专利摘要

专利摘要

一种红外(IR)源设备，其包括一种所希望的红外源元件，该红外源元件联接到一个绝缘外壳上，从而在所希望的光学带宽下最大限度地减少整体源效率低下的状况。以一种方式机加工或配置该绝缘物本身，以便使该红外源元件与设计在该绝缘物中的一个腔室接触，从而使红外源图像成为该绝缘材料和该红外元件的平均。本发明的这种安排提高了大约1500波数以下、更常见大约1100波数以下、更特别的是在大约1079波数处该红外源的发射率。因此，该红外源和该绝缘物的组合发射率实质性地增强了光谱发射，并且消除或减少了由在所述红外源表面上形成氧化物导致的光谱伪影。

说明书

发明领域

本发明涉及光源领域，更特别地，涉及用于分析仪器例如红外光谱仪的红外源。

发明背景

常规的红外发射源通常利用一种加热的金属丝、金属或陶瓷元件，以发射一种连续光辐射带。具体而言，源元件例如一种结合到红外光谱仪如FTIR仪器中的红外点火器源元件常常是对商业加热元件的修改或调整。实例包括由电阻式导电材料例如铬铝钴耐热钢(Kanthal，即因高温承受能力以及具有中等的电阻而众所周知的合金)配置成的单丝以及由碳化硅制成的单丝。另一个实例包括使用用于预热柴油机中的燃烧室的一种尖端为氮化硅的热塞(glo-plug)。

然而，例如当使用碳化硅时，尤其是当该加热元件暴露于环境条件时，该源的稳定可能是一个主要问题。例如，除了由折射率变化(由该源附近的热空气和附近较冷的空气造成)引起的源噪音之外，邻近该源的空气扰动也可以引起局部冷却。典型地，可通过用一种隔热外壳围绕该源元件而减少这些问题，但该外壳中具有一个开口，以使所希望的红外辐射束能够以所设计的方式出射。这种安排中的绝缘除了能够降低工作电压外，还有助于使输出稳定。

然而，当使用碳化物元件作为所述点火器源时，另一种异乎寻常的不稳定性是，当加热该元件至接近1300℃的温度时，材料的变化例如氧化和热降解可能在所希望的光谱输出中产生不均匀性，从而影响测量结果，因此需要例如对该源进行人工光谱校正。

由于该源的几何形状，在该源本身的成像中出现了另一种光谱不稳定性来源。操作中，当一种点火器源元件由高电阻式碳化硅制成时，该点火器源元件常常配置为电联接到电源上的一种圈，即一种U型加热元件，以便将该元件加热到高温而使该元件能够在宽的预定红外电磁带宽范围内进行辐射。该问题出现在该U形的中央部分的成像中，因为与被引导通过整个光谱仪的光学中继图像的外部相比，该中央部分中有因此产生的发射率损失，这可在解读光谱信息时引发问题。

可在标题为“高效红外源(High Efficiency Infrared Source)”的美国专利No.5,291,022(Drake等人，1994年3月1日发布)中找到有关提供这种红外源的装置的背景资料，该披露的全文内容通过引用结合到本申请中，所述背景资料包括以下内容：“用于红外光谱仪的一种红外源包括具有一个密封腔室的一个绝缘体内芯、与该密闭腔室相连通的一个出口以及安装在该密闭腔室内的一个电加热的红外元件，该密闭腔室具有面对该出口的一个部分，并且该密闭腔室的壁与该红外元件相隔很近。该绝缘体内芯由具有优良的耐热性以及极低的导热率的一种陶瓷纤维材料形成，这样使得除了通过该出口的红外辐射外，来自该红外元件的仅很少热量从该绝缘体内芯逸出。优选地，该绝缘体内芯安装在一种金属外壳的一个中央腔室内，并且可通过密封到该外壳中的一个出口孔上的一个红外透射窗口而与环境气氛隔绝。来自该红外元件的供电线可延伸穿过该外壳中的一个开口，该外壳闭合并且密封，以阻止来自环境气氛的气体通入该外壳内部。在该红外元件以这种方式与环境气氛隔绝的情况下，将阻止有潜在腐蚀性的气体到达该热红外元件。该绝缘体内芯中该红外元件的这种密闭可以使该元件保持在用于分析仪器例如红外光谱仪的辐射红外的所希望温度，而消耗非常少量的电力。”

