CN103868588B - 绝对型太赫兹辐射计 - Google Patents
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Abstract
一种绝对型太赫兹辐射计，包括：一热沉，以及在热沉依次制作的热电堆、电加热层、和碳化硅颗粒和黑漆混合涂层；一半球形聚光罩，该半球形聚光罩罩在热沉的上面，所述热电堆、电加热层和吸收涂层都在聚光罩内部；一隔热罩，该隔热罩罩住整个辐射计；一对电加热接线端子，该对电加热接线端子在隔热罩外，与电加热层的加热引线电性连接；一对响应电压测量端子，该对响应电压测量端子在隔热罩外，与热电堆的传感器引线电性连接。本发明是利用激光功率或电功率替代标定辐射计的响应灵敏度，从而将太赫兹辐射功率(或能量)溯源至国际单位制，实现太赫兹辐射功率(或能量)的计量和太赫兹探测器的测量量值标定和校准。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹辐射参数测量技术领域，特别是一种绝对型太赫兹辐射功率计或太赫兹辐射能量计。
背景技术
太赫兹是指频率位于0.1-10THz的电磁辐射，在电磁波谱上位于光学的红外和电磁学的毫米波之间的带隙。长期以来，由于缺乏有效的产生和探测技术，太赫兹成为电磁波谱中人类有待认识的最后一个窗口。上世纪80年代以来，随着飞秒脉冲激光技术的发展，在室温下产生了宽辐射带宽、高强度、高信噪比的太赫兹电磁辐射。太赫兹仪器也逐渐实现低成本化和小型化，太赫兹技术在各个领域的应用也日益广泛。目前太赫兹技术已广泛应用于材料成分识别、生物样品测试、食品安全检查、药品成分分析、疾病预防筛查、天文观测和环境监测等领域。
尽管各类商品化的太赫兹辐射源、太赫兹探测器、太赫兹光谱仪、太赫兹成像仪已日益广泛应用。然而太赫兹辐射参数的绝对计量却长期处于空白。历史上的“太赫兹空隙”导致了“太赫兹计量学空白”，国际上太赫兹计量仪器量值无法溯源至国际单位制，测量准确度和有效性无法评估。
近年来，国际计量研究机构已经意识到了太赫兹计量的重要和紧迫。2009年，德国国家计量院(PTB)的AndreasSteiger等将太赫兹辐射功率溯源至光谱辐射低温辐射计，在国际上首次实现了2.5THz频率太赫兹电磁辐射的量值溯源。然而，低温辐射计的混合涂层在太赫兹波段的吸收率无法准确测量，因此低温辐射计的吸收腔在太赫兹波段的腔体吸收率无法准确评估。尽管窗口透过率、功率漂移、噪声、偏振、替代探测器等各不确定度分量仅为千分之几，但由于腔体吸收率的不确定度评定为7％，最终只能给出7.3％的合成不确定度(包括因子k＝1)，其中腔体吸收率成为不确定度合成中最大的一个分量。
本发明公开了一种绝对型太赫兹辐射计，用于测量太赫兹波段的电磁辐射功率(或能量)、标定太赫兹探测器或校准太赫兹功率计(或能量计)。该绝对型太赫兹辐射计通过一种在太赫兹波段具有高吸收率的碳化硅和黑漆材料混合涂层吸收太赫兹辐射热，通过辐射计前端的聚光罩进一步提高太赫兹辐射的吸收率。太赫兹电磁辐射被混合涂层吸收，转换成热，产生温升，通过热电堆将温差信号转换成电信号，用电压表读取响应电压。利用激光功率或电功率替代标定辐射计的响应灵敏度，从而将太赫兹辐射功率(或能量)溯源至国际单位制，实现太赫兹辐射功率(或能量)的计量和太赫兹探测器的测量量值标定和校准。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种绝对型太赫兹辐射计，其是利用激光功率或电功率替代标定辐射计的响应灵敏度，从而将太赫兹辐射功率(或能量)溯源至国际单位制，实现太赫兹辐射功率(或能量)的计量和太赫兹探测器的测量量值标定和校准。
