分布輻射度法測量紫外輻射通量

1、分布輻射度法測量紫外輻射通量震，牟同升（浙江大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)儀器國家重點實驗室，浙江大學(xué)三色儀器有限公司，杭州，310027）摘要：近年來隨著紫外光源的生物效應(yīng)越來越受到人們的重視，而對它的評價也變的重要起來了。其中總輻射通量是紫外光源的一項重要技術(shù)指標(biāo)。本文簡述了用分布光度法測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器的余弦修正問題。 關(guān)鍵詞：紫外輻射；輻通量；紫外光功率 1 引言 紫外輻射就是波長范圍約10400nm的光輻射。在這個波長范圍內(nèi)不同波長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。紫外光源的開發(fā)和應(yīng)用正處于一個高速發(fā)展時期，紫外光源的不斷研制開發(fā)逐漸填補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。紫外線的一個顯著特點是它具有生物效應(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)一定波長的紫外線照射后抗病能力加強，皮膚再生力加強，毛發(fā)生長速度

3、加快等。特別是短波（峰值波長253.7nm）紫外光源具有極強的生物效應(yīng)，并具有無污染、使用方便、節(jié)能等特點。故無論國際還是國內(nèi)在生物、醫(yī)藥、衛(wèi)生、防疫等部門都廣泛應(yīng)用該波長的輻射源消毒、殺菌等?！?】目前，紫外線光源通常用紫外輻照計測量某一表面的輻射照度（單位：W/m2）來表示紫外線光源的紫外線強度大小。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），甚至整個空間所輻射的紫外線強度大小。這就是要用紫外輻射通量來表示。測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)燈與被測燈作比較測量，從而定出被測燈的輻通量。由于積

4、分球內(nèi)壁涂層對紫外線的吸收，涂層的紫外反射比較低。此外受紫外線激發(fā)，涂層中的有機溶劑和膠水會產(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測定被測光源在空間各個方向上的輻照度，計算后得出輻通量。前一種方法比較簡單，但測量精度不如后者。所以本文講述一種基于分布輻射度法的測量方法分布輻射度法。2 分布輻射度測量方法2.1 測量原理分布輻射度法的測量原理是：基于球面坐標(biāo)系，如圖1圖1球坐標(biāo)系 所示，通過測量球面上的輻照度，若以光源為坐標(biāo)原點，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，所以可以通過標(biāo)準(zhǔn)輻射照度計，測量某一面上的紫外輻射照度值。2.2變角輻射度法要想實現(xiàn)球面上各點的輻照度測量，必須要有一個可以繞圖1中和角度方向旋轉(zhuǎn)的運動系統(tǒng)。通常有以下四種系統(tǒng)：a) 燈固定不動，讓探測器繞測量燈運動；b) 探測器不動，讓光源分別在和方向繞燈自身發(fā)光中心運動；c) 探測器和光源的組合運動，例如探測器繞角運動，而光源在角方向運動；d) 借助于反光鏡的運動（探測器固定）等效于探測器運動。上述四種系統(tǒng)各具有其相應(yīng)的特點，比如說對于測量尺寸較長的光源，若采用探測器運動的方式，則

6、探測器的運動臂長就會變得很長，對實驗室的空間要求就要很大。而對于測量燃點方向敏感的光源，若采用光源運動方式，則測量過程中輻射通量就會引起波動，所以必須對輻通量的波動進行修正。若采用反光鏡運動方式，則必須要求鏡面對紫外線有高的反射比，對反光鏡的制作要求會很高。3 測量系統(tǒng) 基于上述四種測量系統(tǒng)的特點，我們采用了光源運動法，如圖2所示。測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)動時，與旋轉(zhuǎn)臺中心處于同一水平高度的探測器測量該水平面上各方向的輻照度值。當(dāng)燈繞水平軸轉(zhuǎn)動時，則探測器測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，采用與光源相對位置固定的參考輻射度計，來監(jiān)測被測光源在測量過程中的變化。整個測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖3所示。放置在旋轉(zhuǎn)臺上的紫外光源發(fā)出的空間某一方向的輻射信號，由紫外輻射探測器接收。探測器輸出的電信號經(jīng)輻射度計系統(tǒng)采樣后，將采樣數(shù)據(jù)傳輸給上微機系統(tǒng)。上微機對測量數(shù)據(jù)進行處理，并根據(jù)公式（1）計算出輻射通量，同時還可以給出空間任意截面上的輻強度分布曲線以及實際應(yīng)用中某一工作面上的輻射照度分布圖。同時上微機系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)，控制轉(zhuǎn)臺在兩個方向進行旋轉(zhuǎn)，從而使系統(tǒng)可以對光源在空間任意方向上的輻照度進行測量。4 探測器的余弦修正一個輻射強度為的點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度成正比，與距離的平方成反比，用公式表達為：如果該平面的法線與射線間成一角度，則該點源在平面上產(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。對于短波紫外輻照度探頭來說，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)測量具有較大尺寸的紫外光源時，視場角較大，會帶來很大誤差。為了得到一個好的余弦修正效果，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器前加積分球的方法來對余弦進行修正，如圖5所示。對紫外探測器的余弦響應(yīng)，我們采用紫外變角輻射測試臺以5°為間隔進行了測試，測試結(jié)果如圖6和7所示。圖6中點線為加積分球后測得的歸一化紫外余弦響應(yīng)曲線，實線是理想曲線圖7是常規(guī)采用平面型漫射器制作的紫外輻照度計探頭的余弦響應(yīng)曲線。對比圖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，一般比較適合實驗室精密測量應(yīng)用。4 測量結(jié)果探測器離開變角轉(zhuǎn)臺中心的嗬胛?.0米，在儀器定標(biāo)后，我們測量了4只直管形254

10、紫外燈（2只30W，2只5W），并對每只燈進行了三遍重復(fù)測量。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%。三只燈的測量數(shù)據(jù)如表1所示。表1 測量數(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度分布曲線（圖 9 ）。測量的數(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)計軟件對紫外殺菌燈在實際工作場所的輻射照度分布進行模擬分析。如圖8，即是紫外線汞燈水平放置在離開燈