基于Ar分支比方法的光谱强度响应效率标定研究

利用Nd∶YAG激光器输出的1 064 nm激光在大气压环境中产生了Ar等离子体,测量了Ar等离子体的发射光谱,从Ar等离子体发射光谱中筛选出了来自Ar Ⅰ和Ar Ⅱ 15个上能级的35条跃迁谱线,基于分支比方法计算了光谱仪的辐射强度响应效率标定系数。此外,利用氘灯和卤钨灯标准光源,对光谱仪辐射强度响应效率进行了标定,得到了针对不同光栅的光谱仪的辐射效率标定系数。用分支比方法获得的辐射强度响应效率标定系数与标准光源得到辐射强度响应效率标定系数具有较好的一致性,其最大相对误差为5.4%。该研究的标定方法可以为一些大型聚变装置的光谱测量的在线标定提供借鉴和参考。     

基于连续光谱光源的单色仪标定方法

单色仪在加工和安装过程中不可避免的存在误差,必须对其进行标定后才能使用。传统上采用汞灯的标定方法,波长数量有限,限制了单色仪的标定精度。在研究光栅单色仪原理的基础上,提出了一种基于连续光谱光源的单色仪标定方法,设计并搭建了标定实验系统,系统由宽波段光源、光源电源、滤光片、单色仪、光谱仪及计算机构成。采用卤钨灯作为光源,用光谱仪分别测量卤钨灯经单色仪后的辐射、直接测量卤钨灯的辐射,二者相比得到单色仪透过率函数,消除了卤钨灯辐射以及光谱仪响应函数的影响。在刻度盘的某一读数位置,获得单色仪透过率函数并进行归一化,并计算峰值波长,得到一组峰值波长和刻度盘读数的数据。该方法共采集了22组波长数据,用于单色仪的标定。分别采用8点、14点、18点、22点,采用线性拟合和二次拟合,得到了单色仪的波长与刻度盘读数的关系式。标定点数从8个(8点标定类似于汞灯特征谱标定)增加到22个,误差减小明显,将22点二次拟合的结果作为单色仪最终的标定结果。实验结果表明,采用连续光谱光源的单色仪标定方法获得的标定点数更多,标定结果优于传统的采用汞灯的标定方法。     

光谱成像仪快速光谱定标方法研究

光谱定标是确定光谱仪器各通道中心波长的过程,为了获取光谱辐亮度,通常需要对光谱仪器进行辐射定标,将光谱仪器输出的数值,映射为物理量——辐亮度。不同的光谱仪器的光谱响应不同,因此还需要在光谱定标过程中确定各个通道的光谱响应。光谱成像仪可以看成是多个光谱仪组成的,需要对所有点的中心波长和光谱响应进行定标。自第一台成像光谱仪诞生以来,其定标方法逐渐固定,通常需要采用光谱分辨率较光谱成像仪更高的单色仪输出准单色光进行光谱定标,其准单色光的光谱带宽远小于光谱成像仪的光谱响应带宽,可以将准单色光抽象为脉冲函数。根据脉冲函数的特性,改变准单色光的波长,扫描光谱成像仪的响应波长范围,是对光谱响应函数进行间隔采样的过程,通过光谱定标数据可以直接得到光谱成像仪的中心波长和光谱响应函数。随着技术的发展,探测器的灵敏度越来越高,光谱成像仪的分辨率也越来越高,为了完成光谱定标,对光谱定标需要的准单色光提出了更高的要求。然而准单色光的带宽越窄,其能量越低,获取满足信噪比要求的数据需要更长的时间,使定标的效率降低。从光谱定标的目的出发,结合准单色光和光谱成像仪光谱响应近似高斯函数的特点,通过理论分析,提出一种利用宽带定标光进行光谱定标的方法,可以有效减少光谱定标的步骤,提高定标的效率,适用于光谱成像仪的快速定标。该方法用于某星载高光谱成像仪的光谱定标,待标定光谱成像仪采用棱镜分光,具有色散非线性的特点,光谱分辨率在2~18 nm之间变化,同时存在较大的谱线弯曲,导致每个像元的中心波长都不同,需要对每个像元进行光谱定标。为了避免分视场定标导致的相邻视场中心波长不连续现象,将单色仪发出的准单色光的光斑照亮整个狭缝,狭缝和单色仪之间放置柱透镜和毛玻璃,其中柱透镜用于汇聚垂直于狭缝方向的光线,提高能量利用率;毛玻璃用于匀化光照,毛玻璃的存在极大地减弱了进入光谱成像仪的能量,结合提出的方法,增加定标光的带宽,提高能量,最终完成了该光谱成像仪的快速定标,利用汞灯的特征光谱验证该成像光谱仪的光谱定标精度为0.23 nm。     

