專利名稱：具有增強(qiáng)的ir發(fā)射的井下源的制作方法
具有增強(qiáng)的IR發(fā)射的井下源背景油田工作人員需要訪問關(guān)于在井下遇到的參數(shù)和狀況的大量信息。多種多樣的測井工具已被開發(fā)和正在開發(fā)以收集信息，所述信息涉及諸如井底套件的位置和取向的參數(shù)、井眼的環(huán)境狀況以及井眼本身的特性和井眼所穿透的地層等。許多這樣的測井工具要求井下照明源，例如，井壁成像工具、譜分析工具以及一些類型的流體流動(dòng)分析工具。作為一個(gè)特定的示例，工作人員常常希望在完井和生產(chǎn)策略完結(jié)之前執(zhí)行井下地層測試。流體取樣工具允許工作人員直接從井壁抽取流體樣品并通?；诔槿〉綐悠非恢械牟牧系墓鈱W(xué)性質(zhì)測量污染程度、成分和相。這樣的用于井下工具的光源受到許多挑戰(zhàn)和限制。通常，光源的能耗是有限的，對(duì)為該光源留出的體積來說也是如此。在許多情況中，現(xiàn)有的光源不能滿足對(duì)包括對(duì)執(zhí)行近紅外(“NIR”)中的譜分析具有足夠亮度的堅(jiān)固的、小體積的、譜范圍大的光源的組合要求。


當(dāng)結(jié)合附圖考慮下列詳細(xì)描述時(shí)，可以獲得對(duì)各種公開的實(shí)施例的較好理解，在附圖中圖I示出在隨鉆測井(“LWD”)的解說性環(huán)境；圖2示出有線測井的解說性環(huán)境；圖3示出管道傳輸?shù)臏y井的解說性環(huán)境；圖4示出解說性的地層流體取樣工具；圖5示出解說性的流體譜分析儀；圖6示出解說性的基準(zhǔn)光源；圖7不出解說性的一系列黑體福射曲線；圖8示出相對(duì)較大的光源的解說性的一系列曲線；圖9示出解說性的一系列相對(duì)增強(qiáng)因子；圖10示出三種所選擇波長的解說性的增強(qiáng)因子；圖11示出增強(qiáng)的光源的第一實(shí)施例；圖12示出增強(qiáng)的光源的第二實(shí)施例；圖13示出增強(qiáng)的光源的第三實(shí)施例；圖14A-B示出增強(qiáng)的光源的第四實(shí)施例；圖15A-C示出增強(qiáng)的光源的第五實(shí)施例；圖16示出一替代的增強(qiáng)方法的解說性的增強(qiáng)曲線；圖17示出一替代的增強(qiáng)方法的相對(duì)增強(qiáng)因子；圖18A-B示出增強(qiáng)的光源的第六實(shí)施例；圖19A-B示出增強(qiáng)的光源的第七實(shí)施例；以及圖20A-20B示出增強(qiáng)的光源的第八實(shí)施例。盡管本發(fā)明容許各種改型和替代形式，但其具體的實(shí)施例在附圖中作為示例示出且將在本文詳細(xì)描述。然而，應(yīng)理解，各附圖及其詳細(xì)描述不旨在限制本公開內(nèi)容，而是相反，其意圖覆蓋落在權(quán)利要求明語范圍內(nèi)的所有改型、等效物和替代物。詳細(xì)描述因此，在此公開用于提供具有增強(qiáng)的低頻(例如，近紅外)發(fā)射的光源的各種方法，以及這類增強(qiáng)的光源的各解說性實(shí)施例。一些這樣的實(shí)施例包括燈絲和至少一個(gè)再輻射器元件。當(dāng)將電流被提供給燈絲時(shí)，它變成了白熾發(fā)光的。再輻射器元件對(duì)于從燈絲發(fā)射的至少峰值波長的光是不透明的，致使燈絲將再輻射器加熱到穩(wěn)態(tài)溫度，該穩(wěn)態(tài)溫度是是燈絲絕對(duì)溫度的至少一個(gè)四分之一。由于再輻射器元件具有比燈絲大得多的表面積，它提供來自光源的增強(qiáng)的IR輻射。表面的圖案化或紋理化可以進(jìn)一步增加再輻射器元件的表面積。一些具體的實(shí)施例將燈泡上的涂層用作再輻射器元件。該涂層可以被設(shè)置成遮擋來自燈絲的光或增強(qiáng)來自燈絲的光，這取決于特定的應(yīng)用。其他具體實(shí)施例采用盤、環(huán)、管和其他形狀來定制光源的譜發(fā)射曲線。各種再輻射器元件可以被設(shè)置在燈泡內(nèi)或在燈泡外。
