Приложение А (рекомендуемое). Метод измерения спектральной плотности энергетической величины с использованием измерительной спектральной установки

Приложение А
(рекомендуемое)

Метод измерения спектральной плотности энергетической величины с использованием измерительной спектральной установки

А.1 Структура измерительной спектральной установки приведена на рисунке А.1.

Рисунок А.1

А.1.1 Рабочие источники света

А.1.1.1 При измерении спектральной плотности энергетической величины ИС применяют рабочие ИС по ГОСТ 8.195;

- дейтериево-неоновые лампы, ленточные лампы накаливания с кварцевым, увиолевым или сапфировым окном, галогенные или разрядные лампы в колбах из увиолевого или кварцевого стекла в УФ-области спектра 0,25 - 0,38 мкм;

- ленточные, галогенные лампы накаливания в видимой и ИК-области спектра 0,38 - 2,5 мкм.

А.1.1.2 Допускается для видимой области спектра применять в качестве рабочих ИС светоизмерительные лампы накаливания, с характеристиками стандартного колориметрического источника типа А (=2856 К), относительная спектральная плотность энергетической величины которого , отн. ед., приведена в таблице А.1.

Таблица А.1

Длина волны, , нм	p()	Длина волны, , нм	р()	Длина волны, , нм	p()	Длина волны, , нм	p()
380	9,3	485	51,0	590	122	695	195
385	10,9	490	53,9	595	125	700	198
390	12,1	495	53,8	600	129	705	201
395	13,3	500	59,9	605	133	710	204
400	14,7	505	62,9	610	136	715	207
405	161	510	65,1	615	140	720	210
410	177	515	69,2	620	144	725	213
415	193	520	72,5	625	147	730	216
420	210	525	75,8	630	151	735	219
425	228	530	79,1	635	154	740	222
430	247	535	82,5	640	158	745	224
435	266	540	85,9	645	162	750	227
440	287	545	89,4	650	165	755	230
445	308	550	92,9	655	169	760	232
450	33,1	555	96,4	660	172
455	35,4	560	100,0	665	175
460	37,8	565	104,0	670	179
465	40,3	570	107,0	675	182
470	42,9	575	111,0	680	185
475	45,5	580	114,0	685	189
480	48,2	585	118,0	690	192

Рекомендуемые рабочие ИС:

- кварцево-галогенная лампа КГМ 110-1000;

- лампа типа FEL 120-1000;

- светоизмерительные лампы накаливания силы света СИС 40-100, СИС 107-500, СИС 107-1000, СИС 107-1500 по ГОСТ 10771 - для спектрального диапазона 0,38 - 0,8 мкм;

- светоизмерительные лампы накаливания СИ 8-200 у, ТРУ 110-2350 с увиолевым окном, лампы ДНК-90 - для спектрального диапазона 0,26 - 0,38 мкм;

- светоизмерительные лампы накаливания силы света СИС 40-100 по ГОСТ 10771 - для измерения координат цветности разрядных ламп методом фотоэлектрической колориметрии;

- светоизмерительные лампы накаливания силы света СИС 5-1 по ГОСТ 10771 - для измерения координат цветности цветных миниатюрных и сверхминиатюрных ламп накаливания.

Допускается применение других типов рабочих ИС, имеющих стабильное распределение спектральной плотности энергетической величины.

Рабочие ИС должны быть поверены в установленном порядке.

А.1.1.3 Для проверки градуировки спектральной установки допускается применение контрольных ламп того же типа, что и измеряемые ИС. Контрольные лампы отбирают из ламп серийного производства, подвергают предварительному отжигу в соответствии с ГОСТ Р 55702.

Контрольные лампы должны иметь стабильное распределение спектральной плотности энергетической величины, которое определяют после отжига сравнением их с рабочими ИС. Полученная величина в точках спектра, в которых спектральное распределение имеет максимальное значение, и в крайних точках спектра измеряемого диапазона, не должна изменяться более чем на 3%. Для определения стабильности проводят не менее трех измерений.

А.1.2 Спектральные приборы

А.1.2.1 Спектральный прибор измерительной спектральной установки (например, монохроматор одинарный или двойной; призменный или с дифракционной решеткой; спектрометр; полихроматор с ПЗС матрицей), должен иметь рабочий диапазон длин волн 0,25 - 2,5 мкм.

А.1.2.2 Посторонний рассеянный свет от ИС, попадающий через входную щель спектрального прибора, в измеряемом диапазоне спектра не должен превышать 1%. Для его устранения применяют двойной монохроматор или перед входной щелью спектрального прибора устанавливают избирательные светофильтры, полоса пропускания которых лежит в измеряемой области спектра.

