光譜輻射計(jì)量及其應(yīng)用

作者：代彩紅
單位：中國計(jì)量科學(xué)研究院

一、光譜輻射度計(jì)量簡介

物體發(fā)出輻射主要有兩種形式:一種是熱輻射;另一種是光輻射。任何物體都會發(fā)射熱輻射。溫度低的物體，發(fā)出看不見的紅外輻射，隨著溫度的升高，物體發(fā)出的輻射在短波方向加強(qiáng)，逐漸主現(xiàn)暗紅、偏黃和白色。光輻射是依靠非熱激發(fā)方式來維持輻射的，如電致發(fā)光、光致發(fā)光和化學(xué)發(fā)光等。

光譜輻射度學(xué)是有關(guān)光輻射的測量理論和技術(shù)的一門學(xué)科。光輻射度計(jì)量則是提供輻射測量的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)、測量技術(shù)，并進(jìn)行量值傳遞。光輻射度計(jì)量所涉及的波長范圍從X 射線、真空紫外、紫外、可見至紅外輻射。

光譜輻射度量分為兩類: 一是描述復(fù)合輻射的量，稱為輻射亮度和輻射照度。由于黑體又稱為全輻射體，故黑體的亮度又稱為全輻輻射體，故黑體的亮度又稱為全輻射亮度。黑體輻射建立的照皮又稱為全輻射照度。另一類是描述光譜輻射的量如輻射亮度的光譜密集度(對于具有連續(xù)光譜的復(fù)合輻射)和單色輻射亮度(對于具有線光譜的輻射) ，測量結(jié)果往往表示為輻射亮度的光譜密集度按波長的分布，簡稱或總稱為光譜輻射亮度。

光譜輻射度計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)有兩種類型:一種是基標(biāo)準(zhǔn)輻射源(如不同溫度的黑體輻射源、同步加速器輻射、壁穩(wěn)氣體電弧輻射等多種標(biāo)準(zhǔn)輻射源) 。主要用于標(biāo)定同類輻射源的輻射亮度、輻射照度、黑體爐和材料的發(fā)射率，校準(zhǔn)輻射溫度計(jì)、輻射亮度計(jì)和輻射照度計(jì)。另一種是基標(biāo)準(zhǔn)輻射計(jì)，如常溫和低溫電校準(zhǔn)輻射計(jì)、自校準(zhǔn)硅二極管等。

我國的光譜輻射度計(jì)量基準(zhǔn)體系有兩個(gè)分支: 光譜輻射亮度和光譜輻射照度，分別是輻射亮度和輻射照度的光譜密集度隨波長分布的總稱，是光學(xué)領(lǐng)域的兩個(gè)重要參量，是光學(xué)計(jì)量領(lǐng)域獨(dú)立復(fù)觀的重要基準(zhǔn)之一。光譜輻射照度是因際計(jì)量委員會光度輻射度咨詢委員會(CCPR) 確定的國際關(guān)鍵比對項(xiàng)目之一。我國的光譜輻射亮度和光譜輻射照度國家基準(zhǔn)裝直建于1975 年。1989 年完成基準(zhǔn)裝直第一次技術(shù)改造，參加了1990 年光譜輻射照度國際關(guān)鍵比對。可見波段與國際參考值的一致性很好，符合在0.80% 以內(nèi)，紫外波段和近紅外波段的發(fā)散分別為12.69% 和6.14% 。針對存在的問題， 2000 年對基準(zhǔn)進(jìn)行第二次技術(shù)改造，參加2004 年光譜輻射照度國際關(guān)鍵比對，在紫外和可見波段與國際參考值的最大發(fā)散分別改善為1.2% 和2.1% ，達(dá)到國際先進(jìn)水平，同時(shí)取得光譜輻射度的國際等效(即國際公認(rèn)) 。2011 年完成基準(zhǔn)裝直的第二次能力提升，基于新的黑體輻射源、BB3500M 和溫度反饋控制系統(tǒng)，研究并建立第四代光譜輻射度國家基準(zhǔn)裝直。將光譜輻射亮度和光譜輻射照度的波長測量范圍分別擴(kuò)展至(230~2550) 納米和(220~2550) 納米，提升了基準(zhǔn)裝直的各項(xiàng)性能指標(biāo)，測量不確定度得到較大改善。

紫外輻射度計(jì)量是光輻射度計(jì)量的一個(gè)重要分支。紫外輻射是指波長范圍在(100~400) 納米的光輻射，一般把(100~280) 納米稱做UVC ，把(280-315) 納米稱做UVB ，把(315-400) 納米稱做UVA 。

我國的紫外輻射照度工作基準(zhǔn)建立于1989 年，是一切紫外輻射度量值溯源的最高標(biāo)準(zhǔn)。2006年進(jìn)行技術(shù)改造和能力升級，建立高準(zhǔn)確度、寬波段、多元化紫外輻射度計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)和量傳體系，滿足了更多應(yīng)用領(lǐng)域的計(jì)量需求。2005年參加紫外輻射照度亞太比對，取得兩項(xiàng)參數(shù)第一的好成績。紫外輻射度量值取得國際等效性。

紫外輻射照度計(jì)是最常用的測量紫外輻射強(qiáng)弱的儀器， 操作簡單、成本低廉， 一般由余弦浸射器、紫外帶通濾光片、紫敏探測器和顯示儀表組成。由于工藝水平的限制，導(dǎo)致該類儀器存在光譜依賴性缺陷，在使用時(shí)應(yīng)注意。

