分布輻射度法測(cè)量紫外輻射通量

1、分布輻射度法測(cè)量紫外輻射通量震，牟同升（浙江大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江大學(xué)三色儀器有限公司，杭州，310027）摘要：近年來(lái)隨著紫外光源的生物效應(yīng)越來(lái)越受到人們的重視，而對(duì)它的評(píng)價(jià)也變的重要起來(lái)了。其中總輻射通量是紫外光源的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)。本文簡(jiǎn)述了用分布光度法測(cè)量紫外輻射通量的基本原理及方法，并分析和討論了紫外探測(cè)器的余弦修正問(wèn)題。 關(guān)鍵詞：紫外輻射；輻通量；紫外光功率 1 引言 紫外輻射就是波長(zhǎng)范圍約10400nm的光輻射。在這個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)不同波長(zhǎng)的紫外輻射有不同的效應(yīng)，在研究和應(yīng)用中，常把紫外輻射劃分為：A波段（400320nm）；B波段（320280nm）；C波段（2802

2、00nm）；真空紫外波段(20010nm)。波長(zhǎng)小于200nm的紫外輻射由于大氣的吸收，所以在空氣中不能傳播。紫外光源的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用正處于一個(gè)高速發(fā)展時(shí)期，紫外光源的不斷研制開(kāi)發(fā)逐漸填補(bǔ)了各紫外線波段的光源品種空白。目前已有的一系列的不同類型的紫外光源產(chǎn)品有：紫外線汞燈、紫外線金屬鹵化物燈、紫外線熒光燈、氙燈和其他紫外光源等等。紫外線的一個(gè)顯著特點(diǎn)是它具有生物效應(yīng)【1】，是指當(dāng)紫外線照射人體或生物體后，使人體或生物體發(fā)生生理上的變化。例如紫外線照射人體后，使皮膚產(chǎn)生色素沉著，皮膚變黑。又如細(xì)菌體經(jīng)短波紫外線照射后很快死亡。又如人體經(jīng)一定波長(zhǎng)的紫外線照射后抗病能力加強(qiáng)，皮膚再生力加強(qiáng)，毛發(fā)生長(zhǎng)速度

3、加快等。特別是短波（峰值波長(zhǎng)253.7nm）紫外光源具有極強(qiáng)的生物效應(yīng)，并具有無(wú)污染、使用方便、節(jié)能等特點(diǎn)。故無(wú)論國(guó)際還是國(guó)內(nèi)在生物、醫(yī)藥、衛(wèi)生、防疫等部門(mén)都廣泛應(yīng)用該波長(zhǎng)的輻射源消毒、殺菌等?！?】目前，紫外線光源通常用紫外輻照計(jì)測(cè)量某一表面的輻射照度（單位：W/m2）來(lái)表示紫外線光源的紫外線強(qiáng)度大小。而在空氣殺菌、水質(zhì)處理、光化學(xué)反應(yīng)等方面的應(yīng)用，更重要的是要知道紫外線光源往空間一定范圍（立體角），甚至整個(gè)空間所輻射的紫外線強(qiáng)度大小。這就是要用紫外輻射通量來(lái)表示。測(cè)量紫外光源的輻射通量通常有兩種方法【3】：一是在積分球內(nèi)用已知輻通量的標(biāo)準(zhǔn)燈與被測(cè)燈作比較測(cè)量，從而定出被測(cè)燈的輻通量。由于積

4、分球內(nèi)壁涂層對(duì)紫外線的吸收，涂層的紫外反射比較低。此外受紫外線激發(fā)，涂層中的有機(jī)溶劑和膠水會(huì)產(chǎn)生熒光效應(yīng)，因此積分球內(nèi)壁涂層必須采用專用的紫外高反射的漫反射材料。另一種方法是用分布輻射度計(jì)測(cè)定被測(cè)光源在空間各個(gè)方向上的輻照度，計(jì)算后得出輻通量。前一種方法比較簡(jiǎn)單，但測(cè)量精度不如后者。所以本文講述一種基于分布輻射度法的測(cè)量方法分布輻射度法。2 分布輻射度測(cè)量方法2.1 測(cè)量原理分布輻射度法的測(cè)量原理是：基于球面坐標(biāo)系，如圖1圖1球坐標(biāo)系 所示，通過(guò)測(cè)量球面上的輻照度，若以光源為坐標(biāo)原點(diǎn)，取球坐標(biāo)系，令為極角，為方位角，光源在假想球面任一位置（，）上產(chǎn)生的照度為 E（，）。探測(cè)器掃描的極角從0到2

