Справочная книга по светотехнике

РАДИОМЕТРИЯ И СПЕКТРОРАДИО­МЕТРИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

2.5.1. Термины и определения

Исторически первыми формировались основы из­мерений фотометрических величин, опиравшиеся в ка­честве основной физической величины на силу света Iv и ее единицу канделу. Световые величины и единицы, их определения, соотношения между ними, обозначе­ния и геометрическая трактовка наглядно представле­ны в табл. 2.1.

Соответствующие энергетические аналоги световых величин:

— энергетическая сила света; сила излучения (ис­точника в некотором направлении) 1е ]Втср *];

— энергетическая яркость Le [Вт ср_| м ^];

— поток излучения; мощность излучения (Фе, Р) [Вт];

— энергия излучения Qe [Дж|;

— энергетическая освещенность; облученность (в точке поверхности) Ее [Вт-м~^].

Измерения этих величин осуществляются теми же методами, что и их световых (фотометрических) анало­гов (п. 2.3), но средствами измерений служат не фото­метры, а радиометры, являющиеся приборами, предназ­наченными для измерения излучения в энергетических единицах (п. 2.2). Структурная схема радиометра отли­чается от таковой у фотометра наличием не фотометри­ческой, а радиометрической головки. В се состав также может входить оптический фильтр, по в данном случае не корригирующий спектральную чувствительность прибора под функцию К(Х), а «вырезающий» из потока падающего излучения определенный участок спектра. Часто измерения приведенных выше величин именуют интегральными измерениями в отличие от спектральных измерений, когда интерес представляет зависимость данной энергетической (радиометрической) величины от длины волны А. или ее спектральное распределение.

Основным типом средства измерений, получившим распространение в спектрорадиометрии широко - и уз­кополосных источников излучения, является спектро - ралиометр — прибор, предназначенный в основном для измерения спектралыюй плотности энергетической ве­личины, характеризующей излучение (п. 2.2). Главным отличием спектрорадиометра от радиометра служит на­личие в его составе монохроматора — спектрального прибора, включающего входную щель, коллиматорный к фокусирующий объективы, диспергирующее устрой­ство и выходную щель.

В спектрорадиометрии источников монохроматиче­ского излучения (лазеров) наряду со спектрорадиомет - рами широкое применение получили двухлучевые и многолучевые интерферометры.

2.5.2. Измерительные преобразователи и приборы для технических интегральных и спектральных измерений

Радиометрические головки и радиометры

Оптический радиометр предназначен, как правило, для технических интегральных измерений энергетиче­ских величин, причем НС столько в видимом, сколько в УФ - и ИК-диапазонах длин волн. Поэтому измерите­льные преобразователи этого СИ обладают иными оп­тическими свойствами и характеристиками, обеспечи­вающими достоверность получаемой количественной информации об объекте. В частности, для изготовле­ния оптических преобразователей используются, кроме традиционных для видимого диапазона стекол, сапфир, германий, кварц, селенид цинка и многие другие мате­риалы, прозрачные в требуемом диапазоне длин волн.

В радиометрических головках широко применяются приемники излучения тепловой группы, а также нео - хлаждаемыс и охлаждаемые вплоть до криогенных тем­ператур полупроводниковые структуры на основе Ge и гройных соединений.

Все сказанное относится к радиометрам, измеряю­щим энергетические величины, характеризующие как некогерентпое (широкополосное), гак и когерентное (лазерное) излучение, поскольку лазерные ваттметры и джоульметры (соответственно, измерители мощности и энергии лазерного ихчучения) также принадлежат к этой категории СИ.

В лазерных ваттметрах и джоульмеграх, также при­меняемых обычно в технических измерениях, в качест­ве измерительных преобразователей оптических вели­чин в электрические сигналы используются преимуще­ственно калиброванные по мощности или энергии ко­герентного излучения приемники тепловой и фото - эмиссиоппой групп, но чаще всего термобатарейпые (калоримегрические). болометрические, пироэлектри­ческие и квантовые приемники [2.7].

