Калибровка спектрометра
Поскольку при расчёте отражательной способности, передачи и рассеяния полученные результаты делятся на значение эталонного спектра, вам не нужно знать спектральную чувствительность самого детектора. Однако, если вы хотите измерить облучённость или энергетическую яркость, вы должны откалибровать спектрометр. По причинам, которые будут объяснены через мгновенье, большинство спектрометров не продаются уже откалиброванными. Любой необработанный спектр из некалиброванного спектра не только не даёт информации о яркости, но и ничего не говорит о форме спектра. Эта последнее особенно важно и часто упускается из виду. Я прочитал много статей, в которых спектр облучённости давался от некалиброванного спектрометра, и это оправдывалось тем, что нет необходимости знать абсолютную облучённость. Замечательно, но форма спектра также не будет иметь никакого сходства с реальностью. Это связано с тем, что чувствительность детекторов, используемых в спектрометрах, зависит от длины волны (рисунок 9.8). Спектрометры, которые я использую, гораздо более чувствительны к зелёному и желтому свету, чем к синему и красному свету. Дело не в том, что компании-производители используют дешёвый материал. У всех детекторов есть эта проблема, которая должна быть исправлена путём калибровки.
Калибровка может быть относительной и абсолютной. При относительной калибровке вы исправляете спектральную чувствительность детектора, но всё ещё не знаете, сколько света у вас есть в абсолютном выражении. Другими словами, ваш спектр имеет правильную форму, но вы не знаете, какие числа должны быть привязаны к каждому значению – ось y не имеет меток. Относительная калибровка может показаться ущербным родственником абсолютной калибровки – в конце концов, кто не любит иметь значения по оси Y? Однако во многих случаях вам нужна только форма спектра. Относительная калибровка также легко производится. Вы просто указываете источник света с известной спектральной формой (обычно это лампа накаливания с известной цветовой температурой) на детекторе и снимаете спектр. Программные пакеты большинства спектрометров затем подсчитают так называемую «относительную облучённость». Коэффициент преобразования также можно создать вручную, разделив известный спектр источника света на измеренный необработанный спектр. Этот «относительный спектр» затем может быть умножен на любой другой необработанный спектр, чтобы дать вам относительную облучённость. Приятная вещь относительно такого вида калибровки заключается в том, что нет необходимости беспокоиться о том, насколько далеко источник света находится от детектора, относительного угла падения света и т.п. Пока ваш источник света является единственным светом, достигающим детектора, калибровка работает.
Абсолютная калибровка более утомительна. Это связано с тем, что вам нужно облучить детектор светом, который имеет известную абсолютную величину для каждой длины волны. Поэтому, прежде всего, вам нужен источник света для калибровки. Это источник света с известной интенсивностью. Каким образом она известна? Ну, интенсивность источника света измерялась с помощью другого калиброванного спектрометра. Как был откалиброван этот спектрометр? С использованием другого источника света, спектр которого известен. И дальше в том же духе. В Соединенных Штатах эта цепочка лампочек и спектрометров заканчивается в Национальном институте стандартов и технологий в Колорадо (NIST), где размещается сверхлампа накаливания, которая в конечном итоге откалибрует всё. В последний раз, когда я проверял, этот источник света был излучателем абсолютно чёрного тела, работающей при определённой температуре, известной как «золотая точка». Как они устанавливают температуру? Ну, вам нужно откалибровать свой термометр...
Суть в том, что вам нужно купить источник света, сертифицированный NIST. Они стоят пару тысяч долларов. К сожалению, выход источника света изменяется с течением времени, поэтому вам нужно периодически отправлять его обратно для перекалибровки, что обычно стоит от 500 до 1000 долларов. Вам также нужно перекалибровать его, если вы его уроните, ударите, или не будете обращаться с ним, как с редким цветком.
В дополнение к правильному калиброванному источнику, он должен находиться на правильном расстоянии от детектора. Это означает привинчивание и прижимание всего, и внимательную работу с линейкой. Вы можете подумать, что я шучу о привинчивании оборудования, но это только пока не попробуете сами, и не обнаружите, как часто вы толкаете детектор или источник света. Весь этот процесс особенно интересен на движущемся в океане судне. Спектрометры с оптоволоконным датчиком обычно калибруются путем ввинчивания конца световода в источник света. Это упрощает работу, но приходится беспокоиться о том, насколько сильно затянуто резьбовое соединение. Дополнительные полповорота могут изменить числа.
После того как вы заплатили и забетонировали свой источник света для калибровки, фактический процесс калибровки прост. Вы облучаете детектор этим светом известной интенсивности. Хотя детали процесса зависят от программного обеспечения спектрометра и часто кажутся излишне сложными, процесс относительно быстрый. Спектрометр создаёт поправочный коэффициент, который преобразует исходные данные в абсолютные единицы, как правило, Ватт/см2/нм.
Даже если вы делаете всё с большой осторожностью, ваша калибровка не будет исключительно точной. Дрейф источника света, температура спектрометра и множество других вмешивающихся в работу переменных ограничат точность измерений приблизительно десятью процентами. Физики, работающие в условиях высокого контроля с более дорогостоящим оборудованием, могут получить около 5% от истинного значения. Такой уровень точности звучит паршиво, и видимо, так оно и есть. В конце концов, это похоже на линейку, длина которой где-то между 11 и 13 сантиметров. Тем не менее, лишь немногие калиброванные оптические измерения требуют чего-то близкого к подобному уровню точности, причём из известных мне оптических измерений в биологии таких нет вообще. Изменение уровней освещенности в естественном мире является гигантским. Одно небольшое облако, закрывающее солнце, может понизить облучённость в десять раз. Таким образом, ошибка в 10% не стоит переживаний.
Надеюсь, я убедил вас, что калибровка – необходимое, но утомительное и дорогостоящее мероприятие. И вы вправе задаться вопросом, почему спектрометры не поступают уже откалиброванными. У некоторых компаний вы можете заказать откалиброванный спектрометр, но часто мудрее этого не делать. Дело в том, что спектрометры редко используются сами по себе. У них почти всегда есть волоконно-оптический кабель или какое-то другое оптическое устройство – пробник/детектор. Они поглощают и рассеивают свет, что влияет на калибровку. Другими словами, вам нужно откалибровать не только спектрометр, но и всю измерительную систему в целом. Если вам нужно менять насадки/пробники/детекторы, и не подходит работать каждый раз с одним и тем же детектором, то заводская калибровка не пойдёт на пользу.
И последнее: в то время как программное обеспечение большинства спектрометров даёт намного более пригодный спектр, если калибровка была проведена перед проведением измерений, тем не менее есть возможность провести калибровку позже, и использовать калибровочную кривую на собранных ранее и некалиброванных спектрах. Это необходимо будет сделать вручную в электронной таблице Excel или аналогичной программе (Matlab, Mathematica и т. д.). Также необходимо будет отслеживать время интегрирования, которое использовалось для каждого некалиброванного измерения. Лучше всего попробовать провести этот процесс и убедиться, что всё работает, прежде чем использовать его на важных данных.