Метод определения доли постороннего рассеянного света в спектральном приборе изложен в приложении Ж.

А.1.3 Измерительная часть спектральной установки

Измерительная часть спектральной установки включает приемное устройство, блоки питания приемного устройства и ИС, измерительные и регистрирующие приборы (см. рисунок А.1).

А.1.3.1 В качестве измерительного приемного устройства используют фотоэлектрические приемные устройства с высокой чувствительностью во всем диапазоне проводимых спектральных измерений:

- фотоэлектронные умножители с многощелочным катодом, с висмуто-серебряно-цезиевым катодом, вакуумные фотоэлементы с многощелочным катодом - для видимой области спектра;

- фотоэлектронные умножители с кислородно-цезиевым катодом, кремниевые фотодиоды, фотосопротивления - для УФ-области спектра.

Для измерений в ближней УФ-области спектра используют приемные устройства с сурьмяно-цезиевым фотокатодом и увиолевым, сапфировым или кварцевым окном на входе, в ближней ИК-области спектра - приемные устройства с кислородно-серебряно-цезиевым фотокатодом, кремниевые или германиевые фотодиоды и фотосопротивления.

Допускается применение других типов измерительных приемных устройств, удовлетворяющих требованиям настоящего стандарта.

А.1.3.2 Для питания приемных устройств применяют стабилизаторы с нестабильностью выходного напряжения не более % значения напряжения при максимальном токе нагрузки не более 4 мА.

А.1.3.3 Приемные устройства используют с усилителями сигнала, нижний предел чувствительности которых должен соответствовать уровню излучения, выходящего из спектрального прибора.

При измерении фототоков приемного устройства применяют аналоговый микроамперметр магнитоэлектрической системы класса точности не ниже 1,0. В качестве входного устройства может быть использован цифровой вольтметр или виртуальный прибор на базе ПК.

А.1.3.4 Если в качестве спектрального прибора используют монохроматор, то световая характеристика измерительной части спектральной установки должна быть линейной. Отклонение от линейности должно быть не более 2%.

Проверку линейности световой характеристики проводят в соответствии с приложением И.

А.1.3.5 Стабильность измерительной части спектральной установки должна быть такой, чтобы в течение 1 - 2 мин значение фототока изменялось не более 0,5% при проведении измерений на установленной длине волны.

А.1.4 Условия проведения измерений

Измерения рабочего и измеряемого ИС проводят последовательным прохождением всего спектрального диапазона или чередованием на каждой установленной длине волны измеряемого и рабочего ИС.

А.1.4.1 При измерении излучения ИС устанавливают на рельсе и проектируют на входную щель, полностью ее освещая и обеспечивая заполнение входной апертуры спектрального прибора.

А.1.4.2 Для полного, одинакового и неизменного во всех измерениях заполнения входной апертуры спектрального прибора используют диффузные отражатели с коэффициентом отражения не менее 0,8:

- пластины с запрессованным на глубину 2 - 3 мм порошком окиси магния;

- пластину, покрытую составом по ГОСТ Р 55702 (приложение Д);

- молочные стекла - при измерениях в видимой и ближней ИК-области спектра;

- фотометрический шар с пластиной внутри него, исключающей попадание прямого излучения от ИС на приемное устройство.

Диффузные отражатели устанавливают перед входной щелью прибора под углом 45° к оптической оси прибора и освещаемые ИС по нормали к поверхности.

Диффузные отражатели должны быть окрашены матовой неселективной краской белого цвета. Один из способов окраски приведен в ГОСТ Р 55702 (приложение Д).

Примечание - Допускаются иные способы освещения входной щели спектрального прибора при условии полного заполнения его входной апертуры.

А.1.4.3 Условия освещения входной щели спектрального прибора при измерениях и градуировке должны быть одинаковыми.

А.1.4.4 Ширину раскрытия щелей устанавливают в зависимости от спектра излучения ИС (непрерывного, линейчатого, смешанного) и освещения диффузной пластины ИС.

При измерении непрерывного спектра излучения ИС входная и выходная щели должны быть открыты на одинаковую ширину, у двойного монохроматора средняя щель должна быть шире.

При измерении линейчатого или смешанного спектра излучения ширину выходной щели устанавливают больше ширины входной настолько, чтобы из выходной щели полностью выходил поток излучения. Допускается обратный прием, при котором входная щель устанавливается шире выходной настолько, чтобы при дальнейшем ее расширении не увеличивался выходящий из прибора поток.

