

4.1 相對(duì)光譜響應(yīng)率測(cè)量不確定度評(píng)定

4.1.1 測(cè)量不確定度來(lái)源

1）測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量u1，用A 類方法進(jìn)行評(píng)定；

2）標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器引入的不確定度分量u2，用B 類方法進(jìn)行評(píng)定；

3）信號(hào)采集表引入的不確定度分量u3，用B 類方法進(jìn)行評(píng)定；

4）光路傳輸引入的不確定度分量u4，用B 類方法進(jìn)行評(píng)定；

5）單色儀波長(zhǎng)誤差引入的不確定度分量u5，用B 類方法進(jìn)行評(píng)定；

6）真空紫外光源不穩(wěn)定度引入的不確定度分量u6，用B 類方法進(jìn)行評(píng)定。

4.1.2 測(cè)量不確定度評(píng)定

（115～200） nm 探測(cè)器相對(duì)光譜響應(yīng)率測(cè)量不確定度一覽表如表2 所示。

表2 （115～200） nm 探測(cè)器相對(duì)光譜響應(yīng)率測(cè)量不確定度一覽表Tab.2 List of uncertainties in measurement of relative spectral response rate of （115～200） nm detectors 單位：%

4.2 線性度測(cè)量不確定度評(píng)定

4.2.1 測(cè)量不確定度來(lái)源

1）測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量u1，用A 類方法進(jìn)行評(píng)定；

2）信號(hào)采集表引入的不確定度分量u2，用B 類方法進(jìn)行評(píng)定；

3）真空紫外光源不穩(wěn)定度引入的不確定度分量u3，用B 類方法進(jìn)行評(píng)定；

4）探測(cè)器響應(yīng)非均勻性引入的不確定度分量u4，用B 類方法進(jìn)行評(píng)定。

4.2.2 測(cè)量不確定度評(píng)定

探測(cè)器線性度測(cè)量不確定度一覽表如表3所示。

表3 探測(cè)器線性度測(cè)量不確定度一覽表Tab.3 List of uncertainties in measurement of detector linearity measurement 單位：%

5 結(jié)束語(yǔ)

真空紫外探測(cè)器在空間探測(cè)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用十分廣泛，其量值準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到數(shù)據(jù)反演精度。通過(guò)該校準(zhǔn)裝置的研制，顯著提升了真空紫外探測(cè)器光譜響應(yīng)率校準(zhǔn)的技術(shù)水平，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了真空紫外波段探測(cè)器的線性度的校準(zhǔn)，可以更好的滿足當(dāng)前國(guó)內(nèi)真空紫外載荷研制單位的校準(zhǔn)需要，技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。