mireabulletinRussian Technological JournalRussian Technological Journal2782-32102500-316XRTU MIREA10.32362/2500-316X-2022-10-3-34-44mireabulletin-520Research ArticleСОВРЕМЕННЫЕ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫMODERN RADIO ENGINEERING AND TELECOMMUNICATION SYSTEMSРешение актуальных задач спектрорадиометрии с использованием синхротронного излученияSolution of topical spectroradiometric problems using synchrotron radiationСиговА. С.SigovA. S.

Сигов Александр Сергеевич - академик Российской академии наук, доктор физико-математических наук, профессор, президент.

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78. Scopus Author ID 35557510600, ResearcherID L-4103-2017

Alexander S. Sigov - Academician at the Russian Academy of Sciences, Dr. Sci. (Phys.–Math.), Professor, President.

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454. Scopus Author ID 35557510600, ResearcherID L-4103-2017

sigov@mirea.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9901-8897ГоловановаН. Б.GolovanovaN. B.

Голованова Наталия Борисовна - доктор экономических наук, профессор, заместитель первого проректора.

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78. Scopus Author ID 57191447039

Nataliya B. Golovanova - Dr. Sci. (Econ.), Professor, Deputy First Vice-Rector.

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454. Scopus Author ID 57191447039

golovanova@mirea.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9465-3210МинаеваО. А.MinaevaO. A.

Минаева Ольга Александровна - доктор технических наук, заведующий кафедрой метрологии и стандартизации Института перспективных технологий и индустриального программирования.

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78. Scopus Author ID 6603019847

Olga A. Minaeva - Dr. Sci. (Eng.), Head of the Department of Metrology and Standardization, Institute for Advanced Technologies and Industrial Programming.

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454. Scopus Author ID 6603019847

minaeva_o@mirea.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9197-0034АневскийС. И.AnevskyS. I.

Аневский Сергей Иосифович - доктор технических наук, профессор кафедры метрологии и стандартизации Института перспективных технологий и индустриального программирования.

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

Sergei I. Anevsky - Dr. Sci. (Eng.), Professor, Department of Metrology and Standardization, Institute for Advanced Technologies and Industrial Programming.

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454

anevskij@mirea.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3198-7501ШаминР. В.ShaminR. V.

Шамин Роман Вячеславович - доктор физико-математических наук, директор Института перспективных технологий и индустриального программирования.

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78. Scopus Author ID 6506250832

Roman V. Shamin - Dr. Sci. (Phys.-Math.), Director, Institute for Advanced Technologies and Industrial Programming.

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454. Scopus Author ID 6506250832

shamin@mirea.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5455-0046ОстанинаО. И.OstaninaO. I.

Останина Ольга Ивановна - кандидат химических наук, доцент кафедры метрологии и стандартизации, Институт перспективных технологий и индустриального программирования.

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78. Scopus Author ID 9249650700

Olga I. Ostanina - Cand. Sci. (Chem.), Assistant Professor, Department of Metrology and Standardization, Institute for Advanced Technologies and Industrial Programming.

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454. Scopus Author ID 9249650700

ostanina@mirea.ruМИРЭА – Российский технологический университетРоссияMIREA – Russian Technological UniversityRussian Federation2022080620221033444Copyright © Сигов А.С., Голованова Н.Б., Минаева О.А., Аневский С.И., Шамин Р.В., Останина О.И., 20222022Сигов А.С., Голованова Н.Б., Минаева О.А., Аневский С.И., Шамин Р.В., Останина О.И.Sigov A.S., Golovanova N.B., Minaeva O.A., Anevsky S.I., Shamin R.V., Ostanina O.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rtj-mirea.ru/jour/article/view/520Цели

Цели. Использование синхротронного излучения позволяет решать фундаментальные метрологические задачи воспроизведения и передачи единиц спектрорадиометрии, разрабатывать методы и средства метрологического обеспечения современных технологий, таких как нанофотолитография в электронной промышленности. Развитие твердотельных источников и приемников излучения формирует новые актуальные задачи исследования метрологических характеристик светодиодов, многоэлементных матричных приемников, ПЗС-камер и телескопов, успешное решение которых зависит от использования свойств эталонного источника синхротронного излучения. Целью работы является развитие методов спектрорадиометрии для метрологических каналов электронного накопительного кольца при контроле характеристик компонентов в электронной промышленности, при исследованиях и калибровках радиометров, фотометров, излучателей в видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра.

