真空紫外光谱辐射亮度测试技术

刘 豪，赵天琦，占春连，邹艳霞，金尚忠

（中国计量大学 光学与电子科技学院，浙江 杭州 310018）

引言

真空紫外光谱辐射测量技术被广泛应用于空间遥感仪器、航天材料损伤测试等领域[1]。例如，可以通过探测恒星产生的真空紫外波段辐射光谱研究其组成与演变，并预测太空天气；2000 年巴士底太阳风暴中，太阳耀斑引起了我国多地电波观测站的通讯中断，若能提前捕捉真空紫外信号，将有助于预防类似事件的发生。

德国联邦物理技术研究院（physikalisch-technische bundesanstalt，PTB）现已建立紫外同步辐射光源，波长覆盖40 nm～400 nm，可以用于真空紫外光谱辐射亮度高精度的测试、标定和溯源。美国国家标准与技术研究院（national institute of standards and technology，NIST）同样在同步辐射存储环紫外线辐射装置（SURF Ⅲ）3号光束线上建立了同步辐射光谱照度定标装置，相对测量不确定度在紫外波段达到了1.2%[2-3]。

国内相关部门开展了“星载太阳紫外光谱辐照监视器”的研制任务，监视器跟随神舟三号升空，通过测量太阳真空紫外光谱辐射参数完成了相关参数的国际比对[4]。2009 年中国科学院空间科学与应用研究中心对真空紫外像增强器的光谱特性开展测试，由于缺乏真空紫外波段的标准而只能进行定性研究，无法实现真空紫外波段光谱响应的定量分析[5]。2010 年底我国自研的臭氧垂直探测仪，通过测量太阳大气紫外光谱数据检测全球大气臭氧变化[6]。中国科学技术大学建立了国家同步辐射实验室，开展了不同波段的光谱辐射亮度研究[7-8]，但主要针对红外、可见光和大气紫外波段或者在研究过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较少，仍缺乏相关测量数据[9-13]。2018 年中山大学研制了响应真空紫外信号的光伏成像阵列，但光谱范围也没有覆盖115 nm～200 nm 真空紫外波段[14]。因此，有必要围绕真空紫外光谱辐射亮度测试开展研究。

本文分析了不同的真空紫外光谱辐射亮度测量方法的应用领域及优缺点，设计了真空紫外光谱辐射亮度测量系统，通过光谱辐射亮度响应度的标定实现了对真空紫外光谱辐射亮度的精确测量。

1 真空紫外光谱辐射亮度测试方法

真空紫外光谱辐射亮度主要是用于评价真空紫外目标辐射特性的参数，是评价真空紫外目标的重要参数，目前测试方法主要有以下几种。

1.1 直接测量法

直接测量法就是采用真空紫外辐射计直接对准真空紫外目标进行测量，给出被测真空紫外目标的真空紫外光谱辐射亮度。

根据有关的辐射度量，辐射亮度响应度定义为

经过多次测量取平均，真空紫外光谱辐射亮度如下计算公式：

式中：V(λ)表 示被测光源的输出电压信号；Vnoise(λ)表示背景噪声输出电压信号；Ri(λ)表示真空紫外光谱辐射计的光谱辐射亮度响应度；L(λ) 表示经过n次测量取平均后的紫外标准光源的光谱辐射亮度；n表示测量次数。

根据紫外光谱辐射原理，设计真空紫外光谱辐射计，对真空紫外光谱辐射亮度进行测试。测试可以分为对真空紫外辐射亮度和真空紫外光谱辐射亮度的测试，根据（1）式需要对紫外光谱辐射计的相对光谱辐射亮度响应度进行标定。测试原理示意图如图1 所示。

图1 直接测量法光谱辐射亮度测试原理图Fig. 1 Schematic diagram of spectral radiance test based on direct measurement method

直接测量法核心是（2）式光谱辐射亮度响应度的标定，真空紫外光谱辐射响应度定标方法有直接定标和比对定标2 种，利用经过计量单位标定的标准真空紫外光源，其光谱分布已知，采用直接定标法对真空紫外光谱辐射亮度测试系统的光谱辐射亮度响应度进行定标。

直接定标法是将待定标设备直接对准紫外标准光源进行定标，实际定标时，将待测真空紫外辐射计安装在测光系统上，紫外标准光源利用滑轨根据不同距离到达待标定辐射计时，测得待标定辐射计输出信号V(λ)，则真空紫外光谱辐射功率响应度计算公式为

式中：Vnoise(λ)为 不同距离下的背景噪声电压；L(λ)为紫外标准光源的光谱辐射亮度。因此通过测试系统测量真空紫外波段下的输出信号V(λ)就可以对真空紫外光谱亮度响应度进行定标。