Термобатарейные приемники используются для из­мерений мощности излучения непрерывных лазеров, а также мощности и энергии импульсных лазеров, гене­рирующих одиночные импульсы или импульсные по­следовательности с частотой повторения импульсов бо­лее 10 Гц. Приемный элемент обычно представляет со­бой тонкий металлический диск в виде мембраны с тонкослойным чернящим поглощающим излучение покрытием. Термобатарейные приемники моїут рабо­тать в широком спектральном диапазоне (0.19— 20,0) мкм с достаточно низким порогом чувствительно­сти, т. е. их пределы преобразований простираются от 1 мВт до 5 кВт по мощности и по импульсной энергии от 0,01 до 300 Дж.

В качестве фотонных приборов преимущественно распространены кремниевые и германиевые фотодио­ды. Эффективный квантовый выход этих материалов сильно зависит от длины полны излучения, поэтому кремниевые фотодиоды используются в качестве изме­рительных преобразователей в диапазоне ллип волн (0,2-1,0) мкм, а германиевые — от 1,0 до 2,0 мкм. Пре­делы измерений мощности излучения непрерывных ла­зеров оіраничепьі значениями от 1 нВт ло 50 мВт. а

пределы измерения энергии импульспых лазеров — от 1 нДж ло 1 мДж. Следовательно, фотонные приемники предпочтительны в рабочих СИ мощности и энергии слабоинтенсишюго лазерного излучения, а также при измерениях в волоконно-оптических системах. При постоянных времени этих приеммикон порядка сотен микросекунд и менее они могут быть использованы также в СИ формы импульса с последующим интегри­рованием, дающим значение импульсной энергии.

Пироэлектрические преобразователи отличаются от вышеописанных тем, что они реагируют па изменение температуры и не могут быть использованы в пучках излучения непрерывных лазеров без их модуляции. Спектральный рабочий диапазон этих приемников простирается от 0,1 до 100 мкм, временной диапазон длительностей импульсов — от пикосекунд до десятков секунд. В результате на основе этих измерительных преобразователей созданы и серийно выпускаются джоульмстры с пределами измерений энергии импуль­сного лазерного излучения от ЮнДж до 20 Дж и ват­тметры с пределами измерений мощности излучения непрерывных лазеров (с модуляцией пучка обычно ме­ханическим прерывателем) от 2 мкВт до 100 Вт. При этом пироэлектрический приемник должен быть тща­тельно защищен от вибраций, порождающих паразит­ную модуляцию сигнала, являющуюся источником значительной дополнительной поіреінности.

Некоторые производители поставляют на рынок портативные приборы, позволяющие оперативно оце­нивать интенсивность рассеянного излучения, напри­мер, при работе лазерных установок. По существу, та­кие рабочие СИ являются лазерными дозиметрами.

В 90-х годах во ВНИИОФИ был разработан и выпус­кается мелкими сериями джоульметр ИЭЛ300 так назы­ваемого «проходного» типа, предназначенный для изме­рений энергии короткоимпульсного лазерного излуче­ния без прерывания пучка, проходящего сквозь про­зрачную приемную площадку измерительного преобра­зователя. Прибор включен в Госреестр средств измере­ний. (Под короткими подразумеваются импульсы лазер­ного излучения длительностью х„ =(10-12 - 5-Ю 4) с, где т„ — максимальный интервал времени между двумя точками, и которых значения мощности достигают по­ловины пиковой мощности). Его основу составляет фо - тоакустический преобразователь, принцип действия ко­торого базируется на возникновении микрофонного эф­фекта п охватывающем прозрачную для лазерного излу­чения пластину тонкопленочном пироэлектрическом приемнике. Незначительные (пе более 5%) потери энер­гии при прохождении ихчучепия сквозь оптический элемент вызваны следующими причинами: отражением от границ раздела стекла с воздухом; поглощением излу­чения в стекле; диффузией, вызываемой неоднородно­стями материала оптического элемента.

