PRIMERA REALIZACIÓN DE LA CANDELA A PARTIR DEL RADIÓMETRO CRIOGÉNICO
D.A. Luna1, A. Zinzallari2, L.E. Jazwinski, V. Jesiotr, E. Scatena
INTI Física y Metrología – U.T. Luminotecnia - Lab. Radiometría y Fotometría 1luna@inti.gob.ar ; 2az@inti.gob.ar
OBJETIVO
La candela (unidad de intensidad luminosa) es
RESULTADOS
una de las siete unidades de base del SI.
La realización de la candela puede dividirse en
Actualmente la candela es mantenida en INTI
tres etapas:
mediante lámparas patrones de intensidad
1- Etapa Radiométrica
calibradas en PTB. La validez de la calibración de estos patrones está limitada en minutos de
A partir del trabajo descripto en el poster: “Expansión de las capacidades radiométricas
uso, por lo que requieren de frecuentes y
de INTI: Caracterización de un radiómetro
costosas recalibraciones. En los últimos años
criogénico”, se procedió con la realización de la
se avanzó hacia la realización de esta unidad
candela. El primer paso fue interpolar las
en INTI. El objetivo de este trabajo es realizar
mediciones de responsividad espectral
la candela a partir de la caracterización de
absoluta R() del trap, obtenidas mediante el
detectores de silicio (Trap detector) calibrados con el radiómetro criogénico.
radiómetro. Para ello se usó el siguiente modelo de detector [1]
DESCRIPCIÓN La realización requiere diversos pasos, que involucran mediciones de diferentes especialidades de la metrología, como ópticas, mecánicas y eléctricas. El primer paso consiste en medir la potencia óptica de un láser mediante un radiómetro criogénico, el cual opera a temperaturas cercanas a los 4K. A partir de aquí se calibran radiómetros secundários (Traps). Dado que la definición de la candela para el resto de las frecuencias visibles implica la ponderación de la radiación con la respuesta del ojo humano, es necesario agregar al detector trap un filtro en su entrada. Por otro lado, es necesario limitar la entrada de luz al detector mediante una apertura calibrada. Finalmente se enfrenta el conjunto trap, filtro y apertura a una lámpara incandesdente caracterizada por una temperatura de distribución de 2 856 K, y se determina su intensidad luminosa. En la figura 1 se muestra el laboratorio de radiometría.
R
e hc
1
n 1
(1)
Donde es la longitud de onda, e la carga del electrón, h la constante de Planck, c la velocidad de la luz en el vacío, n() la deficiencia cuántica interna, y ) la reflectancia espectral del detector. Esta última se modelo como [2]:
() aeb c d
(2)
Donde a,b,c y d son parámetros de ajuste. Para n() se utilizó el modelo [3]:
n
K
A1 exp(
1
)
A2
exp(
2 22
)
(3)
A partir de los valores ajustados del modelo de reflectancia, junto con los valores medidos de R(), se obtienen los parámetros de ajuste de n(). El resultado se muestra en la figura 2.
Figura 1 - Mesa óptica con láseres alineados. con el filtro espacial, el LPC, diafragmas, shutter, traps y el radiómetro criogénico (ver detalle en el poster Nº1).
Figura 2- Responsividad espectral absoluta Re interpolación.
2- Etapa Fotométrica
La calibración fotométrica del detector
corresponde al proceso de emular la respuesta del ojo humano mediante el detector [4]. Con
este fin se agrega un filtro de transmitancia
espectral que en conjunto con R
aproximan dicha respuesta a la curva V()
(función de eficiencia luminosa espectral para
visión fotópica) según la ecuación (4):
s = R) .
(4)
La transmitancia espectral de los filtros se
midió con un espectrofotómetro Shimadzu UV
1800. En la siguiente figura se muestran la
función de eficiencia luminosa espectral para
visión fotópica V, la curva de transmitancia
espectral del filtro y la responsividad
espectral absoluta corregida s del Trap Nº2
Con y la intensidad de corriente de salida del Trap y d la distancia entre la superficie de la apertura calibrada del Trap y la fuente de luz. Apertura de entrada Se midieron las aperturas de dos Traps con un dispositivo óptico modelo: SIP UM 214B en 3 orientaciones diferentes y 25 mediciones para cada apertura. Diámetro Trap Nº1: (3,0045±0,0020) mm, k=2 Diámetro Trap Nº2: (3,0023±0,0020) mm, k=2
En la siguiente figura se muestra una foto del Trap con su filtro y apertura de entrada.
Figura 3: Respuesta espectral del detector filtrado.
Para determinar la responsividad fotométrica
del conjunto trap + filtro + apertura, partiendo
de la calibración espectral en potecia óptica del
Trap debemos conocer Rv,f. ecuación (5)
R
P
s
d
v, f
K
m
P
V
d
(5)
Donde Rv,f es la responsividad fotométrica
(A/lm), P la distribución espectral de la luz a
medir (distribución del iluminante CIE “A”) y Km
la eficicacia espectral máxima (683 lm/W).
3- Etapa Mecánica
Finalmente, la responsividad en iluminancia
(Ampere/lx) esta dada por (6):
Rv, i ARv, f
(6)
Con A el área de la apertura del detector.
La intensidad luminosa Iv de la fuente en
candelas (cd) será:
Iv d 2 y
(7)
Rv,i
Figura 4 - Detector Trap y su filtro V
En esta primera realización de la candela (con trazabilidad a patrones eléctricos nacionales) se encontraron diferencias significativas en el Trap Nº2 respecto del valor de intensidad luminosa del PTB, posiblemente atribuibles a la medición de la transmitancia espectral del filtro.
Trap 1 Trap 2
Responsividad A/lx 2,073 10-9 ± 0,9% 1,632 10-9 ± 0,9%
Dif. con PTB -0,5 % -2,8%
CONCLUSIONES Se realizó la candela a partir del radiómetro criogênico por primera vez en la Argentina. Esto permite independizarse de las calibraciones en institutos del exterior, y cerrar la trazabilidad de la unidad de intensidad luminosa a los patrones eléctricos nacionales realizados en INTI.
BIBLIOGRAFIA [1] Parr, Albert, Raju Datla, and James Gardner. Optical radiometry. Vol. 41. Academic Press, 2005. [2]Werner, L., Fischer, J., Johannsen, U., & Hartmann, J. (2000). Accurate determination of the spectral responsivity of silicon trap detectors between.... Metrologia, 37(4), 279. [3] Bazkır, Ö., & Samadov, F. (2005). Characterization of silicon photodiode-based trap detectors and .., 43(2), 131-141. [4] Y. Ohno NIST Special Publication 250-37
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