本发明提供一种绝对型太赫兹辐射计，用于测量太赫兹波段的电磁辐射功率、标定太赫兹探测器或校准太赫兹功率计，包括：
一热沉，该热沉保持温度稳定，用于作为温差测量的参考背景温度；
一热电堆，作为温差测量传感器，该热电堆的一个测温面用导热胶粘接在热沉上；该热电堆将温差信号转换成电信号用于显示仪表的测量；
一电加热层，该电加热层粘接或喷涂在热电堆的另一个测温面上，通过外部直流电源加热产生的温差模拟替代辐射计吸收辐射产生的温差，用于以电功率替代辐射功率实现辐射计的电校准；
一碳化硅颗粒和黑漆混合涂层，其在太赫兹波段具有高吸收率，该碳化硅颗粒和黑漆混合涂层喷涂在电加热层上，用于吸收太赫兹电磁辐射，产生的温差经电加热层传到热电堆的测温面上；
一半球形聚光罩，该半球形聚光罩罩在热沉的上面，仅在前端辐射接收处留有聚光罩开口，与热沉形成半球形空腔，所述热电堆、电加热层和混合涂层都在半球形空腔内部，该半球形聚光罩将从碳化硅颗粒和黑漆混合涂层表面反射的太赫兹辐射再反射到碳化硅颗粒和黑漆混合涂层上，以便再次吸收提高辐射计腔体吸收率；
一隔热罩，该隔热罩罩住整个辐射计，仅在前端辐射接收处留有入射口，该隔热罩用于隔绝外部环境和辐射计热沉之间的热交换，避免外界环境温度变化对辐射计测量性能造成的影响；
一对电加热接线端子，该对电加热接线端子在隔热罩外，与电加热层的加热引线电性连接，用于连接外部直流加热电源的加热电极；
一对响应电压测量端子，该对响应电压测量端子在隔热罩外，与热电堆的传感器引线电性连接，用于连接外部测量显示仪器测量温差引起的电压。
本发明具有以下优点：
(1)利用在太赫兹波段具有高吸收率的混合涂层作为吸收体，吸收太赫兹辐射，实现太赫兹辐射功率或能量的准确测量。目前商品化的太赫兹辐射计，包括太赫兹功率计和太赫兹能量计对太赫兹辐射的吸收率均小于或远小于90％，因此只能作为相对测量，其量值需要利用标准探测器进行校准，不能用于绝对测量。本发明提供的绝对型太赫兹辐射计在太赫兹波段的吸收率达到90％以上，且吸收光谱平坦，可以通过电功率定标复现量值，也可以通过已知激光功率的激光辐射标定，实现太赫兹辐射的绝对测量。
(2)在辐射计的前端加上一半球形聚光罩，将从混合涂层表面反射的太赫兹辐射反射到混合涂层上再次吸收，提高辐射计腔体吸收率，也提高了太赫兹辐射测量的准确度。
(3)可通过电功率定标和已知激光功率定标两种方式复现量值。本发明提供的绝对型太赫兹辐射计可以通过外部直流电源加热电加热层产生温差，模拟替代辐射计吸收辐射产生的温差，用于以电功率替代辐射功率实现辐射计的电校准；也可以通过已知激光功率的激光辐射标定，利用已知的激光功率标定辐射计的功率响应度，实现太赫兹辐射的绝对测量。
(4)在辐射计外部罩有隔热罩，用于隔绝外部环境和辐射计热沉之间的热交换，避免外界环境温度变化对辐射计测量性能造成的影响，提高仪器的测量性能。
附图说明
为进一步说明本发明的技术特征，结合以下实施例及附图，对本发明作一详细的描述，其中：
图1为本发明绝对型太赫兹辐射计的结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种绝对型太赫兹辐射计，用于测量太赫兹波段的电磁辐射功率、标定太赫兹探测器或校准太赫兹功率计，包括：
一热沉10，该热沉10保持温度稳定，用于作为温差测量的参考背景温度，所述热沉10的材料为钢、铁、铝或铜；