Существенным достоинством такого преобразовате­ля является возможность передачи основной части пуч­ка импульсного лазерного излучения пользователю при одновременном преобразовании незначительной части энергии в измерительный сигнал.

Джоульметр ИЭЛ300 при массе <0,5 кг имеет диа­пазон измерений от 10 до 10 Дж при частоте повто­рения импульсов ло 100 Гц и основной погрешности <3%. Пироэлектрический преобразователь с входным оптическим элементом обладает лучевой стойкостью при плотностях пиковой мощности до 5-Ю8 Вт/см2. Диапазон длин волн, в котором можно выполнять из­мерения этим джоульметром (0,2 15) мкм, перекрыва­

ется радиометрической головкой в двух вариантах, от­личающихся спектральными характеристиками входно­го оптического элемента (из кварца или селенида цин­ка). Прибор имеет встроенный энергонезависимый микропроцессор для управления и может хранить резу­льтаты измерений после выключения питания. При диаметре радиометрической головки 90 мм и толщине 50 мм джоульметр позволяет выполнять измерения энергии пучков диаметром от 2 до 16 мм. Коэффици­ент пропускания мощности лазерного излучения пиро­электрической пленкой — не менее 92%. Джоульметр позволяет производить:

— измерение энергии в каждом импульсе в серии до 5000 импульсов;

— измерение средней энергии в режиме реального времени и ее вычисление в заданной оператором серии импульсов;

— просмотр измеренных значений энергии для каждого импульса;

— определение минимума и максимума энергии импульса в серии.

Спектральные приборы

Спектрорадиометр с входящим в его состав моно­хроматором решает практически все измерительные за­дачи количественного определения спектрального со­става широкополосною излучения. В отличие от спек­трографа, в котором осуществляется фотографическая регистрация спектров, для получения информации о спектральном распределении энергии в широкой обла­сти длин поли с помощью фотоэлектрического или теплового приемника необходимо последовательно вы­делять различные участки спектра. Это можно осуще­ствить перемещением выходной щели вдоль фокальной поверхности при неподвижном диспергирующем устройстве, что мало удобно, так как влечет за собой перемещение приемника или усложнение оптической системы, расположенной за щелью. Поэтому чаще все­го в монохроматоре обе щели неподвижны, а измене­ние, иіипьі волны излучения, направляемого на выход­ную щель (сканирование спектра), осуществляется из­менением положения диспергирующего устройства от­носительно падающего пучка лучей. Монохроматоры применяют во всех областях оптического диапазона длин волн — от мягких рентгеновских лучей до милли­метровых радиоволн, по главным образом — в ИК-об - ласти. где неприменим фотоірафический метод регист­рации.

Если вдоль фокальной поверхности фокусирующего объектива разместить ряд выходных щелей, то одно­временно выделяется несколько узких интервалов длин волн. Такой прибор называют полихроматором. Если к

тому же за каждой иыхолной щелью полихроматора установить отдельные приемники, одноиременно реги­стрирующие потоки соответстиуюіцих спектральных интервалов, то получится многоканальный спектрометр. Прибор со многими выходными шелями, предназна­ченный для количественного спектрального анализа (как правило, по измерениям интенсивности отдель­ных линий излучения), получил название квантометра. Положение щелей па фокальной поверхности полихро­матора может быть как фиксированным, так и реіули - руемым.

Свойства оптической системы спектрального при­бора зависят также от применяемого диспергирующего элемента. В современных приборах спектральное раз­ложение излучения осуществляется: а) призмами;

б) плоскими отражательными дифракционными ре­шетками; в) вогнутыми дифракционными решетками. Область применения призм оіраничивается прозрач­ностью и дисперсией используемых материалов. Плос­кие решетки используются во всех областях спектра, вогнутые — преимущественно в ультрафиолетовой.