大气遥感远紫外光谱仪绝对光谱辐照度响应度定标方法研究

主要针对可应用于空间高层大气遥感的远紫外光谱仪的光谱辐照度响应度定标方法进行研究。针对远紫外波段光谱测试标准装置少,实验系统所需真空度高,实验稳定性难以维持,传统漫反射板和积分球辐亮度定标方法在远紫外波段局限性大、难以利用等特点,研究了适用于远紫外光谱仪器的光谱辐照度绝对辐射定标方法,搭建了相应的真空实验系统,以一台远紫外光谱仪原理样机为对象对研究方法进行了实验验证。实验系统以标准氘灯、真空紫外单色仪和准直系统组成照射系统,将出射准直光辐照度用标准探测器进行标定,三者共同组成了标准光谱辐照度光源;利用该光源照射原理样机并读出相应信号,最终获得光谱辐照度响应度,从而实现了利用标准探测器进行照度传递的远紫外光谱仪器绝对光谱辐射定标,有效的进行了仪器定标。该方法定标不确定度约为7.7%,对远紫外波段空间高层大气遥感光谱仪的地面辐射定标研究具有重要意义。     

大口径积分球光源绝对辐射定标技术研究

为了实现大口径积分球光源高精度绝对辐射定标，研究了基于钨带灯比对的光谱辐射亮度定标方法，通过同心圆扫描分析了空间光谱辐射均匀性定标方法，研制了绝对辐射定标装置，校准了出光口径为Ф300 mm积分球光源的光谱辐射亮度、亮度、色温值，实验验证光谱辐射亮度绝对定标的不确定度优于4%。     

EAST快速极紫外光谱仪波长的原位标定及其应用

介绍了东方超环(experimental advanced supereonducting tokamak, EAST)托卡马克上的两套快速极紫外（EUV）光谱仪系统波长的原位标定方法、结果及其应用。这两套谱仪均为掠入射平场谱仪，时间分辨均为5 ms·frame-1。两套谱仪分别工作在20～500和10～130 Å的波段范围，由步进电机控制探测器在焦平面上移动实现整个观测波段上的波长扫描。利用这两套谱仪系统观测极紫外波段光谱，计算EAST中低-高Z杂质离子特征线辐射强度随时间的演化，监测和研究等离子体中杂质的行为。高Z杂质尤其是钨、钼等金属元素，发出的EUV波段光谱的构成非常复杂，准确识谱对谱仪精确的波长测量能力以及谱分辨能力要求很高，因此精确的波长标定是识别钨、钼等高Z杂质谱线以及研究它们行为的最关键的技术之一。利用EAST等离子体中类氢到类铍的低、中Z杂质的特征谱线以及它们的二阶甚至三阶谱线，结合谱仪系统的色散能力，对这两套快速极紫外光谱仪的波长进行了精确的原位标定。用于波长标定的杂质谱线有O Ⅷ 18.97 Å，O Ⅶ 21.60 Å，C Ⅵ 33.73 Å，Li Ⅲ 113.9 Å，Li Ⅲ 135.0 Å，Li Ⅱ 199.28 Å，Ar ⅩⅤ 221.15 Å，He Ⅱ 256.317 Å，He Ⅱ 303.78 Å，Ar ⅩⅥ 353.853 Å及C Ⅳ 384.174 Å等。利用波长标定的结果对观测到的EUV光谱进行谱线识别，两套谱仪观测到的绝大多数谱线波长与美国技术标准局(National Institute of Standards and Technology, NIST)数据库的标准波长相差分别小于0.08和0.03 Å。开发了谱仪波长原位标定程序模块，将这个模块内嵌到谱仪数据实时上传的交互式软件中，实现了全谱数据以及特征谱线强度随时间演化数据的实时处理和上传。同时利用开发的全谱分析交互式软件以及EAST上的数据查看软件，最终实现了快速EUV谱仪自采数据的准实时分析、读取和查看。     

