温度补偿在自然伽马仪中的应用
发布时间：2017-09-01
1引言
自然伽马仪用于探测地层的自然 射线或在井中释放的放射性同位素产生的 射线，应用于产出剖面、吸水剖面、校正井深和划分地层等。自然伽马仪探头由碘化钠晶体 NaI TI 和光电倍增管组成，当射线通过碘化钠晶体时，NaI TI 与 射线发生相互作用，产生正比于 射线能量的可见光。这些光子到达光电倍增管的光阴极后被转化为电子，电子经光电倍增管的光阴极与阳极间的高压加速后飞到倍增极上。每个倍增极均发生电子倍增现象，其倍增系数与所加电压成正比。所以光电倍增管的供电电压必须非常稳定，以保证倍增系数变化最小。到达阳极时，光阴极上的电信号已被放大了百万倍以上，而光阴极上产生的电子数与照射到它上面的光子数成正比。伽马仪正是根据这个原理实现对自然 射线的测量。
在实际测量中，由于温度对探头的影响，自然伽马仪的计数随温度变化而变化，温度升高，计数下降，计数涨落起伏大，从而导致测量不准确、不稳定，测量结果不真实、不可靠。
2 引入温度补偿的原因
(1)由于光电倍增管在理论上不存在“坪”，但随着高压的增加，在一定电压范围内，脉冲数变化最小，形成坡度最小的电压脉冲曲线，通常也称其为坪;而且光电倍增管输出的电脉冲幅度随温度变化而变化，即温度越高，其输出的电脉冲幅度越低，呈反相线性关系。
(2)实际中自然伽马仪的处理电路一般经隔直、线性放大、比较电路、整形、驱动放大后输出信号。常温下对同一自然 射线强度的计数是稳定的，计数起伏也小;但随着温度升高其计数下降，特别是高温下计数下降更加明显，造成了自然伽马计数随温度变化而变化，即不同温度下对同一自然 射线强度的计数却不一致，从而导致测量结果不真实、不可靠。因此，在自然伽马仪中引入温度补偿方法，最大限度地改善其温度特性以确保测量的准确性及稳定性。
3自然伽马仪中温度补偿原理及方法
由于光电倍增竹输出信号脉冲幅度与温度之间的关系，即在某一电压下其输出脉冲幅度随温度变化而变化，温度升高输出脉冲幅度降低。因而在常温和高温下通过如图1所小电压比较器U3A所设计的门槛的脉冲数量就不同，反映到仪器上，测出的伽马计数便随温度升高而降低。假使温度发生变化时比较器门槛值也能相应发生变化，并呈现某种关系，则可以通过自动调节比较器门槛值来达到补偿温度的目的，因此考虑设置自动调节比较器门槛电压值是实现温度补偿的关键。
为此采用图 2 所示方式自动调节电压比较器U3A门槛值来达到温度补偿作用。其中 GR-IN 为经过前置放大处理的伽马信号。电路中温度补偿器件为 LM135温度传感器和变阻器 R*。该电路利用 LM135 在不同温度下阻值的变化来达到自动调节比较器 U3A 的门槛电压值目的，温度升高，LM135 温度传感器阻值上升，通过分压、再将电压信号经运算放大器 U5 反相放大，再分压，使得比较器 U3A 门槛电压也随之下降，即达到自动调节比较器 U3A 的门槛电压值目的，因而起到了温度补偿作用。该电路的实际使用大大改善了自然伽马仪温度特性，效果非常不错。
在充分考虑前两个电路的基础上，并经过多方面试验，采用二极管 1N4007 作温度补偿器件，电路如图3 所示，其中 GR-IN 为经过前置放大处理的伽马信号。该电路有两个特点：一是利用 1N4007 正向导通电压的温度特性，即其正向导通电压随温度变化而变化，温度升高，正向导通电压降低，好象温度探头的阻值随温度变化一样。在电路中使用该特点起到钳位作用，常温下 1N4007 正向导通电压为 0.7V，随着温度升高，其正向导通电压下降，通过运算放大器跟随放大、分压，使得比较器 U3A 的 2 脚电压随之下降，从而达到自动调节电压比较器的门槛电压值，以达到温度补偿的目的。二是 1N4007 是常用的二极管，用起来简单、方便，而且电路也较简单，调试方便。该电路起到了真正意义上的温度补偿作用。
图 4 所示，是自然伽马仪温度补偿的另一类电路。其中 GR-IN 为经过前置放大处理的伽马信号。整个电路采用单电源供电，且较前几个电路更简单。该电路中稳压管 1N5324(6.1V)的温度特性是：温度升高，稳压值也随之升高，使得电压比较器 U2 的 2、3 脚的电压值随温度升高而升高，且 2、3 脚间电压差也随之增加，从而使得电压比较器 U2 门槛电压值建立在与其信号输入端的相对变化中，因而达到门槛电压自动调节作用，起到了温度补偿作用。目前该电路的使用效果也很好。
需要特别注意，图 4 的温度补偿方法与图 2、图3 不同。图 2、图 3 的温度补偿方法是一种静态补偿方法，它考虑的是自动调节电压比较器门槛电压值的绝对变化;而图 4 的温度补偿方法是一种动态补偿方法，它考虑的是自动调节电压比较器门槛电压与其信号输入端相对变化值。这也是两类补偿方法的最根本的差异。
4 结束语
本文所讨论的在自然伽马仪中引入温度补偿观点，其目的就是为了改善自然伽马仪的温度性能，提高实际测量的准确性和稳定性，其方法就是自动调节比较器的门槛值以达到补偿的目的。目前通过产品生产和现场实际测井，应用效果良好，创造了可观的经济效益。
摘自：中国计量测控网