Излучение на выходе спектрального прибора должно быть максимальным.

Спектральный выделяемый интервал не должен превышать 10 нм.

Ширину входной щели (), мм, спектрального прибора выбирают с учетом соотношения

,

(А.1)

где - выделяемый интервал измерения, нм;

- обратная линейная дисперсия прибора, нм/мм.

Ширину выходной щели при установленной входной щели выбирают на основании кривых зависимости величины фототока приемного устройства от ширины выходной щели по рисунку А.2.

При измерении характеристик ИС ступенчатым методом, спектр разбивают на интервалы-ступени , которые перемещают по отношению к выходной щели на расстояния, равные ее ширине. В пределах ступеней измеряют среднее значение спектральной плотности энергетической величины, выбирают узкую входную и широкую выходную щели, определяющие спектральный интервал измерения. Соотношение ширины входной и выходной щелей не должно превышать 1:10 во всем спектральном диапазоне измерений.

Рисунок А.2

При использовании приборов с переменной дисперсией ширину выходной щели (), мм, для каждого спектрального интервала рассчитывают по формуле

,

(А.2)

где - выделяемый спектральный интервал, нм (ступень);

- обратная линейная дисперсия, нм/мм.

А.1.4.5 Приемное устройство за выходной щелью располагают так, чтобы оно было полностью освещено выходящим из спектрального прибора излучением, и обеспечивают облучение большей части его поверхности. Положение приемного устройства не изменяют.

А.1.5 Подготовка к проведению измерений

А.1.5.1 Градуировку шкалы длин волн спектрального прибора проводят по линиям спектров ртути, кадмия, неона, гелия, цинка, таллия, натрия и цезия, приведенным в таблице А.2.

Таблица А.2

Hg	Не	Cd	Zn	Ne	Ti	Na	Cs
312,6*	388,9*	326,1*	328,2	519,3	351,9*	330,2	387,6
313,2*	402,6	340,4*	330,3*	540,1	352,9	466,9	455,5*
334,1*	447,1*	346,6*	334,5*	576,4	377,6*	498,3	459,3*
365,0*	468,6	346,8*	468,0*	585,2*	535,0*	514,9	635,5
365,5*	471,3*	361,1*	472,2*	588,2*	655,0*	515,3*	658,6*
366,3*	492,2	361,3	481,1*	594,5*	671,4*	567,0	672,3*
390,6	501,6*	441,5	636,2*	597,5		567,6	682,5
398,4	587,6*	467,8*	702,6	603,0*		568,8*	687,5
404,7*	656,0	480,0*	758,9	607,4*		589,0*	693,3*
407,8	776,8*	508,6*	773,3	609,6		589,6*	722,8
433,9	706,5	609,9	1105,4	614,3*		615,4*	728,0*
434,8	1083,0*	643,8		616,4		616,0	760,9*
435,8*		734,6*		621,7*		687,0	795,0*
491,6		738,5*		626,6		818,3*	801,6*
496,0		1039,5		630,5		819,5*	807,9*
546,1*				631,4*			852,1*
567,6				633,4			976,1
575,0*				638,3*			894,3*
579,1*				640,2			917,2*
623,4				650,7*			1002,4*
671,6				653,3			1012,4*
690,7				659,9*
703,2				667,8*
737,2				671,7*
772,8				692,9*
1014,0*				703,2*
1188,7				717,4*
				743,9
				754,0
				836,5*
* Длина волн наиболее интенсивных линий спектра.

Для градуировки по длинам волн используют спектральные лампы низкого давления, имеющие линейный спектр излучения, например:

- лампу ДРС-50;

- ртутно-гелиевую лампу ДРГС-12;

- кадмиевую лампу ДКдС-20;

- цинковую лампу ДциС-20;

- таллиевую лампу ДтаС-15;

- натриевую лампу ДнаС-16 или неоновые лампы ТН-30 и ТН-30-3.

Спектральную лампу устанавливают в соответствии с А.1.4.1. Для повышения точности измерения градуировку проводят при узких щелях, не допуская степень сужения щелей до аберраций.

Для определения положения спектральных линий по шкале барабана длин волн, первоначальную градуировку осуществляют визуально наблюдением основных линий в плоскости выходной щели через окуляр.

Точную градуировку по длинам волн проводят фотоэлектрическим методом, установку линий определяют значением максимального фототока при прокручивании шкалы длин волн вблизи данной линии.