200～400nm短波紫外光谱辐射照度国家基准装置的研究与建立

针对我国短波紫外光谱辐射照度测量能力缺失的问题,基于高温黑体辐射源,2017年中国计量科学研究院NIM自主研制了200~400 nm光谱辐射照度国家基准装置。组建氘灯副基准灯组,实现基准量值的独立复现、保存和传递。在国内形成了以氘灯为传递标准的光谱辐射照度计量基标准和量传体系,为各应用领域提供最高溯源标准。针对基准系统中温度测量、带宽、信噪比、荧光等主要误差源,逐一突破关键测量技术,提升基准的测量准确度：将高温黑体的温度测量直接溯源至铂-碳Pt-C和铼-碳Re-C固定点黑体,采用钨碳-碳WC-C高温共晶点测温技术进行验证,在3 021 K固定点与俄罗斯计量院VNIIOFI的偏差仅0.07 K,将200 nm的测量不确定度减小0.2%;针对黑体和氘灯光谱形状显著差异导致的光谱带宽误差,提出基于微分求积的七点带宽修正法,在200 nm,误差减小0.86%;提出绝对和相对互补型测量原理,将200 nm的测量重复性误差减小约20倍;采用选择性滤波技术,成功消除系统内荧光对测量结果的影响。3 021 K时黑体温度的测量不确定0.64 K,腔底不均匀性小于0.17 K,测量期间黑体温度漂移小于0.2 K,双光栅单色仪的波长误差不超过±0.01 nm。氘灯副基准的标准测量不确定度为：200~250 nm,U_rel=4.0%~1.3%;250~330 nm,U_rel=1.3%~1.2%;330~400 nm,U_rel=1.2%~1.9%,整体技术指标达到国际先进水平。研究成果填补了200~400 nm基于氘灯的光谱辐射照度国家基准的空白,使我国具备能力参加国际计量局组织的CCPR-K1.b国际关键比对,与传统以卤钨灯为传递标准的光谱辐射照度国家基准实现了有效衔接。在250~400 nm重合波段,两种传递标准量值的平均相对偏差为0.39%,在声称的不确定度范围内一致。     

新型超分辨干涉型光谱仪光谱定标研究

针对综合光栅衍射与空间干涉与一体的新型空间外差光谱(SHS)技术开展了光谱定标技术研究。从SHS干涉机理入手,列举了SHS与传统超光谱仪器光谱定标的差异,开展了仪器线性函数、光谱分辨率和光谱范围等光谱特性数据的定标原理研究,设计可调谐激光积分球光谱定标法,并且针对超光谱数据特点探讨了谱峰定位等数据处理算法。利用上述光谱定标方法对CO2空间外差光谱仪样机开展了光谱定标实验,并利用镁元素灯进行了定标精度验证,结果表明该光谱定标方法能够满足SHS光谱定标要求,样机实测光谱定标数据与理论设计值吻合。     

