铀矿裂变中子测井控制与数据获取技术

2019-11-16丰树强张国光赵潇苏丹杨林森

电子技术与软件工程 2019年20期

文/丰树强张国光赵潇苏丹杨林森

当前，我国对核燃料的需求逐步增加，利用核辐射探测技术进行铀矿勘探的测井方法应用前景广阔。铀矿裂变中子测井中，所有井下仪器密封在金属探管中，与井上设备间通过唯一的绞车线缆连接；测井中，井下温度可达最高120℃，仪器连续工作时间长，外部高温环境与内部热量都影响测井电路及器件的正常工作；探管外壳为不锈钢材料，内部为铝合金结构，用于结构支撑与仪器固定，内部狭窄的空间对测井电路的设计、布局以及散热均提出了挑战；绞车线缆长度达1km，井下仪器供电、控制与状态传输、数据获取均通过绞车线缆完成，通信距离长、干扰多，影响系统的稳定工作；利用脉冲中子源测井过程中，中子源的工作时序、探测器数据获取时序、绞车控制等也需要紧密配合。

1 物理模型

铀矿裂变中子测井技术中，测井探管内主要仪器有中子发生器模块、超热中子探测器模块、热中子探测器模块、伽玛探测器模块、数据采集板等；其中中子发生器工作时产额大于1 X 108n/s，脉冲频率2KHz，脉冲宽度40µS；中子探测器由He-3正比计数管、高压电源、前放电路等模块组成，伽玛探测器由LaBr3(Ce3+)晶体及信号成形电路等模块组成，超热中子探测器体积Φ32 X 180mm；热中子探测器体积Φ16 X 90mm；伽玛探测器体积Φ50 X100mm；此外，探管内还有配套的高压电源、低压电源、信号成形电路，探测器通信板、数据采集板等；井上模块主要有绞车及控制器；发电机、UPS电源、上位机控制与数据端；整套设备集成于改装车内，系统示意图如图1所示。

图1：测井仪器组成示意图

图2：采集板电路示意图与实物图

2 系统设计

绞车线缆两芯用于井下仪器供电，另外两芯用于485串行通信，考虑到稳定性与通信效率，控制与数据获取系统应由井下模块与上位机模块两部分组成；其中，井下模块完成中子发生器单元的底层控制、运行参数上传、探测器谱数据的获取与上传等，上位机模块完成绞车控制、深度数据获取、采集流程的启动与停止、谱数据的接收、反显、存档、解释模块调度等。485通信中，导线电感对信号的变化有阻碍作用，其感抗通过公式XL=2πf L0（其中，XL为感抗，f为频率，L0是电感）计算，而

L0=μ0L（Ln2L/R-0.75）/2π，其中，L为导线长度，R为导线半径，μ0为真空磁导率；经计算，波特率设为460800bps，考虑到开始位与停止位，每秒可传输46KB数据。

2.1 井下模块

井下模块的硬件部分是以单片机为核心的采集板，考虑到通信的实时性，中子发生器通信以及井上模块通信通过独立的485端口实现；多块探测器通信板通过串接方式连接到485端口；采集板芯片选用汽车级器件，温度适应范围为-40℃至120℃；为保证谱数据传输速率，在空间布局上采集板与探测器通信板尽可能靠近。

采集板结构示意如图2所示。

主控模块完成设备初次加电后的初始化、参数设置，并设置串口通信中断与定时器中断，之后进入循环状态，在循环体中完成数据存储与看门狗置位；其中中子发生器控制、探测器通信、上位机模块通信通过独立的串口实现，定时器中断用于检测并处理串口数据及通信异常。

2.2 中子发生器驱动

脉冲中子发生器由中子管、高压电源（靶高压与离子源高压）、灯丝恒流电源、驱动电路等部分组成。其中，驱动电路由FPGA、MCU及外围数模电路、PWM电路组成，用于实现：

