CN104776980A

CN104776980A - 基于真空室的真空紫外光源测试系统

Info

Publication number: CN104776980A
Application number: CN201510099887.9A
Authority: CN
Inventors: 张善端; 韩秋漪; 张豪俊
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2015-03-07
Filing date: 2015-03-07
Publication date: 2015-07-15

Abstract

本发明属于紫外光源测试技术领域，具体为一种基于真空室的真空紫外光源测试系统。本发明测试系统，包括一个真空室、真空泵、灯架和紫外辐射测试设备等。真空室采用金属材料制成，内表面进行黑化处理；真空室通过法兰与真空泵连接，同时有一个充气阀与一个放气阀，可以向真空室内填充高纯氮气、氩气等不吸收紫外和真空紫外的气体，并装配有测量低真空度的电阻规、测量高真空度的电离规和测量水蒸气、氧气含量的探头；真空室用法兰封装恒温水浴的水管以控制光源的冷端温度；采用紫外辐照度计和光纤来测量真空紫外和200nm以上紫外辐射；与真空单色仪的入射缝法兰连接，组成联合测试系统，同时测定各类真空紫外光源的相对光谱功率分布、绝对辐射功率和辐射效率。

Description

基于真空室的真空紫外光源测试系统

技术领域

本发明属于紫外光源测试技术领域，具体涉及一种基于真空室的真空紫外光源测试系统。

背景技术

在当前的生产、生活中，紫外灯在众多领域都发挥着重要的作用。紫外线的光生物效应可用于灭菌，细菌受到紫外线照射后，引起DNA链的断裂或变异，致使细菌死亡或失去繁殖能力。紫外线灭菌用于空气、水、牛奶、饮料等介质，以及教室、办公室、实验室、车间和医院等许多场合。紫外线也广泛用于人体保健，适量的紫外照射对人体内脏和免疫系统有良好的影响，但过量的紫外线会造成皮肤红斑等皮肤疾病。目前已发展的紫外线物理疗法可以治疗牛皮癣和佝偻病，消除炎症。紫外线的荧光效应可用于无机元素和有机物质的化学分析，食品卫生中的微量元素和有害物质的检测，工业生产中产品质量的监测，矿床探测中的样品分析。紫外线的光化学效应可用于复印、油墨固化、半导体材料光刻、高分子材料老化试验和同位素分离等。大功率紫外光源可以在有限的体积内产生紫外辐射功率，设备紧凑，使用成本较低。国外已有各类紫外光源的产品，在城市饮用水、给排水和空气杀菌领域已有大规模应用。

为了测试各类紫外光源的紫外辐射效率，1971年Keitz提出由辐照度计算辐射功率的公式 (Keitz H A E. Light Calculations and measurements [M]. London, UK: Macmillan and Co Ltd, 1971.)

,

现在称之为Keitz公式。假设紫外光源为朗伯体线光源，被测光源长度为L，辐照度计对准发光中心，发光中心到辐照度计距离为D，辐照度计对线光源所张的半顶角为α，用此公式可由紫外辐照度E计算辐射功率P。

许多国外企业及研究机构都已采纳Keitz公式测定低压汞灯的254 nm辐射功率及其辐射效率，已证明测量准确度高，能大大简化测量过程(Lawal O, Dussert B, Howarth C, et al. Proposed method for measurement of the output of monochromatic (254 nm) low pressure UV lamps [J]. IUVA News, 2008, 10 (1): 14-17.)，多家紫外光源制造和应用企业最近推荐采用Keitz公式来测试低压汞灯的254 nm紫外辐射。

根据对于分布式辐射度法、Keitz公式、线光源和柱光源计算辐射功率的方法比较（张源, 孙鸣华, 朱绍龙, 等. 测量低压汞灯254 nm辐通量的Keitz方法[J]. 复旦学报(自然科学版), 2010, 49 (2): 262-265.），当测量距离D与被测灯的正柱长度L之间的关系为2.5L<D<4L范围内，Keitz方法与分布式辐射度计法的误差小于1%，准确性很高，而且这一方法只需要测量灯中心的法向辐照度，方便快捷，可以替代分布辐射度计法测量低压汞灯的辐射功率。

