輻射測量

單色儀 的構(gòu)思萌芽可以追述到1666年，牛頓在研究三棱鏡時(shí)發(fā)現(xiàn)將太陽光通過三棱鏡太陽光分解為七色光。1814年夫瑯和費(fèi)設(shè)計(jì)了包括狹縫、棱鏡和視窗的光學(xué)系統(tǒng)并發(fā)現(xiàn)了太陽光譜中的吸收譜線（夫瑯和費(fèi)譜線）。1860年克希霍夫和本生為研究金屬光譜設(shè)計(jì)成較完善的現(xiàn)代光譜儀—光譜學(xué)誕生。由于棱鏡光譜是非線性的，人們開始研究光柵光譜儀。光柵單色儀是用光柵衍射的方法獲得單色光的儀器，它可以從發(fā)出復(fù)合光的光源（即不同波長的混合光的光源）中得到單色光，通過光柵一定的偏轉(zhuǎn)的角度得到某個(gè)波長的光，并可以測定它的數(shù)值和強(qiáng)度。因此可以進(jìn)行復(fù)合光源的光譜分析。

單色儀用來將具有寬譜段輻射的光源分成一系列譜線很窄的單色光，因而它既可作為一個(gè)可調(diào)波長的單色光源，也可作為分光器。

單色儀是利用色散元件(棱鏡、光柵等)對不同波長的光具有不同色散角的原理，將光輻射能的光譜在空間分開，并由入射狹縫和出射狹縫的配合，在出射狹縫處得到所要求的窄譜段光譜輻射。

輻射測量棱鏡單色儀

單色儀工作的譜段范圍主要取決于棱鏡所用材料及其色散值，棱鏡的色散值應(yīng)盡可能大。

在可見譜段，玻璃的色散值隨波長λ的增大而減?。辉诩t外譜段材料的工作譜段內(nèi), 色散值隨波長的增大而增加。當(dāng)單色儀工作在相當(dāng)寬譜段范圍內(nèi)時(shí), 需更換不同材料的棱鏡。

主要性能指標(biāo)：

角色散表示色散元件分開不同波長輻射能的能力。對于棱鏡，角色散為式中，t是三角形棱鏡底邊尺寸，a0是沿縫高方向光束的口徑，dn/dλ是棱鏡材料的色散值。

主要性能指標(biāo)：

光譜分辨率定義為λ/dλ，表示波長為l和波長為λ dλ的色光剛能分開的能力。對于某一波長λ，其與相鄰色光剛能分開的dλ越小，說明棱鏡的光譜分辨能力越高。

根據(jù)方孔衍射極限角分辨率dq=dλ/a0，則棱鏡的最大理論分辨率Rmax

即對應(yīng)狹縫寬度趨近于零時(shí)，棱鏡的最大理論分辨率和棱鏡的尺寸以及棱鏡材料的色散成正比。實(shí)際上，由于物鏡有一定的像差以及要得到一定出射光能量，狹縫需要有一定的寬度，加上雜散光等的影響，實(shí)際單色儀的分辨率比Rmax小。

輻射測量光柵單色儀

參數(shù)：

光柵的角色散

線色散

光譜分辨率

如果對應(yīng)某一波長，使i=

即在相當(dāng)寬的光譜范圍內(nèi)角色散近似均勻——光柵單色儀的優(yōu)點(diǎn)(棱鏡單色儀由于角色散是波長的函數(shù)，以致色散小的小譜區(qū)因其光譜分辨率低而難以應(yīng)用)。

由于通過光柵的能量大部分集中在無法使用的零級光譜，而其它譜級的能量迅速減弱。為了最大限度地提高光能利用的可能性，炫耀光柵得到了廣泛的應(yīng)用。

每個(gè)刻痕的斷面都相當(dāng)于一個(gè)小反射鏡，把光線反射到預(yù)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譜級次的波段范圍內(nèi)。具有這種特性的光柵稱為定向光柵或炫耀光柵。

在1900年，輻射這個(gè)詞一直被用于描述電磁波 。大約在下個(gè)世紀(jì),電子,x射線、天然放射性被發(fā)現(xiàn)。新發(fā)現(xiàn)的輻射顯示的粒子特征,與此相對照的電磁輻射,被當(dāng)作一個(gè)波。在1920年代,德布羅意發(fā)展了他的理論二元性的物質(zhì),它很快就被后來被證明是正確的電子衍射實(shí)驗(yàn)，粒子和波的區(qū)別不在是[B-1]了到[C-1]那么重要了。今天,輻射是指所有已發(fā)現(xiàn)的[D-1]整個(gè)電磁頻譜以及所有的原子與亞原子粒子。其中的許多不同類型的輻射被組合在一起是指[D-2)電離和非電離輻射。電離是指電離輻射的能力，以原子或它穿越的介質(zhì)分子。非電離輻射的波長的約10nm或更長。該電磁波譜的一部分包括無線電波、微波、可見光(λ=770~390nm),和紫外線(λ=390~10nm)。電離輻射包括其余電磁波譜(x射線,λ≈0.01~10nm)和比x射線波長短的γ線。它也包括所有的原子與亞原子粒子,如電子,正電子,質(zhì)子,阿爾法機(jī),中子,和介子。該材料在本文僅適用于電離輻射。

