光譜輻射計量及其應用

作者：代彩紅
單位：中國計量科學研究院

一、光譜輻射度計量簡介

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，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)光和化學發(fā)光等。

光譜輻射度學是有關光輻射的測量理論和技術的一門學科。光輻射度計量則是提供輻射測量的計量標準、測量技術，并進行量值傳遞。光輻射度計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)光譜的復合輻射)和單色輻射亮度(對于具有線光譜的輻射) ，測量結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。

光譜輻射度計量標準有兩種類型:一種是基標準輻射源(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準輻射源) 。主要用于標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，校準輻射溫度計、輻射亮度計和輻射照度計。另一種是基標準輻射計，如常溫和低溫電校準輻射計、自校準硅二極管等。

我國的光譜輻射度計量基準體系有兩個分支: 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，是光學領域的兩個重要參量，是光學計量領域獨立復觀的重要基準之一。光譜輻射照度是因際計量委員會光度輻射度咨詢委員會(CCPR) 確定的國際關鍵比對項目之一。我國的光譜輻射亮度和光譜輻射照度國家基準裝直建于1975 年。1989 年完成基準裝直第一次技術改造，參加了1990 年光譜輻射照度國際關鍵比對。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 年對基準進行第二次技術改造，參加2004 年光譜輻射照度國際關鍵比對，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% ，達到國際先進水平，同時取得光譜輻射度的國際等效(即國際公認) 。2011 年完成基準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展至(230~2550) 納米和(220~2550) 納米，提升了基準裝直的各項性能指標，測量不確定度得到較大改善。

紫外輻射度計量是光輻射度計量的一個重要分支。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建立于1989 年，是一切紫外輻射度量值溯源的最高標準。2006年進行技術改造和能力升級，建立高準確度、寬波段、多元化紫外輻射度計量標準和量傳體系，滿足了更多應用領域的計量需求。2005年參加紫外輻射照度亞太比對，取得兩項參數(shù)第一的好成績。紫外輻射度量值取得國際等效性。

紫外輻射照度計是最常用的測量紫外輻射強弱的儀器， 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，導致該類儀器存在光譜依賴性缺陷，在使用時應注意。

二、光譜輻射度計量的應用

光譜輻射度計量為應對氣候變化、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、光電子等領域提供了準確可靠的光譜輻射度計量溯源標準。典型應用如下:

1.應對氣候變化、氣象研究應用：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準。

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

3.太陽能光伏領域：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準; 為光伏器件的老化測量提供紫外輻射度的計量標準。

4.LED 照明應用：光譜輻射度的準確測量、光輻射安全的測量與評估。

5.海洋水色研究領域：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服務， 分析實際測量與遙感監(jiān)測的等效性。

6.地物遙感：為地物遙感用光譜輻射亮度計提供光譜輻射亮度的準確定標服務。

7.材料老化：為人工氣候老化試驗箱體的光譜輻射度測量提供量值溯源服務。

8.醫(yī)療衛(wèi)生：準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: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知。2009 年年初， 歐盟通過WTO 向中國等國家通報了歐盟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 標準。與光輻射安全相關的國際國內(nèi)標準己頒布并被廣泛采用。光譜輻射度計量是確保光輻射安全測量結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)境光污染的計量標準和量值溯源休系，研究光污染的產(chǎn)生原因，準確測量和評價方法、光污染測量儀器的性能指標對測量結果的影響， 儀器的量值溯源等問題。光譜輻射度計量是進行光污染測量和評價的基礎。光污染是繼水污染、大氣污染、噪聲污染、團體廢物污染之后的第五大污染，是2 1 世紀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)品的科研與設計人員、政府管理部門和廣大消費者的重視。

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、光輻射安全等領域中應用廣泛。紫外輻射是一把雙刃劍，在造福人類的同時， 如果使用不當，會威脅人類的生命健康。紫外輻射可直接破壞生物DNA 結構，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，誘導皮膚光老化等。
目前，紫外輻射度計量的主要應用如下:

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 總有機碳的含量降解、臭氧和氯接分解、脫氯處理等應用中的紫外輻射度測量與量值溯源(UVC 波段) 。

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

4. 光刻、印刷等紫外因化領域:采用高強紫外光源進行紫外固化，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: 紫外照射補鈣、保健、治療皮膚病等的準確測量與量值溯源(UVB 波段) 。

6. 太陽紫外的防護: 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) 。