光電倍增管在測井儀器中的應(yīng)用

魏 琳 尹國平

(川慶鉆探工程公司測井公司 重慶)

光電倍增管在測井儀器中的應(yīng)用

魏 琳 尹國平

(川慶鉆探工程公司測井公司 重慶)

文章介紹了光電倍增管(PMT)的基本工作原理以及在ECLIPS5700自然伽馬能譜和巖性密度測井儀器中的使用。并總結(jié)了在使用中的注意事項(xiàng)。

光電倍增管;伽馬能譜;密度;注意事項(xiàng)

0 引 言

光電倍增管于1934年第一次研制成功,它作為弱光探測器已有70多年的發(fā)展歷史。自20世紀(jì)80年代開始,光電倍增管進(jìn)入飛速發(fā)展的階段,各種結(jié)構(gòu)和功能的光電倍增管層出不窮,性能參數(shù)也不斷提高。由于光電倍增管具有極高的靈敏度、快速響應(yīng)等特點(diǎn),在探測微弱光信號及快速脈沖光信號方面是一個(gè)重要的探測器件[1]。因此,光電倍增管被廣泛應(yīng)用到光譜分析、遙感衛(wèi)星測量、環(huán)境監(jiān)測等廣闊領(lǐng)域。在石油測井儀器中,光電倍增管做為射線探測器而被大量使用。

1 光電倍增管的工作原理[1]

光電倍增管是一種建立在光電子發(fā)射效應(yīng)、二次電子發(fā)射和電子光學(xué)理論基礎(chǔ)上的,把微弱入射光轉(zhuǎn)換成光電子并獲得倍增的重要真空光電器件,它可以把光信號轉(zhuǎn)化為電信號。光電倍增管主要由光入射窗口、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、倍增極和陽極等組成,簡要示意圖如圖1所示。其中的D1、D2、…Dn為倍增極。光電倍增管的陰極和陽極之間接有高壓,入射光打到光陰極,激勵(lì)光陰極發(fā)出光電子,在高速初電子的激發(fā)下,第一倍增極被激發(fā)出若干二次電子,這些電子在電場的作用下,打到第二倍增極處,又引起更多的二次電子發(fā)射,此過程一直持續(xù)到Dn。光電子經(jīng)各倍增極倍增后,經(jīng)陽極輸出電流,在負(fù)載RL上產(chǎn)生信號電壓[1]。

圖1 光電倍增管結(jié)構(gòu)示意圖

2 光電倍增管的主要特性參數(shù)

2.1 靈敏度

光電倍增管具有很高的靈敏度,可以探測非常微弱的光信號,甚至僅有10-18～10-17w的單光子信號都能探測。特別是近年來所開發(fā)的具有不透明多堿光電陰極的側(cè)窗管R1477,其光照靈敏度已經(jīng)高達(dá)375 μA/lm,堪稱目前世界上不透明多堿光電陰極的最高水平。

2.2 電流放大倍數(shù)

光電倍增管陰極產(chǎn)生的很小的光電子電流通過倍增后被放大成較大的陽極輸出電流。電流放大倍數(shù)就是光電倍增管的陽極輸出電流與陰極光電子電流的比值。在理想情況下,具有n個(gè)倍增極,每個(gè)倍增極的平均二次電子發(fā)射率為δ的光電倍增管的電流增益為δn。二次電子發(fā)射率δ由δ=A·Eα給出,A為一常數(shù),E為極間電壓,α為由倍增極材料及其幾何結(jié)構(gòu)決定的系數(shù),α的數(shù)值一般介于0.7和0.8之間。

2.3 暗電流

無光照射時(shí),光電倍增管仍有微小的輸出電流,即暗電流,它是決定光電倍增管對微弱光信號的檢出能力的重要因素之一。暗電流的產(chǎn)生與電源電壓有密切關(guān)系。在低電壓時(shí),暗電流由漏電流決定;電壓較高時(shí),主要是熱電子發(fā)射;電壓再增大,會(huì)導(dǎo)致場致發(fā)射和殘余氣體離子發(fā)射,使暗電流急劇增加,甚至可能發(fā)