Методы

Методы. Методы передачи единиц спектрорадиометрии на электронном накопительном кольце основаны на использовании классической теории Ю. Швингера, описывающей электромагнитное излучение релятивистского электрона, для расчета спектральных энергетических характеристик синхротронного излучения с учетом поляризационных компонентов.

Результаты

Результаты. Рассмотрены возможности развития методов передачи единиц спектрорадиометрии с использованием синхротронного излучения и создания испытательной установки. Эта установка включает в себя компаратор на основе монохроматора, телескопа с ПЗС-матрицей, спектрорадиометра, радиометра, фотометра, гониометра и интегрирующей сферы, позволяющих проводить измерения полного набора спектрорадиометрических и фотометрических характеристик источников и приемников излучения – от наиболее дифференциального распределения спектральной плотности энергетической яркости по излучающей области до интегрального потока излучения с прослеживаемостью к эталонному источнику синхротронного излучения.

Выводы

Выводы. Определение метрологических характеристик светодиодных излучателей, многоэлементных матричных приемников, ПЗС-камер и телескопов с использованием синхротронного излучения представляется наиболее перспективным направлением с учетом малых размеров излучающей области синхротронного излучения, Гауссова распределения энергетической яркости по излучающей области электронного сгустка синхротрона, широкого динамического диапазона перестройки спектра за счет изменения энергии и числа ускоренных электронов.

Objectives

Objectives. In order to solve fundamental metrological problems concerning the reproduction and transmission of spectral radiometry units, as well as developing methods and tools for metrological support of modern technologies such as nanophotolithography in the electronics industry, synchrotron radiation can be used. When developing solid-state sources and receivers of radiation, new topical problems arise in connection with the metrological characteristics of light-emitting diodes (LEDs), multi-element array receivers, charge-coupled device (CCD) cameras and telescopes, whose successful solution depends on the properties of a reference source of synchrotron radiation. Therefore, the purpose of the present work is to develop spectral radiometry methods for obtaining metrological channels using an electron storage ring in order to control the characteristics of electronics components, as well as for studying and calibrating radiometers, photometers, and emitters operating in the visible, ultraviolet and infrared regions of the electromagnetic spectrum.

Methods

Methods. Methods for transmitting spectroradiometric units on an electron storage ring are based on the classical theory of Julian Schwinger, which describes the electromagnetic radiation of a relativistic electron to calculate the spectral and energetic synchrotron radiation characteristics taking polarization components into account.

Results

Results. The possibility of developing methods for transmitting spectral radiometric units using synchrotron radiation was evaluated by means of a test setup, which included a monochromator-based comparator, a telescope with a CCD array, a spectroradiometer, a radiometer, a photometer, a goniometer, and an integrating sphere. This allowed the full set of spectroradiometric and photometric characteristics of radiation sources and receivers to be measured: from the most differential distribution of the spectral radiance density of the emitting region to the integral radiation flux. The results were compared with the reference synchrotron radiation source.

Conclusions

Conclusions. Among possible approaches for determining the metrological characteristics of LED emitters, multielement array receivers, CCD cameras, and telescopes, synchrotron radiation seems to be the most promising. This approach allows the small size of the emitting region of synchrotron radiation, the Gaussian distribution of radiance over the emitting region of the synchrotron electron bunch, as well as the wide dynamic range of spectrum tuning due to changes in the energy and number of accelerated electrons, to be taken into account.