二、光譜輻射度計(jì)量的應(yīng)用

光譜輻射度計(jì)量為應(yīng)對氣候變化、氣象、航空航天、遙感、海洋水色測量、材料老化、照明、LED 、太陽能光伏、光輻射安全、防曬化妝品檢測與民眾健康、醫(yī)療衛(wèi)生、光電子等領(lǐng)域提供了準(zhǔn)確可靠的光譜輻射度計(jì)量溯源標(biāo)準(zhǔn)。典型應(yīng)用如下:

1.應(yīng)對氣候變化、氣象研究應(yīng)用：為太陽光譜輻射度的研究與長期監(jiān)測儀器提供光譜輻射照度、紫外輻射照度量值的溯源標(biāo)準(zhǔn)。

2.航空航天領(lǐng)域：為資源衛(wèi)星和多光譜成像系統(tǒng)提供光譜輻射度標(biāo)定服務(wù)。

3.太陽能光伏領(lǐng)域：為太陽模擬器的光譜匹配、模擬器分級提供光譜輻射度量值溯源標(biāo)準(zhǔn); 為光伏器件的老化測量提供紫外輻射度的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。

4.LED 照明應(yīng)用：光譜輻射度的準(zhǔn)確測量、光輻射安全的測量與評估。

5.海洋水色研究領(lǐng)域：為海洋水色測量儀器一一高光譜輻射亮度和光譜輻射照度定標(biāo)服務(wù)， 分析實(shí)際測量與遙感監(jiān)測的等效性。

6.地物遙感：為地物遙感用光譜輻射亮度計(jì)提供光譜輻射亮度的準(zhǔn)確定標(biāo)服務(wù)。

7.材料老化：為人工氣候老化試驗(yàn)箱體的光譜輻射度測量提供量值溯源服務(wù)。

8.醫(yī)療衛(wèi)生：準(zhǔn)確測量紫外消毒與保健光源的輻射照度，確保消毒殺菌的效果。

9.光輻射安全評價(jià):目前各種光源類產(chǎn)品和儀器的光輻射安全重要性已被廣泛認(rèn)知。2009 年年初， 歐盟通過WTO 向中國等國家通報(bào)了歐盟32 號新的環(huán)保指令要求， 其中對LED 、CFL 節(jié)能燈等產(chǎn)品提出了明確的光輻射安全要求， 并且要求執(zhí)行IEC62471 標(biāo)準(zhǔn)。與光輻射安全相關(guān)的國際國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)己頒布并被廣泛采用。光譜輻射度計(jì)量是確保光輻射安全測量結(jié)果的正確與國際等效性的重要保障。

10.光污染測量：建立環(huán)境光污染的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)和量值溯源休系，研究光污染的產(chǎn)生原因，準(zhǔn)確測量和評價(jià)方法、光污染測量儀器的性能指標(biāo)對測量結(jié)果的影響， 儀器的量值溯源等問題。光譜輻射度計(jì)量是進(jìn)行光污染測量和評價(jià)的基礎(chǔ)。光污染是繼水污染、大氣污染、噪聲污染、團(tuán)體廢物污染之后的第五大污染，是2 1 世紀(jì)直接影響人類健康的又一環(huán)境殺手。光污染問題逐漸受到我國照明產(chǎn)品的科研與設(shè)計(jì)人員、政府管理部門和廣大消費(fèi)者的重視。

11.防曬化妝品檢測:紫外線目光模擬儀的光譜輻射度匹配COLIPA 測試以及UVA 、UVA+B輻射照度的量值溯源。

年來，紫外輻射的應(yīng)用呈急速上升趨勢。在氣候變化、太陽能光伏、飲用水的紫外處理、材料老化、醫(yī)療衛(wèi)生、無損探傷、紫外因化、光刻、光輻射安全等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。紫外輻射是一把雙刃劍，在造福人類的同時(shí)， 如果使用不當(dāng)，會威脅人類的生命健康。紫外輻射可直接破壞生物DNA 結(jié)構(gòu)，誘發(fā)突變而形成皮膚癌，紫外輻射還可以損壞人類免疫系統(tǒng)，誘發(fā)一系列光敏感性皮膚病，誘導(dǎo)皮膚光老化等。
目前，紫外輻射度計(jì)量的主要應(yīng)用如下:

1.醫(yī)療衛(wèi)生、公共場所、藥物消毒殺菌:紫外殺茵的輻射度測量與溯源(UVC 波段) 。

2.飲用水凈化處理: 紫外消毒殺茵是目前飲用水處理的安全有效方法， 如TOC 總有機(jī)碳的含量降解、臭氧和氯接分解、脫氯處理等應(yīng)用中的紫外輻射度測量與量值溯源(UVC 波段) 。

3 . 無損檢測:大型設(shè)備(如飛機(jī)、火車)裂痕的無損檢測與量值溯源(UVA 波段) 。

4. 光刻、印刷等紫外因化領(lǐng)域:采用高強(qiáng)紫外光源進(jìn)行紫外固化，紫外輻射的監(jiān)測與量值溯源(UVA 、UVB 波段) 。

5 . 紫外輻射治療與保健: 紫外照射補(bǔ)鈣、保健、治療皮膚病等的準(zhǔn)確測量與量值溯源(UVB 波段) 。

6. 太陽紫外的防護(hù): 太陽紫外UVA 、UVB 輻射照度的測量與量值溯源(UVA 、UVB 波段) 。

7. 紫外滅蟲:餐廳、飯店等紫外滅蚊燈(UVA 波段) 。