Siyah cisim referanslı tayfsal ışınım ölçümleri

Abstract

Günlük yaşantımızda önemli yer tutan ölçümler ve testlerde, bilimsel açıdan incelendiğinde, bütün sonuçların fizik kanunları referans alınarak elde edildiğini görürüz. İki ölçüm cihazının birbiriyle tutarlı sonuçlar vermesinin sırrı, fiziksel kanunlar ve olayların evrensel geçerliliğinden kaynaklanmaktadır. Bütün cisimler, sıcaklıkları nedeniyle elektromanyetik ışınım yayarlar. Yayılan ışınımın tayfsal karakteristiği, maddenin değişik özelliklerine bağlıdır. Ancak evrensel karakteristikte ısıl ışıma yapan bir grup cisim bulunmaktadır. Bunlar siyah cisimlerdir. Metrolojik açıdan, siyah cisimler radyometrik ve fotometrik ölçümler için en iyi referanslardır. Ancak, uygulamada ideal siyah cisim elde etmek oldukça zordur. Pratik siyah cisim kaynakları, mekanik (oyuk materyal emisivitesi, oyuk derinliği, açıklık çapı vb.) ve elektriksel (ısıtma ve kontrol mekanizmaları) tasarımları nedeniyle ideal siyah cisim davranışından (Planckian) sapmalar gösterirler. TÜBİTAK - Ulusal Metroloji Enstitüsü Işınım Sıcaklığı Laboratuvarı'nda gerçekleştirilen bu çalışmada, siyah cisim ışınımı referans alınarak tayfsal ışınım ölçeği oluşturulması amaçlanmıştır. Öncelikle siyah cisim kaynaklarının ışınını referansı olarak tutarlılığı incelenmiştir. Daha sonra, kararlı tungsten lambanın tayfsal ışınım kalibrasyonu gerçekleştirilmiştir. Ölçümlerde, değişik sıcaklık aralıklarında çalışan ve değişik açıklıklara sahip siyah cisimler kullanılarak, yüksek kararlılıktaki tungsten filamanlı lamba, belirli akım değerlerinde, 400 nm - 3 um tayf aralığında, kalibre edilmiştir. Görünür ve kızıl ötesi bölge ölçümlerindeki ışınım belirsizliği %7 düzeyinde bulunmuştur. Sonuç olarak, 400 nm - 3 p.m dalgaboyu aralığında siyah cisim referanslı tayfsal ışınım ölçeği oluşturulmuş ve ölçek kararlı bir lambaya taşınmıştır.When tests and measurements, which are essential parts of our daily life, are investigated with a scientific point of view, we see that all measurement results are obtained by taking certain physical laws as references. The secret behind the perfect consistency between two different measurement devices is the universal validity of physical laws and phenomena. All bodies emit electromagnetic radiation due to their temperature. The spectral characteristic of the emitted radiation depends on the different characteristics of the material. There is one class of bodies that emits thermal spectra of universal characteristics. They are called blackbodies. Metrologicallly speaking, blackbodies are the best references for radiometric and photometric measurements. However, in practice, it is quite difficult to obtain ideal blackbodies. Practical blackbody sources deviate from the ideal Planckian behavior due to their mechanical (emissivity of the cavity material, cavity length, aperture size etc.) and electronical (heating and control mechanism) designs. In this study, which is performed at the Radiation Thermometry Laboratory of TÜBİTAK - UME (National Metrology institute), establishment of a spectral radiance scale by using blackbodies as references is aimed. Initially, the consistency of blackbody radiation as reference of radiation is investigated. The spectral radiance calibration of high stability tungsten lamp is performed. In the measurements, blackbodies of different temperature ranges and different apertures have been used. The high stability tungsten filament lamp is calibrated at certain working current values, in the spectral range of 400 nm to 3 \xm. Radiance uncertainty in the visible and near infrared ranges has been determined as 7%. Finally, the blackbody referenced spectral radiance scale in the range 400 nm to 3 um is established and transferred to the high stability lamp.