光电倍增管在测井仪器中的应用

魏 琳 尹国平

(川庆钻探工程公司测井公司 重庆)

光电倍增管在测井仪器中的应用

魏 琳 尹国平

(川庆钻探工程公司测井公司 重庆)

文章介绍了光电倍增管(PMT)的基本工作原理以及在ECLIPS5700自然伽马能谱和岩性密度测井仪器中的使用。并总结了在使用中的注意事项。

光电倍增管;伽马能谱;密度;注意事项

0 引 言

光电倍增管于1934年第一次研制成功,它作为弱光探测器已有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,各种结构和功能的光电倍增管层出不穷,性能参数也不断提高。由于光电倍增管具有极高的灵敏度、快速响应等特点,在探测微弱光信号及快速脉冲光信号方面是一个重要的探测器件[1]。因此,光电倍增管被广泛应用到光谱分析、遥感卫星测量、环境监测等广阔领域。在石油测井仪器中,光电倍增管做为射线探测器而被大量使用。

1 光电倍增管的工作原理[1]

光电倍增管是一种建立在光电子发射效应、二次电子发射和电子光学理论基础上的,把微弱入射光转换成光电子并获得倍增的重要真空光电器件,它可以把光信号转化为电信号。光电倍增管主要由光入射窗口、光电阴极、电子光学系统、倍增极和阳极等组成,简要示意图如图1所示。其中的D1、D2、…Dn为倍增极。光电倍增管的阴极和阳极之间接有高压,入射光打到光阴极,激励光阴极发出光电子,在高速初电子的激发下,第一倍增极被激发出若干二次电子,这些电子在电场的作用下,打到第二倍增极处,又引起更多的二次电子发射,此过程一直持续到Dn。光电子经各倍增极倍增后,经阳极输出电流,在负载RL上产生信号电压[1]。

图1 光电倍增管结构示意图

2 光电倍增管的主要特性参数

2.1 灵敏度

光电倍增管具有很高的灵敏度,可以探测非常微弱的光信号,甚至仅有10-18～10-17w的单光子信号都能探测。特别是近年来所开发的具有不透明多碱光电阴极的侧窗管R1477,其光照灵敏度已经高达375 μA/lm,堪称目前世界上不透明多碱光电阴极的最高水平。

2.2 电流放大倍数

光电倍增管阴极产生的很小的光电子电流通过倍增后被放大成较大的阳极输出电流。电流放大倍数就是光电倍增管的阳极输出电流与阴极光电子电流的比值。在理想情况下,具有n个倍增极,每个倍增极的平均二次电子发射率为δ的光电倍增管的电流增益为δn。二次电子发射率δ由δ=A·Eα给出,A为一常数,E为极间电压,α为由倍增极材料及其几何结构决定的系数,α的数值一般介于0.7和0.8之间。

2.3 暗电流

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力的重要因素之一。暗电流的产生与电源电压有密切关系。在低电压时,暗电流由漏电流决定;电压较高时,主要是热电子发射;电压再增大,会导致场致发射和残余气体离子发射,使暗电流急剧增加,甚至可能发

3 测井用光电倍增管的基本要求

3.1 温度性能

一般地温梯度为3℃/100m,而一般的油田深度上千米,再加上地面的温度,所以要求光电倍增管的耐温达到125℃～175℃,因此必须使用高温光电倍增管。通常,高温光电倍增管采用了在高温中噪声很小的光电面—锑钾钠高温双碱阴极材料,其最大特点是耐高温,工作温度可达175℃。倍增极使用铜铍合金型倍增极,其温度性能好。同时还采取了其它材料和工艺,来满足温度和振动的要求。

3.2 坪特性

坪特性是一个很重要的参数。光电倍增管与闪烁体组成探测器时,当外部射线的辐射强度一定时,其计数率会随着光电倍增管的高压增高而加大。但在某一高压范围内,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。通常都是在坪区内设定工作电压,以得到相对稳定的计数率。坪的长度一般为200 V～400 V。实际工作电压最好选在坪的中央。实际上,在坪区内电压增加时计数率稍有增加,即坪有坪斜。在测井仪器中,坪越长,坪斜越小,光电管的性能越好。

3.3 闪烁体的选型

所选闪烁体的种类和尺寸应适应于所探测射线的种类、强度及能量,也就是说选用的闪烁体在测量一种射线时能排除其它射线的干扰。闪烁体的发光光谱应尽可能地和所选用的光电倍增管光阴极的光谱响应配合。闪烁体的发光效率要足够高,有较好的透明度和较小的折射率以使闪烁体发射的光子尽量被收集到光电倍增管的光阴极上。在测井仪器中,常用光电倍增管和碘化钠(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的光电效应、康-吴效应、电子对效应的吸收系数搜比较大,这对于探测伽马射线是很有利的。但其缺点是容易潮解。CsI对伽马射线的探测效率更高,但缺点是能量分辨率比NaI差,且价格贵。

4 光电倍增管在测井仪器中的应用[2]

