脉冲中子测井仪器前端信号处理电路

曹攀辉, 周凯波, 程晶晶, 马双宝, 聂高宁

(1.华中科技大学自动化学院, 湖北 武汉 430074; 2.华中科技大学电气与电子工程学院,湖北 武汉 430074; 3.图像信息处理与智能控制教育部重点实验室, 湖北 武汉 430074;4.武汉纺织大学机械工程与自动化学院, 湖北 武汉 430074)

0 引 言

随着油气开采难度增加,对测井仪器的精度要求越来越高,常规的测井技术已远远不能满足实际需求。世界主要测井公司逐渐转向受环境因素影响小、分辨率高的脉冲中子测井技术的研究[1]。为了节约成本、提高有效测量精度,脉冲中子仪器发展朝着多功能组合式发展[2],这对仪器前端探头的信号处理电路提出了更高的要求。

本文介绍的电路方法有效解决了脉冲中子全谱采集测井仪前端信号放大和处理的问题。结合元器件的选型,该电路完成了0.1～10 MeV范围内的γ射线(14 MeV脉冲中子轰击地层元素产生)能量的测量;具有耐高温(150 ℃)、响应速度快(压摆率SR>10 V/μs)、线性度好等优点;实现了信号波形的有效整形,相对一般电路具有更高精度和准确度,可有效完成地层多种元素能谱数据的采集。

1 伽马闪烁探测器输出信号特性

脉冲中子与地层元素相作用发出的伽马射线首先被伽马闪烁探测器接收和处理。伽马闪烁探测器主要由闪烁晶体和光电倍增管组成[3],利用γ射线照射在闪烁体上发出光子,光电倍增管探测到光子后转化为电子信号,通过倍增管进行信号倍增形成可检测和分析的脉冲电信号。以R6667A-01型光电倍增管为例,其部分参数指标见表1。

表1 R6667A-01参数指标

从γ射线进入闪烁体到光电倍增管阳极负载上形成脉冲信号,其过程见图1[4]。

图1 闪烁探测器工作过程

图1所示意的阳极脉冲信号形成过程中经历了4个阶段。① γ射线进入闪烁体中,闪烁体探测接收γ射线。② 闪烁体将接收的γ射线转化为光子,BGO晶体的闪烁效率为8 200光子/MeV。③ 闪烁体发射出光子被光电倍增管的阴极窗接收,闪烁体和光导系统会反射或者吸收大部分光子,光电子会损失;阴极窗接收光子后,产生光电子。R6667A-01型光电倍增管阴极窗光子接收效率约为25%,接收光子后产生光电子量子效率为16.9%。④ 光电子经过倍增系统打拿级加速倍增,电子数量急剧加倍,最终在阳极形成脉冲电信号。R6667A-01倍增系统放大倍数为5×105。

经过上述过程,能量为1 MeV的γ射线,经R6667A-01型光电倍增管后,阳极输出电荷量为8200×1×25%×16.9%×5×105×1.6×10-19C=2.8×10-11C。

2 前置放大器设计

光电倍增管阳极输出为微弱的电荷信号,这些电荷信号需要经过前置放大器进行放大。电荷灵敏型放大器[5]是目前能谱测量系统中使用最多的前置放大器,它具有放大性能稳定、噪声低等优点。前放电路采用电荷灵敏型放大电路,输出信号为脉冲电压信号[6]。探测器输出信号为负脉冲信号,电荷灵敏放大器采用反向输入方式,电路设计见图2。

图2 电荷灵敏放大电路

图2中,由运算放大器U1和缓冲器U2组成电荷灵敏前置放大电路,缓冲器U2主要作用是提供电流驱动,同时满足电路高速需求。R1作为匹配电阻,其主要作用一方面是匹配同轴电缆的阻抗,一方面是将电流脉冲转化为电压脉冲,通常R1取值为50 Ω。C1为隔直流电容,主要作用是过滤信号中的直流信号,其取值与脉冲信号的频率相关。Rf为反馈电阻,其主要作用一是为反馈电容提供放电路径,另一是为直流部分提供负反馈通道,防止电路产生振荡自激,提高电路的稳定性。为了保证Cf上电荷积累,减少弹道亏损,防止放电过快造成信号的过冲,Rf的选取一般在MΩ量级。电荷脉冲信号通过电荷灵敏放大电路后输出端信号电压为[7]