在其他所公開的實(shí)施例中，光源包括底座、安裝在底座的燈絲以及將燈絲封閉在 期望環(huán)境(例如，真空、高壓或低壓、惰性氣體等等)中的燈泡。燈絲對(duì)安裝在燈泡內(nèi)的輻射器元件進(jìn)行加熱，輻射器元件具有相對(duì)于燈絲的表面積顯著增大的表面積。在不同的實(shí)施例中，輻射器元件是盤、管的排列或其他形狀。可以采用多個(gè)輻射器來提供一范圍的工作溫度和由此產(chǎn)生的相應(yīng)譜曲線。在又一些其他公開的實(shí)施例中，真空管配備有發(fā)射電子束的陰極和由此被加熱的陽極。給予陽極一輻射面積，該輻射面積是真空管的外殼圍住的可用面積的相當(dāng)大的一部分。在一些實(shí)施例中，陽極包括具有不同長度和大小的管陣列，以提供空間依賴的溫度曲線。各管可以一端敞開且對(duì)準(zhǔn)，以優(yōu)先地沿著光軸發(fā)射光。本公開的系統(tǒng)和方法在其所運(yùn)作的更大系統(tǒng)的背景中可得到最佳的理解。圖I示出解說性的隨鉆測井(LWD)環(huán)境。鉆井平臺(tái)2支持井架4，井架4具有用于升高和下降鉆柱8的游車6。當(dāng)鉆柱8下降通過轉(zhuǎn)盤12時(shí)，方鉆桿10支持鉆柱8。鉆井鉆頭14由井下馬達(dá)和/或鉆柱8的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)鉆頭14旋轉(zhuǎn)時(shí)，它形成穿過各種地層18的井眼16。泵20使得鉆井液通過進(jìn)料管22循環(huán)至方鉆桿10，向下通過鉆柱8的內(nèi)部，通過鉆井鉆頭14中的孔口，經(jīng)由環(huán)繞鉆柱8的環(huán)面回到地面，并進(jìn)入到截留坑24。鉆井液將巖屑從井眼輸送入截留坑24，并幫助維持井眼的完整性。LffD工具26被整合到鉆頭14附近的井底套件。當(dāng)鉆頭使井眼通過地層延伸時(shí)，測井工具26采集涉及各種地層性質(zhì)以及工具取向和各種其他鉆井條件的測量值。測井工具26可以采用鉆鋌的形式，即，提供重量和剛性以幫助鉆井過程的厚壁管。如下面進(jìn)一步解釋的，工具套件26包括監(jiān)視井眼流體性質(zhì)的光學(xué)流體分析工具?？梢园ㄟb測子構(gòu)件(telemetry sub) 28以便將測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛娼邮掌?0并從地面接收命令。在一些實(shí)施例中，遙測子構(gòu)件28不與地面通信，而是存儲(chǔ)測井?dāng)?shù)據(jù)以供稍后當(dāng)回收測井套件時(shí)在地面檢取。在鉆井過程期間的各個(gè)時(shí)間，如圖2中所示出的，可以從井眼移除鉆柱8。一旦已經(jīng)移除了鉆柱，就可以使用有線測井工具34來進(jìn)行測井操作，即，由電纜42懸掛的感測儀器探頭，該電纜42具有用于向該工具傳送功率的導(dǎo)體和從工具到地面的遙測。有線測井工具34可以具有墊和/或定中心彈簧，以便當(dāng)該工具被牽引到井眼之上時(shí)將該工具保持在接近井眼的軸的位置。如下面進(jìn)一步解釋的，工具34可包括地層流體采樣器，其令探針抵靠住井壁地延伸以便將流體抽取到樣品分析腔中。地面測井設(shè)施44從測井工具34采集測量值，并包括用于處理和存儲(chǔ)由測井工具收集的測量值的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)45。替代的測井技術(shù)是借助盤管的測井。圖3示出解說性的盤管輸送的測井系統(tǒng)，其中盤管54由管道引射器56從線管52拉出，并被注入到井中，通過封隔器58和防噴器60進(jìn)入到井62。(以此方式通過用井下馬達(dá)驅(qū)動(dòng)鉆井鉆頭來執(zhí)行鉆井也是可能的。)在井中，管理子構(gòu)件(supervisory sub)64和一個(gè)或多個(gè)測井工具65被稱合到盤管54并可選擇地配置成經(jīng)由信息導(dǎo)管或其他遙測通道與地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)66通信?？