Keitz公式已用于准分子灯紫外辐射效率的测量，并得到国际认可（Zhuang X B, Han Q Y, Zhang H J, et al. The efficiency of coaxial KrCl^* excilamps [J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2010, 43 (20): 205202, 9pp.）（Han Q Y, An R J, Lister G, et al. Radiation characteristics of coaxial KrBr^* excilamps based on a dielectric barrier discharge [J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2013, 46 (50): 505203, 10pp.）。

但是波长小于200 nm的真空紫外辐射，如低压汞灯的185 nm谱线和氙准分子灯的172 nm谱线，无法在一般大气环境进行测试，因为空气中的氧气会强烈吸收真空紫外辐射从而严重影响测试的精度。因此需要一种操作简便的真空紫外辐射功率测试设备，用来满足真空紫外光源绝对辐射功率的测试要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够防止氧气和水蒸气对真空紫外的强烈吸收，并且可以同时测量真空紫外和其他紫外的光谱、辐射功率及辐射效率的真空紫外光源测试系统。

本发明提供的真空紫外光源测试系统，是基于真空室的，其包括一个真空室主体、真空泵、灯架和紫外辐射测试设备等，可以用来测量线性紫外光源的真空紫外辐射功率和辐射效率。其中：

所述的真空室主体采用金属材料制成，形状为圆柱体或圆台，为立式(即轴线垂直于水平面)，或为卧式(即轴线平行于水平面)；所述真空室的内表面进行黑化处理；真空室的门是球冠、或抛物面等耐压曲面形状；真空室装配有若干个法兰，一个充气阀，一个放气阀。

所述的真空室通过法兰与真空泵连接；所述的真空泵可以是一个或多个机械泵、扩散泵、分子泵等单独或串联工作。

所述真空室的充气阀通过管道与压缩气体钢瓶或气体源管道相连，可以向真空室内填充高纯氮气、氩气等不吸收紫外和真空紫外的气体。

紫外辐射测试设备包括包括若干紫外辐照度计、光纤、真空单色仪；

所述灯架位于真空室内，可以是固定式灯架；也可以是旋转式的能够多样个灯的灯架，可将多根线形光源依次旋转对准探头和光纤。

本发明中，所述的真空室装配有观察窗口，窗口材料是能耐受1个大气压强负压的紫外截止型石英玻璃、硬质玻璃或钢化玻璃。

本发明中，所述真空室装配有测量低真空度的电阻规、测量高真空度的电离规和测量水蒸气、氧气含量的探头。

本发明中，所述真空室的法兰可用于装配若干多芯航空插头，用于实现真空室内外的电连接。

本发明中，所述真空室的法兰可用于封装恒温水浴的水管，从而控制真空室内的紫外光源的冷端温度。

本发明中，所述的真空室设有若干个探测窗口，窗口外侧放置紫外辐照度计的探头或配有光纤；测量波长200 nm以下的真空紫外辐射时，探测窗口的材料采用氟化镁晶体，探头或光纤与窗口之间需要抽真空或者保持氮气或氩气氛围；测量波长200 nm以上的紫外辐射时，窗口材料是石英玻璃，探头或光纤周围处于常温常压的大气中即可。

本发明中，所述的真空室设有若干个闸板阀探测口,所述探测口与紫外辐照度计探头或光纤之间填充氮气或氩气；测量时打开闸板阀，真空紫外光直接照射到探头或光纤头。

所述的真空室内表面的黑化处理可以是涂覆耐真空紫外辐照的黑漆、碳化硅粉、银粉、纳米碳管等吸光材料。

所述的真空室内装有若干个紫外辐照度计探头或光纤头。

所述的光纤头前可以安装余弦校正片、准直透镜等光学器件。

所述的真空室可以直接跟真空单色仪的入射缝法兰连接，组成联合测试系统，同时测定真空紫外光源的相对光谱功率分布、绝对辐射功率和辐射效率。

附图说明

图1为本发明的真空室的主视图。

图2为本发明的真空室的A-A方向的局部剖视图。

图3为本发明的真空室的左视图。

图4为本发明的真空室的右视图。

图5为本发明的真空室的后视图。

图中标号：1—真空室；2—把手；3—不锈钢门；4—电阻规；5—真空紫外辐照度计探头测试窗；6—紫外辐照度计探头测试窗；7—电离规；8—充气阀；9—四芯航空插头；10—观察窗；11—四芯航空插头；12—放气阀；13—机械泵法兰；14—八芯航空插头；15~17—备用法兰；18—光纤测试窗法兰；19—进水管法兰；20—出水管法兰；21—观察窗；22—水探头；23—氧探头； 31—探头周围区域；32—紫外辐照度计探头；33~34—探头封闭法兰；35—测量窗口；36~37—圆台截面。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明做进一步说明。所描述的实施例仅为本发明的部分实施例。基于本发明中的实施例而未作出创造性成果的其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。