通常，如上讨论的，利用所述源的常规系统已经具有与该源的成像和引起发射光谱输出变化的这些红外元件中的材料变化有关的问题。因此，需要一种满足技术共同体需求的改良的红外发射率源，所以本发明是针对这种需要的。

发明内容

因此，本发明提供了一种红外源，以及在大约1500波数以下在所配置的源的所希望光学范围内提高(例如高达50％左右)发射率的方法。特别是，本发明针对一种红外源，更经常地是包括与绝缘材料例如(但不限于)氧化铝或氧化锆相组合的硅基红外源元件(例如氮化硅、碳化硅等)的一种中红外源，它被配置为使该元件的组合提供红外输出照明的共同叠加的源光谱。更具体地说，以一种方式机加工或修改该绝缘物本身，以便使该红外源元件与该绝缘物中的一个所得的被配置的腔室室相接触(如紧密接触)或非常靠近(即邻近)，这样由于该共同叠加的光谱，该红外源图像变为该绝缘材料和该红外源元件的平均。本发明的这种安排提高了在大约1500波数以下、通常大约1100波数以下、更具体地是在大约1079波数处该红外源的发射率。

因此，本发明提供了一种红外源，该红外源包括：一个红外元件，当在一个预定温度范围内被加热时，该红外元件在所希望的波长处提供红外辐射；一个绝缘体，该绝缘体与该红外元件联接从而达到由该红外元件产生的热量提供的一个协同温度范围，其中在该协同温度范围内的该绝缘体提供了一个或多个所希望的红外发射光谱带，该光谱带与该红外元件的输出发射共同叠加，从而消除达到该协同温度范围的、由该红外元件引起的光谱缺陷；以及其中该绝缘体的一个或多个壁配置为收敛于限定该源的光学孔的一个开口处的一个圆锥形内部，从而增强所述共同叠加的绝缘体和红外元件的发射并且附加地与一个所联接的光谱仪成像元件的视场进行匹配。

附图简要说明

图1A和1B描述本发明的实例性的有益红外源实施方案的交替侧视图。

图2A显示在1079波数处具有所造成的大伪影的光谱数据。来自一种氮化硅源的、间隔为15分钟的、200个一分钟背景提供了该光谱本身，所述氮化硅源具有2周老化(burn-in)并且在1100℃工作。

图2B显示与用于生成图2A的数据相同的氮化硅源，但是现在与拉特公司(RATH Incorporated)174/700(86％Al₂O₃-14％SiO₂)绝缘物相结合。

图3A显示三个光谱，由用该绝缘物背面中的该源元件来加热该绝缘物引起的第一光谱，没有绝缘物的第二光谱以及安装在该源上方的绝缘物引起的第三光谱。

图3B显示来自具有一个被配置的圆锥的一种绝缘块的光谱数据，如本发明中所述，所述被配置的圆锥具有通向一个红外元件的预定外径。

图4A显示由置于一种碳化硅红外元件上的RATH 174/700和ZYZ3绝缘物产生的一对光谱数据。

图4B显示来自在1300℃下的一种碳化硅红外元件和在1200℃下的一种氮化硅红外元件的一对光谱数据，其中这两者都具有安装的ZYZ3绝缘物并且在相同的系统上运行。

实施方案的详细说明

在此处本发明的说明中，应理解的是，以单数形式出现的词语包括其复数的对应物，并且以复数形式出现的词语包括其单数的对应物，除非暗示性地或明确地理解为或指出为其他情况。此外，应理解的是，对于任何给出的部分或在此描述的实施方案，对于该部分所列出的任何可能的候选物或替代物总体上可以单独地使用或者彼此结合使用，除非暗示性地或明确地理解为或指出为其他情况。此外，应理解的是，此种候选物或替代物的任何清单仅仅是说明性的，而不是限制性的，除非暗示性地或明确地理解为或指出为其他情况。