梢蕴峁┚诮涌?67以便與管理子構(gòu)件交換通信并接收擬傳輸給地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)66的數(shù)據(jù)。地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)66被配置成在測井過程期間與管理子構(gòu)件64通信，或替代地配置成在取回工具套件之后從管理子構(gòu)件下載數(shù)據(jù)。地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)66優(yōu)選地由軟件(圖3中以可移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)72的形式示出)配置成處理測井工具測量值。系統(tǒng)66包括顯示設(shè)備68和用戶輸入設(shè)備70，以允許操作人員與系統(tǒng)軟件72交互。
在前述的測井環(huán)境中的每一個(gè)環(huán)境中，測井工具套件優(yōu)選地包括導(dǎo)航傳感器組件，該導(dǎo)航傳感器組件包括用于確定井底套件的傾斜角、水平角和旋轉(zhuǎn)角(又稱為“工具面角”)的方向傳感器。如本領(lǐng)域中通常定義的，傾斜角是對(duì)垂直向下的偏離，水平角是水平面內(nèi)與真北方向的夾角，而工具面角是偏離井眼高側(cè)的取向(繞工具軸旋轉(zhuǎn))角。根據(jù)已知的技術(shù)，可如下地進(jìn)行方向測量三軸加速度計(jì)測量相對(duì)于工具軸和被稱為“工具面劃線”(工具面劃線通常刻在工具表面上，成為與工具軸平行的線)的工具圓周上的點(diǎn)的地球重力場矢量。從這種測量可以確定測井套件的傾斜角和工具面角。另外，三軸磁力儀以類似方式測量地球的磁場矢量。從組合的磁力儀和加速度計(jì)數(shù)據(jù)可以確定測井套件的水平角。當(dāng)與來自運(yùn)動(dòng)傳感器的測量值組合時(shí)，這些取向測量值允許在井下跟蹤工具位置。在這些和其他測井環(huán)境中，通常以日志形式(S卩，將所測得的參數(shù)示出為工具位置或深度的函數(shù)二維圖)記錄和顯示所測得的參數(shù)。除了使參數(shù)測量值作為深度的函數(shù)之外，一些測井工具也提供作為旋轉(zhuǎn)角度的函數(shù)的參數(shù)測量值。這樣的工具測量值常常被顯示為井壁的二維圖像，一個(gè)維度表示工具位置或深度，另一維度表示方位角取向，且像素亮度或顏色表示參數(shù)值。圖4示出解說性的地層流體采樣器工具80。工具80可以是鉆鋌、盤管接頭或鉆管，但是最通常的是將其預(yù)期為有線探頭的一部分。工具80使探針82和腳84延伸以便接觸井壁16，通常使用液壓從工具本體向外推動(dòng)它們。探針82和腳84合作使探針牢牢地抵靠住井壁，并建立一密封，該密封截留井眼流體以使其不會(huì)被抽取到采樣工具。為了改善密封，探針的接觸壁表面包括順應(yīng)井壁的彈性材料85。泵86使得壓力下降，促使流體從地層流過探針通道88、流體分析儀92中的樣品腔90以及樣品收集腔94。泵86通過艙口 96將流體排入井眼并繼續(xù)泵送，直到采樣過程結(jié)束為止。通常，采樣過程繼續(xù)，直到該工具確定樣品收集腔94滿盈以及任何污染物均被排出為止。此后，將樣品收集腔密封，且撤回探針和腳。如果需要的話，該工具可以在井眼內(nèi)的不同位置處重復(fù)該過程。樣品收集腔94可以是卡盒機(jī)構(gòu)98中的多個(gè)這樣的樣品收集腔中的一個(gè)，允許工具使多種流體樣品返回到地面。圖5示出解說性的基于譜的流體分析儀。準(zhǔn)直裝置102沿光路106通過分析儀引導(dǎo)來自寬帶光源104的光。沿著光路106行進(jìn)的光經(jīng)由窗口 110穿過樣品腔108并由此到達(dá)將光引導(dǎo)至檢測器116的采集裝置112。在圖示的采集裝置內(nèi)包括譜元件114，例如棱鏡、衍射光柵、干涉儀、濾光器、多變量光學(xué)元件(MOE)或使擊中檢測器116上的給定點(diǎn)的光的亮度依賴于樣品腔108中的流體的譜特性的其他設(shè)備。