从图1，图3，图4，图5所示的本发明实施方式可知，基于真空室的真空紫外光源测试系统的主体是一个圆柱体不锈钢材料的真空室1，侧面安装有可打开可关闭的抛物面不锈钢门3，松开把手2可以将门打开，将测试用紫外光源放入真空室内，安装光源时要满足Keitz公式的使用条件：探头到光源发光中心的垂直距离至少为发光长度的2.5倍，才能保证Keitz公式测得的结果准确；通过四芯航空插头9、11和八芯航空插头14连接紫外光源正常工作需要的各条供电导线、为低压汞灯电极加热提供电流的导线以及测量电场强度连接静电探针的导线；对于需要控制冷端温度的低压汞灯，还要在灯的外表面安装控制冷端温度的水套装置，进水管和出水管通过真空室1底部的法兰19、20，与外部的恒温水浴连接，对于不需要控制冷端温度的紫外光源测试，将法兰19、20封闭即可；真空室1底部法兰18封装的测试窗外可固定光纤来探测光源的光谱。旋紧把手2可以紧闭不锈钢门3。真空室1内表面和不锈钢门3的内表面全部黑化处理，以减少反射光对辐照度测量产生的影响。

从图2所示的真空室A-A方向的局部剖视图可知，对于测量真空紫外的探头，必须采用图2所示的结构，测量窗口与真空室1的连接部分36、37是圆台形截面；圆台上方面积较小，足够安放紫外辐照度计探头32即可，这样可以缩小探测窗口的氟化镁晶体35的直径，降低成本；圆台下方开口较大，保证探头32的视场可以探测到整根光源发射的紫外辐射；探头32周围的区域31为真空状态或氮气或氩气氛围，使用法兰33、34封闭区域31，通过O圈压紧测量窗口35（氟化镁晶体），防止氧气对真空紫外辐射的吸收，确保测量数据的准确。测量波长200 nm以上的紫外辐射时，测量窗口35使用石英玻璃圆板，探头32周围的区域31只需要保持常温常压的大气即可，法兰34通过O圈压紧测量窗口35，可不需要法兰33。

在图1中，真空室的主体1需要通过法兰13连接外部的机械泵，选择合适抽速的机械泵和足够粗的抽气管道，可以在30分钟内将真空室内气压抽至<10 Pa；然后通过充气阀8充入一定的气压的氮气，再排气(此为洗气过程)；经过2-3次洗气，最后充入1个大气压的氮气，使真空室内外压强保持在平衡状态，减小整个装置受到的大气压力差，减少气氛对光源工作状态的影响；测试结束后，打开放气阀12，真空室内逐渐恢复到常温常压大气状态。在实验测试过程中，使用真空室1顶部安装的电阻规4测量低真空度，使用电离规7测量高真空度，侧面安装的水探头22和氧探头23测量真空室内的水蒸汽和氧气含量。

在图1中，真空室1的正面和不锈钢门3的中间分别装有观察窗口10、21，窗口材料可以是耐压为1个大气压的钢化玻璃或紫外截止型石英玻璃。观察窗口的作用是在测量过程中，测试人员可以随时观察真空室内各个部件的工作情况，如有异常可以及时作出应对，且能保护测试人员免受紫外辐射的伤害。在真空室1的左面装配2个备用法兰15、16，真空室1底部装配1个备用法兰17，这些法兰都是封闭的，可以作为接电、接分子泵等其他需求的备用。

测试实验在真空室1中进行。测试前，先将紫外光源固定在灯架上，保持灯水平。真空室1顶部测试窗口5、6上可以放置测量两种不同波长的紫外辐照度计，探头与光源处于同一平面内，探头与光源的垂直距离D 必须大于光源被测长度L的2.5倍，用辐射照度计主机读取探头信号，由数据传输线连接电脑进行保存，利用Keitz公式可以用测量的辐射照度E计算辐射功率P