(1)

当开环增益Ao>>1,Cf保持恒定,则电荷灵敏放大器输出信号幅度只与探测器输出电荷量Q成正比[8]。反馈电容Cf选取十分关键,Cf过大则噪声大,信噪比小;Cf过小则反馈深度小,输出幅度稳定性变差。综合考虑信噪比、反馈深度、放大器输出电压等因素,选取高精度、高稳定性能的电容作为反馈电容,取值100 pF左右。

采用Orcad软件对实验测试电路进行仿真调试分析,电荷灵敏前置放大器输入输出信号的PSPICE仿真波形见图3。蓝色信号Vi为输入50 mV,脉冲宽度为5 μs的负脉冲信号,红色信号Vo为仿真输出的放大信号。经过反向放大后,得到放大的正脉冲电压信号,实现了电荷负脉冲信号的放大处理要求,对于探测器输出信号周期短,幅值小等特点,电荷灵敏放大器输入阻抗高、开环增益大、输出稳定性好、较宽的带宽和响应速度快的特性能够符合要求。

图3 前放电路输入输出信号PSPICE仿真波形

根据前面对γ射线被探测器接收到在光电倍增管阳极负载上形成脉冲信号过程的介绍,晶体采用BGO晶体,光电倍增管采用R6667A-01,1 MeV的γ射线,探测器相应输出电荷量为2.8×10-11C。在上述前置放大器设计中反馈电容Cf取为100 pF时,0.1～10 MeV能量范围内的伽马射线对应幅度为0.028～2.8 V。运算放大器采用LT1363,其供电电压为±12 V,响应速率为1 000 V/μs,带宽为70 MHz,能够提供足够线性放大区域,满足高频快速放大。缓冲芯片采用BUF634,其供电电压为±2.5±18 V,响应速率为3 000 V/μs,带宽可达到180 MHz,并且拥有良好的噪声特性。

前放电路压摆率计算公式为

SR=2πfVpk

(2)

式中,f为最大频率,一般认为是带宽;Vpk是放大输出信号的最大峰值。图4为前置放大电路在150 ℃下稳定1 h后进行256次平均采样测量的放大性能分析。输入信号峰峰值在1 000～4 000 mV,频率在100 kHz～2 MHz范围内,放大倍数为5.22,前放电路带宽可达1.5 MHz(到2 MHz会产生2%的放大倍数衰减),并在输入信号峰峰值在4 000 mV范围内,表现出良好的线性特性,压摆率SR=166,远远高于脉冲信号转换速率要求。

图4 前放电路150 ℃放大性能测试

3 信号整形处理电路的设计

伽马探测器检测到的信号非常微弱,输出的脉冲信号上升快,下降慢,同时会产生一定的下冲。这些因素以及外界环境噪声的干扰对于信号的测量有着较严重的影响,因此需要对信号进行整形处理。信号整形处理电路主要包括基线恢复电路、零极相消电路、CR-RC(微分-积分)电路等。

图5 信号滤波整形电路

图5中,信号输入以后经过基线恢复电路,一方面是为了消除由于探测器输出信号通过前置放大器后,系统冲击响应具有缓慢衰减的尾部,尾部引起的基线偏移[9];另一方面是为了消除信号通过RC网络时电容充放电产生的基线偏移,基线恢复电路部分中由C1、R2、R3、D1、D2构成,最终达到减小基线涨落,消除电路中温度影响、电抗参数、幅度测量畸变造成的基线偏移[10]。

图5中,基线恢复后的S1信号经由U1组成的运算放大电路,送入微分电路[11]。光电倍增管输出脉冲信号周期很短,受限于部分元器件的转换速率,运算放大器U1可以起到隔离和缓冲的作用。经过U1后得到信号S2,再通过由C3和R7组成的微分电路。由于在前置放大电路中输入电阻不为∞,输出电压信号呈指数衰减,信号一般呈双极性,产生过零下冲,影响系统对于正常信号的放大性能,因此需要采用一个零极相消电路对信号进一步调整,保证微分后的输出信号为单极性信号[12]。