Кроме призменных и дифракционных приборов, существует обширный класс спектрометров, действие которых основано на интерференции света. К ним от­носятся хорошо известные интерферометр Фабри-Пе- ро, пластинки Люммера, эшелон Майксльсопа, а также недавно созданные спектрометр с интерференцион­ной амплитудной селективной модуляцией (сисам) и фу р ьс - СІІЄ ктро метр.

Сисам — это двухлучевой интерферометр, в котором плоские зеркала заменены дифракционными решетка­ми. При линейном изменении разности хода лучей двух интерферирующих пучков периодически изменяется освещенность в интерференционной картине в плоско­сти выходного отверстия и тем самым осуществляется амплитудная модуляция излучения в узкой спектраль­ной области. Это модулированное излучение регистри­руется приемником излучения. Изменение регистриру­емой длины волны осуществляется, как и в обычных щелевых спектрометрах, медленным вращением реше­ток.

Фурье-снсктрометр представляет собой интерферо­метр Майксльсопа с обычными зеркалами, на выходе которого при линейном изменении разности хода двух пучков каждое монохроматическое излучение модули­руется с частотой, пропорциональной частоте излуче­ния. Типичная оптическая схема интерферометра, при­меняемого в фурье-спсктрометрс, изображена на рис. 2.25. Регистрируемый приемником сложный сиг­нал является результатом преобразования Фурье иссле­дуемого спектра. Спектральный состав излучения определяется путем обратного преобразования Фурье с помощью ЭВМ. Здесь, в отличие от сисама и обычных спектрометров, информация обо всем спектре получа­ется, как и в спектрографе, одновременно.

Сравнительно недавно появился новый тип спек­трометра, основанный на растровой модуляции свсга. От обычного спектрометра он отличается тем, что в его монохроматоре входная и выходная щели заменены растрами — оптическими деталями, состоящими из

множества прозрачных и непрозрачных участков. Вы­ходной растр является монохроматическим изображе­нием входного растра. При каждом положении диспер­гирующего элемента через выходной растр проходит излучение протяженного спектрального интервала, но вследствие селективности модуляции приемник реги­стрирует излучение, принадлежавіес тем более узкому интервалу іиіип волн, чем меньше элементы растров. Модуляция осуществляется, например, периодическим смешением изображения входного растра относительно выходного.

В отличие от «классических» шелевых спектраль­ных приборов с призмами и дифракционными решет­ками, где диспергирующее устройство осуществляет пространственное разделение монохроматических со­ставляющих исследуемого излучения, в сисаме, фу - рье-спектромстре и растровых приборах на приемник может попадать излучение, принадлежащее широкому спектральному интервалу, и анализ его спектрального состава производится благодаря использованию того или иного способа модуляции потока излучения.

Приборы с интерференционной и растровой моду­ляцией излучения позволяют при такой же разрешаю­щей способности получать большие лучистые потоки, чем «классические» щелевые спектрометры. Эго осо­бенно важно для работы в ИК-области спектра, где ма­лая яркость источников и недостаточная чувствитель­ность приемников излучения часто ограничивают при­менение классических схем. Именно в этой области развитие новых направлений в спектральном приборо­строении, особенно фурье-спсктрометрии, оказалось наиболее перспективным, однако и спектрометры с традиционными диспергирующими элементами по-прежнему служат универсальными средствами ко­личественного спектрального анализа излучений и об­разцов |2.7|.

Радиометры и спектральные приборы при приня­тии специальных мер и использовании методик выпол­нения измерений, повышакяцих точность этих СИ, применяются также в эталонных измерениях.