3 測井用光電倍增管的基本要求

3.1 溫度性能

一般地溫梯度為3℃/100m,而一般的油田深度上千米,再加上地面的溫度,所以要求光電倍增管的耐溫達(dá)到125℃～175℃,因此必須使用高溫光電倍增管。通常,高溫光電倍增管采用了在高溫中噪聲很小的光電面—銻鉀鈉高溫雙堿陰極材料,其最大特點(diǎn)是耐高溫,工作溫度可達(dá)175℃。倍增極使用銅鈹合金型倍增極,其溫度性能好。同時(shí)還采取了其它材料和工藝,來滿足溫度和振動(dòng)的要求。

3.2 坪特性

坪特性是一個(gè)很重要的參數(shù)。光電倍增管與閃爍體組成探測器時(shí),當(dāng)外部射線的輻射強(qiáng)度一定時(shí),其計(jì)數(shù)率會(huì)隨著光電倍增管的高壓增高而加大。但在某一高壓范圍內(nèi),計(jì)數(shù)率基本保持不變,若繼續(xù)增加電壓則計(jì)數(shù)率會(huì)迅速增加,這種特性稱為坪特性。通常都是在坪區(qū)內(nèi)設(shè)定工作電壓,以得到相對穩(wěn)定的計(jì)數(shù)率。坪的長度一般為200 V～400 V。實(shí)際工作電壓最好選在坪的中央。實(shí)際上,在坪區(qū)內(nèi)電壓增加時(shí)計(jì)數(shù)率稍有增加,即坪有坪斜。在測井儀器中,坪越長,坪斜越小,光電管的性能越好。

3.3 閃爍體的選型

所選閃爍體的種類和尺寸應(yīng)適應(yīng)于所探測射線的種類、強(qiáng)度及能量,也就是說選用的閃爍體在測量一種射線時(shí)能排除其它射線的干擾。閃爍體的發(fā)光光譜應(yīng)盡可能地和所選用的光電倍增管光陰極的光譜響應(yīng)配合。閃爍體的發(fā)光效率要足夠高,有較好的透明度和較小的折射率以使閃爍體發(fā)射的光子盡量被收集到光電倍增管的光陰極上。在測井儀器中,常用光電倍增管和碘化鈉(NaI)晶體或典化銫(CsI)晶體組合作為閃爍探測器,對伽馬射線進(jìn)行能量和強(qiáng)度的測量。NaI的光電效應(yīng)、康-吳效應(yīng)、電子對效應(yīng)的吸收系數(shù)搜比較大,這對于探測伽馬射線是很有利的。但其缺點(diǎn)是容易潮解。CsI對伽馬射線的探測效率更高,但缺點(diǎn)是能量分辨率比NaI差,且價(jià)格貴。

4 光電倍增管在測井儀器中的應(yīng)用[2]

