物理科技生物学-PHYICA

用于美国官方光测量刻度的仪器得到重大升级

物理学 2023-01-15 12:19:20

作者:国家标准与技术研究所的Curt Suplee,Jennifer Lauren Lee NIST物理学家希瑟·帕特里克和ROSI

信用:科特苏普利/NIST 国家标准和技术研究所(NIST)最近完成了对两个关键仪器的重大升级,这两个仪器服务于关键的国家需求:测量光从表面反射或透过材料时的特性

这两个工具共同构成了NIST设定和维持官方美国货币的核心能力

S

这些测量的尺度

正如音叉为钢琴音符提供参考一样,这些音阶允许反射和透射仪器的操作员通过将他们的测量值与权威来源进行比较来校准他们的设备

这确保了不同的设备产生可比较的数据

无论是在日常生活中,还是在许多重要的科学应用中,这种测量的统一精度的重要性几乎不可能被夸大

在我们最熟悉的意义上,反射或透射光的特性深刻地影响着我们对服装、汽车面漆、各种油漆和涂料、食品等的感知和偏好

因此,对于消费品制造商来说,准确的颜色是显而易见的迫切兴趣

但是,对反射光和透射光(包括我们看不见的波长)的精确测量,对于制造业、制药、医学成像、印刷材料、光学和光子学、气象卫星观测、作物健康和海洋状况等众多领域的关键过程也至关重要

NIST在近紫外(紫外,波长约250纳米以上)、可见光(400至700纳米)以及近红外和短波红外(红外,最高约2400纳米)光谱区保持国家等级

这些秤的传播——以及可追溯到国际单位制的计量学的改进,美国的支持

S

国防实验室以及与世界各国计量机构的协调是该计划的主要目标

信用:肖恩凯利/NIST 反射比 反射光的性质可以根据入射到样品上的入射光的角度、反射后被检测到的角度以及光源的光谱和反射表面的性质而显著改变

多年来,NIST在通过反射测量科学测量这些影响方面一直处于世界领先地位,不断改进仪器和技术,以满足不断发展的工业和科学需求

一个重要的例子是位于NIST物理测量实验室的最新升级的最先进的机器人光学散射仪器(ROSI)

它的能力在2021年10月出版的《应用光学》中有详细描述

ROSI可以测量镜面反射(类似镜面)和漫反射(散射反射光的粗糙表面)样本的反射

它具有0到80度的角度范围,用于照明和观察

ROSI的一个特别之处是它能够测量平面外的视角;即从入射平面旋转的视角

想象一下,太阳从东边的湖面升起,一个观察者从北岸观看水

虽然世界各地的国家计量机构都有其他面外反射仪,但NIST在提供如此宽波长范围的测量方面是独一无二的

“除了商业利益,ROSI的客户是国家和国际政府实验室,”PML科学家希瑟·帕特里克说

例如,地球监测卫星利用反射光不同波段的测量值来确定海洋温度、叶绿素浓度、海面高度、水流速度和方向,以及天气、气候和环境等更多感兴趣的量

为此,卫星仪器需要一个基准来校准它们的传感器

这可以通过使用具有精确已知的反射特性的漫射体以及当光照射漫射体时太阳角度的测量来实现

信用:肖恩凯利/NIST 帕特里克说:“我们最长期的客户关系之一是美国宇航局的扩散器校准实验室。”

用于气候监测等应用的地球观测卫星使用一种被称为太阳漫射器的漫反射器来帮助校准它们的相机对地球图像中场景反射的不同颜色的响应

“美国宇航局依靠ROSI校准来确保分配给太阳漫射器的反射率值的准确性

据估计,一颗常规气象卫星的研发和发射成本可能在30亿至50亿美元之间,因此对所有卫星组件进行精确测量至关重要

" 在地球表面的其他用途中,反射计可以区分氧合和去氧合的血液,区分健康和不健康的植物,并识别大气中气溶胶的浓度和化学成分

“在商业领域,”帕特里克说,“颜色测量仪器的制造商依赖于ROSI测量的标准来确保颜色测量的准确性和再现性

白色样品在ROSI上的测量提供了一种已知的顶级仪器,仪器制造商可以用它来校准光谱响应并实现可再现的颜色测量,其中反射率随波长的变化最小

" 自2013年以来,ROSI一直在不断发展和改进,接管了许多以前由NIST老化的STARR仪器完成的测量任务,该仪器仍在用于半球反射率测量

近年来,ROSI增加了一种更短波长的光源

原始光源可以向样品提供低至约430纳米(可见深紫色)的可调光

新光源将紫外线范围扩大到250纳米

一个原因是需要对杀菌应用中使用的紫外线源进行反射测量

帕特里克说:“紫外线可以用来消毒空气和表面,例如,在医疗保健环境中。”

