輻射測量

在1900年，輻射這個詞一直被用於描述電磁波 ^[2]  。大約在下個世紀,電子,x射線、天然放射性被發現。新發現的輻射顯示的粒子特徵,與此相對照的電磁輻射,被當作一個波。在1920年代,德布羅意發展了他的理論二元性的物質,它很快就被後來被證明是正確的電子衍射實驗，粒子和波的區別不在是[B-1]了到[C-1]那麼重要了。今天,輻射是指所有已發現的[D-1]整個電磁頻譜以及所有的原子與亞原子粒子。其中的許多不同類型的輻射被組合在一起是指[D-2)電離和非電離輻射。電離是指電離輻射的能力，以原子或它穿越的介質分子。非電離輻射的波長的約10nm或更長。該電磁波譜的一部分包括無線電波、微波、可見光(λ=770~390nm),和紫外線(λ=390~10nm)。電離輻射包括其餘電磁波譜(x射線,λ≈0.01~10nm)和比x射線波長短的γ線。它也包括所有的原子與亞原子粒子,如電子,正電子,質子,阿爾法機,中子,和介子。該材料在本文僅適用於電離輻射。

輻射測量的儀器主要包括主要包括光度導軌、積分球、單色儀、分光光度計、光譜輻射計以及傅立葉變換光譜輻射計 ^[1]  。

光輻射測量中 ^[3]  ，在光度導軌上用標準光源來標定待測光源、探測器和光輻射測量系統，仍是最常用而且精確、可靠的裝置之一。

光度導軌和一般導軌的主要區別在於：

有精確的軸向距離刻度和標尺

有精確的軸向距離刻度和標尺；

1）可使部件之間軸向相對位置對準，並在其相對移動時保持對準關係；

2）精確確定測量部件之間的軸向距離。

光度導軌的主要功能

使兩個或多個部件之間軸向的相對位置對準，並在其相對移動時保持對準關係。

光度導軌的特點是其它方法(如加中性密度濾光片改變光闌孔徑等)不能或不能精確實現的。由於在光度導軌上調節的參數是距離，不會改變光源的光譜分佈(不考慮中間大氣的影響)，而一般加入光闌等很難同時做到精確又連續可調。

用光源加上相距一定距離的透射-漫射屏，可得到透射、漫射特性近似朗伯的均勻輻亮度源。改變光源至屏的距離，光源的輻亮度值可連續、精確地變化。

導軌上裝有數個帶距離精細刻度的滑動架或滑動車，以便和導軌上的距離刻尺對準，提高距離讀數的精度。為了增加垂直測量平面上輻照度等的變化範圍，減少距離誤差對測量的影響，光度導軌應儘可能長。

中文名稱：積分球 ^[4] 

英文名稱：integrating sphere

定義：光度測用的中空球體。在球的內表面塗有無波長選擇性的(均勻)漫反射性的白色塗料。在球內任一方向上的照度均相等。

理想積分球的條件：

①積分球的內表面為一完整的幾何球面,半徑處處相等

②球內壁是中性均勻漫射面，對各種波長的入射光線具有相同的漫反射比

③球內沒有任何物體,光源也看作只發光而沒有實物的抽象光源

設有一束入射輻射通量照在積分球內表面A上,這裏分析不在A處的某一表面元dA‘上的輻照度值。當積分球內壁塗以反射比為ρ具有朗伯漫射特性的塗料，表面A上某一面元dA的反射輻亮度LA和它的輻照度EA之間存在着關係：

考慮到積分球可能有幾個樣品、探測器等的開孔，第i個孔的反射比為ρi，開口面積和球內表面積之比稱為開口係數fi.。

使用注意事項：

若設ρ(λ)=0.98，照度的相對變化率約為反射比相對變化的50倍。即塗層材料光譜反射比的少量變化，會引起出射輻照度相當大的變化。為此，應當選用光譜反射比近似平且朗伯漫射特性好的材料作為塗層。常用的有硫酸鋇、氧化鎂、海倫(聚四氟乙烯)等，其光譜反射特性在可見光和近紅外相當平坦，漫射特性在小於60°以內很好，反射比高達0.98以上。

積分球和探測器與光源一起工作時，應作為一個整體來考慮其光譜特性。

要求高的塗層反射比主要是為了增加出射窗處的輻亮度值，因為積分球出射窗處的輻照度值和球半徑的平方成反比，球較大時，輻照度值將相當低。

當出射窗的輻照度要求不強，而要求輻照度的時間穩定性好時，可用反射比較低的塗層。這時塗層反射比的變化，球內臟物對輻照度值的影響就較小。

當積分球工作在中遠紅外譜段時，由於硫酸鋇等在波長大於2.5mm時, 反射比下降很快，因此用作塗層材料性能較差。硫是一種較理想的紅外漫射材料，在3~12mm的平均反射比高達0.94，只是在11.8mm處有一吸收帶, 其朗伯漫射特性和硫酸鋇等相近。

出射窗應當選用無選擇性的透明材料。窗的位置離開球表面會使部分球面積的光不能進入出射窗。因為實際積分球的工作特性並非理想，出射窗處的輻照度也不是完全均勻，因此，出射窗口的尺寸和積分球應當有一定的比例。經驗表明，如果要保證出射窗輻照度均勻性在1%左右，則出射窗的直徑最好不大於球直徑的1/10。是用作定標源的積分球在出射窗口的輻亮度相對分佈(積分球的直徑為0.76m，出射窗直徑是0.3m)。可以看出，相對輻亮度分佈差異可達2.6%。