輻射測量的儀器主要包括主要包括光度導(dǎo)軌、積分球、單色儀、分光光度計(jì)、光譜輻射計(jì)以及傅立葉變換光譜輻射計(jì) 。

中文名稱：積分球

英文名稱：integrating sphere

定義：光度測用的中空球體。在球的內(nèi)表面涂有無波長選擇性的(均勻)漫反射性的白色涂料。在球內(nèi)任一方向上的照度均相等。

理想積分球的條件：

①積分球的內(nèi)表面為一完整的幾何球面,半徑處處相等

②球內(nèi)壁是中性均勻漫射面，對各種波長的入射光線具有相同的漫反射比

③球內(nèi)沒有任何物體,光源也看作只發(fā)光而沒有實(shí)物的抽象光源

設(shè)有一束入射輻射通量照在積分球內(nèi)表面A上,這里分析不在A處的某一表面元dA‘上的輻照度值。當(dāng)積分球內(nèi)壁涂以反射比為ρ具有朗伯漫射特性的涂料，表面A上某一面元dA的反射輻亮度LA和它的輻照度EA之間存在著關(guān)系：

使用注意事項(xiàng)：

若設(shè)ρ(λ)=0.98，照度的相對變化率約為反射比相對變化的50倍。即涂層材料光譜反射比的少量變化，會引起出射輻照度相當(dāng)大的變化。為此，應(yīng)當(dāng)選用光譜反射比近似平且朗伯漫射特性好的材料作為涂層。常用的有硫酸鋇、氧化鎂、海倫(聚四氟乙烯)等，其光譜反射特性在可見光和近紅外相當(dāng)平坦，漫射特性在小于60°以內(nèi)很好，反射比高達(dá)0.98以上。

積分球和探測器與光源一起工作時(shí)，應(yīng)作為一個(gè)整體來考慮其光譜特性。

要求高的涂層反射比主要是為了增加出射窗處的輻亮度值，因?yàn)榉e分球出射窗處的輻照度值和球半徑的平方成反比，球較大時(shí)，輻照度值將相當(dāng)?shù)汀?

當(dāng)出射窗的輻照度要求不強(qiáng)，而要求輻照度的時(shí)間穩(wěn)定性好時(shí)，可用反射比較低的涂層。這時(shí)涂層反射比的變化，球內(nèi)臟物對輻照度值的影響就較小。

當(dāng)積分球工作在中遠(yuǎn)紅外譜段時(shí)，由于硫酸鋇等在波長大于2.5mm時(shí), 反射比下降很快，因此用作涂層材料性能較差。硫是一種較理想的紅外漫射材料，在3~12mm的平均反射比高達(dá)0.94，只是在11.8mm處有一吸收帶, 其朗伯漫射特性和硫酸鋇等相近。

出射窗應(yīng)當(dāng)選用無選擇性的透明材料。窗的位置離開球表面會使部分球面積的光不能進(jìn)入出射窗。因?yàn)閷?shí)際積分球的工作特性并非理想，出射窗處的輻照度也不是完全均勻，因此，出射窗口的尺寸和積分球應(yīng)當(dāng)有一定的比例。經(jīng)驗(yàn)表明，如果要保證出射窗輻照度均勻性在1%左右，則出射窗的直徑最好不大于球直徑的1/10。是用作定標(biāo)源的積分球在出射窗口的輻亮度相對分布(積分球的直徑為0.76m，出射窗直徑是0.3m)?？梢钥闯?，相對輻亮度分布差異可達(dá)2.6%。

隨著光譜技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的迅速擴(kuò)大，各種光譜儀器得到越來越廣泛的應(yīng)用。提高光譜分辨率常受到光譜譜段變窄使光譜信號減弱、測量時(shí)間增長等的限制，增加精細(xì)光譜測量的困難。尤其是紅外譜段，近十多年來發(fā)展起來的傅里葉變換光譜輻射計(jì)(簡記作FT輻射計(jì))、哈達(dá)瑪變換光譜儀等，以光譜分辨率高、信噪比大、測量時(shí)間短等一系列優(yōu)點(diǎn)得到日益廣泛的應(yīng)用。新型光電探測器、信號處理技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使傅立葉光譜儀器的應(yīng)用前景更為廣闊，不僅在實(shí)驗(yàn)室，而且被廣泛用于航空航天的光譜測量儀器 。