4.1 光電倍增管在自然伽馬能譜測井儀中的應(yīng)用

在ECLIPS5700自然伽馬能譜(1329XA)測井儀器中,伽馬射線探測器由抗潮性好的碘化銫(CsI)閃爍體和光電倍增管組成。地層的伽馬射線射到CsI晶體上,發(fā)生光電效應(yīng)、康-吳散射和電子對生成效應(yīng),產(chǎn)生的次級電子與閃爍晶體作用,使晶體分子或原子發(fā)生激發(fā)和電離,退激后產(chǎn)生熒光光子。熒光光子收集到光陰極上,產(chǎn)生熒光光電子,它們射到光電倍增管的打拿極上,并在光電倍增管內(nèi)放大后收集到陽極,形成熒光光電流脈沖。經(jīng)過光電倍增管的負(fù)載電阻,產(chǎn)生與伽馬光子能量成正比的電壓負(fù)脈沖信號,再通過耦合電容后由前置放大器倒相放大送到脈沖幅度分析器(PHA)。PHA電路把能譜脈沖的幅度轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量,轉(zhuǎn)換精度為8位,相應(yīng)于256道脈沖幅度分析。變換后得到的脈沖幅度數(shù)字量送到增量器進(jìn)行電路處理。每個(gè)數(shù)字量對應(yīng)單片機(jī)內(nèi)存中的一個(gè)地址,稱為一道,每收集到一個(gè)脈沖,就在相應(yīng)的道值上加1。單片機(jī)中每個(gè)道址逐步累積起不同的計(jì)數(shù),它們在地面系統(tǒng)上便顯示成被測伽馬射線的脈沖幅度譜,其橫坐標(biāo)是脈沖幅度對應(yīng)的道址,而縱坐標(biāo)是每個(gè)道址的計(jì)數(shù)[2]。原理框圖如圖2所示。

圖2 伽馬能譜原理框圖

4.2 光電倍增管在巖性密度測井儀中的應(yīng)用

在ECLIPS5700的密度測井儀2228XA中,探頭部分由兩個(gè)NaI閃爍晶體、兩個(gè)光電倍增管及一個(gè)0.5 μCi銫源組成。0.5μCi銫源裝配在長源距晶體部位,用于監(jiān)控長源距探頭的穩(wěn)定性。

來自于2 Ci銫源的伽馬射線照射周圍井眼,經(jīng)康-吳散射的地層伽馬射線進(jìn)入長、短源距窗口。當(dāng)被晶體捕獲后,產(chǎn)生離散的光子,在光電倍增管內(nèi),那些光子變成電脈沖,電脈沖經(jīng)過一系列打拿級后被放大,這些信號分別送到短源距和長源距前放部分的輸入端進(jìn)行處理。原理框圖如圖3所示。

圖3 巖性密度2228XA原理框圖

5 實(shí)際使用中的注意事項(xiàng)

5.1 耦合

由于閃爍體與光電倍增管的光陰極的接觸面存在著空氣,為了盡量減少光線在交界面上發(fā)生全反射,減少光損失,以利于將大部分光子收集到光陰極上去,需要在閃爍體與光電倍增管之間加上一層“耦合劑”。光耦合劑的材料有硅油、硅脂、甘油等。

5.2 高壓供電

光電倍增管需要在陰陽極之間加上近千伏的高壓,并對陰極、聚焦極、倍增極、陽極之間分配一定的極間電壓,才能正常工作。通常用一組電阻跨接陰陽極之間進(jìn)行分壓,有時(shí)用齊納二極管代替電阻,確保極間電壓恒定。在測井儀器中,通常光電倍增管的高壓需要1 500 V左右。陽極接正高壓,陰極接地電位為正高壓方式。正高壓的優(yōu)點(diǎn)是可以減少光電倍增管的噪聲。這是因?yàn)殛帢O材料通常是涂敷在光電倍增管玻璃殼前端內(nèi)表面上。在使用中,光電倍增管外面有金屬套作電磁屏蔽,此外套通常是接地的。由于光陰極是地電位,因此在金屬殼外和光陰極之間沒有電位差,這樣在兩者之間不會(huì)產(chǎn)生微弱放電。但為了分離正高壓,必須使用耦合電容。相反,如果使用負(fù)高壓,即負(fù)高壓接光陰極,陽極接地。由于在兩者之間有較高的電位差,可能引起放電而產(chǎn)生噪聲脈沖。所以通常選用正高壓。光電倍增管對高壓供電電源的穩(wěn)定性要求比較高,一般高壓電源電壓的穩(wěn)定性應(yīng)比光電倍增管所要求的穩(wěn)定性約高10倍。目前,體積小巧的維納斯高壓電源模塊比較適合用于光電倍增管中。