“灯组件的紫外线反射率测量可以帮助工程师设计更高效的紫外线灯外壳,医疗保健环境中使用的油漆和表面的紫外线反射率测量可以帮助确定在这些环境中灭活病原体所需的紫外线剂量

" 凯瑟琳·库克西升级了透射率校准系统

信用:NIST 紫外线透射率校准大幅提升 NIST的研究人员最近加强了他们的紫外线透光率校准服务

由于实验室升级,他们已经将不确定性降低了70%,并将测量时间减半

“这些升级使得在我们的参考仪器上进行更多的客户测量成为可能,”NIST的Catherine Cooksey说,她指的是NIST科学家制造的主要仪器,该仪器的测量可追溯到国际单位制,国际单位制被用作世界标准

“以前,在参考仪器上进行测量所需的时间非常长,所以我们使用商业仪器来代替

但是参考仪器现在运行得非常好,非常容易,我可以随时打开它,直接进行客户测量

" NIST透射率校准用于评估通过物体的不同波长的光的量,是为使用过滤光的材料的客户执行的

其中包括试图优化窗户涂层的玻璃制造商,或依靠滤光器制造遥感仪器的人,以及制药公司和军事标准实验室

间接来说,这些测量支持消费者层面的多种用途

例如,警察可能会使用一个可追溯到NIST或另一个国家计量实验室(NMI)的商用透光率传感器来测试有多少光线通过有色车窗,以确定车窗是否符合当地法律

尽管NIST服务涵盖了从250纳米的紫外到2500纳米的短波红外的宽波长范围内的透光率测量,但最近的测量改进对250纳米至450纳米之间的紫外波长范围影响最大

NIST装置让研究人员测量被称为中性密度滤光器的物体,这是设计用来吸收各种波长光的有色玻璃样品

客户使用这些玻璃样品来评估他们自己的透光装置的性能

透射率校准设置有三个部分:(1)光源(左上角),在这种情况下是产生紫外光的激光驱动光源;(2)单色仪,利用光栅和镜子让研究人员选择特定的波长;以及(3)探测器,允许研究人员确定有多少光透过样本

学分:国家标准与技术研究所 那么,库克西和她的同事对他们的设置做了什么改变,以允许他们改善紫外线测量? 为了校准样品,NIST的工作人员使用了一种“宽带”紫外光源,这意味着它能产生多种波长的光

然后,这些光通过一个单色仪,一系列光栅和镜子,允许NIST工作人员选择单一的频率

然后,光线穿过顾客的样品,然后到达检测器,检测器告诉科学家什么穿过了玻璃

对于每种波长,研究人员还会取出玻璃样本,并将光束直接发送到检测器,让他们能够评估透射前后的光强度

通过这种方式,研究人员可以一次一个波长地运行穿过玻璃样品的整个相关光谱

旧紫外校准系统的一个问题是它使用氘灯作为光源

氘灯产生了相当微弱的紫外线,这降低了研究人员可以获得的信号的大小

因此,库克西和他的同事们用一种更强的光源取代了它,这种光源是一种激光驱动光源(LDLS),它利用高功率激光诱导充气灯泡发出宽带光

但是LDLS,虽然它给了团队更多的光来工作,是不稳定的:紫外线的量在短短几分钟内波动

科学家通过增加一条可以实时测量单色仪发出的光线的监测线解决了这个问题

测量方案的改变也使得该团队能够以两倍的速度完成这些校准

库克西说:“以前我们常常进行多次扫描来测量一个光谱。”

“但现在我们增加了一次扫描的读数

" 库克西说,在不久的将来,新系统将用于客户测量

与此同时,研究人员正准备正式将紫外线透射率校准装置与加拿大国家研究委员会的类似装置进行比较

一项国际比较让实验室验证他们的测量方法,并将其与世界测量联系起来

库克西说:“这将使我们能够提供证据,证明‘是的,我们的不确定性比过去好得多’。”

来源:由phyica.com整理转载自PH,转载请保留出处和链接!

本文链接:http://www.phyica.com/wulixue/25574.html

发表评论

用户头像 游客
此处应有掌声~

评论列表

还没有评论,快来说点什么吧~