，（1）

其中α、β是探头对被测光源两端所张的半顶角。

光纤固定在真空室1底部的观测窗18外，光纤头对准灯管的法线方向，连接光谱仪，数据传输到电脑进行处理与保存，然后用Keitz公式方法测定的辐射功率P对光谱仪测得的全光谱进行定标，可以得到各条谱线的辐射功率

，（2）

其中，P _λ0是利用Keitz公式计算得到的波长为λ ₀的辐射功率，E _λ0是光谱仪测得波长为λ ₀辐射照度，E _λ是光谱仪测得的波长为λ的辐射照度，P _λ是波长为λ的谱线的辐射功率。

灯电流I由电流表读出，由示波器测量灯的发光长度的电位差并计算出电场强度ε，计算单位长度正柱区的输入功率Iε，结合测量得到的各条谱线的辐射功率，可以计算各条谱线在输入功率中所占百分比

, （3）

其中为单位长度的光源发出的波长λ处的辐射功率。

Claims

1.一种基于真空室的真空紫外光源测试系统，其特征在于：包括一个真空室、真空泵、紫外辐射测试设备和灯架，其中：

所述的真空室用金属材料制成，形状为圆柱体或圆台；真空室的内表面进行黑化处理；真空室的门是球冠或抛物面形状；真空室装配有若干个法兰、一个充气阀、一个放气阀；

真空室通过一法兰与真空泵连接；

真空室的充气阀通过管道与压缩气体钢瓶或气体源管道相连，用于向真空室内填充高纯氮气、氩气不吸收紫外和真空紫外的气体；

所述紫外辐射测试设备包括若干紫外辐照度计、光纤、真空单色仪；

所述灯架位于真空室内，为固定式或旋转式，可将多根线形光源依次旋转对准探头和光纤。

2.按照权利要求1所述的基于真空室的真空紫外光源测试系统，其特征在于：所述的真空室装配有观察窗口，窗口材料是能耐受1个大气压强负压的紫外截止型石英玻璃、硬质玻璃或钢化玻璃。

3.按照权利要求1或2所述的基于真空室的真空紫外光源测试系统，其特征在于：所述真空室装配有测量低真空度的电阻规、测量高真空度的电离规和测量水蒸气、氧气含量的探头。

4.按照权利要求3所述的基于真空室的真空紫外光源测试系统，其特征在于：所述真空室的法兰用于装配若干多芯航空插头，从而实现真空室内外的电连接。

5.按照权利要求4所述的基于真空室的真空紫外光源测试系统，其特征在于：所述真空室的一法兰封装恒温水浴的水管，从而控制真空室内的紫外光源的冷端温度。

6.按照权利要求1、2、4或5所述的基于真空室的真空紫外光源测试系统，其特征在于：所述的真空室设有若干个探测窗口，窗口外侧放置紫外辐照度计的探头或配有光纤；测量波长200 nm以下的真空紫外辐射时，探测窗口的材料采用氟化镁晶体，探头或光纤与窗口之间抽真空或者保持氮气或氩气氛围；测量波长200 nm以上的紫外辐射时，窗口材料是石英玻璃，探头或光纤周围处于常温常压的大气中。

7.按照权利要求1、2、4或5所述的基于真空室的真空紫外光源测试系统，其特征在于：所述的真空室设有若干个闸板阀探测口,探测口与紫外辐照度计探头或光纤之间填充氮气或氩气；测量时打开闸板阀，真空紫外光直接照射到探头或光纤头。

8.按照权利要求1、2、4或5所述的基于真空室的真空紫外光源测试系统，其特征在于：所述的真空室内表面的黑化处理是涂覆下述吸光材料之一种：耐真空紫外辐照的黑漆、碳化硅粉、银粉或纳米碳管。

9.按照权利要求1、2、4或5所述的基于真空室的真空紫外光源测试系统，其特征在于：所述的光纤头前安装有余弦校正片、准直透镜光学器件。

10.按照权利要求1、2、4或5所述的基于真空室的真空紫外光源测试系统，其特征在于：所述的真空室直接跟真空单色仪的入射缝法兰连接，组成联合测试系统，同时测定真空紫外光源的相对光谱功率分布、绝对辐射功率和辐射效率。