Integrerende kugler - til måling og som homogene lyskilder

Den diffust reflekterende indervæg udsender lys efter Lamberts lov: hvert belyst punkt afgiver lyset lige meget i alle retninger. Sammen med kuglegeometrien giver det en egenskab, som ingen anden form leverer – belysningsstyrken på væggen afhænger hverken af, hvor lyset kommer ind, eller af hvilken retning kilden udstråler i. Netop derfor kan en kugle måle lysstrømmen fra en lampe, hvis strålingsmønster er ukendt.

Lyset reflekteres ikke én gang, men mange gange. Hvor ofte, angives af kuglemultiplikatoren M:

M = ρ / [ 1 − ρ (1 − f) ] med ρ = coatingens reflektans, f = portandel af den indre kugleoverflade

To tal viser, hvad der er afgørende. Ved en portandel på 2 % og en reflektans på 0,98 er multiplikatoren M ≈ 25. Falder reflektansen til 0,95, falder M til omkring 14.

Tre procentpoints reflektans halverer næsten signalet. Deraf følger to ting, som datablade sjældent nævner: coatingen bestemmer følsomheden for hele målingen. Og en kugle ældes målbart – bariumsulfat gulner under UV, PTFE optager olie og støv. Begge sænker ρ med nogle procentpoint og signalet med en tredjedel. Integrerende kugler bør derfor rekalibreres med regelmæssige intervaller.

Valget følger derfor bølgelængden, ikke prisen. Hvis du måler i UV-C ved 254 nm, har du ikke noget valg med bariumsulfat – her er PTFE den eneste belægning med en brugbar reflektans. Hvis du har brug for en kugle på to meter til måling af lysstrøm, har du heller ikke noget valg, blot omvendt: massiv PTFE kan ikke bygges i den størrelse.

Tre størrelser hænger sammen, og ingen af dem kan fastlægges alene.

Portandelen f. Enhver åbning er et sted uden refleksion og virker som en sort plet. Som tommelfingerregel bør alle åbninger tilsammen holde sig under 5 % af den indvendige kugleoverflade; ved nøjagtige lysstrømsmålinger et godt stykke derunder. Formlen ovenfor giver forklaringen: f indgår direkte i kuglemultiplikatoren.

Diameteren. Den følger prøveemnet. For at kuglen integrerer strømmen i stedet for at afbilde kilden, skal testobjektet være lille i forhold til kuglen – som tommelfingerregel højst en tiendedel af kuglediameteren. En LED-armatur på 30 cm kræver derfor en kugle på omkring tre meter, mens en enkelt 5 mm LED klarer sig med 50 mm. Den anden sammenhæng er portandelen: en større kugle tolererer en mindre andel ved samme portdiameter.

Bafflen. En lille skærm mellem kilde og detektor. Uden den falder lyset direkte fra kilden på detektoren, og målingen afhænger igen af strålingsretningen – præcis det, kuglen skal forhindre.

Selvabsorption. Testobjektet sluger selv lys: en lampe med en stor sokkel tager mere fra kuglen end en lille LED. Dette korrigeres med en hjælpelampe, hvor der måles én gang med og én gang uden testobjektet. Ved nøjagtige lysstrømsmålinger er den ikke et tilbehør, men en forudsætning.

En laserstråle har tre egenskaber, der forvrænger enhver direkte måling: et stråleprofil, der er ujævnt fordelt over detektorfladen, en indfaldsvinkel, som responsiviteten reagerer på, og en polarisering. Den integrerende kugle fjerner alle tre: efter den første diffuse refleksion er lyset upolariseret, uden retning og jævnt fordelt over væggen. Detektoren ser intet andet end en irradians.

Den anden grund er effekttætheden. En stråle på 10 W med en diameter på 1 mm bærer omkring 1,3 kW/cm² – nok til at ødelægge enhver halvlederdetektor øjeblikkeligt. Kuglen fordeler den samme effekt over hele sin indre overflade; ved en diameter på 100 mm er det 314 cm². Det, der når detektoren, er dermed mere end tre størrelsesordener lavere.

Pulsede lasere integreres over pulsen: det, der måles, er energi i joule i stedet for effekt i watt. Kuglen ændrer intet ved det – også her giver den den fordel, at stråleprofil og justering er uden betydning.

To punkter står tilbage. For det første skal reflektansen ved laserbølgelængden være kendt – en kugle, der er kalibreret ved 550 nm, måler forkert ved 1064 nm. For det andet er belægningen termisk begrænset: ved kontinuerlige effekter i hundredvis af watt hører termisk design med i overvejelserne.