一热电堆20，作为温差测量传感器，该热电堆20的一个测温面用导热胶粘接在热沉10上；该热电堆20将温差信号转换成电信号用于显示仪表的测量，所述热电堆20为热电偶或其他类型的温差测量传感器或温度测量传感器；
一电加热层30，该电加热层30粘接或喷涂在热电堆20的另一个测温面上，通过外部直流电源加热产生的温差模拟替代辐射计吸收辐射产生的温差，用于以电功率替代辐射功率实现辐射计的电校准，所述电加热层30为电加热膜或加热电阻丝，电加热层30具有较好的导热性；
一碳化硅颗粒和黑漆混合涂层40，其在太赫兹波段具有高吸收率，该碳化硅颗粒和黑漆混合涂层40喷涂在电加热层30上，用于吸收太赫兹电磁辐射，产生的温差经电加热层30传到热电堆20的测温面上，该碳化硅颗粒和黑漆混合涂层40在太赫兹波段具有宽带平坦的高吸收率，可将太赫兹辐射充分吸收，转换成温升，用于太赫兹辐射的绝对测量；
一半球形聚光罩50，该半球形聚光罩50罩在热沉10前端，仅在前端辐射接收处留有聚光罩开口51，与热沉10形成半球形空腔，所述热电堆20、电加热层30和混合涂层40都在半球形空腔内部，该半球形聚光罩50将从碳化硅颗粒和黑漆混合涂层40表面反射的太赫兹辐射再反射到碳化硅颗粒和黑漆混合涂层40上，以便再次吸收提高辐射计腔体吸收率，所述半球形聚光罩50为抛物面形聚光罩或凹面聚光罩，实现将从碳化硅颗粒和黑漆混合涂层40表面反射的太赫兹辐射再反射到碳化硅颗粒和黑漆混合涂层40上，使太赫兹辐射碳化硅颗粒和黑漆混合涂层40上多次吸收，提高太赫兹辐射计的腔体吸收率；
一隔热罩60，该隔热罩60罩住整个辐射计，仅在前端辐射接收处留有入射口61，该隔热罩60用于隔绝外部环境和辐射计热沉之间的热交换，避免外界环境温度变化对辐射计测量性能造成的影响，使太赫兹辐射计具有更好的稳定性；
一对电加热接线端子70，该对电加热接线端子70在隔热罩60外，与电加热层30的加热引线电性连接，用于连接外部直流加热电源的加热电极，通过电加热接线端子70和电加热层30，可以利用外部电源对辐射计进行电加热，使热电堆20的两个测温面产生温差，模拟太赫兹辐射照射在碳化硅颗粒和黑漆混合涂层40上产生的温升，用电加热功率替代太赫兹辐射功率，通过测量电加热功率绝对校准太赫兹辐射计功率响应度；
一对响应电压测量端子80，该对响应电压测量端子80在隔热罩60外，与热电堆20的传感器引线电性连接，用于连接外部测量显示仪器测量温差引起的电压，太赫兹辐射照射在碳化硅颗粒和黑漆混合涂层40上，碳化硅颗粒和黑漆混合涂层40将太赫兹辐射功率或能量转化成热，使热电堆20的两个测温面产生温差，热电堆20将温差信号转化成电压或电流信号，通过电压测量端子80接入外部测量显示仪器或仪表，读出响应电压值。
其中本实施例还可以不用电加热层30和电加热接线端子70，所述碳化硅颗粒和黑漆混合涂层40是直接喷涂在热电堆20的测温面上，用已知激光功率标定辐射计的响应度。碳化硅颗粒和黑漆混合涂层40在太赫兹波段和可见至近红外激光波段都具有较高的吸收率，可将太赫兹辐射和激光辐射完全吸收，转化成热，引起热电堆20的两个测温面产生温差。用已知激光功率照射在碳化硅颗粒和黑漆混合涂层40产生的温差响应可以用于模拟太赫兹辐射照射在碳化硅颗粒和黑漆混合涂层40产生的温差，用已知激光功率标定辐射计的响应度。
