一種用于脈沖中子氧活化測井儀數(shù)據(jù)采集電路方法的探析

張 峰 李 瓊 程晶晶 李照浦

（1、中海油田服務(wù)股份有限公司測井技術(shù)研究院，北京101149 2、華中科技大學(xué)人工智能與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢430074）

目前氧活化測井解釋方法主要依賴于時(shí)間譜，本設(shè)計(jì)則同時(shí)采集的能譜信息和時(shí)間譜信息，可以通過能譜將活化氧產(chǎn)生的伽馬與自然背景的伽馬區(qū)分開，在地層環(huán)境復(fù)雜以及移動(dòng)測量時(shí)具備獨(dú)特的優(yōu)勢。

1 采集電路設(shè)計(jì)

脈沖中子氧活化測井儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括兩部分，一部分控制中子發(fā)生器向地層發(fā)射中子，構(gòu)成中子發(fā)射短節(jié)；另一部分采集地層中產(chǎn)生的伽馬射線并獲取其中所包含的信息，構(gòu)成數(shù)據(jù)采集短節(jié)。數(shù)據(jù)采集短節(jié)內(nèi)部包含三個(gè)探頭，按照與中子發(fā)生器的距離分別記為短源探頭SS，長源探頭LS 以及超長源探頭XLS。其結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

由于數(shù)據(jù)采集短節(jié)內(nèi)一共有三個(gè)探頭，每個(gè)探頭內(nèi)部封裝了NaI 晶體和光電倍增管，將外界伽馬轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，因此采集電路需要同時(shí)對三路脈沖信號需要進(jìn)行處理與采集。

針對每一個(gè)探頭而言，其產(chǎn)生的脈沖信號首先需要通過前置放大器提高信噪比[5]。前置放大器有兩級，第一級采用電流靈敏型前置放大器對信號進(jìn)行脈沖整形[6]；第二級采用了同相比例放大器，可以改變電阻的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)增益的調(diào)節(jié)，有利于后續(xù)能譜的標(biāo)定。由于不同探頭處于儀器的不同位置，因此采用了同軸線進(jìn)行信號傳輸并通過無源CDD 基線恢復(fù)電路[7]來消除脈沖堆積造成的基線偏移現(xiàn)象。隨后將信號分為兩路：一路進(jìn)行脈沖展寬同時(shí)獲取展寬后脈沖的峰值時(shí)刻，從而觸發(fā)ADC 采集脈沖的峰值，獲取能量信息；另一路通過比較器將脈沖信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，有利于計(jì)數(shù)信息的獲取。最終，通過兩個(gè)單片機(jī)對信號采集、成譜、上傳，整個(gè)電路的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集電路結(jié)構(gòu)

2 測試與結(jié)果分析

由于電路的主要功能是能譜采集，因此測試過程以Cs137為基準(zhǔn)源，對每個(gè)通道單獨(dú)進(jìn)行測試。在單片機(jī)內(nèi)編寫測試程序上傳采集的能譜數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)驗(yàn)證能譜采集功能同時(shí)利用Cs137 的特征峰標(biāo)定能譜范圍，實(shí)驗(yàn)過程如圖3 所示。

圖3 測試流程

在實(shí)驗(yàn)過程中，穩(wěn)壓電源IPS4303 提供正負(fù)18V 電源來模擬井下設(shè)備的供電狀態(tài)，通過電源模塊可以將正負(fù)18V 轉(zhuǎn)換為電路和探頭所需的電壓。采集電路的CAN 總線則是通過轉(zhuǎn)接器轉(zhuǎn)換為USB 信號與PC 連接，在PC 上通過與轉(zhuǎn)接器相匹配的軟件來實(shí)現(xiàn)地面系統(tǒng)功能，完成命令的下發(fā)和數(shù)據(jù)的上傳。

為了方便對比進(jìn)行了兩組實(shí)驗(yàn)，一組沒有任何放射源，只采集自然界中的伽馬射線以及電路本身的噪聲信號，對應(yīng)本底測量，另一組在探頭旁放置Cs137 豁免源，兩組能譜均采集10 分鐘。在測試環(huán)境沒有發(fā)生變化時(shí)可以認(rèn)為本底和噪聲是穩(wěn)定的，因此將測量能譜減去本底能譜就可以得到扣除本底與噪聲干擾的Cs137 能譜如圖4 所示。

圖4 10 分鐘扣除本底的Cs137 能譜

根據(jù)Cs137 的能譜可知，其特征峰對應(yīng)的能量為662keV。從圖中可以看出能量峰值落在第19 道，而能譜一共有256 道，由此可以得出能譜采集能量的最大范圍為：

對于氧來說，其活化后釋放的伽馬射線能量集中在6.13MeV，能夠落在能譜范圍內(nèi)較為合適的區(qū)間。在實(shí)際使用中即能夠明顯地觀察到活化氧峰值區(qū)域，又不會使氧峰附近的數(shù)據(jù)被邊界剔除，滿足氧活化儀器的工作需求。

結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了脈沖中子氧活化測井儀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠同時(shí)對儀器內(nèi)三個(gè)探頭產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行處理與采集，獲取能譜和時(shí)間譜信息。在信號的處理過程中，根據(jù)恒比定時(shí)鑒別法，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了脈沖信號的展寬和峰值時(shí)刻獲取，使其功耗、體積顯著減小，從而滿足測井儀器工作的需求。最終儀器的能譜范圍標(biāo)定在8.92MeV，能夠較為明顯地顯示活化氧產(chǎn)生的6.13MeV 特征伽馬。在氧活化測井過程中，利用采集的能譜數(shù)據(jù)可以提取出活化氧釋放的伽馬計(jì)數(shù)，過濾其它能量范圍伽馬射線產(chǎn)生的干擾，從而提高儀器的測量精度。