5.3 穩(wěn)譜

井下溫度變化范圍很大,而光電倍增管的放大倍數(shù)會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生較大的變化。因此,如果不采取一定的措施來穩(wěn)譜的話,脈沖幅度的分析就不能代表伽馬射線能量的分析。例如在ECLIPS5700的自然伽馬能譜儀器中,根據(jù)地面系統(tǒng)顯示的K峰相對K參考峰的漂移量ΔPk,改變增益值,系統(tǒng)軟件根據(jù)增益值求出需要調(diào)整的高壓代碼HV送入井下儀器。井下儀器將高壓代碼HV解碼后得到維納斯電源的輸入控制電壓HVENUS。該電壓值在維納斯電源內(nèi)部被放大后輸入到光電倍增管的陽極來控制系統(tǒng)的增益。因此,通過調(diào)節(jié)高壓可以使光電倍增管工作在線性區(qū),從而達(dá)到穩(wěn)譜的目的。

5.4 疲勞和老化

在入射光強(qiáng)度過大或照射時(shí)間過長時(shí),光電倍增管會(huì)出現(xiàn)光電流衰減、靈敏度驟降的疲勞現(xiàn)象,這是由于過大的光電流使電極升溫而使光電發(fā)射材料蒸發(fā)過多所引起。在停歇一段時(shí)間后還可全部或部分得到恢復(fù)。光電倍增管由于疲勞效應(yīng)而靈敏度逐步下降,稱為老化,最后會(huì)損壞而不能工作。過強(qiáng)的入射光會(huì)加速光電倍增管的老化損壞,因此,無論其是否處于工作狀態(tài)均應(yīng)避免強(qiáng)光照射,接通電源之前應(yīng)認(rèn)真檢查管子的避光情況。把新的光電倍增管自然老化一段時(shí)間后在使用,且使用的陽極電流小一些可減慢老化過程。

5.5 熱穩(wěn)定性

光電倍增管的耐熱穩(wěn)定性差。在高溫條件下工作時(shí),光陰極的發(fā)射效率將大大降低,結(jié)果導(dǎo)致脈沖幅度下降。通常,由室溫升至100°C時(shí),光電倍增管輸出脈沖幅度約下降50%。同時(shí),隨環(huán)境溫度升高,熱噪聲增加。在測井儀器中,為減小溫度的影響,有時(shí)把閃爍計(jì)數(shù)器放在金屬保溫瓶內(nèi)。

5.6 防震

對于有光電倍增管的儀器,在使用和搬運(yùn)過程中必須輕拿輕放,以免損壞光電倍增管。

6 結(jié)束語

光電倍增管關(guān)系到自然伽馬能譜和巖性密度測井儀器的靈敏度、計(jì)數(shù)范圍和精度。通過合理地選擇和使用光電倍增管,能使儀器更加穩(wěn)定可靠地工作。

[1] 龐巨豐,李長星,等.測井原理及儀器[M].科學(xué)出版社,2008

[2] Baker Atlas.1329XA/XB WTS SPECTRALOG MAINTENANCE MANUAL.2000(資料)

PI,2010,24(6):26～28

This paper introduces the basic working principle of the photomultiplier tube(PMT)and its application to ECLIPS 5700 logging tools of natural gamma ray spectrometry and the lithology density.The paper also summaries notices in use.

Key words:PMT;natural gamma ray spectrometry;lithology density;notices

Application of the photomultiplier tube to logging tools.

Wei Lin and Yin Guoping.

TN609

B

1004-9134(2010)06-0026-03

魏 琳女,1982年生,重慶大學(xué)碩士研究生,現(xiàn)在川慶鉆探工程公司測井公司從事測井儀器維修工作。郵編:400021生自持放電。實(shí)際應(yīng)用中,為了得到比較高的信噪比,必須選擇適當(dāng)?shù)臉O間電壓。

2010-02-11編輯:梁保江)