小直径自然伽马能谱测井仪设计

严语鸣, 李会银, 徐德龙, 唐若飞, 叶显诗

(1.中国石油大学(华东)地球科学与技术学院, 山东 青岛 266580; 2.中国科学院声学研究所, 北京 100101;3.国家海洋局北海分局标准计量中心, 山东 青岛 266033)

0　引　言

不同岩性的地层中放射性元素的含量不同,种类也有所差异。利用自然伽马能谱可以间接获得地层中不同放射性核素的含量,进而可以评价地层的沉积环境[1]。在地矿领域中,可以利用自然伽马能谱计算出地层中铀、钍含量,准确计算铀的储量[2]。中国一些热液型铀矿床属于铀、钍混合型矿床,该类矿床需要采用自然伽马能谱测井方法分别测定矿石的铀、钍含量,才能准确计算铀的储量,但现有钻井的井眼直径越来越小,小直径自然伽马能谱测井仪研究成为地质勘探工作的迫切需要[3]。

探测器使用同种闪烁晶体时,闪烁晶体的体积与其对伽马射线的俘获能力成正比。探测器俘获能力越强,仪器探测自然伽马的探测效率就越高,受统计起伏的影响就越小,同时增大闪烁晶体体积能够有效提高仪器的能量分辨率。因此,本文设计小直径自然伽马能谱测井仪的过程中,尽可能地保证探测器的体积,在设计上放弃传统自然伽马能谱仪器在承压外壳内加装保温瓶的设计。

1　自然伽马能谱测井仪探测器

1.1　探测器选择

当探测器尺寸缩小时,仪器的探测效率就会降低,因此,在设计小直径自然伽马能谱测井仪的过程中,要求尽可能地保证探测器的体积。同时,这也提高了仪器对所选用闪烁晶体的相对发光强度与耐高温两项性能的要求。

核测井仪器常用的几种晶体[4]中,LaBr3(Ce)相对发光强度最高,且具有光衰减时间短,能量分辨率高的优点[5],但由于LaBr3(Ce)有自发本底[6],且本底与铀钍钾的特征峰重叠[7],需要对本底谱进行扣除后才能用于自然伽马的测量[8]。BGO的密度最高,俘获能力最强,但是相对发光强度低,分辨率较差,且高温性能不好,需要使用保温瓶[9],不适用于本设计。除了LaBr3(Ce)之外,NaI(Tl)的光输出特性最好,且无自发本底[10],能够降低因统计起伏产生的误差,同时NaI(Tl)还具有明显的体积与成本的优势。综合考虑后,仪器选用热锻的NaI(Tl)晶体,这是以一种由NaI为基质材料掺以适当浓度的Tl生长而成的闪烁晶体材料为毛胚,在一定温度和压力下通过塑性形变而成的。晶体在发生塑性形变后,其抗冷热冲击和机械震动能力得到了提高,而闪烁性能不受影响[1],能够在不使用保温瓶的情况下在井下高温环境中正常工作。光电倍增管选择滨松光子的38 mm的R9722型光电倍增管。

1.2　仪器特点

小直径自然伽马测井仪仪器外径为60 mm,探测器晶体直径为38 mm,长度为300 mm。仪器采用FPGA技术将原来的中小规模集成电路进一步集成,使得电路系统尽可能节省空间。串行芯片相对于并行芯片具有接口简单、体积小的特点,有利于节省空间。在探测效率低的条件下,井下有限资源难以有效识别峰位,无法单独完成稳谱,采用地面软件多次累加方法,通过计算机软件与人工识别相结合,可以更准确地识别峰位,进行可靠地稳谱。

2　硬件设计

仪器设计时采用FPGA实现能谱测量与处理,单片机实现通讯与控制的双核心设计。采用串行器件减小电子系统体积,高低压电源均采用DC-DC模块,探测器晶体、光电倍增管采用高温器件,去除保温瓶。测量系统模拟电路包括前置放大器电路、基线恢复电路、脉冲幅度采样/保持电路、高压调整电路[8](见图1)。

前置放大器电路采用高速运算放大器,用于实现对脉冲信号的线性放大。根据光电倍增管输出伽马脉冲信号大小及后续测量精度要求,采用2级放大器放大。基线恢复电路由晶体管及阻容元件构成,用于消除脉冲信号引起的基线偏移,避免前面脉冲影响后续脉冲幅度测量[11]。

高压控制电路由运放和功率晶体管2N3439组成。由单片机根据地面命令控制数模转换器产生高压控制电压,经高压控制电路进行功率放大后控制高压模块的输出[12]。当井温变化引起脉冲幅度变化、使特征峰发生漂移时,通过调整光电倍增管高压,可以使特征峰稳定,实现测井过程中的稳谱[13]。