спектрорадиометриясинхротронное излучениеэнергетическая яркостьсила излучениясветодиодфотометррадиометрspectral radiometrysynchrotron radiationradianceradiation intensityLEDphotometerradiometerReferencesRichter M., Ulm G. Metrology with Synchrotron Radiation. In: Jaeschke E., Khan S., Schneider J.R., Hastings J.B. (Eds.). Synchrotron Light Sources and Free-Electron Lasers. Springer; 2020. P. 1–35. https://doi.org/10.1007/978-3-319-04507-8_63-1Richter M., Ulm G. Metrology with Synchrotron Radiation. In: Jaeschke E., Khan S., Schneider J.R., Hastings J.B. (Eds.). Synchrotron Light Sources and Free-Electron Lasers. Springer; 2020. P. 1–35. https://doi.org/10.1007/978-3-319-04507-8_63-1Li H., Li B., Wang S., Li Z., Qi J., Yu M., Huang Y., Li Y., Barboutis A., Lubeck J., Klein R., Kroth S., Paustian W., Ressin M., Thornagel R. Research on the irradiance calibration of a VUV dual-grating spectrometer based on synchrotron radiation. Opt. Commun. 2020;475:126254. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2020.126254Li H., Li B., Wang S., Li Z., Qi J., Yu M., Huang Y., Li Y., Barboutis A., Lubeck J., Klein R., Kroth S., Paustian W., Ressin M., Thornagel R. Research on the irradiance calibration of a VUV dual-grating spectrometer based on synchrotron radiation. Opt. Commun. 2020;475:126254. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2020.126254Hurdax P., Hollerer M., Egger L., Koller G., Yang X., Haags A., Soubatch S., Tautz F.S., Richter M., Gottwald A., Puschnig P., Sterrer M., Ramsey M.G. Controlling the electronic and physical coupling on dielectric thin films. Beilstein J. Nanotechnol. 2020;11:1492–1503. https://doi.org/10.3762/bjnano.11.132Hurdax P., Hollerer M., Egger L., Koller G., Yang X., Haags A., Soubatch S., Tautz F.S., Richter M., Gottwald A., Puschnig P., Sterrer M., Ramsey M.G. Controlling the electronic and physical coupling on dielectric thin films. Beilstein J. Nanotechnol. 2020;11:1492–1503. https://doi.org/10.3762/bjnano.11.132Chkhalo N.I., Gusev S.A., Nechay A.N., Pariev D.E., Polkovnikov V.N., Salashchenko N.N., et al. Highreflection Mo/Be/Si multilayers for EUV lithography. Optic. Lett. 2017;42(24):5070–5073. https://doi.org/10.1364/ol.42.005070Chkhalo N.I., Gusev S.A., Nechay A.N., Pariev D.E., Polkovnikov V.N., Salashchenko N.N., et al. Highreflection Mo/Be/Si multilayers for EUV lithography. Optic. Lett. 2017;42(24):5070–5073. https://doi.org/10.1364/ol.42.005070Steiger A., Kehrt M., Deninger A. A reference material for accurate THz measurements. In: 2018 43rd International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz). 2018:8510011. https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510011Steiger A., Kehrt M., Deninger A. A reference material for accurate THz measurements. In: 2018 43rd International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz). 2018:8510011. https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510011Sperling A., Meyer M., Pendsa S., Jordan W., Revtova E., Poikonen T., Renaux D., Blattner P. Multiple Transfer Standard for calibration and characterization of the setups for LED lamps and luminaires in industry. Metrologia. 2018;55(2):S37–S42. https://doi.org/10.1088/1681-7575/aaa173Sperling A., Meyer M., Pendsa S., Jordan W., Revtova E., Poikonen T., Renaux D., Blattner P. Multiple Transfer Standard for calibration and characterization of the setups for LED lamps and luminaires in industry. Metrologia. 2018;55(2):S37–S42. https://doi.org/10.1088/1681-7575/aaa173Сигов А.С., Минаева О.А., Аневский С.И., Лебедев А.М., Минаев Р.В. Метрологические исследования характеристик многослойных поверхностных покрытий с использованием синхротронного излучения. Российский технологический журнал. 2021;9(1):38–47. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2021-9-1-38-47Sigov A.S., Minaeva O.A., Anevsky S.I., Lebedev A.M., Minaev R.V. Metrological studies of the characteristics of multilayer surface coatings using synchrotron radiation. Rossiiskii tekhnologicheskii zhurnal = Russian Technological Journal. 