此外，除非另外指出，在说明书以及权利要求中所使用的表达成分、组分、反应条件等等的量的数值应理解为是由术语“约”修饰的。因此，除非相反地指出，在本说明书以及所附的权利要求中列出的数值参数是近似值，这些近似值可以取决于在此提出的主题寻求获得的所希望的特性而变化。在最低限度上，并且并非作为将等效原则的应用限制于权利要求范围的一种尝试，每个数值参数应该至少按照所报告的有效数字的数目并且通过应用通常的舍入技术进行解释。尽管规定了在此提出的主题的宽泛范围的这些数值以及参数是近似的，在具体的实例中提出的数值是尽可能精确地进行报告的。然而，任何数值固有地包括在它们相应的测试测量内存在的、由标准偏差必然引起的误差。

总体说明

本发明针对旨在基本上消除由硅基红外元件、特别是氮化硅红外元件造成的单束光谱中的输出伪影的一种红外、例如中红外光源装置。

本发明的改良的源不包括一种窗口，因为窗口阻挡所发出辐射的一部分并且增加成本。然而，因为本发明的这些红外源暴露于空气中并且因为这些所希望的源是硅基的，所以在该红外源在可以使其用作例如中红外源的足够高的温度下(在接近大约1300℃及以上的温度下)运行时，这些红外源在表面形成氧化物、常常是复合金属氧化物。由于形成氧化物，这些氧化物引起特定波长的发射率下降，这些特定波长典型地为1500波数以下、常常为大约1100波数以下。

本发明通过以接触或相邻的安排来组合一个与该红外(例如点火器)元件相联接的、被配置的绝缘腔室而以新颖的方式着手解决这个问题，从而可以共同叠加大约1500波数以下的发射率，因此其平均输出提供了一种更均匀的光谱。

具体而言，该红外源元件与该绝缘物以这种方式联接(即与该绝缘体接触或邻近该绝缘体)，该方式还允许加热该绝缘物，这样使得该绝缘物在所希望的波长放出能量，这些波长的发射率已经由于该红外源的被加热表面上的氧化物而下降。通常，优选地，这种新颖配置与由氮化硅配置成的该红外源和由例如氧化铝或氧化锆配置成的该绝缘物一起工作。氧化锆是特别有利的，因为氧化锆是更有效的绝缘体，并且是倾向于具有更好发射率的柔软且多孔的材料。此外，所配置的光学腔室和所选的绝缘材料也作为用于所放射的能量的积分球而工作。

具体说明

如上所讨论，本发明提供了包括一个红外元件例如一个红外点火器元件的一种新型红外源装置，该红外元件以接触方式嵌套，例如与一种所希望的绝缘材料例如(但不限于)氧化锆实质性地接触或非常靠近(即邻近)该绝缘材料，从而能在任一配置中大约在该红外源元件的温度范围内有效地加热该绝缘体。如上所述，可在标题为“高效红外源(High Efficiency Infrared Source)”的美国专利号5,291,022(Drake等人，1994年3月1日发布)中找到一种类似地设计的装置，该披露的全文内容通过引用结合到本申请中。

可以作为本发明的红外元件而进行结合的所希望的材料包括(但不限于)碳化物，尤其是碳化硅(掺杂的和非掺杂的)，但是更常见的，该红外元件优选为氮化硅。至于将碳化硅用作该红外元件，虽然这样一种元件在配置于本发明中时仍然是有利的，但一般已知这种元件在随时间而变化的单束光谱中产生不利的光学伪影，在大约1079波数区域处具有接近50％的发射率损失。此外，一种碳化硅源元件的热点迁移和氧化往往导致低的或变化的通量。

