复现银凝固点以上国际温标(ITS-90)

    0　引言

    1990年国际温标(ITS-90)961·78℃以上温区的温度T90根据普朗克黑体辐射定律定义:

其中,T₉₀(x)是银、金、铜凝固点温度中的任意一个;第二辐射常数c2=0·014388m·K;λ为真空中的波长。以银凝固点复现ITS-90时,T₉₀(x)=T₉₀(Ag)=1234·93K(961·78℃)。

    对于确定的使用波长λ,测量了光谱辐亮比L(λ,T₉₀)/L(λ,T₉₀(Ag))即可确定961·78℃以上温区的温度T₉₀。实际测量中,辐射亮度总是在有限光谱带宽内测量,其结果为光谱辐射亮度在测量仪器光谱响应波长范围内的积分。

    对基准光电温度比较仪而言,单色器为干涉滤光片,其光电探测器—光电二极管的输出光电流为:

其中,Φ(λ,T)为光电探测器接收的被测黑体的光谱辐射通量;A和Ω分别为基准光电比较仪的测量目标面积和受光立体角;T为被测黑体的温度;τ(λ)为干涉滤光片的光谱透过率;R(λ)为光电探测器的光谱响应率。

    式(2)确定了探测器输出Ip和温度T的单值关系。

    用光电比较仪测量在参考点温度(银凝固点)Tr和另一温度T的黑体,其探测器输出光电流之比:

引入有效波长λe,使得:

其中,λe称为在温度间隔[Tr,T]的平均有效波长。平均有效波长λe(Tr,T)使得光电比较仪在有限光谱带宽下对温度为Tr和T的黑体的测量值之比等效为温度为Tr和T的黑体在该有效波长下的光谱辐射亮度之比。它把实际应用中有限带宽的测量与单色的光谱辐射理论联系起来。由式(1)和式(4)可确定ITS-90银凝固点以上温度T:

式(5)是利用有效波长复现ITS-90的基本计算公式。

    80年代初,计量院利用基准光电比较仪和金凝固点黑体,建立了我国1064·43℃~2000℃国际实用温标(IPTS-68)[1]。此后,为建立我国的1990年国际温标(ITS-90)高温温区部分,先后完成新基准温度比较仪研制、银点黑体研制及银凝固点复现,并在此基础上复现了ITS-90银凝固点以上温区,我国高温温度基准范围扩展为961·78℃~2200℃,扩展不确定度为0·1~0·54℃(置信水平p=0·99)。1997年至1998年代表我国参加国际计量局(BIPM)关键比对之一的961·78℃~1700℃温度国际比对。

    本文介绍在计量院复现我国ITS-90银凝固点以上温区的主要仪器设备,实验方法、结果,不确定度评定及参加国际关键比对的初步结果。

    1　基准光电温度比较仪

    为了测定固定点光谱辐射亮度或两辐射源的光谱辐射亮度比,必须具备高灵敏度的光电温度比较仪。计量院于1988年研制成功[2]该仪器。它采用测量光谱辐射亮度比的比较方法,消除或减少了实验中某些系统误差和线性漂移,获得毫开级的灵敏度,使测量的信噪比显著提高。图1给出基准光电温度比较仪的光路布置图。物镜2(直径100mm,焦距360mm)的成像放大倍率为1,视场光阑3是中心为圆通孔的金属反射镜,选用的通孔直径通常为0·75mm;仪器光路的孔径比为1/15。干涉滤光片的峰值波长在660nm附近,其带宽约12nm。探测器为小面积、高灵敏度、高稳定性的硅光二极管,测量银凝固点时输出光电流只有10-11A量级,最小信号分辨率约为10-15A,达到1mK级。放大器采用静电计型运算放大器,反馈电阻为30GΩ~100MΩ,属于微弱信号测量。比较仪系统的数据采集、数据处理及光闸门开启、反射镜转动等均由计算机控制。上述仪器设计条件十分苛刻,但符合国际贯例,适应ITS-90复现和国际比对的高精度要求。