2021;9(1):38–47 (in Russ.). https://doi.org/10.32362/2500-316X-2021-9-1-38-47Schneider P., Salffner K., Sperling A., Nevas S., Kröger I., Reiners T. Improved calibration strategy for luminous intensity. J. Phys.: Conf. Series. 2018;972(1):012016. https://doi.org/10.1088/1742-6596/972/1/012016Schneider P., Salffner K., Sperling A., Nevas S., Kröger I., Reiners T. Improved calibration strategy for luminous intensity. J. Phys.: Conf. Series. 2018;972(1):012016. https://doi.org/10.1088/1742-6596/972/1/012016Klein R., Kroth S., Paustian W., Richter M., Thornagel R. PTB’s radiometric scales for UV and VUV source calibration based on synchrotron radiation. Metrologia. 2018;55(3):386. https://doi.org/10.1088/1681-7575/aab803Klein R., Kroth S., Paustian W., Richter M., Thornagel R. PTB’s radiometric scales for UV and VUV source calibration based on synchrotron radiation. Metrologia. 2018;55(3):386. https://doi.org/10.1088/1681-7575/aab803Reichel T., Gottwald A., Kroth U., Laubis C., Scholze F. Developments in calibration of EUV and VUV detectors for solar orbiter instrumentation using synchrotron radiation. In: Proc. SPIE 9905, Space Telescopes and Instrumentation 2016: Ultraviolet to Gamma Ray, 990547990547-6. https://doi.org/10.1117/12.2231405Reichel T., Gottwald A., Kroth U., Laubis C., Scholze F. Developments in calibration of EUV and VUV detectors for solar orbiter instrumentation using synchrotron radiation. In: Proc. SPIE 9905, Space Telescopes and Instrumentation 2016: Ultraviolet to Gamma Ray, 990547990547-6. https://doi.org/10.1117/12.2231405Sildoja M., Nevas S., Pape S., Pendsa S., Sperfeld P., Kemus F. LED-based UV monitoring source. In: 13th International Conference on New Developments and Applications in Optical Radiometry (NEWRAD 2017), Proceedings. 2017: 92–93.Sildoja M., Nevas S., Pape S., Pendsa S., Sperfeld P., Kemus F. LED-based UV monitoring source. In: 13th International Conference on New Developments and Applications in Optical Radiometry (NEWRAD 2017), Proceedings. 2017: 92–93.Schwihys J. On the classical radiation of accelerated electrons. Phys. Rev. 1949;75(12):1912–1925. https://doi.org/10.1103/PhysRev.75.1912Schwihys J. On the classical radiation of accelerated electrons. Phys. Rev. 1949;75(12):1912–1925. https://doi.org/10.1103/PhysRev.75.1912Sildoja M., Nevas S., Kouremeti N., Gröbner J., Pape S., Pendsa S., Sperfeld P., Kemus F. LED-based UV source for monitoring spectroradiometer properties. Metrologia. 2018;55(3):97–103. https://doi.org/10.1088/1681-7575/aab639Sildoja M., Nevas S., Kouremeti N., Gröbner J., Pape S., Pendsa S., Sperfeld P., Kemus F. LED-based UV source for monitoring spectroradiometer properties. Metrologia. 2018;55(3):97–103. https://doi.org/10.1088/1681-7575/aab639Schmähling F., Wuebbeler G., Krueger U., Ruggaber B., Schmidt F., Taubert R.D., Sperling A., Elster C. Uncertainty evaluation and propagation for spectral measurements. Color Reseach & Application. 2018;43(1):6–16. https://doi.org/10.1002/col.22185Schmähling F., Wuebbeler G., Krueger U., Ruggaber B., Schmidt F., Taubert R.D., Sperling A., Elster C. Uncertainty evaluation and propagation for spectral measurements. Color Reseach & Application. 2018;43(1):6–16. https://doi.org/10.1002/col.22185McEvoy H.C., Martin M-J., Steiner A., Schreiber E., Girard F., Battuello M., Sadli M., Ridoux P., Gutschwager B., Hollandt J., Diril A., Pehlivan Ö. Report on the measurement results for the EURAMET 658 extension: project to examine underlying parameters in radiance scale realization. Metrologia. 2018;55(1A):03001. https://doi.org/10.1088/0026-1394/55/1A/03001McEvoy H.C., Martin M-J., Steiner A., Schreiber E., Girard F., Battuello M., Sadli M., Ridoux P., Gutschwager B., Hollandt J., Diril A., Pehlivan Ö. Report on the measurement results for the EURAMET 658 extension: project to examine underlying parameters in radiance scale realization. Metrologia. 