4.1 光电倍增管在自然伽马能谱测井仪中的应用

在ECLIPS5700自然伽马能谱(1329XA)测井仪器中,伽马射线探测器由抗潮性好的碘化铯(CsI)闪烁体和光电倍增管组成。地层的伽马射线射到CsI晶体上,发生光电效应、康-吴散射和电子对生成效应,产生的次级电子与闪烁晶体作用,使晶体分子或原子发生激发和电离,退激后产生荧光光子。荧光光子收集到光阴极上,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,形成荧光光电流脉冲。经过光电倍增管的负载电阻,产生与伽马光子能量成正比的电压负脉冲信号,再通过耦合电容后由前置放大器倒相放大送到脉冲幅度分析器(PHA)。PHA电路把能谱脉冲的幅度转变为数字量,转换精度为8位,相应于256道脉冲幅度分析。变换后得到的脉冲幅度数字量送到增量器进行电路处理。每个数字量对应单片机内存中的一个地址,称为一道,每收集到一个脉冲,就在相应的道值上加1。单片机中每个道址逐步累积起不同的计数,它们在地面系统上便显示成被测伽马射线的脉冲幅度谱,其横坐标是脉冲幅度对应的道址,而纵坐标是每个道址的计数[2]。原理框图如图2所示。

图2 伽马能谱原理框图

4.2 光电倍增管在岩性密度测井仪中的应用

在ECLIPS5700的密度测井仪2228XA中,探头部分由两个NaI闪烁晶体、两个光电倍增管及一个0.5 μCi铯源组成。0.5μCi铯源装配在长源距晶体部位,用于监控长源距探头的稳定性。

来自于2 Ci铯源的伽马射线照射周围井眼,经康-吴散射的地层伽马射线进入长、短源距窗口。当被晶体捕获后,产生离散的光子,在光电倍增管内,那些光子变成电脉冲,电脉冲经过一系列打拿级后被放大,这些信号分别送到短源距和长源距前放部分的输入端进行处理。原理框图如图3所示。

图3 岩性密度2228XA原理框图

5 实际使用中的注意事项

5.1 耦合

由于闪烁体与光电倍增管的光阴极的接触面存在着空气,为了尽量减少光线在交界面上发生全反射,减少光损失,以利于将大部分光子收集到光阴极上去,需要在闪烁体与光电倍增管之间加上一层“耦合剂”。光耦合剂的材料有硅油、硅脂、甘油等。

5.2 高压供电

光电倍增管需要在阴阳极之间加上近千伏的高压,并对阴极、聚焦极、倍增极、阳极之间分配一定的极间电压,才能正常工作。通常用一组电阻跨接阴阳极之间进行分压,有时用齐纳二极管代替电阻,确保极间电压恒定。在测井仪器中,通常光电倍增管的高压需要1 500 V左右。阳极接正高压,阴极接地电位为正高压方式。正高压的优点是可以减少光电倍增管的噪声。这是因为阴极材料通常是涂敷在光电倍增管玻璃壳前端内表面上。在使用中,光电倍增管外面有金属套作电磁屏蔽,此外套通常是接地的。由于光阴极是地电位,因此在金属壳外和光阴极之间没有电位差,这样在两者之间不会产生微弱放电。但为了分离正高压,必须使用耦合电容。相反,如果使用负高压,即负高压接光阴极,阳极接地。由于在两者之间有较高的电位差,可能引起放电而产生噪声脉冲。所以通常选用正高压。光电倍增管对高压供电电源的稳定性要求比较高,一般高压电源电压的稳定性应比光电倍增管所要求的稳定性约高10倍。目前,体积小巧的维纳斯高压电源模块比较适合用于光电倍增管中。

5.3 稳谱

井下温度变化范围很大,而光电倍增管的放大倍数会随着温度的变化而发生较大的变化。因此,如果不采取一定的措施来稳谱的话,脉冲幅度的分析就不能代表伽马射线能量的分析。例如在ECLIPS5700的自然伽马能谱仪器中,根据地面系统显示的K峰相对K参考峰的漂移量ΔPk,改变增益值,系统软件根据增益值求出需要调整的高压代码HV送入井下仪器。井下仪器将高压代码HV解码后得到维纳斯电源的输入控制电压HVENUS。该电压值在维纳斯电源内部被放大后输入到光电倍增管的阳极来控制系统的增益。因此,通过调节高压可以使光电倍增管工作在线性区,从而达到稳谱的目的。

5.4 疲劳和老化

在入射光强度过大或照射时间过长时,光电倍增管会出现光电流衰减、灵敏度骤降的疲劳现象,这是由于过大的光电流使电极升温而使光电发射材料蒸发过多所引起。在停歇一段时间后还可全部或部分得到恢复。光电倍增管由于疲劳效应而灵敏度逐步下降,称为老化,最后会损坏而不能工作。过强的入射光会加速光电倍增管的老化损坏,因此,无论其是否处于工作状态均应避免强光照射,接通电源之前应认真检查管子的避光情况。把新的光电倍增管自然老化一段时间后在使用,且使用的阳极电流小一些可减慢老化过程。

5.5 热稳定性

光电倍增管的耐热稳定性差。在高温条件下工作时,光阴极的发射效率将大大降低,结果导致脉冲幅度下降。通常,由室温升至100°C时,光电倍增管输出脉冲幅度约下降50%。同时,随环境温度升高,热噪声增加。在测井仪器中,为减小温度的影响,有时把闪烁计数器放在金属保温瓶内。

5.6 防震

对于有光电倍增管的仪器,在使用和搬运过程中必须轻拿轻放,以免损坏光电倍增管。

6 结束语

光电倍增管关系到自然伽马能谱和岩性密度测井仪器的灵敏度、计数范围和精度。通过合理地选择和使用光电倍增管,能使仪器更加稳定可靠地工作。

[1] 庞巨丰,李长星,等.测井原理及仪器[M].科学出版社,2008

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

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,重庆大学硕士研究生,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:400021生自持放电。实际应用中,为了得到比较高的信噪比,必须选择适当的极间电压。

2010-02-11编辑:梁保江)