2.5.3. Российская система обеспечения единства измереиий в радиометрии и спектрорадиометрии оптического излучения

2.5.3.1. Воспроизведение единиц и эталонных шкал энергетических (радиометрических) величин широкополосного и узкополосного излучений и передача их размеров Создание отечественной эталонной базы в области радиометрии и спектрорадиометрии широкополосного излучения потребовало разработки ряда высокоточных (эталонных) измерительных преобразователей на осно­ве специализированных приемпиков и источников из­лучения, способных воспроизводить, хранить и переда­вать размеры единиц энергетических величин. Основ­ными видами таких эталонных преобразователей яви­лись абсолютные радиометры (ЛР), модели черных тел (МЧТ) на фазовых переходах и переменной температу­ры [2.7]. а также ламповые МЧТ [2.7, 2.131, Абсолют­ные радиометры явились также основой эталонов еди­ниц мощности и энергии лазерного излучения.

Абсолютные радиометры

Олпой из наиболее распространенных измеряемых величин в радиометрии пекогерентного оптического излучения традиционно считалась энергетическая осве­щенность. именуемая в радиометрии когерентного оп­тического излучения плотностью мощности. Возрастаю­щие требования практики к точности измерений как па уровне эталонов, так и в технических измерениях поро­дили сравнительно новые подходы к разработке СИ ра­диометрических величин, выразившиеся в стремлении к созданию и использованию в различных измеритель­ных задачах самокалибрусмых приборов, не нуждаю­щихся в получении размеров радиометрических единиц от эталонов. Более того, возникло желание с помощью этих СИ воспроизводить единицы физических величин в радиометрии не только с помощью эталонных излу­чателей, по и па основе принципов самокалибровки эталонных приемников. Так, в развитие широко рас­пространенных в свое время конструкций радиометров появились и заняли в прецизионной оптической ра­диометрии господствующее положение абсолютные ра­диометры (АР). Разница между радиометром и абсолют­ным радиометром заключается в том, что первый из них для измерений потока или оптической мощности в абсолютных единицах требует калибровки с помощью эталонных источника или приемника излучения. Абсо­лютный радиометр является самокалибруемым прибором.

Абсолютная радиометрия обычно реализуется с по­мощью тепловых приемников с электрическим заме­щением, т. е. преобразователь снабжается специальной обмоткой, в которой выделяется достаточно точно из­меряемая мощность (или энергия) постоянного (или переменного) тока, поставляемого в эту так называе­мую обмотку замещения сторонним источником пита­ния. С метрологической точки зрения это означает, что в АР реализуется хорошо зарекомендовавший себя в технике точных измерений способ исключения или ми­нимизации систематических поірешпостей. именуе­мый методом замещения, под которым понимается ме­тод сравнения, основанный на замещении измеряемой величины известной величиной, воспроизводимой ме­рой (см. п. 2.1.).

Абсолютные радиометры используются для измере­ния потока (мощности) излучения в абсолютных еди­ницах — ваттах. Если точно известна площадь облучае­мой поверхности, то можно, зная измеренный поток, вычислить энергетическую освещенность (облучен­ность). Падающий лучистый поток поглощается, как правило, приемной площадкой теплового преобразова­теля.

В результате поглощения потока повышается тем­пература приемной площадки и всего чувствительного элемента преобразователя, что порождает выходной электрический сигнал, воспроизводимый затем с помо­щью обмотки замещения. С учетом ряда влияющих на результат измерения факторов, являющихся источни­ками погрешностей, определяется значение потока (мощности) падающего излучения.

При падении оптической мощности на приемную площадку имеют место процессы поглощения, отраже­ния, распространения, люминесценции, фотоэлектри­ческие эффекты, структурные изменения материала и т. д.

За некоторыми исключениями (фотоэлектронная эмиссия на длинах волн вакуумного ультрафиолета, структурные изменения материала под воздействием высокоинтенсивных пучков) влияниями этих процес­сов и эффектов на измерительный преобразователь можно пренебречь.

В АР получили распространение четыре типа разли­чающихся конструктивно поглотителей излучения: по­лостные, дисковые, дисковые с отражателями, кониче­ские.