在一些實(shí)施例中，譜元件114跨越檢測器116中的傳感器陣列散布譜信息，而在其他實(shí)施例中，檢測器116中的單個(gè)傳感器測量時(shí)間依賴的信號(hào)，該時(shí)間依賴的信號(hào)通過元件114的運(yùn)動(dòng)或切換指示跨越一定范圍頻率值的譜信息。準(zhǔn)直裝置102可以采用從簡單孔口到復(fù)雜的透鏡陣列和/或反射器的多種不同的形式，準(zhǔn)直裝置102從光源104收集盡可能多的光并沿光路106盡可能緊密和均勻地將其引導(dǎo)光。類似地，采集裝置114可以采用從僅僅是譜元件114本身到將盡可能多的光透射、光反射和/或光散射的光從樣品腔108通過譜元件114引導(dǎo)至檢測器116的孔口、透鏡和/或反射器復(fù)雜陣列的多種形式。 在不同的工具實(shí)施例中，待分析的材料可以采用在樣品池內(nèi)捕獲的或流過窗口的氣體、流體或混合相流體的形式。替代地，該材料可以是通過窗口或孔口可見的固體，例如巖心樣品或鄰近于該工具的一部分井壁。該工具從樣品采集所透射的光、所反射的光、所散射的光和/或所發(fā)射的光或熒光并將其引導(dǎo)至檢測器。檢測器可以采用光電二極管、熱檢測器(包括熱電堆和熱電檢測器)、格雷室(Golay cell)或光電導(dǎo)兀件的形式。可使用冷卻來改善檢測器的信噪比?？梢跃绿幚碛稍摴ぞ叽_定的譜以便提取所期望的信息，或者可以將其存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中以供以后使用，這可能與測量時(shí)間和/或工具位置相關(guān)。所提取的信息可用作隨后的工具操作的基礎(chǔ)(例如，在污染程度充分下降之后決定停止泵送)。解說性的分析包括確定所采樣的流體中的污染程度、識(shí)別流體成份、識(shí)別流體類型、識(shí)別PVT性質(zhì)等等。成份分析可以包括確定諸如C02、H2S等化合物的濃度，或者確定飽和烴餾分、芳族化合物、樹脂和浙青質(zhì)。流體類型確定可以是找出油、水和氣的體積百分比。PVT性質(zhì)可以包括發(fā)泡點(diǎn)確定、氣/油比、隨壓力的密度變化等等。測量值可以被傳輸?shù)降孛妫糜陲@示給工作人員并進(jìn)一步處理。已知多種處理技術(shù)用于從被反射、透射或散射的光的譜確定成份或類型信息。它們包括逆最小二乘回歸和主要成分分析。然而，也可以使用其他技術(shù)，包括將所測得的干涉圖與模板干涉圖相關(guān)聯(lián)。各種其他特征可納入到該工具中，包括給該工具配備參照流體的儲(chǔ)液器，所述參照流體用于系統(tǒng)的井下校準(zhǔn)和補(bǔ)償流動(dòng)池的窗口上的污染。沖擊和振動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)(例如，安裝到工具上并由處理電子器件周期性地感測的加速度計(jì))可以用來檢測可能使測量較不可靠的高振動(dòng)周期?？蓙G棄在這些周期內(nèi)采集到的測量值，或者被給予反映它們較低可靠性的較低權(quán)重?？梢苑治錾⑸涞墓庖源_定流體流動(dòng)中夾帶的微粒的大小分布?？梢园ㄗ贤饩€光源以便在材料中誘導(dǎo)出熒光，可以分析該熒光以幫助確定樣品的成份。為了監(jiān)視光源的譜和亮度，可以提供旁路路徑以便將光引導(dǎo)至檢測器而無需經(jīng)過樣品池。在一些實(shí)施例中，可以使用多種檢測器類型的集合，其具有用來將所接收的光分成最適于由各個(gè)檢測器測量的頻帶的濾波器、分光鏡或其他分布裝置。出于本公開內(nèi)容的目的，術(shù)語“寬帶”被用來將這種光源與在其譜中僅提供分離的波峰的窄帶源區(qū)別開。預(yù)期用于井下的寬帶源在200-400nm (對(duì)于UV吸收和熒光光譜儀)、1500-2300nm (對(duì)于專用光譜儀，例如GOR測定)和400_6000nm (對(duì)于通用VIS-IR光譜儀)的范圍內(nèi)具有連續(xù)譜。這些示例僅僅是解說性的而并非限制。適用于這種目的一種容易獲得的光源是具有石英外殼的鎢-鹵素白熾光源，這種光源產(chǎn)生跨越300-3000nm范圍的光。