543.42
Результаты участия ВНИИОФИ в международных ключевых сличениях световой чувствительности фотометрических головок и спектральной чувствительности кремниевых фотодиодов
В. И. САПРИЦКИЙ, Р. И. СТОЛЯРЕВСКАЯ, Г. Н. ТОЛСТЫХ, А. В. ШАРОШКИН
Статья посвящена результатам участия ВНИИОФИ в ключевых сличениях в области фотометрии и ux значению для развития отечественной эталонной базы световых измерений.
Ключевые слова: ключевые сличения, фотометрическая головка, коэффициент преобразования, спектральная чувствительность, дисперсия, неопределенность.
The results of VNIIOFI participation in international key-comparisons in the field of photometry and to their role in development of the Russian national standards base in light measurements are exposed.
Key words: key-comparisons, photometric head, transformation coefficient, spectral sensitivity, dispersion, uncertainty.
На протяжении последних 20 лет отделение фотометрии и спектрорадиометрии некогерентного оптического излучения ВНИИОФИ является постоянным участником сличений, проводимых Международным бюро мер и весов (МБМВ) в области воспроизведения единиц световых и спектрорадиометрических величин и передачи их размеров [1, 2].
До принятия МБМВ концепции международных ключевых сличений результаты сравнения национальных эталонов с эталонами МБМВ были практически высшей оценкой точности создаваемых первичных и специальных эталонов.
В октябре 1999 г. на 21-й Генеральной конференции по мерам и весам принят ряд положений и резолюций, регламентирующих взаимоотношения национальных лабораторий и институтов, а также определяющих развитие метрологии на ближайшие годы нынешнего столетия.
В принятых документах особую роль отводили значению ключевых международных сличений, ответственности консультативных комитетов за их проведение и самое главное — подходу к определению результата ключевых сличений, т. е. опорного значения физической величины, которое будет храниться в МБМВ до следующих ключевых сличений.
Руководствуясь решениями Генеральной конференции, Консультативный Комитет по Фотометрии и Радиометрии (ККФР) наметил проведение серии ключевых сличений. В частности, были запланированы сличения световой чувствительности фотометрических головок (ФГ), спектральной чувствительности кремниевых фотодиодов и трап-детекторов на их основе в диапазоне длин волн 300—1000 нм.
В соответствии с «Положением о ключевых сличениях МБМВ» им были присвоены следующие наименования: сличениям световой чувствительности ФГ — CCPR-K3.b, сличениям спектральной чувствительности детекторов — CCPR-K2.b.
Ключевые сличения световой чувствительности фотометрических головок (CCPR-K3.b). Впервые ККФР проводил международные сличения в области фотометрических величин, используя в качестве транспортируемых эталонов фотометрические головки, до этого в подобных сличениях применяли только светоизмерительные лампы. Исключение — смешанные сличения, состоявшиеся в 1978 г., бывшие пробными и имевшие своей целью оценку характеристик светоизмерительных ламп и ЦХ)-фотометров в качестве транспортируемых эталонов (применяли как светоизмерительные лампы, так и фотометры). Результаты сличений на фотометрах тех лет привели к тому, что сличения МБМВ 1985 года, после принятия нового определения канделы, проводили только с участием эталонных светоизмерительных ламп силы света и светового потока.
ВНИИОФИ был одним из инициаторов использования фотометров в световых измерениях и выполнения сличений на основе ФГ [3—5], что оказало определенное влияние на последующие решения ККФР.
В первых ключевых сличениях световой чувствительности ФГ приняли участие 15 национальных лабораторий: BNM-INM (Франция), CSIC-IFA (Испания), CSIRO (Австралия), HUT (Финляндия), MSL (Новая Зеландия), KRISS (Корея), NIM (Китай), NIST (США), NPL (Великобритания), NRC (Канада), OFMET (Швейцария), OMH (Венгрия), PTB (Германия), SMU (Словакия), VNIIOFI (РФ).
Программу сличений разрабатывала рабочая группа, состоящая из представителей CSIRO, NPL, OMH, PTB, во главе с организатором сличений — МБМВ.
По решению рабочей группы измерения должны были проводиться с применением серийных ФГ с системой стабилизации температуры. После рассмотрения технических характеристик ФГ различных производителей был сделан выбор в пользу фирм LMT, PRC (Германия) и Inphora (США).
Эталонный набор МБМВ был сформирован из семи ФГ указанных фирм.
Согласно регламенту сличений ВНИИОФИ направил в МБМВ две ФГ фирмы LMT (серийные номера 896031 и 896032) с коэффициентами преобразования 51,90 и 51,32 нА • лк-1, соответственно, и стандартной неопределенностью 0,24 % (при k = 1).
В МБМВ в качестве источника излучения использовали светоизмерительную лампу Wi 41 G c цветовой температурой 2856 К ± 15 К, которая на расстоянии 2,5 м создавала освещенность 40 лк.
Одновременно в измерениях участвовали три ФГ, две из которых входили в состав эталонного набора МБМВ, а третья принадлежала лаборатории-участнице. С каждой ФГ лаборатории-участницы проводили многократные измерения. Во время сличений постоянно контролировали стабильность значений чувствительностей ФГ из эталонного набора МБМВ.