图5中信号经过由C3和R7组成的微分电路后传递函数为

(3)

式中,τf=R5C2,τ=R7C3。

式中,传递函数含有一个值为0的点,理论上会造成信号波形的双极性过冲。经过PSPICE仿真电路实验调试,仿真结果如图6所示,蓝色信号为微分电路输入信号S2,红色信号为微分电路输出信号S3。微分电路输出的信号S3拖尾得到了改善,但是产生了不良的过零下冲。

图6 微分前后PSPICE仿真波形

为了消除微分电路产生的过冲现象,需要在CR网络的电容C2上并联一个电阻R6,传递函数为

(4)

(5)

如此处理后,0值点消除,输入脉冲顶部较大的衰减常数变小,既达到加快信号下降的目的,也消除了信号过零下冲。信号处理仿真效果见图7,蓝色信号为零极相消电路输入信号S2,红色信号为零极相消电路输出信号S3。信号S3的拖尾以及过零下冲基本消除。

图7 零极相消电路PSPICE仿真波形

图8 积分前后PSPICE仿真波形

经过零极相消微分电路处理后,信号下降加快,波峰变尖,不利于峰值信号的准确采集,因此需要将波峰进行展宽,对信号进行积分处理。但为了避免无源CR和RC间相互干扰和影响,在CR和RC之间用一级运放来进行隔离。积分电路通过图5电路中的R10、C5实现。经过PSPICE仿真电路实验调试验证,仿真结果见图8,蓝色信号为积分电路输入信号S3,红色信号为积分电路输出信号Vo。信号S3经过积分电路后,信号Vo实现展宽。如果经过一级CR-RC电路后,信号波形没有达到要求,可以适当增加CR或者RC的级数。

4 电路性能测试结果

经过对前端信号特征分析计算,结合电路的PSPICE调试仿真,完成实物电路元器件选型、PCB绘制和电路焊接工作。图9为捕获的伽马射线经过伽马光电探测器转化为脉冲电信号后,经由电荷灵敏放大电路和滤波整形电路测试输出效果。图9中,信号3为经过电荷灵敏放大器反向放大和基线恢复后的脉冲电压信号;信号2(较窄波形信号)为经过零极相消微分电路后的信号波形;信号1为经过积分电路后的信号波形。通过对实测信号波形的分析,实验电路验证了理论设计和PSPICE的调试结果;实现了核脉冲中子测井仪前端信号的放大和滤波整形处理,达到了信号采集分析的要求。

图9 电荷灵敏放大以及滤波整形后信号输出测试结果

5 结 论

(1) 通过理论分析和计算,采用BGO晶体和R6667A-01型光电倍增管为仪器前端探头,给出了前端信号电荷量与γ射线能量计算关系和信号波形特性。

(2) 根据光电倍增管输出脉冲电荷信号特性,确定了前置放大电路设计方案,给出电荷灵敏放大电路中反馈电容Cf与输出脉冲电压信号计算关系,完成了放大电路150 ℃高温放大性能和转换速率(压摆率SR远远高于10 V/μs)的测试。

(3) 通过仿真分析和理论计算,设计了基线恢复电路、零极相消电路和CR-RC电路。通过对时间常数参量的调整,实现波形整形。实验中完成了自然环境伽马射线的测量, 自然伽马射线经过 BGO晶体和R6667A-01型光电倍增管后输出信号上升时间约为200 ns,下降时间约为2 μs,经过整形处理后,上升时间约为0.4 μs,下降时间约为0.6 μs。波峰宽度满足ADC采集时间需求。该电路能满足较大范围(峰峰值0～4 000 mV,频率10 kHz～2 MHz)脉冲信号高速放大整形,可根据实际脉冲信号特性,对零极相消电路和CR-RC电路的时间常数参数进行设计,最终实现能谱数据采集。

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