然而，氮化硅是一种更令人希望的红外源元件，尽管它比碳化硅设备昂贵，并且在类似的温度范围内工作时，在少于大约1500波数、例如在大约1079波数处具有类似的发射率损失，并且尽管倾向于需要更大的功率来运行这些设备(例如，和大约类似的配置的10-16瓦碳化硅设备相比，需要大约18-25瓦之间)。

然而，氮化硅的好处在于以下事实：把氮化硅设计成一种由非掺杂材料组成的柴油机热塞(glow plug)，所述非掺杂材料其实是一种以套状方式与一种钨元件结合的材料塞。由于这种配置，这些类型的红外元件有助于在本发明中使用的一种更耐用的、可重复的元件，因为该元件最大限度地减少由装配和处理造成的断裂以及热点迁移和/或由于氧化而引起的该部件寿命过程中的少于大约0.1％的电阻率的不利变化。在本发明中使用所述氮化硅元件时，实例工作参数包括在从700℃左右至高达1400℃左右的最大温度下、更常见地在1200℃左右，从9伏左右至13伏左右的直流电下运行所述设备。

在几何学上，本发明的红外元件可包括各种横截面，这包括(但不限于)多边形、矩形、球形、椭圆形，每个红外元件能够与导线相联接以加热这些设置，从而提供所希望的红外发射。总体而言，在此披露的横截面构型的目的是消除与过去的成像问题(例如过去常规地利用的U形碳化硅元件成像)相关的问题。具体而言，由于该U形设计，造成这种发射率图案的一个空隙(即图像的中央部分中的强度降低)最终是在下游成像到该光谱仪仪器中的。本发明中，例如使用一种材料作为该红外源，如具有例如像长度高达约2英寸并且直径高达约1/8英寸的尺寸的氮化硅材料塞，该材料塞消除了成像束中的空隙，因为该物体本身不具有被移除的中央部分。

现在转向绝缘材料，此类合适的电绝缘材料包括(但不限于)一种或多种金属氧化物，例如氧化铝；一种氮化物，例如氮化铝、氮化硅和氮化硼；以及锆，其中通常优选锆。关于锆更具体的是，该材料常常包括来自齐卡氧化锆公司(Zircar Zirconia Inc.)的柔软多孔的陶瓷纤维，例如ZYZ3和比ZYZ3坚固的ZYZ6。因此，ZYZ型绝缘体是多孔然而刚性的耐熔结构，它由与二氧化硅相结合的、由氧化钇稳定的氧化锆纤维组成。这种组成提供了具有氧化锆纤维的低热导率和二氧化硅结合材料的强度和可机加工性的绝缘材料。此外，均匀地结合具体的材料，使其能被电脑数控(CNC)机加工至严格公差和复杂形状。

因此，除了其他有利特性之外，上述材料还提供了所希望的绝缘性能，并且被设计成可承受高达约1650℃的高温，但是机械和隔热特征没有衰退。此外，因为该材料是一种热的不良导体，它能够使在本发明的机加工的腔室中捕获的空气以快速方式达到大约该红外元件本身的协同温度，从而最大限度地减少通过空气的热量损失。这种特性的令人惊讶的结果有利于本发明，因为当该绝缘材料迅速加热至由该红外元件所引起的温度范围(即700℃左右至高达1400℃左右的协同温度)时，该绝缘材料作为一种黑体发射体提供大约1500波数以下的发射率带，该发射率带将连同在所选的工作温度下由该红外材料提供的发射带一起发射。重要的方面是，在加热的工作条件下，该绝缘材料如在此披露地提供了与该红外源的输出发射进行共同叠加的发射光谱(注意，氧化铝绝缘体(例如Rath 174/700)也可提供这样的益处，但不如氧化锆有效)。实际上，该组合的光谱输出是共同叠加的光谱的结果，这种共同叠加的光谱基本上消除了随着在所希望的工作温度下有害氧化物的形成而由该红外源的输出提供的光谱缺陷。此外，由于其多孔结构，在接收来自该源的光辐射过程中，该材料也作为一种几乎完美的发射体，以便以积分球方式直接辐射回该红外源，从而提高由该源提供的总发射率。