（1）靶高压调整、频率设置、氘氚放气量控制；

（2）靶高压反馈、靶电流反馈、离子源电流反馈；

（3）上位机控制通信。

工作时，灯丝恒流电路加热氘氚储气装置，产生气体；离子源阳极加2000V脉冲高压，氘氚混合气体发生电离，之后，启动靶高压电源，高压加到中子管加速系统及靶极，使电离后的氘氚离子加速并打靶，最终离子在靶内发生反应，产生中子。控制电路通过单片机采集同步信号，再经脉冲放大、保持、倍压电路后产生阳极脉冲高压，进而通过控制阳极脉冲高压的通断实现快速离子源电离，最终控制中子的产生与停止。

上位机模块启动后向采集板传递中子发生器控制参数，采集板将参数传递至中子发生器，流程启动指令由上位机模块发出，经采集板后传递给中子发生器驱动电路，后者启动出束。驱动电路同时获取靶高压、靶电流、离子源电流等反馈信号，并被采集板获取，最终反馈回上位机模块。

2.3 探测器通信

探测器模块包括(超)热中子、中子伽玛、自然伽玛等探测器，分别用于获取中子时间谱、中子伽玛谱、自然伽玛谱等；通信控制模块则由FPGA、DSP、中子信号采样接口、同步接口、485接口、电源接口及外围元器件等定制电路组成。

所有中子探测器的输出信号及中子发生器同步脉冲信号被通信模块采集；FPGA根据同步脉冲信号控制多路中子探测器的记录，信号经DSP处理后被上位机读取；中子伽玛与自然伽玛通信模块与此相似，由于自然伽玛记录过程中中子发生器不工作，无需同步信号。

从0时刻开始，在一个周期(2ms)中，源中子脉冲时间持续至40μs，源超热中子衰减时间至 150μs，中子测量时间为 150μs-2000μs，而中子伽玛非弹测量时间为0μs-10μs，俘获测量时间为10μs-2000μs。其中，时间谱的总道数为128路，系统启动后，通过上位机模块软件设定道宽参数并下发至采集板，后者通过485通信端口完成对探测器时间谱道宽的设定。

2.4 绞车、井上数据获取控制及测井流程

绞车控制器配合电动绞车、测量头及铠甲线缆等，可在0-30m/min速度下在0-1000m范围内控制探管升降。其中，测量头用于计量测井深度，铠甲线缆用于探管升降及井上供电与通信；绞车运转时，线缆速度与深度被测量头上的测量轮及光脉冲机构采集，数据经绞车控制器处理后发送至上位机模块。

井上控制与数据获取端包括采集板通信模块、绞车通信模块、谱数据解析与显示模块、文件处理模块、流程控制模块、异常处理模块等。如图3所示。

图3：井上模块软件界面

软件启动后加载默认参数及刻度数据，执行初始化，向采集板传递中子发生器控制参数以及时间谱道宽参数，启动自检，之后进入等待状态。

定点模式下，上位机模块设定预置深度，启动绞车，获取绞车状态，到达设定深度后，确认绞车停止状态及反馈深度，下发启动流程指令，采集板启动存储区及同步初始化，等待数据采集板反馈中子发生器状态，获取探测器谱数据，按照格式解析数据，按照刻度数据完成谱显示；采集完成后，上位机模块下发停止流程指令，采集板依次停止探测器获取，停止中子发生器出束，完成所有数据上传，清零；后者接收所有数据后，集成并打包深度数据、日期戳数据、中子发生器状态数据、刻度数据，生成复合文档。

恒速模式下，上位机模块设定起点深度、终止深度、预设速度与步长；启动流程，检查并置位当前深度，低速启动绞车电机，启动后逐步提速至设定速度；到达起点深度后，下发启动流程指令，获取中子发生器参数，获取谱数据，采集深度数据，深度达到步长值后，打包并保存数据，重复过程直至深度达到终止深度。

通常，下降测量时，开启自然伽玛探测器测量岩层的自然伽玛能谱，中子管保存关闭，根据自然伽玛能谱确定岩层的U，Th，K的含量曲线，并根据测井曲线的异常确定感兴趣的测量区；提升测量时，中子发生器、中子探测器与中子伽马探测器均工作，对自然伽玛能谱异常的地层区间做重点测量。