По решению рабочей группы опорное значение световой чувствительности эталонных ФГ МБМВ рассчитывали как средневзвешенное значение чувствительностей, определенных лабораториями-участницами.
В качестве весовых коэффициентов принимали значения, обратно пропорциональные квадратам неопределенностей, заявленных лабораториями-участницами.
Результаты сличений:
стандартная неопределенность опорного значения световой чувствительности не превысила 0,06 %;
найденные в результате первых ключевых сличений значения световой чувствительности эталонных ФГ МБМВ отличаются от значений, полученных при калибровке по эталонным лампам силы света МБМВ, откалиброванным в результате международных сличений 1985 года, в среднем на -0,26 %;
суммарная стандартная неопределенность метода сличений в МБМВ составила 0,09 %, что существенно меньше неопределенности калибровок ФГ национальными лабораториями;
относительное отклонение значения световой чувствительности ФГ ВНИИОФИ от опорного значения, полученного в результате ключевых сличений, составило 0,30 % при заявленной неопределенности 0,24 %;
относительные отклонения 8 от средневзвешенного опорного значения ключевых сличений результатов каждой национальной лаборатории с учетом неопределенности калибровки до отправки в МБМВ и после возвращения ФГ представлены на рис. 1.
Из анализа полученных данных следует, что ФГ можно применять в качестве транспортируемых эталонов, а разброс результатов, в основной массе, меньше, чем разброс при аналогичных сличениях с применением светоизмерительных ламп в качестве эталонов сравнения. Результаты последних международных сличений в рамках МБМВ в области фотометрии или первых ключевых сличений на основе ФГ упрочили позиции детекторного подхода к фотометрии в мировой практике.
Ключевые сличения спектральной чувствительности кремниевых фотодиодов в диапазоне длин волн 300—1000 нм (CCPR-K2.b). В число участников данных сличений вошло 18 национальных лабораторий: NML-CSIRO (Австрия), HUT (Финляндия), IFA-CSIC (Испания), NIM (Китай), NIST (США), NPL (Великобритания), NRC (Канада), PTB (Германия), OMH (Венгрия), BNM-NIM (Франция), CSIR-NML (Южная Африка), NMIJ (Япония), IEN-GF (Италия), KRISS
Рис. 1. Рeзультаты ключевых сличений световой чувствительности ФГ различных национальных лабораторий
(Корея), MSL (Новая Зеландия), NMI-VSL (Голландия), SMU (Словакия), VNIIOFI (РФ).
Технический протокол и график сличений были разработаны рабочей группой, в состав которой вошли представители В!РМ (лаборатория—пилот), MSL , NPL, NIST, NRC, РТВ.
Сличения проводили в два этапа по радиальной схеме. В качестве транспортируемых эталонов были использованы группы из кремниевых фотодиодов и трап-детекторов. Кремниевые фотодиоды типа HAMAMATSU 1337 BQ, снабженные кварцевым входным окном, ранее применяли для аналогичных сличений в 1993 г., трап-детекторы были изготовлены вновь. Их конструкция, в основном, повторяла конструкцию трап-детекторов, примененных в сличениях 1993 г., т. е. также в своем составе имела три фотодиода HAMAMATSU 1337ВQ без входных окон. Изменения коснулись лишь способа крепления фотодиодов, так как взамен винтового было применено клеевое крепление.
Эталонный набор приборов МБМВ состоял из четырех трап-детекторов и двух одиночных фотодиодов. Метрологические характеристики и трап-детекторов, и фотодиодов предварительно исследовали. Особое внимание уделили определению стабильности спектральных характеристик и их температурной зависимости. Результатами исследований стали значения спектральной чувствительности эталонных приборов и оценка ее временной стабильности. Эти данные учитывали в дальнейшем при расчете суммарной неопределенности измерений характеристик приборов.
В соответствии с методикой сличений во ВНИИОФИ провели калибровку двух трап-детекторов и двух одиночных фотодиодов в диапазоне длин волн 300—1000 нм с заданным переменным шагом. Калибровку осуществляли по комплекту фотодиодов ВНИИОФИ (HAMAMATSU 1337BQ), абсолютную спектральную чувствительность которых определяли с помощью неселективного радиометра и трап-детектора QED200. Измерения выполняли на специализированной установке с применением двойного монохроматора [6]. Суммарная неопределенность калибровки транспортируемых детекторов составляла 0,24—1,0 %.
Следуя рекомендациям МБМВ, опорное значение спектральной чувствительности детекторов рассчитывалось лабораторией-пилотом как средневзвешенное значение спек-
5, отн. ед. 0,010
0,005-
Рис. 2. Результаты участия ВНИИОФИ в сличениях по спектральной чувствительности кремниевых фотодиодов в видимом диапазоне длин волн
тральных характеристик, полученных при сличениях с приборами, присланными лабораториями-участницами.
Результаты сличений:
в диапазоне длин волн 450—1000 нм получили хорошую сходимость результатов, представленных лабораториями-участницами. Относительное стандартное отклонение в этом диапазоне длин волн характеризуется значения
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.