5、，掃描方位角從0到則光源發(fā)出的輻通量為： 北京計(jì)量科學(xué)研究院已建立基于紫外（254nm）的輻射照度的量值傳遞，所以可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)輻射照度計(jì)，測(cè)量某一面上的紫外輻射照度值。2.2變角輻射度法要想實(shí)現(xiàn)球面上各點(diǎn)的輻照度測(cè)量，必須要有一個(gè)可以繞圖1中和角度方向旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。通常有以下四種系統(tǒng)：a) 燈固定不動(dòng)，讓探測(cè)器繞測(cè)量燈運(yùn)動(dòng)；b) 探測(cè)器不動(dòng)，讓光源分別在和方向繞燈自身發(fā)光中心運(yùn)動(dòng)；c) 探測(cè)器和光源的組合運(yùn)動(dòng)，例如探測(cè)器繞角運(yùn)動(dòng)，而光源在角方向運(yùn)動(dòng)；d) 借助于反光鏡的運(yùn)動(dòng)（探測(cè)器固定）等效于探測(cè)器運(yùn)動(dòng)。上述四種系統(tǒng)各具有其相應(yīng)的特點(diǎn)，比如說(shuō)對(duì)于測(cè)量尺寸較長(zhǎng)的光源，若采用探測(cè)器運(yùn)動(dòng)的方式，則

6、探測(cè)器的運(yùn)動(dòng)臂長(zhǎng)就會(huì)變得很長(zhǎng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)室的空間要求就要很大。而對(duì)于測(cè)量燃點(diǎn)方向敏感的光源，若采用光源運(yùn)動(dòng)方式，則測(cè)量過(guò)程中輻射通量就會(huì)引起波動(dòng)，所以必須對(duì)輻通量的波動(dòng)進(jìn)行修正。若采用反光鏡運(yùn)動(dòng)方式，則必須要求鏡面對(duì)紫外線有高的反射比，對(duì)反光鏡的制作要求會(huì)很高。3 測(cè)量系統(tǒng) 基于上述四種測(cè)量系統(tǒng)的特點(diǎn)，我們采用了光源運(yùn)動(dòng)法，如圖2所示。測(cè)量光源可繞與光源軸線相同的水平軸旋轉(zhuǎn)，以及繞與光源軸線垂直的垂直軸旋轉(zhuǎn)。當(dāng)燈繞垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與旋轉(zhuǎn)臺(tái)中心處于同一水平高度的探測(cè)器測(cè)量該水平面上各方向的輻照度值。當(dāng)燈繞水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，則探測(cè)器測(cè)量垂直面上各方向的輻照度值。并且垂直軸和水平軸均可在±180&#

7、176;范圍內(nèi)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。此外，采用與光源相對(duì)位置固定的參考輻射度計(jì)，來(lái)監(jiān)測(cè)被測(cè)光源在測(cè)量過(guò)程中的變化。整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖3所示。放置在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上的紫外光源發(fā)出的空間某一方向的輻射信號(hào)，由紫外輻射探測(cè)器接收。探測(cè)器輸出的電信號(hào)經(jīng)輻射度計(jì)系統(tǒng)采樣后，將采樣數(shù)據(jù)傳輸給上微機(jī)系統(tǒng)。上微機(jī)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并根據(jù)公式（1）計(jì)算出輻射通量，同時(shí)還可以給出空間任意截面上的輻強(qiáng)度分布曲線以及實(shí)際應(yīng)用中某一工作面上的輻射照度分布圖。同時(shí)上微機(jī)系統(tǒng)通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)，控制轉(zhuǎn)臺(tái)在兩個(gè)方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而使系統(tǒng)可以對(duì)光源在空間任意方向上的輻照度進(jìn)行測(cè)量。4 探測(cè)器的余弦修正一個(gè)輻射強(qiáng)度為的點(diǎn)光源在距離它處的平面上產(chǎn)