脉冲幅度采样/保持电路是高速A/D的前置电路,其作用是获取伽马脉冲的峰值信号,并在A/D转换期间保持稳定,从而保证A/D转换的精度。采样保持电路采用HA1-5320/883实现。脉冲幅度模数转换电路采用AD7266实现,12 bit分辨率,转换速率2 MHz,能够满足本系统测量需要。

3　软件设计

软件设计包括仪器单片机通讯与控制软件设计和FPGA能谱处理软件设计[14]。单片机选用C8051F580,通过控制CAN接口实现与遥测短节的命令与数据通讯,通过操作高压控制数模转换器实现对光电倍增管高压的调整,另外,还完成辅助参数的数据采集等。单片机软件包括仪器内部变量初始化模块、CAN控制器初始化模块、接收命令解释执行模块、数据发送模块、高压调整模块等,流程图如图2所示。程序设计的关键是通讯协议的制定,程序编写围绕通讯协议的功能实现进行[15]。

图2　单片机程序流程图

图3　FPGA记录脉冲幅值时序图

FPGA选用A3P250,采用VHDL语言描述。FPGA实现的功能:识别有效的伽马脉冲信号,根据脉冲峰值的到达时间使峰值保持器处于保持状态,启动高速模数转换器进行模数转换,读出模数转换结果,进行成谱处理,在单片机收到采集命令时,读出能谱数据[6]。整个转换过程的时序图如图3所示,其中GPRO为整形后的脉冲信号,AIND为经过采样保持器后的采样信号。为了减小电路噪声的影响,利用电位器设置阈值电压,当GPRO高于设置好的阈值电压时,BCHK置低。当采样信号高于脉冲信号时,PCHK置低,若此时BCHK也置低,则采样保持信号H/S置高,随后ADC片选信号ADCS置低,ADC开始工作。当ADC开始向FPGA传输数据时,adcBusy置低。传输完成后,adcBusy与H/S返回原值,脉冲幅值读取结束。

4　实验测试

常温环境下使用钾标准源对能谱进行标定,调节高压VH=1 500 V时,K元素特征峰位于能谱上约105道。在实验室利用温箱分别模拟25、50、75、100、125 ℃和150 ℃的测井条件对仪器进行了测试,仪器测量实验室环境中的自然伽马,每次记录100 s。第1次实验时不调整高压,在保持对应温度1 h,能谱输出稳定后进行记录;第2次实验在温度不断提高的同时调节光电倍增管高压使钾峰道址回到105道且保持稳定后进行记录。分析两次实验中记录的能谱的总计数、钾峰道址、钾峰计数和钾峰分辨率并进行对比。其中钾峰计数为使用直线法扣除本底后钾峰的计数。钾峰分辨率通过式(1)计算

(1)

式中,C为钾峰的道址;ΔC为钾峰半高宽FWHM。

图4　未校正与校正后的总计数与钾峰计数对比图

未校正与校正后的能谱总计数与钾峰计数随温度变化的数值对比如图4所示。从图4中可以看出,不进行校正时,总计数随温度提高明显下降,通过调整高压能够很好地将总计数保持在25 000左右。钾峰计数在常温下约为1 000,未校正前钾峰计数随温度的提高出现先降低再升高最后再降低的趋势,这是因为随着温度的升高,一方面整体计数率降低;另一方面光电倍增管输出脉冲幅度降低,同时电路增益降低,能谱呈现出被纵向压缩的形态,相邻的能道发生重叠,计数相加,堆高了钾峰计数。通过调整高压能使钾峰计数基本保持稳定,但计数仍会随温度提高而降低,并在100 ℃达到800 ℃左右,随后重新保持稳定。这一现象的主要原因是当光电倍增管高压不断提高时,来自光电倍增管暗电流的噪声计数也会提高,而高能计数则会降低,从而抬高能谱本底,使钾峰扁平化,此时使用直线法扣除本底不可避免地产生误差,导致钾峰计数降低[16],后期在进行数据处理时需要加入温度校正。

未校正与校正后的钾峰道址与钾峰分辨率随温度变化的数值对比如图5所示。从图5中可以看出,未校正情况下钾峰道址会随温度升高不断降低,同时钾峰分辨率也会从7.6%逐渐升高至16%。通过调整高压使钾峰道址回到105道的同时也能改善钾峰分辨率,校正后的钾峰分辨率在150 ℃时为11.4%,相对于未校正前,分辨率增幅降低52%。

图5　未校正与校正后的总计数与钾峰计数对比图

5　结束语

FPGA与单片机分别作为成谱与通讯控制核心,串行芯片取代并行芯片的硬件设计在保证仪器性能的同时显著减小电路板的体积。仪器外径降低至60 mm,去除保温瓶后能够使用Φ38 mm×300 mm的NaI(Tl)晶体探测器。NaI(Tl)晶体的价格与体积优势使探测器并不特别昂贵的同时拥有较高的探测效率与探测精度。使用地面软件与井下控制相结合的稳谱方法可以保持能谱计数的稳定,同时抑制能量分辨率随温度的增高的趋势。

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