基于棱镜扫描法的太阳光谱仪光谱定标

为了标定扫描式棱镜太阳光谱仪的棱镜不同转动角度对应的中心波长和光谱带宽,利用了一种棱镜扫描方法对太阳光谱仪的光谱响应函数进行测量。该方法使用固定的单色光波长,控制棱镜转动实现单色光的像在探测器位置扫描,并通过坐标映射得到响应位置的光谱响应函数。文中根据光谱响应函数的定义,推导出棱镜扫描法与单色仪波长扫描方法波长定标原理上的等效性。之后分别以532 nm固体激光器和632.8 nm氦氖激光器为光源,使用棱镜扫描法测量太阳光谱仪对应波长位置的光谱响应函数,并以单色仪波长扫描法实验作为对比。实验结果表明,对于扫描式棱镜太阳光谱仪,棱镜扫描法测量的中心波长分别为531.86和632.67 nm,其准确度优于单色仪波长扫描法测得的531.39和631.97 nm。由于不受单色仪性能的限制,前者测量的光谱带宽值也优于后者。最后以汞灯为光源使用棱镜扫描法对太阳光谱仪进行了光谱定标实验,实现了特征光谱定标法结合棱镜扫描法对中心波长及光谱带宽的标定。该方法同样可以应用于扫描式光栅光谱仪以及单色仪的光谱定标。     

成像光谱仪绝对辐射定标技术研究

为了实现成像光谱仪绝对辐射定标,以高稳定均匀光源为基础,结合单色仪、大口径平行光管和标准辐射计,建立了一套绝对辐射定标系统。在绝对辐射定标系统上采用替代法标准辐射计标定出被测成像光谱仪入瞳面上的光谱辐射照度,通过获得被测成像光谱仪各像元的输出信号,计算得到各像元的光谱辐射照度响应度,从而实现成像光谱仪可见到远红外波段范围内的绝对辐射定标。实验验证成像光谱仪绝对辐射定标的不确定度优于5%。     

X射线激发发射谱仪的研制

通过X射线管与光谱仪的组合,在对X射线管和光谱仪的选取、自动控制技术、数据采集和处理等多个环节进行系统论证的基础上,自行设计和研制了一台X射线激发发射谱仪。通过采用标准光源,对谱仪的波长和效率定标进行了重点研究,运用这一谱仪分别测量了BaF₂和CsⅠ(Tl)等闪烁晶体的X射线激发发射谱。实验结果表明:该谱仪具有光谱分辨高、性能稳定、操作简便、屏蔽良好等特点,可为闪烁材料的探索和开发提供一种十分有效的研究手段。     

空心阴极元素灯光谱的空间分布测量方法

提出利用成像光谱仪研究空心阴极元素灯光谱空间分布的检测方法。自制了基于Offner成像系统的推扫式凸面光栅成像光谱仪,覆盖波长范围400~1 000 nm,视场角22°,光谱分辨率2~3 nm;利用该光谱仪第一次得到得到Hg元素灯光谱的空间分布,给出了不同波长下的空间图像和不同空间位置的光谱分布信息,具有较高的空间分辨率和光谱分辨率;并同时获取了不同工作电流条件下的元素灯高光谱数据,对比分析了处于不同工作状态下光谱空间分布的差异。这为空心阴极元素灯光谱的空间分布等性能研究提供了一个很好的工具,相关方法也可以用来研究其他类型的光源。     

宽波段单色仪多级谱高精度波长定标

通常利用单色仪输出的单色光对空间遥感光谱仪进行波长定标。提出以空间遥感光谱仪的置信度为标准,来评价宽波段单色仪高精度波长定标精度的方法。通过对仪器精度的分析,分别求出单色仪的波长的重复性误差和偏差。应用高压汞灯的本征谱和光栅衍射多级谱作为定标谱线,避免更换灯源带来的误差。通过粗细定标相结合的方法,缩短扫描时间,并且运用高斯拟合对波峰进行精确定位,缩小误差。最后利用高次拟合得到的关系式,测出单色仪波长精度,计算出空间遥感光谱仪定标的置信度。以1.5 M单色仪为例,单色仪在200～840 nm波段内波长精度±0.016 nm,则空间遥感光谱仪的波长精度达到±0.050 nm的置信度为99.82%。     

