Titel: Kalibrierung der spektralen Empfindlichkeit von Infrarotdetektoren auf Grundlage des Planck’schen Strahlungsgesetzes
Autoren: Pohl, Tobias, Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Fachbereich 7.3, Detektorradiometrie u. Strahlungsthermometrie, ORCID: 0009-0002-3863-4124
Beitragende: HostingInstitution: Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), ISNI: 0000 0001 2186 1887
Seiten:144
Sprache:de
DOI:10.7795/110.20241204
Art der Ressource: Text / Dissertation
Herausgeber: Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)
Rechte: Vervielfältigung nur zum eigenen persönlichen Gebrauch.
Beziehungen: IsPartOf: ISSN 2941-1297
IsIdenticalTo: ISBN 978-3-944659-41-1
Daten: Verfügbar: 2024-12-06
Erstellt: 2024-12
Datei: Datei herunterladen (application/pdf) 10.83 MB (11351975 Bytes)
MD5 Prüfsumme: ee3c2b660e65f8e1713e86ba953dc464
SHA256 Prüfsumme: 00d0b3a220d9ef20bb98d8c5e2fd99031a01a3fcddd9678cf1641139e38746a3
Schlagworte Detektorradiometrie ; Spektrale Empfindlichkeit ; Mittleres Infrarot ; SI-Rückführung ; Primärmessverfahren ; Messunsicherheit ; Korrelation
Zusammenfassung: Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die auf das Internationale Einheitensystem (SI) rückgeführten Kalibriermöglichkeiten an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) und das messtechnische Verständnis zur Darstellung und Weitergabe der spektralen Empfindlichkeit von Strahlungsdetektoren im Spektralbereich des nahen (NIR) und mittleren (MIR) Infraroten wesentlich erweitert.
Dafür wurde ein neues Primärmessverfahren realisiert, das auf der Nutzung der thermischen Strahlung eines Hohlraumstrahlers (1200 K) basiert: Die radiometrischen Eigenschaften der Hohlraumstrahlung sind gemäß dem Planck’schen Strahlungsgesetz berechenbar und die Strahlung wird durch am Fourier-Transform-Spektrometer charakterisierte optische Bandpassfilter spektral selektiert, wodurch Kalibrierungen der spektralen Empfindlichkeit von Detektoren an den Zentralwellenlängen der Bandpassfilter ermöglicht sind. Die Messunsicherheiten des Kalibrierverfahrens wurden detailliert untersucht und ein umfassendes Messunsicherheitsbudget erstellt. Dabei wurden relative Standardmessunsicherheiten zwischen 5 % und 18 % erzielt und die Messunsicherheit bei der Berücksichtigung von Strahlung außerhalb des Filterbandpasses als dominierende Messunsicherheitskomponente identifiziert. Die erzielten Kalibrierergebnisse wurden mithilfe eines etablierten, für das MIR erweiterten Primärnormalmessplatzes mit einem kryogenen, elektrischen Substitutionsradiometer validiert.
In der Praxis eingesetzte Infrarotdetektoren sind häufig halbleiterbasiert und wegen ihrer ausgeprägteren Wellenlängenabhängigkeit der spektralen Empfindlichkeit oder kleineren Empfängerfläche (Durchmesser ≤ 2 mm) nur eingeschränkt zur direkten Kalibrierung mit diesen beiden Primärmessverfahren geeignet. Daher wurden thermische Detektoren mit vergleichsweise größerer Empfängerfläche und einem tendenziell flachen spektralen Verlauf ihrer Empfindlichkeit kalibriert und als hochwertige Transfernormale für die Weitergabe der spektralen Empfindlichkeit etabliert.
Für die Weitergabe der spektralen Empfindlichkeit von den etablierten Transfernormalen an andere Detektoren wurde ein Detektorvergleichsmessplatz aufgebaut. Dieser Messplatz ermöglicht Detektorkalibrierungen an einzelnen Laserwellenlängen und verfügt darüber hinaus über thermische, breitbandige Strahlungsquellen und einen Gitter- Monochromator zur Detektorkalibrierung an prinzipiell beliebigen Wellenlängen. Zur Weitergabe der spektralen Empfindlichkeit von den großflächigen Transfernormalen an verhältnismäßig kleinflächige Prüflingsdetektoren wurde darüber hinaus ein Messkonzept realisiert, bei dem die Prüflingsdetektoren das Strahlprofil durch Abrastern weitgehend vollständig erfassen und die spektrale Empfindlichkeit durch numerische Integration über diese Stützstellen ermittelt wird. Für die Verwendung der Transfernormale an beliebigen Wellenlängen wurde ein mathematisches Modell für die spektrale Interpolation ihrer spektralen Empfindlichkeit und die Unsicherheit dieser Interpolation entwickelt. Dieses Modell berücksichtigt auch die Korrelationen zwischen den Kalibrierungen an den beiden Primärmessverfahren.
Informationen zur Reihe: PTB-Bericht Diss-9
Zitierform: Pohl, T., 2024. Kalibrierung der spektralen Empfindlichkeit von Infrarotdetektoren auf Grundlage des Planck’schen Strahlungsgesetzes. Dissertation, Technische Universität Berlin. Braunschweig: Physikalisch-Technische Bundesanstalt. PTB-Bericht Diss-9. ISBN 978-3-944659-41-1 Verfügbar unter: https://doi.org/10.7795/110.20241204