Черненая полость полостного поглотителя с малым входным отверстием может иметь коэффициент погло­щения 0,999 и более, причем его отклонения от 1 рас­считываются достаточно точно. Следовательно, преоб­разователь с таким поглотителем практически несслек - тивен в широком диапазоне длин волн, что является его главным достоинством. К числу недостатков следу­ет отнести большую теплоемкость, неравномерность распределения чувствительности по приемной площад­ке, трудность обеспечения идентичности распределе­ния тепловой мощности, преобразованной из оптиче­ской и электрической мощностей. С другой стороны, тепловое сопротивление поглощающего слоя оказывает слабое влияние, так как тепловые потери на теплопро­водность и конвекцию малы. Кроме того, существен­ным достоинством преобразователя с поглотителем та­кого типа является возможность работы при криоген­ных температурах.

В дисковых поглотителях плоская в форме диска приемная поверхность покрывается поглощающим оп­тическое излучение материалом. Они могут иметь ма­лую теплоемкость, но теплопроводности поглотителя и подложки должны быть предельно большими. Коэф­фициент поглощения зависит, главным образом, от слоя поглощающего материала.

Для существенного увеличения эффективного ко­эффициента поглощения дискового поглотителя его помешают в центре отражающей полусферы.

В конических поглотителях предпочтительно испо­льзовать конус с зеркальной, а не с диффузной отража­ющей поверхностью поглощения оптической МОЩНО­СТИ. Критическим параметром является радиус кривиз­ны вершины конуса. Большую роль в повышении ко­эффициента поглощения приемной площадки у всех четырех типов поглотителей имеют материалы лля сс чернения. В АР значительный интерес представляют источники погрешностей, которые часто делят на две группы: от влияния окружающей срсды и присупіис са­мому прибору, именуемые инструментальными факто­рами |2.7]. Для минимизации погрешностей результата измерений в первом случае следует компенсировать влияние среды, окружающей систему излучатель — оп­тическая трасса — радиометр; во втором случае коррек­ция сводится к устранению последствий, вызываемых различием путей, по которым распространяются опти­ческая и электрическая мопшости.

Наряду с АР, эксплуатируемыми при температурах окружающей среды, в эталонной оптической радиомет­рии находят применение криогенные абсолютные ра­диометры. Порог чувствительности (минимально обна­руживаемая облученность) АР зависит от конструкции и условий эксплуатации и находится п диапазоне от не­скольких микроватт на квадратный сантиметр до -100 нВт/см2.

Снабженные оптическими фильтрами с разными ширинами полос пропускания в оптическом диапазоне длин волн, эти приборы получили название фильтро­вых (зональных) радиометров.

Модели черных тел

Для калибровок И К измерительной аппаратуры во ВНИИОФИ были разработаны эталонные модели чер­ных тел (МЧТ) на фазовых переходах галлия и индия (см. табл. 2.18), а также МЧТ переменной температуры, характеристики которых приведены в табл. 2.19.

Наряду с широким использованием описаппых ра­нее МЧТ появилась настоятельная необходимость со­здания новых типов тепловых источников излучения, которые имели бы параметры, близкие к черному или «серому» телу, по одновременно обладали преимущест­вами температурных ламп с ленточными телами накала [2.14]. Были разработаны ламповые МЧТ, в которых излучает внуїреппяя полость длинной цилиндрической трубки малого диаметра. Такая конструкция позволяет реализовать МЧТ блаюдаря тому, что излучение от внутренней стенки трубки испытывает многократные отражения, каждое из которых сопровождается частич­ным поглощением. Чем выше коэффициент поглоще­ния внутренней степки и чем меньше площадь выход­ного отверстия трубки по сравнению с обшей площа­дью внутренней поверхности, тем ближе излучение по­лости приближается к излучению ЧТ.

Ламповые МЧТ обладают следующими преимуще­ствами по сравнению с ленточными лампами: влияние структурных изменений излучающей поверхности су­щественно меньше; истинная, яркостпая и цветовая температуры близки между собой; энергетическая яр­кость излучающей полости практически одинакова в требуемой области температур.