也構(gòu)思具有藍(lán)寶石或硒化鋅外殼的鎢-鹵素白熾燈，以便得到擴(kuò)展的波長范圍。寬帶熒光源、寬帶量子源以及組合的窄帶源(例如LED)也可以是適用的。準(zhǔn)直裝置102和采集裝置112中的窗口 110和任何透鏡當(dāng)然應(yīng)該由在期望的波長下變得透明的材料制成，例如，對(duì)于可見光和NIR波長，所述材料可以是石英、藍(lán)寶石或硒化鋅。圖6示出將被用作與下面描述的各種增強(qiáng)的光源進(jìn)行比較的基準(zhǔn)的解說性光源。準(zhǔn)直裝置102采用具有由孔口板163界定的孔口 162的燈泡隔室161的形式?？卓?162與燈泡隔開足夠遠(yuǎn)，使得所發(fā)射的光被合適地準(zhǔn)直。光源104采用安裝在槽口 164中的燈泡的形式。由合適的材料制成的燈泡外殼165內(nèi)含處于鎢絲166周圍的具有少量鹵素的惰性氣體。來自槽口 164的電經(jīng)過燈絲166，將燈絲166加熱到其輻射出光的工作溫度(例如，3000K)。所輻射光的譜本質(zhì)上對(duì)應(yīng)于黑體輻射器的光譜。
圖7 示出對(duì)于不同溫度 3000K、2120K、1500K、1060K、750K、530K 和 375Κ 下輻射器在范圍為從O到20微米的波長上由普朗克定律給定的黑體輻射譜。在任何給定的波長(例如，12微米)，光源亮度隨著溫度下降而降低。(事實(shí)上，斯蒂芬-玻耳茲曼定律教導(dǎo)說，每單位面積的總輻射功率與絕對(duì)溫度的四次冪成正比。)圖7看上去表明，在給定波長下增加光源亮度的唯一方式將是增加功率。作者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果在輻射器的表面積增加的同時(shí)總輻射功率保持恒定，則得到一組新的曲線。根據(jù)斯蒂芬-玻耳茲曼定律，增加的表面積導(dǎo)致較低的工作溫度。然而，這種溫度損失被增加的輻射面積抵消了。因而，從圖7取3000Κ曲線作為參考，圖8示出在光一再地翻四倍，由此導(dǎo)致具有4、16、64、256、1024、和4096倍于3000Κ參考光源的原始面積的光源時(shí)的總亮度。因而，對(duì)于光源的給定輸入功率，可以通過增大輻射面積的大小來增加長波長福射亮度。圖9示出對(duì)于不同的面積作為波長的函數(shù)的亮度增強(qiáng)因子。對(duì)于參考光源，增強(qiáng)因子在所有波長下都是I。四倍大小的光源在低于I微米的波長下?lián)p失亮度，但在較長的波長增加亮度。在長波長下，增強(qiáng)因子接近2. 83 (亮度的183%增益)。在12微米下，增強(qiáng)因子是2. 59。對(duì)于16χ光源，增強(qiáng)因子在長波長下接近8，而在12微米下為6. 42。圖10示出對(duì)于各種放大因子在6、12和18微米波長處的亮度增強(qiáng)因子?？梢钥闯觯谀骋环糯笠蜃酉?，亮度增強(qiáng)達(dá)到峰值且開始衰落，這取決于所討論的波長。一般而言，這些峰值發(fā)生在相對(duì)大的放大(例如，大于ΙΟΟχ)，因此其他約束條件可以在確定輻射面積的最佳大小時(shí)起作用。然而，本公開內(nèi)容通過擴(kuò)大給定光源的輻射面積來利用這種關(guān)系，由此增強(qiáng)對(duì)于給定輸入功率可提供的長波長亮度。圖11示出增強(qiáng)的光源的第一實(shí)施例。圖11的光源非常類似于圖6的基準(zhǔn)源，但它包括與燈絲166熱接觸的盤210。該盤可以是任何材料，只要當(dāng)燈絲在環(huán)境溫度及其工作溫度之間循環(huán)時(shí)該盤不變形、熔融或蒸發(fā)。諸如金屬或半導(dǎo)體等導(dǎo)熱材料可以高效地將熱量散布在盤的整個(gè)表面上，但應(yīng)該注意確保該盤不允許電流旁路通過燈絲166。通過提供比燈絲單獨(dú)占據(jù)的輻射表面更大的輻射表面，盤210提供增強(qiáng)的近紅外輻射。預(yù)期盤202的表面可以被波紋化、粗糙化或以其它方式圖案化以便增加輻射表面積。
