溫度補償在自然伽馬儀中的應用
發布時間：2017-09-01
1引言
自然伽馬儀用于探測地層的自然 射線或在井中釋放的放射性同位素產生的 射線，應用于產出剖面、吸水剖面、校正井深和劃分地層等。自然伽馬儀探頭由碘化鈉晶體 NaI TI 和光電倍增管組成，當射線通過碘化鈉晶體時，NaI TI 與 射線發生相互作用，產生正比于 射線能量的可見光。這些光子到達光電倍增管的光陰極后被轉化為電子，電子經光電倍增管的光陰極與陽極間的高壓加速后飛到倍增極上。每個倍增極均發生電子倍增現象，其倍增系數與所加電壓成正比。所以光電倍增管的供電電壓必須非常穩定，以保證倍增系數變化最小。到達陽極時，光陰極上的電信號已被放大了百萬倍以上，而光陰極上產生的電子數與照射到它上面的光子數成正比。伽馬儀正是根據這個原理實現對自然 射線的測量。
在實際測量中，由于溫度對探頭的影響，自然伽馬儀的計數隨溫度變化而變化，溫度升高，計數下降，計數漲落起伏大，從而導致測量不準確、不穩定，測量結果不真實、不可靠。
2 引入溫度補償的原因
(1)由于光電倍增管在理論上不存在“坪”，但隨著高壓的增加，在一定電壓范圍內，脈沖數變化最小，形成坡度最小的電壓脈沖曲線，通常也稱其為坪;而且光電倍增管輸出的電脈沖幅度隨溫度變化而變化，即溫度越高，其輸出的電脈沖幅度越低，呈反相線性關系。
(2)實際中自然伽馬儀的處理電路一般經隔直、線性放大、比較電路、整形、驅動放大后輸出信號。常溫下對同一自然 射線強度的計數是穩定的，計數起伏也小;但隨著溫度升高其計數下降，特別是高溫下計數下降更加明顯，造成了自然伽馬計數隨溫度變化而變化，即不同溫度下對同一自然 射線強度的計數卻不一致，從而導致測量結果不真實、不可靠。因此，在自然伽馬儀中引入溫度補償方法，最大限度地改善其溫度特性以確保測量的準確性及穩定性。
3自然伽馬儀中溫度補償原理及方法
由于光電倍增竹輸出信號脈沖幅度與溫度之間的關系，即在某一電壓下其輸出脈沖幅度隨溫度變化而變化，溫度升高輸出脈沖幅度降低。因而在常溫和高溫下通過如圖1所小電壓比較器U3A所設計的門檻的脈沖數量就不同，反映到儀器上，測出的伽馬計數便隨溫度升高而降低。假使溫度發生變化時比較器門檻值也能相應發生變化，并呈現某種關系，則可以通過自動調節比較器門檻值來達到補償溫度的目的，因此考慮設置自動調節比較器門檻電壓值是實現溫度補償的關鍵。
為此采用圖 2 所示方式自動調節電壓比較器U3A門檻值來達到溫度補償作用。其中 GR-IN 為經過前置放大處理的伽馬信號。電路中溫度補償器件為 LM135溫度傳感器和變阻器 R*。該電路利用 LM135 在不同溫度下阻值的變化來達到自動調節比較器 U3A 的門檻電壓值目的，溫度升高，LM135 溫度傳感器阻值上升，通過分壓、再將電壓信號經運算放大器 U5 反相放大，再分壓，使得比較器 U3A 門檻電壓也隨之下降，即達到自動調節比較器 U3A 的門檻電壓值目的，因而起到了溫度補償作用。該電路的實際使用大大改善了自然伽馬儀溫度特性，效果非常不錯。
在充分考慮前兩個電路的基礎上，并經過多方面試驗，采用二極管 1N4007 作溫度補償器件，電路如圖3 所示，其中 GR-IN 為經過前置放大處理的伽馬信號。該電路有兩個特點：一是利用 1N4007 正向導通電壓的溫度特性，即其正向導通電壓隨溫度變化而變化，溫度升高，正向導通電壓降低，好象溫度探頭的阻值隨溫度變化一樣。在電路中使用該特點起到鉗位作用，常溫下 1N4007 正向導通電壓為 0.7V，隨著溫度升高，其正向導通電壓下降，通過運算放大器跟隨放大、分壓，使得比較器 U3A 的 2 腳電壓隨之下降，從而達到自動調節電壓比較器的門檻電壓值，以達到溫度補償的目的。二是 1N4007 是常用的二極管，用起來簡單、方便，而且電路也較簡單，調試方便。該電路起到了真正意義上的溫度補償作用。
圖 4 所示，是自然伽馬儀溫度補償的另一類電路。其中 GR-IN 為經過前置放大處理的伽馬信號。整個電路采用單電源供電，且較前幾個電路更簡單。該電路中穩壓管 1N5324(6.1V)的溫度特性是：溫度升高，穩壓值也隨之升高，使得電壓比較器 U2 的 2、3 腳的電壓值隨溫度升高而升高，且 2、3 腳間電壓差也隨之增加，從而使得電壓比較器 U2 門檻電壓值建立在與其信號輸入端的相對變化中，因而達到門檻電壓自動調節作用，起到了溫度補償作用。目前該電路的使用效果也很好。
需要特別注意，圖 4 的溫度補償方法與圖 2、圖3 不同。圖 2、圖 3 的溫度補償方法是一種靜態補償方法，它考慮的是自動調節電壓比較器門檻電壓值的絕對變化;而圖 4 的溫度補償方法是一種動態補償方法，它考慮的是自動調節電壓比較器門檻電壓與其信號輸入端相對變化值。這也是兩類補償方法的最根本的差異。
4 結束語
本文所討論的在自然伽馬儀中引入溫度補償觀點，其目的就是為了改善自然伽馬儀的溫度性能，提高實際測量的準確性和穩定性，其方法就是自動調節比較器的門檻值以達到補償的目的。目前通過產品生產和現場實際測井，應用效果良好，創造了可觀的經濟效益。
摘自：中國計量測控網
