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Strahlergestützte Spektroradiometrie

31.12.2006

Zur Darstellung und Weitergabe der spektralen Bestrahlungsstärke von Strahlern im Gesamt-Spektralbereich von 200 nm bis 2500 nm wurde ein neues Messsystem entwickelt und aufgebaut.

Die wesentlichen Komponenten sind zwei Hochtemperatur-Hohlraumstrahler mit Betriebstemperaturen bis zu 3500 K, mehrere für den Spektralbereich von 200 nm bis 2500 nm optimierte Spektroradiometer, sowie verschiedene Messplätze zur Charakterisierung von Strahlernormalen. Alle Komponenten können für ganz unterschiedliche Mess- und Kalibrieraufgaben auf verschiedene Weise miteinander kombiniert werden.

Der Hochtemperatur-Hohlraumstrahler BB3200pg mit variablen Betriebstemperaturen bis zu 3200 K wird für die Darstellung der spektralen Bestrahlungsstärke im Spektralbereich von 250 nm bis 2500 nm eingesetzt ([1], Bild 1). Er ist bereits seit einigen Jahren im Einsatz und mehrfach modifiziert bzw. optimiert worden. Er dient zur direkten Kalibrierung geeigneter 1000-W-Quarz-Halogenglühlampen im Substitutionsverfahren. Ausgesuchte, vorgealterte 1000-W-Quarz-Halogenglühlampen haben sich als Sekundär- und Transfer-Standard für die spektrale Bestrahlungsstärke bewährt. Der Hochtemperatur-Hohlraumstrahler BB3200pg kann aber z. B. auch zur unmittelbaren Kalibrierung mobiler Spektroradiometer eingesetzt werden.


Der Hochtemperatur-Hohlraumstrahler BB3200pg

Der Hochtemperatur-Hohlraumstrahler BB3500MP mit variablen Betriebstemperaturen bis zu 3500 K ist eine Neuentwicklung [2]. Durch die im Vergleich zum BB3200pg um bis zu zwei Größenordnungen höhere Strahlungsleistung im UV-Spektralbereich ist er für die Darstellung der spektralen Bestrahlungsstärke im Spektralbereich von 200 nm bis 400 nm vorgesehen. Dieser Strahler bildet somit die Basis für die Messung und Kalibrierung von Strahlungsquellen mit hoher spektraler Bestrahlungsstärke, z. B. für den Bereich der UV-Dosimetrie.

Eine weitere Option des BB3500MP ist der Einsatz von eutektischen Hochtemperatur-Fixpunktzellen. Metall(carbid)-Kohlenstoff Gemische weisen eutektische Phasenwandlungen bei definierten Fixpunkttemperaturen auf. Auf diese Weise kann - ohne zusätzliche Messungen - direkt auf die Temperatur des Schwarzen Strahlers geschlossen werden und damit seine spektrale Bestrahlungsstärke berechnet werden. Eutektische Hochtemperatur-Fixpunktzellen werden in Zukunft eine direkte Rückführung radiometrischer Größen auf die SI-Einheit Kelvin und die internationale Temperaturskala ermöglichen. Beide Hochtemperatur-Hohlraumstrahler sind Bestandteil von PriTeRa [3], einer im Rahmen von iMERA (implementing the Metrological European Research Area) angekündigten „Special Facility“ primärer Temperaturstrahler in der PTB.

Ein neues Spektroradiometers wurde für die Weitergabe der Einheit spektrale Bestrahlungsstärke im Spektralbereich 250 nm bis 2500 nm aufgebaut und optimiert.

Das gesamte Spektroradiometer ist vertikal auf, bzw. an einem Verschiebetisch hängend angebracht. Auf diese Weise können in unmittelbarer Nähe weitere radiometrische Empfänger und mobile Spektroradiometer für einen direkten Vergleich installiert werden. Der Verschiebetisch - mit einem Verfahrweg von drei Metern - ermöglicht das Positionieren und die automatisierte Messung an bis zu vier Strahlern in kurzen Zeitabständen. Das Spektroradiometer selbst wird durch eine wassergekühlte Wand thermisch von den Strahlern isoliert. Es können Strahler in Abständen von bis zu 10 m vermessen werden. Hierbei kommt zusätzlich eine portable optische Bank zum Einsatz, die eine definierte Abstandsvariation von bis zu fünf Metern zulässt.

Für den UV-Spektralbereich wurde ein weiteres Spektroradiometer aufgebaut, das speziell der Kalibrierung von 30-W-Deuteriumlampen dient. Ein spiegelloser Doppelmonochromator mit holographischen abbildenden Gittern und einem „sonnenblinden“ Photomultiplier sind für den Spektralbereich von 200 nm bis 350 nm optimiert. Eine photostromstabilisierte Deuteriumlampe dient als Monitorstrahler für dieses Spektroradiometersystem.

Als sog. Trend-Spektroradiometer für Messungen im Spektralbereich 240 nm bis 700 nm steht ein weiterer, schnell scannender Doppelmonochromator zur Verfügung. Hiermit lassen sich insbesondere UV-Strahlernormale bezüglich der Langzeitstabilität und der Reproduzierbarkeit beim Wiedereinschalten untersuchen. Für derartige Charakterisierungen wurden zwei Messplätze aufgebaut, in denen jeweils bis zu drei Strahler während einer Brenndauer von bis zu zweitausend Stunden in kurzen Zeitabständen wechselweise mit hochstabilen Monitorempfängern und mit dem Trend-Spektroradiometer charakterisiert werden können.

Die unterschiedlichen Komponenten des neuen Messsystems können nahezu beliebig miteinander kombiniert werden und eröffnen somit eine Vielfalt an neuen Mess- und Kalibriermöglichkeiten für die Strahlerradiometrie. Der hohe Automatisierungsgrad führt zu einer erheblichen Reduzierung des Aufwandes und damit zu einer entsprechenden Verringerung der Kosten für Standardkalibrierungen. Durch die hohe Flexibilität ist die PTB für künftige Problemstellungen in der Spektroradiometrie gut vorbereitet.


Literatur:

[1] P. Sperfeld , J. Metzdorf, S. Galal Yousef, K. D. Stock, W. Möller, Improvement and Extension of the Blackbody-based Spectral Irradiance Scale, Metrologia 35, 1998/99, 267-271

[2] V. I. Sapritsky, S. A. Ogarev, B. B. Khlevnoy, M. L. Samoylov, V. B. Khromchenko, Development of metal-carbon high-temperature fixed-point blackbodies for precision photometry and radiometry, Metrologia 40, 2003, S128-S131

[3] PTB Primary Temperature Radiators PriTeRa , Proposed iMera Special Facility, ib.ptb.de/de/org/7/73/PriTeRa.pdf