光电倍增管在测井仪器中的应用.pdf

石油仪器
PETROLEUM INSTRU MENTS
2010年12月
仪器设备?
光电倍增管在测井仪器中的应用
魏琳尹国平
(川庆钻探工程公同测井公可重庆
摘要:文章介绍了光电倍増管(PMT)的基本工作原理以及在 ECLPSS5700自然伽马能谮和岩性密度測井仪器中的
使用。并总结了在使用中的注意事项。
关键词:光电倍增管;伽马能谱;密度;注意事项
中图法分类号:TN609文献标识码:B文章编号:1004-9134(2010)06-0026-03
次电子发射,此过程一直持续到Dm。光电子经各倍增
0引言
极倍增后,经阳极输出电流,在负载RL上产生信号电
光电倍增管于1934年第一次研制成功,它作为弱压口。
光探测器已有70多年的发展历史。自20世纪80年
代开始,光电倍增管进入飞速发展的阶段,各种结构和
光电倍增管的主要特性参数
功能的光电倍增管层出不穷,性能参数也不断提高。2.1灵敏度
由于光电倍增管具有极高的灵敏度、快速响应等特点,
光电倍增管具有很高的灵敏度,可以探测非常微
在探测微弱光信号及快速脉冲光信号方面是一个重要弱的光信号,甚至仅有10-18~10-1w的单光子信号
的探测器件。因此,光电倍增管被广泛应用到光谱都能探测。特别是近年来所开发的具有不透明多碱光
分析、遥感卫星测量、环境监测等疒广阔领域。在石油测电阴极的侧窗管R1477,其光照灵敏度已经高达375
井仪器中,光电倍增管做为射线探测器而被大量使用。A/m,堪称目前世界上不透明多碱光电阴极的最高
光电倍增管的工作原理
水平。
2.2电流放大倍数
光电倍增管是一种建立在光电子发射效应、二次
光电倍增管阴极产生的很小的光电子电流通过倍
电子发射和电子光学理论基础上的,把微弱入射光转增后被放大成较大的阳极输出电流。电流放大倍数就
換成光电子并获得倍増的重要真空光电器件,它可以是光电倍增管的阳极输出电流与阴极光电子电流的比
把光信号转化为电信号。光电倍增管主要由光人射窗值。在理想情况下,具有a个倍増极,每个倍增极的
口、光电阴极、电子光学系统、倍增极和阳极等组成,简平均二次电子发射率为δ的光电倍增管的电流增益
要示意图如图1所示。其中的D1、D2、…Dn为倍増为。二次电子发射率6由お=A?肿给出,A为一常
极。光电倍増管的阴极和阳极之间接有高压,入射光数,E为极间电压,a为由倍增极材料及其儿何结构決
光阴极D2
定的系数,a的数值一般介于0.7和0.8之间。
射光
阳极∥Vo
2.3暗电流
D3
无光照射时,光电倍增管仍有微小的输出电流,即
暗电流,它是决定光电倍增管对微弱光信号的检出能
图1光电倍增管结构示意图
力的重要因素之一。暗电流的产生与电源电压有密切
打到光阴极,激励光阴极发出光电子在高速初电子的关系。在低电压时,暗电流由漏电流决定;电压较高
激发下,第一倍増极被激发出若干二次电子,这些电子时,主要是热电子发射;电压再增大,会导致场致发射
在电场的作用下,打到第二倍增极处,又引起更多的二
和残余气体离子发射,使暗电流急剧增加,甚至可能发
第一作者简介:魏琳女,1982年生,重庆大学硕土研究生,现在川庆钻探工程公司测井公司从事测井仪器维修工作。邮编:40001
2010年第24卷第6期
魏琳等:光电倍增管在测井仪器中的应用
生自持放电。实际应用中,为了得到比较高的信噪比,生的次级电子与闪烁晶体作用,使晶体分子或原子发
必须选择适当的极间电压。
生激发和电离,退激后产生荧光光子。荧光光子收集
