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1、2006年年4月 国家同步辐射实验室 月 国家同步辐射实验室 光谱辐射标准和计量光谱辐射标准和计量 周洪军周洪军 hjzhou 分下面几部份分下面几部份: 一 紫外及真空紫外同步辐射计量的发展一 紫外及真空紫外同步辐射计量的发展 1.常用的辐射计量的一些量纲常用的辐射计量的一些量纲 2.电子储存环做初级标准源电子储存环做初级标准源 3.从初级标准源电子储存环获得传递标准从初级标准源电子储存环获得传递标准 4.世界上开展辐射计量研究储存环的回顾 二 国家同步辐射实验室光谱辐射标准及计量光束 线和实验站 三 用于紫外及真空紫外的绝对标准探测器 世界上开展辐射计量研究储存环的回顾 二 国家同步辐射实
2、验室光谱辐射标准及计量光束 线和实验站 三 用于紫外及真空紫外的绝对标准探测器 气体电离室 四 气体电离室 四.光谱辐射标准和计量光束线的几种实验方法和 用户的一些实验结果。 光谱辐射标准和计量光束线的几种实验方法和 用户的一些实验结果。 紫外及真空紫外辐射计量文献综述紫外及真空紫外辐射计量文献综述 目的：目的： 紫外及真空紫外计量的目的是紫外及真空紫外计量的目的是定量定量完成测 量和正确评价真空紫外辐射与物质间相互 作用的性质和物质在相互作用过程中发射 的真空紫外光。 完成测 量和正确评价真空紫外辐射与物质间相互 作用的性质和物质在相互作用过程中发射 的真空紫外光。 http:/etd.li
3、b.fsu.edu/theses/available/etd-09182003-184527/unrestricted/91.CHAPTER_1.pdf 极紫外、真空紫外和深紫外光的划分极紫外、真空紫外和深紫外光的划分 立体角立体角：以表示。设在圆球表面上切出一 小圆面积S，圆球半径为r，见图11，则立 体角定义为： 2 / rS 如果圆球表面上的小面积S等于圆球 半径的平方时，则该小面积S所对应 的立体角为一单位立体角，称为球面 度（Steradian），以符号sr表示。 由于整个圆球的表面积为4r2，则围 绕球心O点的总立体角为： 因此，围绕一点光源的立体角就等于 4sr，而笼罩点光源的半
4、空间（半 球）所对应的立体角为2sr sr r r 4 2 2 4 = 辐射能量辐射能量 Q：辐射能量是以辐射形式发射、传播和接收的 能量，单位为J（焦耳）。 辐射功率 ：辐射功率 ：又称辐射通量，即单位时间的辐射能量，单 位为W（瓦）。 辐射强度辐射强度I ( )：在给定方向上的立体角圆内，离开点辐射 源（或辐射源面元）的辐射功率，除以该立 体角元。即为：单位为W sr-1 即单位立体角的辐射功率。 辐射亮度辐射亮度L( )：在给定方向上包含该点的面元dS的辐射强 度dI，除以该面元在垂直于给定方向的平面 上正投影面积。即： 单位为W sr-1m2（瓦每球面度平米）。 = d d )( I
5、cos )( dS dI L= 光谱辐射功率光谱辐射功率 ( )：辐射源发出的光在波长 处的单位波 长间隔（）内的辐射功率。单位为：Wm-1 光谱辐射亮度光谱辐射亮度L ( )：辐射源在波长处的单位波长间隔 内的辐射亮度，即， 其单位为Wm-3sr-1（瓦每立方米球面度）。 光谱辐射强度光谱辐射强度 I ( )：即在波长处的单位波长间隔内的辐 射强度I ()。单位为Wm-1sr-1 光谱辐射照度光谱辐射照度 E ( )：在辐射接受面上一点的辐射照度等 于照射在包括该点的一个面元上的辐射通量，除以 该面元的面积dA。单位为W m-2。那么光谱辐射照 度即为辐射源在波长处的单位波长间隔内的辐射 照
6、度E，单位是W m-3。 d dL L )( = 常用的辐射计量的一些量和单位常用的辐射计量的一些量和单位 W m-3某一光源通过距该光源一定距 离某一区域的光谱辐射功率 某一光源通过距该光源一定距 离某一区域的光谱辐射功率 Spectral irradiance 光谱辐射照度光谱辐射照度 E ( ) W m-1sr-1某一光源单位立体角的 光谱辐射功率 某一光源单位立体角的 光谱辐射功率 Spectral concentration of radiant intensity 光谱辐射强度光谱辐射强度 I ( ) W sr-1某一光源单位立体角的 辐射功率 某一光源单位立体角的 辐射功率 Ra
7、diant intensity 辐射强度辐射强度I ( ) W m-3sr-1某一光源单位立体角 表面元素的光谱辐射功率 某一光源单位立体角 表面元素的光谱辐射功率 Spectral radiance 光谱辐射亮度光谱辐射亮度 L ( ) W m-1某一光源波长为单位波长的 辐射功率 某一光源波长为单位波长的 辐射功率 Spectral radiant power 光谱辐射功率 光谱辐射功率 ( ) W单位时间的辐射能量单位时间的辐射能量 Radiant power (Radiant flux) 辐射功率 辐射功率 J辐射量辐射量 Radiant energy 辐射能量 Q辐射能量 Q 量纲参
8、量计量单位表示符号量纲参量计量单位表示符号 原则上有两种方法来确定辐射计量的量值 性能： 方法一方法一: 绝对探测标准来测量辐射特性。 方法二 绝对探测标准来测量辐射特性。 方法二: 比较已知光源（标准辐射计量源） 和所要研究光源的辐射计量特性 比较已知光源（标准辐射计量源） 和所要研究光源的辐射计量特性。 两种方法的优缺点：两种方法的优缺点： 真空紫外光谱范围内，方法1的缺点是：在许多实际情况 中，绝对探测器不能提供所需要的光谱能量分布，因此它 必须和真空紫外单色仪相结合。而单色仪的光谱必需要精 确测量。通常单色仪的光谱传输是很难精确测定的，它受 到光学元件照射方式的影响，而照射元件的方式可
