孫廣尉，杜繼東，李世偉，鄧 培，程 前，黃 亮，周國澳，?，楊海生

（1.北京振興計量測試研究，北京 100074；2.火箭軍裝備部駐北京地區(qū)第六軍事代表室，北京 100070）

1 引 言

當(dāng)前，在我國多項科技工程中，真空紫外空間載荷得到越來越廣的應(yīng)用，如紫外告警、軍事目標(biāo)探測、夸父計劃、火星探測計劃、風(fēng)云三號／四號等，在對軍事、農(nóng)業(yè)、災(zāi)害、資源環(huán)境、公共安全等重大問題進(jìn)行決策的時候，真空紫外空間載荷獲取的測量數(shù)據(jù)提供了有力依據(jù)。

作為載荷核心器件的真空紫外探測器光譜響應(yīng)率及線性度的校準(zhǔn)至關(guān)重要，直接決定了所研制儀器的性能指標(biāo)。 通過在地面實(shí)驗室進(jìn)行光譜響應(yīng)率及線性度的校準(zhǔn)，提供儀器定標(biāo)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，保障儀器輸入輻射量與輸出信號量值之間的定量關(guān)系，可以反演計算得到所需探測物質(zhì)的信息量，如得到不同成分氣體或氣溶膠類物質(zhì)的含量，這些信息可以用來幫助解決全球氣候變化、大氣層有害氣體含量增多、氣象預(yù)測準(zhǔn)確度不高等問題［1］。

國內(nèi)真空紫外空間載荷研制單位目前開展技術(shù)研究的波段范圍覆蓋（120～200） nm，所用的真空紫外探測器需要校準(zhǔn)的參數(shù)主要包括光譜響應(yīng)率和線性度，光譜響應(yīng)率校準(zhǔn)不確定度要求不大于15 %，線性度校準(zhǔn)不確定度要求不大于3 %，為滿足國內(nèi)相關(guān)單位對校準(zhǔn)提出的新需求，開展本裝置研究工作。

2 真空紫外探測器關(guān)鍵參數(shù)校準(zhǔn)方法

2.1 相對光譜響應(yīng)率校準(zhǔn)方法

相對光譜響應(yīng)率校準(zhǔn)方案示意圖如圖1 所示。

圖1 相對光譜響應(yīng)率校準(zhǔn)方案示意圖Fig.1 Schematic diagram of relative spectral response rate calibration

通過控制單色儀實(shí)現(xiàn)覆蓋（115～200） nm 光譜范圍的要求，設(shè)定5 nm 間隔進(jìn)行波長掃描，讀取標(biāo)準(zhǔn)探測器在不同波長位置的響應(yīng)信號值；控制真空倉內(nèi)轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動，將待校探測器移入光路中，接收匯聚光斑，并將光斑打到探測器的中心位置，通過綜合控制系統(tǒng)控制單色儀在（115～200） nm 范圍內(nèi)以5 nm間隔進(jìn)行波長掃描，讀取待校探測器在不同波長位置的響應(yīng)信號值，通過比較測量法，測量得到待校探測器不同波長點(diǎn)的光譜響應(yīng)率，然后進(jìn)行歸一化處理得到相對光譜響應(yīng)率［2，3］。

相對光譜響應(yīng)率計算過程如下［4，5］：

式中：STR（λ）——待校探測器的相對光譜響應(yīng)率；ITR——待校探測器的輸出電流信號，A；SSR（λ）——標(biāo)準(zhǔn)探測器的光譜響應(yīng)率，A／W；ISR——標(biāo)準(zhǔn)探測器的輸出電流信號，A；K——待校探測器相對光譜響應(yīng)歸一化系數(shù)，為待校探測器光譜響應(yīng)度的最大值。

2.2 線性度校準(zhǔn)方法

線性度校準(zhǔn)方案示意圖如圖2 所示。 設(shè)計線性度校準(zhǔn)用雙光闌、移動擋板、移動擋板切換機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)3 種通光狀態(tài)，分別為光闌A ＋B 通光、光闌A通光、光闌B 通光。