如上文所披露，当通过这些设备的所联接的导线进行引导时，本发明的所述红外元件总体上经由电激发装置达到所希望的温度范围。作为替代实施方案，也可通过光激发装置(尤其是激光的光激发)加热在此所说明的红外源，以另外诱导这些元件中的所希望的温度，从而也导致黑体发射。这些激光激发源可包括(但不限于)连续波(CW)和/或固态装置，更常见的是具有可以容易地被一种所配置的红外元件吸收的合适波长(例如少于大约1微米)的激光二极管装置。使用激光激发的有利结果包括使用可成形以优化生成光的更高温度的陶瓷。

现在转到附图，图1A和1B描述本发明的实例性有益红外源实施方案的交替侧视图，通常由参考数字100指定。具体而言，图1A和1B都图示一种红外(例如点火器)源2，如上所讨论，该红外源以新颖的方式与一种所选的绝缘体材料6实质性接触或邻近。

该绝缘体6的内芯本身更常见地由如上所述的一种锆纤维陶瓷材料形成，该材料是相对柔软的并因此可被一种硬质材料如一种硬质红外元件2穿透。形成该腔室(包括由参考标号12和14表示的壁与该红外元件2组合)的手段包括将该红外元件2压入形成该绝缘体6内芯的一个实心块中，直到该红外元件延伸至该内芯中由这些壁12形成的圆锥形内部(例如具有如图1A所示由字母A表示的高达约0.210英寸的外径、如图1B所示由参考字母C表示的高达约0.180英寸的内径、以及如图1A所示由字母B表示的高达约0.020英寸的长度的一个圆锥形孔，该外径、内径和长度各自用伴随的箭头显示)的顶点处的该绝缘体内芯中的一个所希望的终止点。

还显示了与其他已知的元件如通过引用结合到本申请中的美国专利No.5,291,022中所讨论的例如O型环、盖子等协同的一种耐高温陶瓷水泥材料3(例如Sauereisen Electrotemp #8水泥)，有助于将该红外元件2密封在该绝缘体6中。

在这种配置中，该红外元件2和该圆锥形孔的壁12形成于该绝缘体6中，以便如图1B所示地除了在限定孔的开口5以外基本上相接触，该限定孔的开口组成该圆锥形孔的底部并且该限定孔的开口的底部稍大于红外元件2的暴露的底端2’。

此外，通过以图1A和1B中所示的方式构造这些壁12(即通过配置这些壁12来提供在一个限定该红外源的光学孔的开口处收敛的一个圆锥形内部)，以便也作为该绝缘体6内芯的开口而工作，最大限度地减少该加热红外元件2周围的空气空间，从而也防止有害的折射加热效果。作为替代的有益实施方案，也可通过电脑数控机加工该绝缘体至被设计为接收该红外元件2的严格公差而构造该腔室。优选地，以符合该腔室的任一手段来配置该红外加热元件2，这样如图1B所示的邻近所限定的开口5的、该红外元件的底端2’达到最大加热温度。

并且还应理解，与由这些壁12限定的圆锥形内部一起，通过如图1B所示地配置的壁14，倾斜的开口有助于通过作为一个光学腔室共同工作而最大限度地减少光学渐晕，该光学腔室具有包括如图1B所示的接收数值角θ的一个所希望的视场。相应地设计这样的视场构造，使得以本发明的一种光谱仪系统中所联接的一种折射或反射成像元件、例如一种具有预定光学设计参数(如考虑从大约f/4至大约f/1的f#)的离轴抛物线反射镜进行优化。因此，这样的安排提供了能在一种光谱仪系统中贯穿所设计的一个或多个成像平面均匀地光学中继该绝缘体材料6和该红外元件2的光斑尺寸特征，该光谱仪系统的通量增加并且光学像差减到最小。