用合肥800 MeV同步辐射光源标定氘灯的光谱辐射亮度

利用合肥800 MeV电子存储环同步辐射(HESYR)作为紫外真空紫外光谱辐射测量的绝对标准,标定了传递标准氘灯光源的光谱辐亮度。采用德国国家物理技术研究院(PTB)的数据处理及不确定度分析方法,得到了两支氘灯在115~300nm波段的光谱辐亮度数据,其相对定标不确定度为12.1%。详细分析了相关参量对定标不确定度的贡献,指出辐射计量系统偏振特征量的不确定度贡献最大。在164~300 nm波段,德国德国国家物理技术研究院在BESSYⅡ同步辐射装置上标定的绝对光谱辐亮度值与本实验在中国合肥同步辐射装置上标定的绝对光谱辐亮度值之间一致性优于±20%,在给定的不确定度范围内两光谱辐射标准定标结果一致。     

纯钨红外光谱发射率特性研究

光谱发射率是一个重要的热物性参数,在辐射测温、热传输计算等领域有着广泛的应用。钨作为一种重要的金属,关于其光谱发射率的研究报道较少。利用黑体炉、傅里叶红外光谱仪、加热装置和光学系统搭建了一套能量对比法光谱发射率测量装置,该装置能够测量3~20μm的光谱发射率,测量装置的整体不确定度优于5%。利用该装置测量了纯钨在4个温度点(573, 673, 773和873 K)的法向光谱发射率,重点探讨了氧化、温度、波长和加热时间对纯钨光谱发射率的影响。研究结果表明:纯钨在表面未氧化的情况下,光谱发射率在几个温度点的变化规律基本一致,且数值相差较小,而当其表面发生氧化后光谱发射率迅速增加,在某些波长处出现了强烈的振荡。表面未氧化时纯钨的光谱发射率受温度的影响较小,随着温度的增加仅出现微小的增加,但是当表面发生氧化后,随温度的升高而迅速增大。纯钨的光谱发射率整体上随着波长的增加而减小,但是当表面发生氧化后,由于表面氧化膜与钨金属基底发生干涉效应,在4, 9, 12.5和16.5μm处均出现了峰值。在573和673 K,纯钨的光谱发射率随着加热时间的增加无明显变化。然而,随着温度的升高,在773和873 K时,光谱发射率随着加热时间增加而增大,在773 K时光谱发射率随加热时间的增加增幅较大,因为在该温度点,纯钨表面刚开始发生氧化,氧化速率较大,在873 K时光谱发射率随加热时间的增加增幅较为平缓,并且随着加热时间的增长呈现稳定的趋势。综上,纯钨的光谱发射率在温度较低和表面未氧化时较为稳定。随着温度的升高,当表面发生氧化后,光谱发射率迅速增大,并且在多个波长位置出现了强烈的振荡。由此可见,纯钨光谱发射率受温度、波长、加热时间的影响较大,在实际应用过程中,特别是在辐射测温过程中,如果把纯钨的光谱发射率看做常数将会带来较大的测量误差。该研究将进一步丰富钨的光谱发射率数据,并为其在科学研究和应用中提供数据支持。     

基于激光诱导击穿光谱的波长校准法研究

基于线列光探测器件的光谱仪具有多光谱通道探测的优点，以及其在物质光谱分析中担当的重要角色。分析了基于线列光探测器件光谱仪的波长准确度问题，提出利用激光诱导击穿原子光谱丰富波长校准特征波长谱线的思想。实验选用光谱波长范围为200nm～600nm的凹面光栅光谱仪、2048元焦平面的CCD器件和低压汞灯，分别对铜、铝、镁、钙、硅等5种样品进行了激光诱导击穿光谱试验；利用选取的10条激光诱导原子光谱波长数据并结合低压汞灯的10条特征谱线对光栅光谱仪重新进行波长校准，获取的试验数据有力地证明了这种思想的可行性。     