增大的輻射表面與燈絲機(jī)械接觸是不必要的。如圖12中所示出的，通過提供具有不透明涂層220的燈泡外殼165，可以為光源提供增強(qiáng)的IR發(fā)射，該不透明涂層220吸收來自燈絲166的能量并在更大的表面積上再輻射該熱量。為使所發(fā)射的光亮度達(dá)到最大，應(yīng)使傾向于冷卻涂層220的任何其他過程(例如，熱傳導(dǎo)、對(duì)流)最小化。出于這種原因，涂層220可以位于燈泡外殼165的內(nèi)表面上。替代地,隔室161可以被抽空或者維持在相對(duì)低的氣壓下。另外，隔室161可以被加熱和/或隔熱，以便進(jìn)一步減少非輻射冷卻。在又一實(shí)施例中，提供外部遮擋表面230以便吸收從燈絲166發(fā)出的能量并在更大的表面上再輻射它。由于非輻射冷卻過程可能成為在這種設(shè)計(jì)中的重要因素，因此優(yōu)選地密封(借助于代替孔口 162的窗口 232)并抽空隔室。遮擋表面230的支承結(jié)構(gòu)可以被設(shè)計(jì)為使離開表面230的熱傳導(dǎo)最小化，并可以使隔室161隔熱。圖14A和圖14B示出增強(qiáng)的光源的又一實(shí)施例，其中燈絲用電子束發(fā)射器240來替代。通過電場將電子從帶負(fù)電荷的發(fā)射器240吸離，然后，電場將電子加速，進(jìn)入到帶正電荷的對(duì)象241，由此將其加熱到白熾發(fā)光。如果需要的話，可通過加熱發(fā)射器240來減少 必需的電場量級(jí)。對(duì)象(也稱為陽極)241可以由具有敞開的或封閉的端部的管陣列組成。在一個(gè)特定實(shí)施例中，最接近發(fā)射器的管端部是封閉的，而最遠(yuǎn)離發(fā)射器的管端部是敞開的。對(duì)于給定的輸入功率，陽極241的大表面積提供了增強(qiáng)的近紅外發(fā)射。如圖14B中所示出的，管可以具有不同直徑、不同長度和甚至不同形狀的橫截面，以便適應(yīng)它們各自的穩(wěn)態(tài)溫度，由此允許某種程度的光發(fā)射分布的定制。值得注意的是，當(dāng)從遠(yuǎn)端觀察時(shí)，陽極的輻射表面積是由燈泡包圍的面積的很大一部分,例如大于1/3，或者可能大于1/2，或甚至在一些情況中超過80%。在前述實(shí)施例中的每一個(gè)中，基準(zhǔn)源的燈絲或者已由更大的輻射器遮擋，或者已用更大的輻射器代替。圖15A和圖15B的實(shí)施例采用稍微不同的方法，其中燈絲不再受到阻擋，而是借助用于捕捉和再輻射否則就已經(jīng)浪費(fèi)掉的光能的某種方法來增強(qiáng)。在所闡釋的實(shí)施例中，在外殼165的內(nèi)表面或者外表面上提供涂層250以便在更大的表面積上吸收和再輻射光。然而，涂層不是被設(shè)置在燈絲166和孔口 162之間，而是僅涂覆在燈泡的底座164周圍的區(qū)域。這種增強(qiáng)方法的發(fā)射曲線擔(dān)負(fù)與先前討論的放大方法不同的角色。圖16闡釋三條曲線之間的關(guān)系在3000K下的基準(zhǔn)光源的普朗克定律發(fā)射曲線、在1060K下的黑體輻射器的普朗克定律發(fā)射曲線和由具有六倍于原始光源面積的面積的黑體再輻射器增強(qiáng)的基準(zhǔn)光源的發(fā)射曲線。圖17示出此示例的亮度增強(qiáng)因子。該增強(qiáng)因子從短波長時(shí)的I改變至長波長時(shí)的大約3. 12。在12微米處，該增強(qiáng)因子大約是2. 4，使得這種方法對(duì)具有如若不然將浪費(fèi)掉它們所發(fā)射的光的大量部分光源配置的工具是可行的。盡管圖15A-圖15B的實(shí)施例中的涂層是連續(xù)的，但這不是必要條件。如圖15C中所示出的，可以以棋盤樣式來使涂層251圖案化。替代地，可以使用條紋、環(huán)圈、點(diǎn)或其他形狀來調(diào)整再輻射器的溫度和發(fā)射分布。這樣的圖案可以用來部分地遮擋燈絲并由此提供增強(qiáng)方法與放大方法的組合效果。此外，如果再輻射元件的大小(或者，在管的情況中，管開口的大小)被減少到微米范圍(例如，I到100微米)，預(yù)期那些元件將呈現(xiàn)出諧振特性且優(yōu)先發(fā)射具有兩倍元件直徑的某整數(shù)分之一的波長的光。