На рис. 2.26 показана одна из ламповых МЧТ, а в табл. 2.20 приведены параметры таких моделей.

Государственный первичный радиометрический эталон

В 1989 г. во ВНИИОФИ был разработан Государст­венный первичный радиометрический эталон (ГПЭ-Р) для воспроизведения и передачи размеров единиц сле­дующих величин:

— спектральной плотности энергетической яркости (СПЭЯ). /.еХ(Х):

— спектральной плотности силы излучения (СПСИ), 1еХ(Х):

— спектральной плотности энергетической осве­щенности (СПЭО), ЕеХ(К), в диапазоне длин воли (0,25-25) мкм;

- силы излучения 1е

— энергетической ос - вещенпости (ЭО), Ее, в диа­пазоне длин волн (0,2-25) мкм.

При создании единого радиометрического эталона было решено с его помощью воспроизводить единицы радиометрических величин, характеризующих как ис­точники, так и приемники излучения. Важной пробле­мой являлось использование п эталонах эталонных из­мерительных преобразователей, базирующихся на фун­даментальных физических законах. В созданном во ВНИИОФИ едином радиометрическом эталоне ис­пользуется комплекс, состоящий из МЧТ и АР. Специ­альные измерительные установки позволяют переда­вать размеры единиц вторичным источникам излуче­ния — МЧТ, ленточным и галогенным ЛН, а также пе- сслективным приемникам излучения [2.7|.

Все единицы относятся к некогерентному (широко­полосному) излучению в диапазоне длин волн (0,25— 25) мкм для СПЭЯ, СПСИ и СПЭО, и в диапазоне длин волн (0,2-25) мкм для силы излучения (СИ) и ЭО. Еди­ницы воспроизводятся в следующих диапазонах:

СПЭЯ - от 1-Ю7 до 1-Ю12 Втср-1 м“3;

СПСИ - от 1-Ю2 до 1-Ю8 Вт ср 1 м ■;

СПЭО - от 1-Ю2 до 1-Ю8 Вт - м 3;

СИ — от 3,5 • 101 до 1 • 102 Вт • ср'1 (здесь СИ — сила излучения):

ЭО — от 1-Ю1 до 2-Ю3 Вт-м 2.

Воспроизведение единиц спектральных величин в эталоне базируется па высокотемпературной МЧТ, из­лучение которой описывается законом Планка:

Lela, т)=— 1X<-KJ,

(CXp(QflX7') - 1]

где £) (Х) — излучатсльная способность МЧТ; X — дли­на иолны; С), С2 — постоянные излучения; п — коэф­фициент преломления воздуха; Т — термодинамиче­ская температура полости МЧТ.

Для обеспечения достаточной интенсивности излу­чения в УФ и видимой областях спектра температура МЧТ должна лежать в пределах (2000-3000) К. Поэто­му ;иія воспроизведения единиц величин в диапазоне (0.25-3,0) мкм используются высокотемпературные МЧТ типов МЧТ-3000 и МЧТ-2500. МЧТ-3000 выпол­нена из карбида ниобия и имеет рабочую температуру (1800-3000) К. МЧТ-2500 выполнена из графита, и се рабочая температура составляет (1500-2500) К.

Использование высокотемпературных МЧТ в ИК - диапазонс хитин волн нецелесообразно, гак как повы­шение температуры не ласт существенного увеличения интенсивности излучения в ИК-обласги, однако резко увеличивает интенсивность излучения в более коротко­волновой области, устранение которой становится се­рьезной проблемой.

Снижение рабочей температуры МЧТ даст сущест­венные преимущества: позволяет работать на воздухе, т. е. отказаться от выходного окна, что особенно важно в ИК-области, и проводить измерения температуры МЧТ контактным методом. Поэтому для воспроизведе­ния единиц спектральных величин в области (3,0- 25) мкм используется МЧТ-1200, работающая в диапа­зоне температур (800-1200) К. Излучающая полость МЧТ-1200 выполнена в виде тепловой трубы с натрие­вым теплоносителем.