直接测量法的结果除了与光源光谱分布有关，还与采样视场 Ω、采样面积A有关，其优点就是测量简单直接，便携性好，可在外场测试，缺点是精度受光谱匹配的影响。

1.2 比较法

比较法就是采用与已知真空紫外光谱辐亮度标准值的紫外光源进行比较而获得被测源的真空紫外光谱辐亮度测试结果。测试原理示意图如图2所示。分光系统反射损失 τ2(λ)、 探测器响应度R(λ)、紫外单色仪的仪器函数F(λ)成正比，则测试系统光谱辐亮度响应度：

图2 比较法光谱辐射亮度测试原理图Fig. 2 Schematic diagram of spectral radiance test based oncomparative method

利用计量单位标定的氘灯作为真空紫外标准光源，光源经过积分球、真空紫外聚焦系统、紫外分光仪，被光电倍增管接收测得输出电压。测试系统光谱辐亮度响应度与聚焦系统反射损失 τ1(λ)、

在相同条件下多次测量，利用贝塞尔公式可得待测光源真空紫外光谱辐射亮度L1(λ)计算公式如下：式中：Vi表示真空紫外标准光源输出电压平均值；Vj表 示待测真空紫外光源输出电压平均值；l1(λ)表示真空紫外标准光源的光谱辐射亮度；l2(λ) 表示待测真空紫外光源的光谱辐射亮度；L1表示单次测量下待测光源真空紫外光谱辐射亮度；L2表示单次测量下标准光源真空紫外光谱辐射亮度；L2(λ)表示特定波长下多次测量取平均后真空紫外标准光源光谱辐射亮度。

这种方法是在相同条件下进行比对测试，克服了光谱匹配的问题而具有较高的测量精度，适合实验室建立各级高精度的计量标准，缺点是一般采用开放式光学系统设计，便携性差。

2 真空紫外光谱辐射亮度测试系统设计

根据对真空紫外光谱辐射亮度测试方法的对比分析，设计了真空紫外光谱辐射亮度测试系统，兼顾了2 种测试方法，该系统主要由标准真空紫外光源、光学成像系统、紫外分光系统、探测器模块、真空腔以及数据处理系统等组成。其中数据处理系统置于真空腔外，其余系统均置于真空腔内。

根据真空紫外光源的特点，选取30 W 的经过标定的氘灯在100 nm～400 nm 的波长范围内有连续的输出，在115 nm～200 nm 范围内辐射强度较高。光学成像系统采用离轴非球面双反射式成像物镜，提高反射率，减少真空紫外光子损失。真空紫外分光系统由于光栅分光仪对真空紫外光子有大量吸收，同时为了小型化、便携化，采用了滤光片分光系统。考虑到探测器需要对真空紫外信号有高的响应度以及自身低的暗电流，选取北方夜视公司型号为PF 2006-5006 的具有真空紫外波段增强响应功能的PMT，采用碘化铯光电阴极，光窗为MgF2，倍增系统采用微通道板代替传统的打拿型，覆盖真空紫外波段115 nm～200 nm、有不低于1 mA·W−1的阴极灵敏度，暗电流为1.14 nA。真空舱可根据需要满足不同真空环境需求，真空紫外光谱辐射亮度测试系统原理图及实物图如图3 和图4 所示。

图3 真空紫外光谱辐射亮度测试系统原理图Fig. 3 Schematic diagram of vacuum UV spectral radiance test system

图4 真空紫外光谱辐射亮度测试系统实物图Fig. 4 Physical drawing of vacuum UV spectral radiance test system

3 测试结果及分析

3.1 光谱辐射亮度测量结果及相对误差分析

对于真空紫外光谱辐射亮度的测试，可采用直接测量法或比较法：若采用直接测量法，将本测试系统直接对准被测光源即可，直接测量法主要应用于测量仪器的对应响应度已经过标定；若采用比较法，则需配置标准光源并编制定标软件，测量流程较为复杂，通常比较法的应用场景必须配备1 个被测源、1 个标准源、2 个光源进行测量实验。本文首先完成了该测试系统光谱辐射响应度的定标，因此本文基于直接测量法，以真空紫外标准光源（氘灯）作为被测对象，开展了光谱辐射亮度的测量，工作波长分别为121.2 nm、135.6 nm、160 nm、180 nm、200 nm，相应的光谱辐射亮度测量示值误差可由（12）式得到：

式中：L2(λ)为真空紫外标准光源（氘灯）的真空紫外光谱辐射亮度标准值；Lmeasure为相应的真空紫外光谱辐射亮度测量值。测量结果如表1 所示，在以上5 个工作波长下该系统的光谱辐射亮度相对示值误差均小于0.50%，证明了该测试系统的准确性，可以满足115 nm～200 nm 真空紫外波段的测试需求。针对误差的产生，通过对真空紫外辐射计的重复性测试，测量重复性的不确定性会引起测量的误差；同时真空紫外标准光源由于本身光辐射功率有一个最大值变化范围而造成光源的不稳定性，会造成一定的测量误差。