2018;55(1A):03001. https://doi.org/10.1088/0026-1394/55/1A/03001Zuber R., Sperfeld P., Nevas S., Sildoja M. A stray light corrected array spectroradiometer for complex high dynamic range measurements in the UV spectral range. In: 13th International Conference on New Developments and Applications in Optical Radiometry (NEWRAD 2017), Proceedings. 2017:65–66.Zuber R., Sperfeld P., Nevas S., Sildoja M. A stray light corrected array spectroradiometer for complex high dynamic range measurements in the UV spectral range. In: 13th International Conference on New Developments and Applications in Optical Radiometry (NEWRAD 2017), Proceedings. 2017:65–66.Kokka F., Poikonen T., Blattner P., Jost S., Ferrero S., Pulli T., Ngo M., Thorseth A., Gerloff T., Dekker P., Stuker F., Klej A., Ludwig K., Schneider M., Reiners T., Ikonen E. Development of LED illuminants for colorimetry and recommendation of white LED reference spectrum for photometry. Metrologia. 2018;55(4):526–534. https://doi.org/10.1088/1681-7575/aacae7Kokka F., Poikonen T., Blattner P., Jost S., Ferrero S., Pulli T., Ngo M., Thorseth A., Gerloff T., Dekker P., Stuker F., Klej A., Ludwig K., Schneider M., Reiners T., Ikonen E. Development of LED illuminants for colorimetry and recommendation of white LED reference spectrum for photometry. Metrologia. 2018;55(4):526–534. https://doi.org/10.1088/1681-7575/aacae7Ferrero A., Velázquez J.L., Pons A., Campos J. Index for the evaluation of the general photometric performance of photometers. Opt. Express. 2018;26(14):18633–18643. https://doi.org/10.1364/OE.26.018633Ferrero A., Velázquez J.L., Pons A., Campos J. Index for the evaluation of the general photometric performance of photometers. Opt. Express. 2018;26(14):18633–18643. https://doi.org/10.1364/OE.26.018633Gutschwager B., Hollandt J. Nonuniformity correction of infrared cameras by reading radiance temperatures with a spatially nonhomogeneous radiation source. Meas. Sci. Technol. 2017;28(1):015401. https://doi.org/10.1088/1361-6501/28/1/015401Gutschwager B., Hollandt J. Nonuniformity correction of infrared cameras by reading radiance temperatures with a spatially nonhomogeneous radiation source. Meas. Sci. Technol. 2017;28(1):015401. https://doi.org/10.1088/1361-6501/28/1/015401Strothkämper C., Ferrero A., Koo A., Jaanson P., Ged G., Obein G., Källberg S., Audenaert J., Leloup F.B., Martínez-Verdú F.M., Perales E., Schirmacher A., Campos J. Multilateral spectral radiance factor scale comparison. Appl. Opt. 2017;56(7):1996–2006. https://doi.org/10.1364/ao.56.001996Strothkämper C., Ferrero A., Koo A., Jaanson P., Ged G., Obein G., Källberg S., Audenaert J., Leloup F.B., Martínez-Verdú F.M., Perales E., Schirmacher A., Campos J. Multilateral spectral radiance factor scale comparison. Appl. Opt. 2017;56(7):1996–2006. https://doi.org/10.1364/ao.56.001996Kokka A., Pulli T., Poikonen T., Askola J., Ikonen E. Fisheye camera method for spatial non-uniformity corrections in luminous flux measurements with integrating spheres. Metrologia. 2017;54(4):577–583. https://doi.org/10.1088/1681-7575/aa7cb7Kokka A., Pulli T., Poikonen T., Askola J., Ikonen E. Fisheye camera method for spatial non-uniformity corrections in luminous flux measurements with integrating spheres. Metrologia. 2017;54(4):577–583. https://doi.org/10.1088/1681-7575/aa7cb7Kokka A., Pulli T., Ferrero A., Dekker P., Thorseth A., Kliment P., Klej A., Gerloff T., Ludwig K., Poikonen T., Ikonen E. Validation of the fisheye camera method for spatial non-uniformity corrections in luminous flux measurements with integrating spheres. Metrologia. 2019;56(4):045002. https://doi.org/10.1088/1681-7575/ab17feKokka A., Pulli T., Ferrero A., Dekker P., Thorseth A., Kliment P., Klej A., Gerloff T., Ludwig K., Poikonen T., Ikonen E. Validation of the fisheye camera method for spatial non-uniformity corrections in luminous flux measurements with integrating spheres. Metrologia. 2019;56(4):045002. https://doi.org/10.1088/1681-7575/ab17fe

The authors declare that there are no conflicts of interest present.