探测器光谱响应对光谱仪器波长标定中谱峰位置的影响

一般光电探测器的光谱响应是随波长变化的,这在光谱仪器进行波长标定的过程中,可能会改变标定谱线峰值所在的位置,从而影响标定结果的准确度。为此,针对采用阵列探测器的光谱仪器,建立了以高斯线型为标定谱线轮廓的模型,分析了谱线在探测器上经光谱响应调制及积分抽样后峰值位置发生移动的情况,给出了保证在峰值位置不偏移的情况下探测器光谱响应需满足的条件,特别给出了当仪器分光元件为光栅时,在该条件下结合仪器参数的表达式。为保证光谱仪器波长标定的准确度,在仪器设计阶段,可应用此条件选择适宜的探测器;在仪器应用阶段,亦可根据实际探测器参数,应用此条件选择适宜用于标定过程的谱线。     

基于中温黑体的近红外光纤光谱仪辐射定标的方法研究

中温黑体是红外谱段常用的高精度辐射标尺设备,而近红外是处于其有效辐射范围边缘的谱段,所以该谱段的定标研究相对较少。研究了基于中温黑体的近红外光纤光谱仪辐射定标方法,主旨是探讨定标精度如何受定标模型的结构参数选择的影响,进而为近红外光谱辐射计量溯源提供技术参考。采用50～1 050 ℃的可调中温黑体对近红外光纤光谱仪(950～1 700 nm)进行辐射定标。针对定标的关键环节重点讨论了两个内容,首先是辐射传输模型的几何因子匹配问题,比较分析了传统的双圆盘辐射传输模型和光纤直接耦合模型。对于光纤光谱仪的辐射定标来讲,采用光纤直接耦合形式的辐射传输模型,结构上更简单,耦合效率更高。其次重点分析了辐射定标中模型的结构参数对定标精度的影响,其影响的原因是定标数据本身属性中的尺度结构特征,即通常所说的非线性问题。因此对于定标精度要求较高时,需要采用非线性定标模型进行校正,并尽可能保证测试点采样的尺度均衡,这是小样本数据解释非线性结构关系时无法回避的样本选择问题。数据分析结果表明,定标方程的不同结构参数的选择策略对定标精度有显著影响,校正方程的样本残差标准差带变化范围为±0.1%～±1%。     

空间外差光谱仪定标方法研究

空间外差光谱仪(SHS)是近年来迅速发展起来的新型超光谱分析技术,但针对该项技术的定标研究方法还不成熟。本文在分析空间外差仪原理的基础上,探讨了SHS实验室定标方法,内容包括光谱定标和辐射定标。利用可调谐激光器与元素光谱灯,根据光谱带宽内的发射谱线所对应的波长,以及探测器尺寸与系统带宽之间的关系,设计了光谱定标方案。定标结果显示仪器光谱分辨率和光谱范围与理论设计值一致,通过多次光谱稳定性测试,光谱漂移较小。在辐射定标中,利用积分球系统进行了稳定性定标,利用标准灯和漫反射板完成了响应度定标,并利用定标系数进行了实例验证。定标结果显示该方法能够满足空间外差光谱仪定标要求,为获取的光谱数据进行定量反演奠定了基础。     

Resolved line profiles of atomic oxygen resonance lamps used in the upper atmosphere

Line profiles of the 130-nm OI(³P-³S) resonance triplet emitted by r.f. excited helium/ oxygen lamps have been resolved using a photoelectric echelle spectrometer. These profiles have been reproduced using a self-absorbed double-Gaussian spectral distribution in which the relative amplitudes of the Gaussian components are functions of the oxygen and helium partial pressures in the lamps. Reasons for the form of the observed spectral distribution are suggested and the importance of the spectrometer measurements to studies of atomic oxygen in the upper atmosphere involving this type of lamp illustrated.