圖2 線性度校準(zhǔn)方案示意圖Fig.2 Schematic diagram of linearity calibration

在對真空紫外探測器線性度參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)時，首先保證倉內(nèi)的真空度能夠滿足校準(zhǔn)要求，然后將光源點(diǎn)亮預(yù)熱，調(diào)節(jié)探測器位置，使之位于校準(zhǔn)光路中，并能夠完全接收到光源的入射光能量，對單色儀控制器發(fā)送指令，使單色儀處于0級狀態(tài)，并將移動擋板移動到與雙光闌完全不相交的位置，讀取待校探測器在光闌A ＋B 通光狀態(tài)下的響應(yīng)信號值IAi＋Bi；控制移動擋板移動到與雙光闌一半相交的位置，讀取待校探測器在光闌A 通光狀態(tài)下的響應(yīng)信號值IAi；控制移動擋板移動到與雙光闌另一半相交的位置，讀取待校探測器在光闌B 通光狀態(tài)下的響應(yīng)信號值IBi；通過比較三種狀態(tài)下的信號值得到待校探測器的線性度［6－8］。

線性度校準(zhǔn)原理如下：

式 中：NL（IAi＋Bi）——待 校 探 測 器 的 線 性 度；IAi＋Bi——待校探測器在光闌A、光闌B 全開的狀態(tài)下響應(yīng)電流信號，A；IAi——待校探測器在光闌A開、光闌B 關(guān)的狀態(tài)下響應(yīng)電流信號，A；IBi——待校探測器在光闌A 關(guān)、光闌B 開的狀態(tài)下響應(yīng)電流信號，A。

3 校準(zhǔn)裝置組成

3.1 相對光譜響應(yīng)率校準(zhǔn)裝置分系統(tǒng)

1）真空紫外光源

該項目選擇使用L11798 型氘燈，本款氘燈不需要其它液體制冷，同時氘燈的窗口材料為MgF2，由于MgF2窗口自身的光譜透過率特性，氘燈的發(fā)射光譜可以達(dá)到115 nm，可以滿足本研究的短波波長要求，其特性曲線如圖3 所示。

圖3 L11798 型氘燈光譜曲線圖Fig.3 The curve of L11798 lamp spectrum

2）真空紫外光源變換機(jī)構(gòu)

真空紫外光源變換機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)對入射光源進(jìn)行分光的功能，生成窄帶寬的準(zhǔn)單色光進(jìn)行出射，再與其它分系統(tǒng)組合，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)校準(zhǔn)及測量功能。

真空紫外光源變換機(jī)構(gòu)技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

表1 真空紫外光源變換機(jī)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Parameters of VUV light source transformation

3）真空紫外光學(xué)系統(tǒng)

由于單色分光系統(tǒng)出射的單色輻射存在一定的發(fā)散角，如直接照射探測器會導(dǎo)致探測器接收的能量過于微弱，導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度偏低，因此需要通過真空紫外光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行匯聚，將光束進(jìn)行匯聚，并打在探測器光敏面的中心位置，完全被探測器所接收，其實(shí)物如圖4 所示。

圖4 真空紫外光學(xué)系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.4 Picture of VUV optical system

4）真空二維掃描機(jī)構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)探測器和待校探測器放置在真空二維掃描機(jī)構(gòu)上，通過二維掃描機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)，將標(biāo)準(zhǔn)探測器和待校探測器分別置于匯聚光路中。 二維掃描機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)角范圍為360 °，臺面尺寸為600 mm，角度分辨率為0.01 °，重復(fù)定位精度為0.1 °。

5）真空條件下微弱信號放大處理組件

選用適用于真空紫外波段的探測器，，這里采用IRD 公司生產(chǎn)的型號為AXUV100G 的紫外增強(qiáng)型硅光電二極管，其在（120～200） nm 波段具有良好的光譜響應(yīng)特性，如圖5 所示，并具有量子效率高、噪音低，無需外加電壓，對外磁場不敏感，對真空環(huán)境污染不敏感等優(yōu)點(diǎn)。

圖5 硅光電二極管AXUV－100G 實(shí)物圖Fig.5 Picture of silicon photodiode AXUV－100G

6）真空倉系統(tǒng)

真空倉系統(tǒng)的作用是在測量校準(zhǔn)的光路中有效地屏蔽紅外和可見光的雜散輻射，提供真空紫外校準(zhǔn)的環(huán)境，其實(shí)物如圖6 所示。 實(shí)現(xiàn)真空度小于6 ×10－3Pa 的真空度要求，從而消除由于真空度不滿足使用要求所引入的測量誤差。