用以下非限制性实施例来说明本发明。具体而言，图2A示出对于一种氮化硅源的、间隔15分钟的、200个一分钟背景的光谱结果，该氮化硅源具有2周的老化并且在1100℃下运行。虽然图2A显示一种稳定的源输出，它也显示了在1079波数的大伪影(为了方便起见，标记并用伴随的箭头显示)。

图2B示出与用于生成图2A的数据相同的氮化硅源，但是它现在与拉特公司174/700(86％Al₂O₃-14％SiO₂)绝缘物以如上对本发明实施方案描述的方式结合。因此，由于所结合的该绝缘物，温度上升至高达约1200℃，并且如同样有标记地并用伴随的箭头显示的，在1079波数处致使伪影减少。

图3A显示三个光谱，第一光谱30由用该绝缘物背面中的该源元件来加热该绝缘物引起，所以该绝缘物(即拉特绝缘物)是该系统的源。第二光谱32没有绝缘物，并且第三光谱34由安装在该源上方的绝缘物引起。

因此，如图3A所示的结果说明：仅该绝缘物没有伪影，并且如果该绝缘物置于该元件附近，该绝缘物必须与该红外元件接触或靠近(即邻近)以便使该绝缘物变得足够热以作为该源的一部分。另外要注意，如图3A所示，低于1200波数的该绝缘物光谱(即第一光谱30)有利地提供发射率，以填补单个源元件发射率低的地方(例如，参见光谱32的1079区域)。

图3B示出来自一个绝缘块的数据，该绝缘块具有一个通向该元件的圆锥，其外径为0.210、内径为0.180。用于该红外元件的孔被配置为大约3mm，并且将一种4.7mm的元件压入，以便使该元件在该绝缘物的所有侧上进行接触。因此，可通过设计如上所述的圆锥和腔室而增强图3A的结果，这样可以使来自该源的光在该绝缘物上反射并且在该源反射镜(例如该抛物线离轴反射镜)的焦点以同化(assimilates)一个积分球的方式重新组合。

图4A显示了由置于一种碳化硅红外元件上的RATH 174/700绝缘物40和ZYZ3绝缘物44产生的一对光谱数据。当该ZYZ3绝缘物用于本发明时，该元件的温度从1120℃左右上升到高于约1300℃。要注意的是，绝缘物的变化，即从RATH 174/700绝缘物40改变至ZYZ3绝缘物44在大约1079波数带宽下减少了伪影(在RATH 174/700绝缘物40的光谱中以标记显示)。

图4B示出来自在1300℃下的一种碳化硅红外元件46和在1200℃下的一种氮化硅红外元件48的一对光谱数据，其中这两者都安装有ZYZ3绝缘物并且在相同的系统上运行。它们被调节为共同的比例，并且显示出即使在较低的温度下，由于在检测器中成像的热点较大这一事实，氮化硅具有较大的通量。

本申请包括的讨论旨在充当基本的说明。虽然已依照所示出和所描述的各实施方案描述了本发明，但本领域的技术人员会容易地看出可能有这些实施方案的各种变化，并且这些变化将在本发明的精神和范围内。读者应该注意，具体讨论可能没有明确地描述所有可能的实施方案；很多替代方案是隐含的。认为这样的修改等等是在本领域的技术人员的能力范围内以及本发明的范围和精神内的简单修改。因此，在不脱离本发明的精神、范围和本质的情况下，可由本领域的技术人员作出很多这样的修改。说明书、附图和术语皆非旨在限制本发明的范围，本发明由权利要求限定。

发射率增强的中红外源专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。