制作过程如下：用金属制作一热沉10，用导热胶将热电堆20的一个测温面粘接在热沉的端面，在热电堆的另一个测温面上粘接或喷涂电加热层30，在电加热层再喷涂具有高吸收率的碳化硅颗粒和黑漆混合涂层40。用半球形聚光罩50罩在热沉10前端，仅在前端辐射接收处留有聚光罩开口51，使被测太赫兹辐射由此入射，半球形聚光罩50与热沉10之间形成半球形空腔，热电堆20、电加热层30和混合涂层40都在半球形空腔内部。用隔热罩60罩住整个辐射计，仅在前端辐射接收处留有入射口61，允许被测太赫兹辐射入射。在隔热罩60上安装电加热接线端子70和响应电压测量端子80，用电路引线连接电加热层30的加热引线和电加热接线端子70，用电路引线连接热电堆20的传感器引线和响应电压测量端子80。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种绝对型太赫兹辐射计，用于测量太赫兹波段的电磁辐射功率、标定太赫兹探测器或校准太赫兹功率计，包括：
一热沉，该热沉保持温度稳定，用于作为温差测量的参考背景温度；
一热电堆，作为温差测量传感器，该热电堆的一个测温面用导热胶粘接在热沉上；该热电堆将温差信号转换成电信号用于显示仪表的测量；
一电加热层，该电加热层粘接或喷涂在热电堆的另一个测温面上，通过外部直流电源加热产生的温差模拟替代辐射计吸收辐射产生的温差，用于以电功率替代辐射功率实现辐射计的电校准；
一碳化硅颗粒和黑漆混合涂层，其在太赫兹波段具有高吸收率，该碳化硅颗粒和黑漆混合涂层喷涂在电加热层上，用于吸收太赫兹电磁辐射，产生的温差经电加热层传到热电堆的测温面上；
一半球形聚光罩，该半球形聚光罩罩在热沉的上面，仅在前端辐射接收处留有聚光罩开口，与热沉形成半球形空腔，所述热电堆、电加热层和混合涂层都在半球形空腔内部，该半球形聚光罩将从碳化硅颗粒和黑漆混合涂层表面反射的太赫兹辐射再反射到碳化硅颗粒和黑漆混合涂层上，以便再次吸收提高辐射计腔体吸收率；
一隔热罩，该隔热罩罩住整个辐射计，仅在前端辐射接收处留有入射口，该隔热罩用于隔绝外部环境和辐射计热沉之间的热交换，避免外界环境温度变化对辐射计测量性能造成的影响；
一对电加热接线端子，该对电加热接线端子在隔热罩外，与电加热层的加热引线电性连接，用于连接外部直流加热电源的加热电极；
一对响应电压测量端子，该对响应电压测量端子在隔热罩外，与热电堆的传感器引线电性连接，用于连接外部测量显示仪器测量温差引起的电压。
2.根据权利要求1所述的绝对型太赫兹辐射计，其中热沉的材料为钢、铁、铝或铜。
3.根据权利要求1所述的绝对型太赫兹辐射计，其中热电堆为热电偶或其他类型的温差测量传感器或温度测量传感器。
4.根据权利要求1所述的绝对型太赫兹辐射计，其中电加热层为电加热膜或加热电阻丝。
5.根据权利要求1所述的绝对型太赫兹辐射计，其中不用电加热层和电加热接线端子，所述碳化硅颗粒和黑漆混合涂层是直接喷涂在热电堆的测温面上，用已知激光功率标定辐射计的响应度。
6.根据权利要求1所述的绝对型太赫兹辐射计，其中半球形聚光罩为抛物面形聚光罩或凹面聚光罩实现将从碳化硅颗粒和黑漆混合涂层表面反射的太赫兹辐射再反射到碳化硅颗粒和黑漆混合涂层上。
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| CN103033271A (zh) * | 2011-06-29 | 2013-04-10 | 深圳光启高等理工研究院 | 一种基于平面光传感与超材料的太赫兹热辐射计 |
| CN103191857A (zh) * | 2013-04-08 | 2013-07-10 | 中国计量科学研究院 | 在太赫兹波段具有宽带高吸收率涂层的制备方法 |
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2014
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