圖6 真空倉實(shí)物圖Fig.6 Picture of vacuum chamber

7）真空紫外探測器光譜響應(yīng)率校準(zhǔn)軟件

校準(zhǔn)軟件利用VC ＋＋編制，通過模塊化方式設(shè)計。 實(shí)現(xiàn)對綜合控制系統(tǒng)的指令發(fā)送與數(shù)據(jù)采集，輸出相對光譜響應(yīng)率參數(shù)校準(zhǔn)結(jié)果，自動繪制校準(zhǔn)曲線，軟件界面如圖7 所示。

圖7 光譜響應(yīng)率校準(zhǔn)軟件界面圖Fig.7 Interface of calibration for spectral response rate software

3.2 線性度校準(zhǔn)裝置分系統(tǒng)

3.2.1 真空紫外能量調(diào)節(jié)系統(tǒng)

與相對光譜響應(yīng)率校準(zhǔn)裝置所用單色分光系統(tǒng)一致，通過單色儀的入射狹縫、出射狹縫實(shí)現(xiàn)出射光能量的調(diào)節(jié)，進(jìn)而覆蓋線性度測量動態(tài)范圍20 dB的要求，如圖8 所示。

圖8 真空紫外能量調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.8 Picture of VUV energy regulating system

3.2.2 雙光闌及擋板切換機(jī)構(gòu)

雙光闌與真空紫外光學(xué)系統(tǒng)尺寸一致，口徑為Φ90 mm，中間設(shè)計10 mm 寬的分隔條，具體示意圖如圖9 所示。

圖9 雙光闌示意圖Fig.9 Schematic diagram of double aperture

通過設(shè)計擋板實(shí)現(xiàn)雙光闌三種通光狀態(tài)，擋板的寬度為50 mm，高度為100 mm，通過將擋板移動到不同的位置，可分別遮擋雙光闌的A 和B 半光闌，也可全部遮擋和全部通光。 擋板移動通過擋板移動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，擋板移動機(jī)構(gòu)為一維平移臺。

4 測量不確定度評定

4.1 相對光譜響應(yīng)率測量不確定度評定

4.1.1 測量不確定度來源

1）測量重復(fù)性引入的不確定度分量u1，用A 類方法進(jìn)行評定；

2）標(biāo)準(zhǔn)探測器引入的不確定度分量u2，用B 類方法進(jìn)行評定；

3）信號采集表引入的不確定度分量u3，用B 類方法進(jìn)行評定；

4）光路傳輸引入的不確定度分量u4，用B 類方法進(jìn)行評定；

5）單色儀波長誤差引入的不確定度分量u5，用B 類方法進(jìn)行評定；

6）真空紫外光源不穩(wěn)定度引入的不確定度分量u6，用B 類方法進(jìn)行評定。

4.1.2 測量不確定度評定

（115～200） nm 探測器相對光譜響應(yīng)率測量不確定度一覽表如表2 所示。

表2 （115～200） nm 探測器相對光譜響應(yīng)率測量不確定度一覽表Tab.2 List of uncertainties in measurement of relative spectral response rate of （115～200） nm detectors 單位：%

4.2 線性度測量不確定度評定

4.2.1 測量不確定度來源

1）測量重復(fù)性引入的不確定度分量u1，用A 類方法進(jìn)行評定；

2）信號采集表引入的不確定度分量u2，用B 類方法進(jìn)行評定；

3）真空紫外光源不穩(wěn)定度引入的不確定度分量u3，用B 類方法進(jìn)行評定；

4）探測器響應(yīng)非均勻性引入的不確定度分量u4，用B 類方法進(jìn)行評定。

4.2.2 測量不確定度評定

探測器線性度測量不確定度一覽表如表3所示。

表3 探測器線性度測量不確定度一覽表Tab.3 List of uncertainties in measurement of detector linearity measurement 單位：%

5 結(jié)束語

真空紫外探測器在空間探測領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用十分廣泛，其量值準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到數(shù)據(jù)反演精度。通過該校準(zhǔn)裝置的研制，顯著提升了真空紫外探測器光譜響應(yīng)率校準(zhǔn)的技術(shù)水平，同時實(shí)現(xiàn)了真空紫外波段探測器的線性度的校準(zhǔn)，可以更好的滿足當(dāng)前國內(nèi)真空紫外載荷研制單位的校準(zhǔn)需要，技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。