У спектральных приборов со шкалой, градуированной по длинам волн, точное соответствие между шкалой и истинными значениями устанавливаемых длин волн проверяют и корректируют по нескольким длинам волн в пределах измеряемого диапазона.

Для спектральных приборов с равномерной шкалой длин волн проводят детальную градуировку расчетом градуировочной кривой по формуле Гартмана

(А.3)

где A, В, С - градуировочные постоянные;

- отсчет по барабану для заданной длины волны;

- длина волны.

Градуировочные постоянные рассчитывают по трем экспериментальным точкам: , , по формулам

,

(А.4)

,

(А.5)

(А.6)

Необходимый для градуировки диапазон спектра разбивают на ряд перекрывающих друг друга участков, т.е. если один из них определяют как , , , то следующий должен охватывать , , и т.д. Ширина расчетного участка не более 200 нм.

На основании полученных градуировочных постоянных рассчитывают положение остальных спектральных линий в диапазоне .

Полученные градуировочные данные по длинам волн заносят в таблицу и строят градуировочную кривую . Различие положения расчетных спектральных линий при сопоставлении с фактическими значениями не должно превышать 1 нм. Если при последующей текущей градуировке значение сдвигается на величину , постоянную по спектру, то необходимо изменить в таблице или градуировочной кривой все значения на .

А.1.5.2 Для перехода от одного (например, непрерывного) вида спектра к другому (например, линейчатому) используют линейную дисперсию. Линейную дисперсию определяют значением отношения , пропорционального угловой дисперсии, с последующим переходом к линейной дисперсии с помощью коэффициента пропорциональности, определение которого приведено в приложении К.

Для приборов со шкалой, градуированной по длинам волн, значение определяют отсчетом делений шкалы по градусному лимбу.

Для приборов с равномерной шкалой значение определяют производной от всей кривой градуировки по длинам волн .

Для точного определения значения необходимо для экспериментально найденных градуировочных точек каждой тройки, последовательно идущих друг за другом, вычислить постоянные А, В, С формулы (А.3). Значение по формуле, определяют как производную от формулы Гартмана

(А.7)

Для перехода от угловой дисперсии к линейной отсчитывают число делений барабана длин волн, соответствующее смещению спектра в плоскость выходной щели на 1 мм - , где - угол поворота шкалы длин волн, l - ширина выходной щели. Метод определения значения приведен в приложении К.

Обратную линейную дисперсию D, нм/мм, рассчитывают по формуле

(А.8)

Для приборов с равномерной шкалой величина практически постоянна по спектру.

По значениям обратной линейной дисперсии строят кривую .

А.1.5.3 Для градуировки установки по спектральной чувствительности применяют кварцево-галогенные лампы КГМ 110-1000, FEL 120-1000 или другие стабильные ИС с известным распределением спектральной плотности энергетической освещенности.

При градуировке устанавливают ту же ширину щелей и соблюдают те же условия освещения щели, что и при измерениях. Порядок проведения измерений по А.1.4.

Градуировка заключается в определении градуировочных коэффициентов и , характеризующих спектральную чувствительность установки, с помощью рабочего ИС по А.1.1. Коэффициенты и вычисляют по формулам (3) и (5).

А.1.5.4 Перед измерением рабочие ИС протирают чистой и мягкой тканью, смоченной этиловым спиртом по ГОСТ 18300.

В процессе измерений берут рабочий ИС только в хлопчатобумажных перчатках.

Перед началом измерений рабочие ИС для стабилизации характеристик должны гореть при номинальном напряжении или токе в течение времени, указанного в инструкции по их эксплуатации.

А.1.5.5 Перед измерением измеряемые ИС подвергают предварительному отжигу в течение времени, указанного в стандартах и технических условиях на ИС конкретного типа. При отсутствии этих указаний ИС отжигу не подвергают.

А.1.5.6 Приемное устройство высвечивают в длинноволновой части спектра при заданном уровне освещения в течение 30 мин, если это указано в инструкции по эксплуатации.

А.1.5.7 Ширину щелей спектрального прибора устанавливают по А.1.4.4.

А.1.5.8 Стабилизаторы, усилители, цифровые вольтметры, входящие в состав спектральной установки, готовят к работе в соответствии с их эксплуатационной документацией.

А.1.5.9 Перед измерением ИС для стабилизации излучения должен разгораться в режиме измерения в течение времени, указанного в стандартах и технических условиях на ИС конкретного типа. При отсутствии этих указаний ИС разгоранию не подвергают.