單色儀 ^[5]  的構思萌芽可以追述到1666年，牛頓在研究三稜鏡時發現將太陽光通過三稜鏡太陽光分解為七色光。1814年夫琅和費設計了包括狹縫、稜鏡和視窗的光學系統並發現了太陽光譜中的吸收譜線（夫琅和費譜線）。1860年克希霍夫和本生為研究金屬光譜設計成較完善的現代光譜儀—光譜學誕生。由於稜鏡光譜是非線性的，人們開始研究光柵光譜儀。光柵單色儀是用光柵衍射的方法獲得單色光的儀器，它可以從發出複合光的光源（即不同波長的混合光的光源）中得到單色光，通過光柵一定的偏轉的角度得到某個波長的光，並可以測定它的數值和強度。因此可以進行復合光源的光譜分析。

單色儀用來將具有寬譜段輻射的光源分成一系列譜線很窄的單色光，因而它既可作為一個可調波長的單色光源，也可作為分光器。

單色儀是利用色散元件(稜鏡、光柵等)對不同波長的光具有不同色散角的原理，將光輻射能的光譜在空間分開，並由入射狹縫和出射狹縫的配合，在出射狹縫處得到所要求的窄譜段光譜輻射。

單色儀工作的譜段範圍主要取決於稜鏡所用材料及其色散值，稜鏡的色散值應儘可能大。

在可見譜段，玻璃的色散值隨波長λ的增大而減小；在紅外譜段材料的工作譜段內, 色散值隨波長的增大而增加。當單色儀工作在相當寬譜段範圍內時, 需更換不同材料的稜鏡。

主要性能指標：

角色散表示色散元件分開不同波長輻射能的能力。對於稜鏡，角色散為式中，t是三角形稜鏡底邊尺寸，a0是沿縫高方向光束的口徑，dn/dλ是稜鏡材料的色散值。

主要性能指標：

光譜分辨率定義為λ/dλ，表示波長為l和波長為λ+dλ的色光剛能分開的能力。對於某一波長λ，其與相鄰色光剛能分開的dλ越小，説明稜鏡的光譜分辨能力越高。

根據方孔衍射極限角分辨率dq=dλ/a0，則稜鏡的最大理論分辨率Rmax

即對應狹縫寬度趨近於零時，稜鏡的最大理論分辨率和稜鏡的尺寸以及稜鏡材料的色散成正比。實際上，由於物鏡有一定的像差以及要得到一定出射光能量，狹縫需要有一定的寬度，加上雜散光等的影響，實際單色儀的分辨率比Rmax小。

參數：

光柵的角色散

線色散

光譜分辨率

如果對應某一波長，使i=

列德洛自準直式安裝)，且使i»0，則(6-16)式，

即在相當寬的光譜範圍內角色散近似均勻——光柵單色儀的優點(稜鏡單色儀由於角色散是波長的函數，以致色散小的小譜區因其光譜分辨率低而難以應用)。

由於通過光柵的能量大部分集中在無法使用的零級光譜，而其它譜級的能量迅速減弱。為了最大限度地提高光能利用的可能性，炫耀光柵得到了廣泛的應用。

每個刻痕的斷面都相當於一個小反射鏡，把光線反射到預定的方向上，就能使衍射的大部分光能量集中在所需要的某一光譜級次的波段範圍內。具有這種特性的光柵稱為定向光柵或炫耀光柵。

在光輻射測量中，分光光度計主要用於測量材料光譜反射比或光譜透射比 ^[6]  。典型的系統有：

雙光束光學自動平衡系統 (Optical null system)

雙光束電學平衡系統 (Electrical ratio-recording system)

用以測量光源光譜輻射度量的儀器叫光譜輻射計，其基本由比較光路、單色儀和探測顯示系統組成。圖77是貝克曼DK-2R分光輻射計的結構原理圖，標準光源和待測光源分別放在兩個燈室中，它們發出的光分別經過一石英漫射器(注意：球只是用於固定漫射器，其本身不是積分球)，再經反射鏡照在擺動反射鏡上；擺動反射鏡交替地將來自標準/待測光源的光能引入單色儀；在單色儀的出射狹縫處安裝探測器，探測器輸出信號的大小與待測光源和標準光源光譜輻強度之比成正比。儀器測量精度在3%以內。

隨着光譜技術應用領域的迅速擴大，各種光譜儀器得到越來越廣泛的應用。提高光譜分辨率常受到光譜譜段變窄使光譜信號減弱、測量時間增長等的限制，增加精細光譜測量的困難。尤其是紅外譜段，近十多年來發展起來的傅里葉變換光譜輻射計(簡記作FT輻射計)、哈達瑪變換光譜儀等，以光譜分辨率高、信噪比大、測量時間短等一系列優點得到日益廣泛的應用。新型光電探測器、信號處理技術以及計算機技術的發展，使傅立葉光譜儀器的應用前景更為廣闊，不僅在實驗室，而且被廣泛用於航空航天的光譜測量儀器 ^[7]  。

連續改變干涉儀的光程差，利用光電元件可以記錄干涉儀中射出的可變光輻射通量，得出干涉圖函數。對干涉圖作傅立葉餘弦變換，就可得到任何波數的輻射光強度。

傅立葉變換光譜儀的分辨本領：

如果幹涉裝置所能達到的最大光程差為±xm，則傅立葉變換光譜儀的分辨本領即最小剛能分辨的兩譜線的波數差應為

Ds=1/2xm

當光源不是理想的點光源時，極限分辨率與光源對儀器所張立體角有關。

傅立葉變換光譜儀的優點：

（1）多路優點（Fellgett優點）（2）輻射通量大的優點 （3）波數示數精度高（Connes優點） （4）雜散光低