9、能会因 为光谱仪的校准及辐射源的设计参数非常不同。真空紫外 光谱计量领域的另一个困难是由于光学元件的老化，仪器 光谱传输率的变化。光学元件在光的照射下会产生碳斑， 而碳斑随着照射时间的增加而加重 。 由于上述原因，方法2常常被用来确定辐射计量源的性能。 采用方法2要求有一个可用的合适的真空紫外辐射标准源。 在最高水平上有一个原级标准。它意味着直接和独立的实 现单位的定义。同时他也代表着最高精度的实现。这些原 级的标准通常作为国家标准被保存在国家计量院。次级标 准通过与原级标准的比对而得到。这些计量单位的实现是 基于不同的物理原理与原级标准比较而得，要求有足够好 的重复性。 辐射计量领域的古典原
10、级标准是黑体辐射。它 所发射的辐射光谱决定于普朗克辐射定律，是 温度T和波长的函数。在一定温度下，单位面 积的黑体在单位时间、单位立体角内和单位波 长间隔内辐射出的能量为: 1 1 2),( 52 = KT hc e hcTB B(，T)黑体的光谱辐射亮度(W.m-2 .Sr-1.m-1) 辐射波长(m) T黑体绝对温度(K、T=t+273k) C光速(2.998108ms-1 ) h普朗克常数， 6.62610-34JS K波尔兹曼常数(Bolfzmann)， 1.38010-23JK-1 由于古典黑体辐射的技术原因，黑体温度只能达到 3300K，不适合于波长短于200nm的光谱。用壁稳弧
11、等离子体源作为原级标准源虽然能使波长降低到 53nm，但是其结果似乎有些让人失望，因为在这个 范围内壁稳弧不能获得更小的不确定度。光谱辐射 率不确定度140nm时大于5%、130nm大于9%、 124nm大于14%。当波长降到53-92nm时，不确定度 高达15%。低于53nm时则根本就没有实用的原级标 准源。这种状况一直持续到电子储存环用做VUV计 量的同步辐射源。 电子储存环做初级标准源电子储存环做初级标准源 二十世纪四十年代，人们已经认识到被加速的高能电子在 圆形轨道上会产生电磁辐射，辐射的波长范围从红外到X 射线范围。1947年首次观察到了电子同步加速器辐射出来 的光。 1956年To
12、mboulian和Hartmann提出可以用同步辐射加速 器做基础计量标准。随着电子同步加速器数量的增加，同 步辐射应用于辐射计量始于二十世纪六十年代中叶。 用电子同步加速器做辐射源的主要问题是电子能量的不断 变化和在加速周期中电子的丢失，这些阻止了同步加速器 用做原级光源。随着电子储存环的出现这一情况得到改 变，电子储存环中的电子具有稳定的能量，且这些具有稳 定能量的电子可以被储存，其束流寿命长达几个小时甚至 十几个小时。 世界上的几个电子储存环，如SURF（Synchrotron Ultraviolet Radiation Facility）II (USA), ALS (Advance L
13、ight Source), TERAS (Japan), VEPP-2M (Russia), 和BESSY (Germany)已经被用做初级 辐射标准源进行了研究。作为一个可获得高精度的例子，表2所 示为BESSY光谱光子通量进入到给定小孔的不确定度，能量范围 在1eV-15keV。这些非常低的不确定度包括光子通量可能的从单 个电子到几百毫安电流九个量级的变化，这使得电子储存环成为 今天VUV范围最好的初级标准源。 使用电子储存环做初级标准源，必须首先用有效的精度测量下面的 一些参数： 电子储存环电子储存环：电子能量W，在观测切点位置的磁场强度B，在观测时 间内储存的电子束流J和有效竖直束流尺
14、寸。 辐射计量实验室辐射计量实验室：高度a，宽度b (若是圆形小孔的话就是相应的半 径r) 和从观察的切点位置到小孔A的距离dSR, 以及小孔中心到 电子轨道平面的角度0。 *y Table 2. Uncertainty (1 Level) Due to Storage Ring Parameters and Geometrical Quantities for Photon Fluxes (E) Realized with Bending- Magnet Radiation of the Standard Source BESSY-I from the Near-IR (Photon Ene
15、rgy 1eV) to the X-Ray Region (15keV) 0.340.190.037Total rms uncertainty (E)/(E) 0.0300.0400.0011Emission angle =(015) rada =(09)radb 0.0420.0480.016Radius of aperture r=(2.50100.0002) mma =(2.5010.001) mmb 0.0330.0370.025Distance D=(158372) mma =(74682) mmb 0.140.0450.0050Magnetic induction B=(1.592
16、600.0002) T (measured by an NMR probe) 0.110.140.0014Extension divergence y=(33.54.3) rad of the electron beam 0.0200.0200.020Electron current I=(100.002) mA (measured by two dc transformers) 0.280.0930.0047Electron energy W=(851.940.06) MeV (measured by resonant spin depolarization) 15 keV (%)5 keV(%)1 eV (%) Relative Unce