8、生的輻照度與該輻射源的輻射強(qiáng)度成正比，與距離的平方成反比，用公式表達(dá)為：如果該平面的法線與射線間成一角度，則該點(diǎn)源在平面上產(chǎn)生的輻照度為： 上式被稱為輻照度的余弦法則【4】。為了使測(cè)量結(jié)果符合這一法則，紫外輻射探頭前就必須加余弦修正器。對(duì)于短波紫外輻照度探頭來(lái)說(shuō)，目前常用磨毛石英玻璃或透紫外的聚四氟乙烯等材料，如圖4所示。由于石英玻璃本身透明度很好，即使雙面磨毛散射性也很差，當(dāng)測(cè)量具有較大尺寸的紫外光源時(shí)，視場(chǎng)角較大，會(huì)帶來(lái)很大誤差。為了得到一個(gè)好的余弦修正效果，人們往往從結(jié)構(gòu)上下功夫，但效果都不令人滿意。積分球是一種很好的漫射體，在配上一個(gè)邊緣銳利的入射孔，則其方向響應(yīng)近似于理想的“余弦”響

9、應(yīng)?！?】所以我們采用在探測(cè)器前加積分球的方法來(lái)對(duì)余弦進(jìn)行修正，如圖5所示。對(duì)紫外探測(cè)器的余弦響應(yīng)，我們采用紫外變角輻射測(cè)試臺(tái)以5°為間隔進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6和7所示。圖6中點(diǎn)線為加積分球后測(cè)得的歸一化紫外余弦響應(yīng)曲線，實(shí)線是理想曲線圖7是常規(guī)采用平面型漫射器制作的紫外輻照度計(jì)探頭的余弦響應(yīng)曲線。對(duì)比圖6和圖7，可知積分球是一種比較理想的余弦修正器，在法向50°的范圍內(nèi)，余弦誤差均小于3。不過(guò)積分球內(nèi)壁噴涂的紫外漫射材料受環(huán)境灰塵及溫度的影響明顯，一般比較適合實(shí)驗(yàn)室精密測(cè)量應(yīng)用。4 測(cè)量結(jié)果探測(cè)器離開(kāi)變角轉(zhuǎn)臺(tái)中心的嗬胛?.0米，在儀器定標(biāo)后，我們測(cè)量了4只直管形254

10、紫外燈（2只30W，2只5W），并對(duì)每只燈進(jìn)行了三遍重復(fù)測(cè)量。其中5W254紫外燈的輻射通量平均值0.740W，重復(fù)性為2.10%，平均輻射效率15.9%；30W紫外燈的輻通量平均值6.707W，重復(fù)性為2.96%，平均輻射效率22.9%。三只燈的測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。表1 測(cè)量數(shù)據(jù)電壓V 電流I 功率P 輻通量 輻射效率 最大輻強(qiáng)度 5W 31.7v 160mA 4.6W 0.704W 15.3% 0.088w/sr 5W 32.1v 160mA 4.7W 0.776W 16.5% 0.092W/sr 30W 102.0v 297mA 29.2W 6.599W 22.6% 0.95W/sr 30W 102.5v 300mA 29.5W 6.815W 23.1% 0.96W/sr 最后我們還得到了極坐標(biāo)下 30W 直管形紫外燈一截面的輻射強(qiáng)度分布曲線（圖 9 ）。測(cè)量的數(shù)據(jù)以類似于IES光度數(shù)據(jù)的格式存貯，因此可以利用現(xiàn)有的照明設(shè)計(jì)軟件對(duì)紫外殺菌燈在實(shí)際工作場(chǎng)所的輻射照度分布進(jìn)行模擬分析。如圖8，即是紫外線汞燈水平放置在離開(kāi)燈