預(yù)期對(duì)給定元件所得到的發(fā)射曲線是非常窄的，盡管存在通過采用具有不同直徑的不規(guī)則形狀來拓寬的機(jī)會(huì)。如果給再輻射元件提供某一分布的大小和形狀，則可以定制發(fā)射譜以滿足不同的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。尤其，預(yù)期可以抑制黑體輻射曲線中可觀察到的長波長尾部，這有利于1-20微米的期望波長帶內(nèi)的發(fā)射。圖18A和圖18B示出增強(qiáng)的光源實(shí)施例，其通過被設(shè)置在燈絲周圍但與燈絲隔開一定距離的再輻射器管280的配置增強(qiáng)燈絲166的發(fā)射。可以根據(jù)需要改變?cè)佥椛淦鞯拈L度、直徑、橫截面形狀以及間距，以便調(diào)整溫度和發(fā)射性能。在該實(shí)施例中，再輻射器被設(shè)置在燈泡外殼165中，而在圖19A和圖19B中所示出的實(shí)施例中，再輻射器290被設(shè)置在外殼165之外。在這一實(shí)施例中，再輻射器管已被形成為U形，具有面向孔口 162取向的“U”形敞開端。最后，圖20A-圖20B示出增強(qiáng)的光源的實(shí)施例，其中通過支承件302將套環(huán)300固定在燈泡外殼165周圍。套環(huán)300在大得多的表面積上吸收來自燈絲的光并將其再輻射出去。光源的直徑增加可使人們有動(dòng)機(jī)使用透鏡304來提供更嚴(yán)格準(zhǔn)直的光束?！?br> 應(yīng)注意，增強(qiáng)方法為對(duì)加強(qiáng)所發(fā)射波長的空間分布的控制提供機(jī)會(huì)。在燈絲的周緣周圍具有再輻射器的那些實(shí)施例將在準(zhǔn)直光束的周緣周圍提供增強(qiáng)的IR發(fā)射。這種對(duì)波長空間分布的改善控制為將光學(xué)器件優(yōu)化到不同波長提供機(jī)會(huì)。尤其，因?yàn)榇蠖鄶?shù)材料的折射率隨著經(jīng)過這些材料的光的頻率而改變，在準(zhǔn)直光束邊緣相對(duì)于在中心以不同方式定制光學(xué)元件的形狀，以便例如在樣品腔中實(shí)現(xiàn)更嚴(yán)格的對(duì)焦，或者在檢測器陣列上取得更好散布的波長。替代地，可以從提供可以被調(diào)校為適應(yīng)光束的空間依賴需求的折射率的元材料形成光學(xué)元件。在完全明白以上公開內(nèi)容之后，本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將明顯看出眾多變更和修改。例如，以上所描述的解說性的實(shí)施例已經(jīng)聚焦在包括燈泡形狀的殼體的光源上，但應(yīng)明白，其他殼體形狀是流行的且是可使用的。預(yù)期將下列的權(quán)利要求解釋為囊括所有這樣的變更和修改。
權(quán)利要求
1.一種具有增強(qiáng)的長波長發(fā)射的光源，包括 響應(yīng)于電流變成白熾發(fā)光的燈絲；以及 至少一個(gè)再輻射器元件，所述再輻射器元件的表面積比所述燈絲的表面積更大，其中所述再輻射器對(duì)于從燈絲發(fā)射的至少峰值波長的光是不透明的，所述燈絲通過所述光加熱到穩(wěn)態(tài)溫度，所述穩(wěn)態(tài)溫度是所述燈絲的絕對(duì)溫度的至少四分之
2.如權(quán)利要求I所述的光源，其特征在于，所述燈絲被封閉在燈泡內(nèi)，并且所述再輻射器元件所述燈泡上的涂層。
3.如權(quán)利要求2所述的光源，其特征在于，所述涂層介于在所述燈絲和包含所述光源的譜分析儀的光路之間。
4.如權(quán)利要求2所述的光源，其特征在于，所述涂層包圍所述燈泡的底座，且留下所述燈泡的遠(yuǎn)端未被遮擋。
5.如權(quán)利要求2所述的光源，其特征在于，所述涂層被圖案化，以提供多個(gè)再輻射器元件。
6.如權(quán)利要求2所述的光源，其特征在于，所述涂層在所述燈泡的內(nèi)表面上。
7.如權(quán)利要求2所述的光源，其特征在于，所述涂層在所述燈泡的外表面上。