表1 真空紫外光谱辐射亮度测试结果Table 1 Test results of vacuum UV spectral radiance

3.2 衰减片对测试结果的影响

为了考核衰减片在真空中对不同波长透过率的影响，且实现测试系统0.01 μW/cm2·nm·sr～1 μW/cm2·nm·sr 范围光谱辐射亮度的精确测量，设计了一组衰减片，项目组对每个波段透过率进行了测试分析，测试结果如图5～图9 所示。

图5 衰减片对121.2 nm 透过率的影响测试结果Fig. 5 Test results of transmittance at 121.2 nm by attenuator

图6 衰减片对135.6 nm 透过率的影响测试结果Fig. 6 Test results of transmittance at 135.6 nm by attenuator

图7 衰减片对160 nm 透过率的影响测试结果Fig. 7 Test results of transmittance at 160 nm by attenuator

图8 衰减片对180 nm 透过率的影响测试结果Fig. 8 Test results of transmittance at 180 nm by attenuator

图9 衰减片对200 nm 透过率的影响测试结果Fig. 9 Test results of transmittance at 200 nm by attenuator

由图10 可取平均计算得到衰减片在121.2 nm、135.6 nm、160 nm、180 nm、200 nm 波长处的透过率平均值分别为1.2%、23.9%、0.6%、15.4%、16.5%，同时对组合衰减片的测试系统进行了真空紫外光谱辐射亮度的测试和误差分析，测试记录数据如表2 所示，组合衰减片对测试结果影响如图11所示。

图10 不同波长下衰减片透过率测试结果Fig. 10 Test results of attenuator transmittance at different wavelengths

表2 组合衰减片的真空紫外光谱辐射亮度记录表Table 2 Vacuum UV spectral radiance record of combined attenuator

图11 组合衰减片对测试结果影响Fig. 11 Effect of combined attenuator on test results

由表2 可以看出衰减片在实现真空紫外光谱 辐 射 亮 度0.01 μW/cm2·nm·sr～1 μW/ cm2·nm·sr测量范围的同时，能够保证测试系统对于真空紫外光谱辐射亮度的准确测量，从图10 也可以看出衰减片对于不同波长真空紫外信号的透过率影响。

3.3 真空度对光谱辐射亮度测量结果的影响

真空紫外信号的精确探测对工作真空度要求很高，因此有必要研究高真空环境下不同工作真空度对于真空紫外信号的光谱辐射亮度的影响。本次从真空工作环境6×10−3Pa 开始测试，观察真空紫外光谱辐射亮度的变化。

由图12 可以看出在真空工作环境中不同波段的真空紫外光谱辐射亮度值可以保持稳定，在121.2 nm、135.6 nm、160 nm、180 nm、200 nm 波长处拟合曲线趋向于一个固定值，其真空紫外光谱辐 射 亮 度 值 平 均 值 分 别 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，其标准偏差分别是13.45、11.73、17.77、4.18、4.31，测量数据相对稳定，说明了在6×10−3Pa 以下的真空环境中测试系统可以稳定工作，证明了测试系统的稳定性。

图12 不同真空度环境对真空紫外光谱测量的影响Fig. 12 Effect of different vacuum degree environment on vacuum UV spectrum measurement

3.4 光谱辐射亮度重复性测试

重复性能够反映测试系统短时间内测量参数的相近能力，通过不同时间段的多次测量可以反映测试系统的稳定性，表3 截取部分重复性实验测量数据，重复性用多次测量的标准差来表征，在121.2 nm 和180 nm 的重复性分别为1.344×10−3和2.088×10−4，通过大量重复性试验能够看出真空紫外光谱辐射亮度测试系统具有很好的稳定性[15]。

表3 真空紫外光谱辐射亮度重复性部分测试结果Table 3 Partial test results of vacuum UV spectral radiance repeatability

4 总结

本文通过对真空紫外光谱辐射亮度的测量实验，可知本测试系统的工作波长覆盖115 nm～200 nm的真空紫外波段，且在高真空工作环境低于6×10−3Pa中能够稳定运行，相对示值误差低于0.5%，且测量结果稳定。该测试系统灵敏度较高，通过采用衰减片对氘灯衰减约106量级，实现了0.01 μW/cm2·nm·sr ～1 μW/cm2·nm·sr 范围光谱辐射亮度的精确测量，证明了本测试系统可以实现对微弱真空紫外信号的测试，并有望应用于其他各类真空紫外辐射源的检测工作。