3测井用光电倍增管的基本要求
到光阴极上,产生荧光光电子,它们射到光电倍增管的
打拿极上,并在光电倍增管内放大后收集到阳极,形成
3.1温度性能
荧光光电流脉冲。经过光电倍増管的负载电阻,产生
般地温梯度为3℃/100m,而一般的油田深度上与伽马光子能量成正比的电压负脉冲信号,再通过耦
千米,再加上地面的温度,所以要求光电倍增管的耐温合电容后由前置放大器倒相放大送到脉冲幅度分析器
达到125℃~175℃,因此必须使用高温光电倍增管。(PHA)。PHA电路把能谱脉冲的幅度转变为数字量,
通常,高温光电倍增管釆用了在高温中噪声很小的光转换精度为8位,相应于256道脉冲幅度分析。变换
电面一锑钾钠高温双碱阴极材料,其最大特点是耐高后得到的脉冲幅度数字量送到增量器进行电路处理。
温,工作温度可达175℃。倍増极使用铜铍合金型倍每个数字量对应单片机内存中的一个地址,称为一道,
增极,其温度性能好。同时还采取了其它材料和工艺,每收集到一个脉冲,就在相应的道值上加1。单片机
来满足温度和振动的要求。
中每个道址逐步累积起不同的计数,它们在地面系统
3,2坪特性
上便显示成被测伽马射线的脉冲幅度谱,其横坐标是
坪特性是一个很重要的参数。光电倍増管与闪烁脉冲幅度对应的道址,而纵坐标是每个道址的计数2。
体组成探测器时,当外部射线的辐射强度一定时,其计原理框图如图2所示。
数率会随着光电倍增管的高压增高而加大。但在某
高压范围内,计数率基本保持不变,若继续增加电压则
计数率会迅速增加,这种特性称为坪特性。通常都是
光电倍前置。{A通讯地面系统
增管「放大器
在坪区内设定工作电压,以得到相对稳定的计数率。
图2伽马能谱原理框图
坪的长度一般为200V~400V。实际工作电压最好4.2光电倍増管在岩性密度测井仪中的应用
选在坪的中央。实际上,在坪区内电压增加时计数率
在 ECLIPS5700的密度测井仪2228XA中,探头部
稍有增加,即坪有坪斜。在测井仪器中,坪越长,坪斜分由两个Na闪烁品体、两个光电倍增管及一个0.5
越小,光电管的性能越好。
Ci铯源组成。0.5μ铯源装配在长源距晶体部位,
3.3闪烁体的选型
用于监控长源距探头的稳定性。
所选闪烁体的种类和尺寸应适应于所探测射线的
来自于2i铯源的伽马射线照射周围井眼,经康
种类、强度及能量,也就是说选用的闪烁体在测量一种
吴散射的地层伽马射线进人长、短源距窗口。当被
射线时能排除其它射线的干扰。闪烁体的发光光谱应晶体捕获后,产生离散的光子,在光电倍增管内,那些
尽可能地和所选用的光电倍增管光阴极的光谱响应配光子变成电脉冲,电脉冲经过一系列打拿级后被放大,
合。闪烁体的发光效率要足够高,有较好的透明度和这些信号分别送到短源距和长源距前放部分的输人端
较小的折射率以使闪烁体发射的光子尽量被收集到光进行处理。原理框图如图3所示
电倍增管的光阴极上。在测井仪器中,常用光电倍增
高压
温度补偿信号
管和碘化钠(NaI)晶体或典化铯(CsI)晶体组合作为闪
烁探测器,对伽马射线进行能量和强度的测量。NaI
P
短源距停号
的光电效应、康-吴效应、电子对效应的吸收系数搜比
PMIN
前放?主控制器?10板地面系统
较大,这对于探测伽马射线是很有利的。但其缺点是
容易潮解。Cs对伽马射线的探测效率更高,但缺点
高」し高压控制
是能量分辨率比Na[差,且价格贵。
长源距信殳
放?PHA板谱分析板
4光电倍增管在测井仪器中的应用2
图3岩性密度2228XA原理框图