8.如權(quán)利要求I所述的光源，其特征在于，所述燈絲被封閉在至少部分地由透明或半透明材料組成的外殼內(nèi)，而所述再輻射器元件位于所述外殼之外。
9.如權(quán)利要求8所述的光源，其特征在于，所述再輻射器元件介入在所述燈絲和包括所述光源的譜分析儀的光路之間。
10.如權(quán)利要求8所述的光源，其特征在于，所述至少一個(gè)再輻射器元件包括圍繞所述外殼的周邊以平行關(guān)系排列的多個(gè)中空?qǐng)A柱。
11.如權(quán)利要求8所述的光源，其特征在于，所述至少一個(gè)再輻射器元件包括圍繞所述外殼的周邊排列且具有沿所述光源的中軸線對(duì)準(zhǔn)的敞開端的U形中空桿。
12.如權(quán)利要求8所述的光源，其特征在于，所述至少一個(gè)再輻射器元件包括圍繞在所述外殼周圍的環(huán)。
13.如權(quán)利要求I所述的光源，其特征在于，所述再輻射器具有圖案化或紋理化的表面，所述圖案化或紋理化的表面相對(duì)于相同形狀的平面元件增加了表面積。
14.一種具有增強(qiáng)的長波長發(fā)射的光源，包括 底座； 被安裝到所述底座以便接收電流并變成電阻加熱的燈絲； 被安裝到所述底座以便將所述燈絲封閉在所選擇的環(huán)境中的燈泡；以及 被安裝在所述燈泡內(nèi)以便由所述燈絲加熱并輻射紅外光的輻射器元件，所述輻射器元件的表面積比所述燈絲的表面積的表面積更大。
15.如權(quán)利要求14所述的光源，其特征在于，所選擇的環(huán)境是真空。
16.如權(quán)利要求14所述的光源，其特征在于，所選擇的環(huán)境包括惰性氣體和鹵素中的至少一種。
17.如權(quán)利要求14所述的光源，其特征在于，所述輻射器元件與所述燈絲接觸。
18.如權(quán)利要求14所述的光源，其特征在于，所述輻射器元件包括被設(shè)置在所述燈絲周圍并平行于所述光源的中軸線取向的多個(gè)管的配置。
19.如權(quán)利要求18所述的光源，其特征在于，所述多個(gè)管彼此隔開。
20.如權(quán)利要求18所述的光源，其特征在于，所述多個(gè)管中的至少一個(gè)具有與所述多個(gè)管中的另一個(gè)不同的直徑。
21.一種長波長光源，包括 包含真空的外殼； 發(fā)射電子的陰極； 被所述電子流加熱的陽極，其中，當(dāng)從至少一個(gè)方向觀察時(shí)，所述陽極具有大于由所述外殼封閉的面積的三分之一的福射面積。
22.如權(quán)利要求21所述的光源，其特征在于，所述陽極包括相鄰平行的多個(gè)管的配置。
23.如權(quán)利要求22所述的光源，其特征在于，所述平行的多個(gè)管遠(yuǎn)離所述陰極的端是敞開的。
24.如權(quán)利要求22所述的光源，其特征在于，所述平行的多個(gè)管中的至少一個(gè)具有與所述多個(gè)管中的另一個(gè)不同的直徑。
全文摘要
本發(fā)明提供具有增強(qiáng)的低頻(例如，近紅外)發(fā)射的光源。一些公開的實(shí)施例包括燈絲和至少一個(gè)再輻射器元件。燈絲將再輻射器元件加熱到穩(wěn)態(tài)溫度，該穩(wěn)態(tài)溫度是燈絲絕對(duì)溫度的至少四分之一。如在此公開的，由再輻射器元件提供的增加的表面積提供了來自光源的增強(qiáng)的IR輻射。表面的圖案化或紋理化可以進(jìn)一步增加再輻射器元件的表面積。闡釋諸如盤、環(huán)、管等的各種形狀并可以將其組合以便定制光源的譜發(fā)射分布。一些具體的實(shí)施例將燈泡上的涂層作為再輻射器元件。涂層可以被設(shè)置成遮擋來自燈絲的光或增強(qiáng)來自燈絲的光，這取決于具體的應(yīng)用。各種再輻射器元件可設(shè)置在燈泡內(nèi)或在燈泡外。
文檔編號(hào)H01J1/02GK102884604SQ201080065565
公開日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2010年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月16日
發(fā)明者M·T·佩勒萊特, C·M·瓊斯, M·L·毛瑞斯 申請(qǐng)人:哈里伯頓能源服務(wù)公司