Воспроизведение единиц интеїральпьіх величин ба­зируется на полостном АР. Возможность размещения в едином вакуумном объеме МЧТ-3000 и АР позволяет сличать их между собой. На МЧТ-3000, МЧТ-2500, МЧТ-1200 и АР базируются радиометрическая и спек - трорадиометричсская шкалы во всех указанных выше спектральном и динамическом диапазонах.

2.5.3.2, Воспроизведение единиц мощности и энергии монохроматического (лазерного) излучения и передача их размеров

Государственную поверочную схему возглавляет разработанный, хранимый и эксплуатируемый во ВНИИОФИ Государственный первичный эталон еди­ницы мощности непрерывного лазерного излучения, воспроизводящий сс с помощью двух основных эле­ментов: эталонного калориметрического преобразова­теля и аргонового лазера с длиной волны выходного излучения ~0,5 мкм. Оптическая схема эталона содер­жит еще два главных элемента: дифракционный дели­тель пучка па основе голографической решетки и метрологический затвор, «вырезающий» при необхо­димости из непрерывного потока излучения импульс длительностью 1 с с крутыми фронтами.

Эталонный преобразователь, по существу, являет­ся абсолютным радиометром с рабочим и термоком - пснсационным идентичными полостными приемника­ми излучения, обладающим большой постоянной вре­мени (до 60 с). Излучение лазера мощностью от 0,08 до 1,0 Вт (любое значение в этом интервале) подастся на дифракционный делитель. Дифрагировавшие в + 1-Й и —1-й порядки одинаковые (с точностью до из­меренного коэффициента деления 1:1) пучки излуче­ния разведены в пространстве и одновременно на­правляются соответственно в эталонные приемники первичного и вторичного эталонов. Последнему пере­дается размер единицы. Конструктивно оба эталон­ных преобразователя идентичны, их приемники излу­чения снабжены обмотками нагревания постоянным электрическим током, реализующими измерения ме­тодом замещения. Это означает, что измерительная обмотка приемника излучения попеременно реагирует па тепловые потоки, вызванные, с одной стороны, воздействием измеряемой оптической мощности и, с другой стороны, порожденные преобразованием в те­пло электрической мощности, подаваемой в обмотку паїревателя, обычно именуемую обмоткой (или ка­тушкой) замещения. Мощность электрического тока измеряется с высокой точностью с помощью эталон­ной катушки сопротивления, потенциометров и се­рийных высокоточных цифровых мультиметров. По­скольку преобразователь сконструирован таким обра­зом, что пути распространения по нему тепловых по­токов, явившихся результатами преобразования опти­ческой и электрической мощностей, практически одинаковы, и соответствующие коэффициенты преоб­разования обеих мощностей в измерительные элек­трические сигналы весьма мало отличаются друг от друга, по измеренной электрической мощности с ми­нимальной поірешностью (пе превышающей 0,1%) определяется значение измеряемой оптической мощ­ности.

В соответствии с российской государственной пове­рочной схемой ГОСТ 8.275-91 размеры единиц мощно­сти (ватта) и энергии (джоуля) передаются эталону — копии Государственного первичного эталона, разрабо­танному для Сибирского государственного НИИ Мет­рологии (СНИИМ, г. Новосибирск), а также несколь­ким экземплярам вторичных эталонов этих единиц, разработанным и переданным в российские территори­альные метрологические органы. Дальнейшая передача размеров единиц мощности и энергии рабочим СИ от вторичных эталонов, структурные схемы которых иден­тичны первичному, осуществляется либо непосредст­венно, либо посредством рабочего эталона соответст­вующего точностного разряда. Наряду с государствен­ной поверочной схемой отдельные ведомства для спе­циализированных СИ в этом виле измерений имеют локальные поверочные схемы, согласованные с госу­дарственной.