連續(xù)改變干涉儀的光程差，利用光電元件可以記錄干涉儀中射出的可變光輻射通量，得出干涉圖函數(shù)。對干涉圖作傅立葉余弦變換，就可得到任何波數(shù)的輻射光強(qiáng)度。

傅立葉變換光譜儀的分辨本領(lǐng)：

如果干涉裝置所能達(dá)到的最大光程差為±xm，則傅立葉變換光譜儀的分辨本領(lǐng)即最小剛能分辨的兩譜線的波數(shù)差應(yīng)為

Ds=1/2xm

當(dāng)光源不是理想的點(diǎn)光源時(shí)，極限分辨率與光源對儀器所張立體角有關(guān)。

傅立葉變換光譜儀的優(yōu)點(diǎn)：

（1）多路優(yōu)點(diǎn)（Fellgett優(yōu)點(diǎn)）（2）輻射通量大的優(yōu)點(diǎn) （3）波數(shù)示數(shù)精度高（Connes優(yōu)點(diǎn)） （4）雜散光低2100433B

用以測量光源光譜輻射度量的儀器叫光譜輻射計(jì)，其基本由比較光路、單色儀和探測顯示系統(tǒng)組成。圖77是貝克曼DK-2R分光輻射計(jì)的結(jié)構(gòu)原理圖，標(biāo)準(zhǔn)光源和待測光源分別放在兩個(gè)燈室中，它們發(fā)出的光分別經(jīng)過一石英漫射器(注意：球只是用于固定漫射器，其本身不是積分球)，再經(jīng)反射鏡照在擺動反射鏡上；擺動反射鏡交替地將來自標(biāo)準(zhǔn)/待測光源的光能引入單色儀；在單色儀的出射狹縫處安裝探測器，探測器輸出信號的大小與待測光源和標(biāo)準(zhǔn)光源光譜輻強(qiáng)度之比成正比。儀器測量精度在3%以內(nèi)。

光輻射測量中 ，在光度導(dǎo)軌上用標(biāo)準(zhǔn)光源來標(biāo)定待測光源、探測器和光輻射測量系統(tǒng)，仍是最常用而且精確、可靠的裝置之一。

光度導(dǎo)軌和一般導(dǎo)軌的主要區(qū)別在于：

有精確的軸向距離刻度和標(biāo)尺

有精確的軸向距離刻度和標(biāo)尺；

1）可使部件之間軸向相對位置對準(zhǔn)，并在其相對移動時(shí)保持對準(zhǔn)關(guān)系；

2）精確確定測量部件之間的軸向距離。

光度導(dǎo)軌的主要功能

使兩個(gè)或多個(gè)部件之間軸向的相對位置對準(zhǔn)，并在其相對移動時(shí)保持對準(zhǔn)關(guān)系。

光度導(dǎo)軌的特點(diǎn)是其它方法(如加中性密度濾光片改變光闌孔徑等)不能或不能精確實(shí)現(xiàn)的。由于在光度導(dǎo)軌上調(diào)節(jié)的參數(shù)是距離，不會改變光源的光譜分布(不考慮中間大氣的影響)，而一般加入光闌等很難同時(shí)做到精確又連續(xù)可調(diào)。

用光源加上相距一定距離的透射-漫射屏，可得到透射、漫射特性近似朗伯的均勻輻亮度源。改變光源至屏的距離，光源的輻亮度值可連續(xù)、精確地變化。

導(dǎo)軌上裝有數(shù)個(gè)帶距離精細(xì)刻度的滑動架或滑動車，以便和導(dǎo)軌上的距離刻尺對準(zhǔn)，提高距離讀數(shù)的精度。為了增加垂直測量平面上輻照度等的變化范圍，減少距離誤差對測量的影響，光度導(dǎo)軌應(yīng)盡可能長。

在光輻射測量中，分光光度計(jì)主要用于測量材料光譜反射比或光譜透射比 。典型的系統(tǒng)有：

雙光束光學(xué)自動平衡系統(tǒng) (Optical null system)

雙光束電學(xué)平衡系統(tǒng) (Electrical ratio-recording system)

1.電磁輻射測量儀用于電磁環(huán)境電磁輻射測量：居室、辦公室、計(jì)算機(jī)房、控制室、高壓線、變壓器、發(fā)射塔電磁輻射測量等。 　2.電磁輻射測量儀用于電氣設(shè)備電磁輻射測量：計(jì)算機(jī)、電視機(jī)、復(fù)印機(jī)、電纜、監(jiān)控器、空調(diào)、冰箱等電氣設(shè)備的電磁輻射測量分析。 　3.電磁輻射測量儀用于電磁輻射防護(hù)功能的測量：測試電磁防護(hù)服、電腦防輻射屏幕/防護(hù)材料的屏蔽電磁輻射功能 機(jī)要室或屏蔽機(jī)房的射頻信號監(jiān)視的電磁輻射測量。