一种基于溴化镧晶体的伽马能谱采集系统设计*

喻益明

(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司 黑龙江 大庆 163153)

0 引 言

溴化镧(LaBr3) 闪烁体是近年发展起来的一种能量分辨率很高的闪烁晶体，由于其相较于传统的BGO晶体具有光产额高、能量分辨好、温度系数绝对值小、衰减时间短、非线性响应小等优点[1]，近年越来越受测井行业的青睐。斯伦贝谢公司率先推出了新一代元素测井仪Litho Scanner[2]，利用脉冲中子源和高分辨率探测晶体溴化镧组成的探测器可以获取到俘获谱和非弹能谱，通过高中子产额、高计数率为提高元素测量的准确度和精确度奠定了扎实基础。为了提升国内测井仪器水平，紧跟国际技术前沿，摆脱对国外服务公司的依赖，大庆油田测试分公司研制了基于溴化镧探测器的高效脉冲中子全谱测井仪，并与PNST脉冲中子全谱测井仪进行了性能对比[3]。

1 溴化镧探测器的设计

基于溴化镧探测器的测量原理是：γ射线进入晶体后与之发生相互作用，被电离和激发的晶体的原子、分子退激时发射出闪烁光子，这些闪烁光子由光导和光学耦合剂到达光电倍增管的光阴极，通过光电效应发射光电子，光电子在倍增管中倍增，最后在阳极收集形成电子流，从而产生脉冲信号[4]。

溴化镧探测器由溴化镧晶体、光电倍增管、前置放大电路及调理电路组成。在溴化镧晶体本身优越性能的基础上，配合应用滤波整形电路，最终利用溴化镧探测器采集到理想的核脉冲信号。探测器结构如图1所示。

图1 探测器结构图

为了将探测到的脉冲信号进行放大和成形，在前置放大电路之后的调理电路中采用滤波成形电路以满足后级电路对信号波形的需要。探测器输出的电流脉冲信号经过电荷灵敏前置放大电路，变换为以大的时间常数衰减的指数衰减信号，极零相消电路将信号变换为较小时间常数的指数衰减信号，并消除下冲，后面一级S-K滤波器完成准高斯滤波成形，并获得一定的电压放大倍数，如图2所示。

图2 调理电路原理图

对图2电路进行仿真，结果如图3所示：

图3 调理电路仿真结果图

2 高速数字采集系统的实现

由于BGO晶体的发光衰减时间是300 ns，而溴化镧晶体的发光衰减时间是20 ns[5]，传统的模拟脉冲能谱采集电路无法满足溴化镧晶体的快速响应需求，通过设计高速数字化多道脉冲幅度分析电路对溴化镧探测信号进行处理。高速数字采集系统结构如图4所示。

图4 高速数字采集系统结构图

ADC的采集信号既可以通过单端输入，也可以采用差分输入。因为单端输入会使得ADC的转换结果中二次谐波比例增大，从而影响到信噪比的水平，为了能有效抑制共模干扰以及提高信噪比，这就需要把放大电路中输出的单端信号转换为差分输入信号。ADC将转换结果输入FPGA。FIR滤波模块去除高频噪声，堆积判别模块通过脉冲宽度识别脉冲堆积，梯形成行模块减少信号的弹道亏损，配合基线恢复模块可以得到信号真实幅值。峰值提取模块提取到有效最大值后存入FIFO，谱累加控制模块根据FIFO的值读取双端口RAM中的值进行操作，最后将双端口RAM中的谱数据经过曼码编解码单元上传至上位机。

3 溴化镧探测器与BGO探测器室内对比试验

为了对比研究BGO、溴化镧探测器能量分辨率及高速数字采集系统响应速率，在石蜡房内对使用BGO探测器的PNST脉冲中子全谱测井仪和使用溴化镧探测器的高效脉冲中子全谱测井仪进行试验。

将长源距为55 cm的PNST脉冲中子全谱测井仪放入蜡罐刻度，探测信号经线放调理为脉宽700 ns,设定适合的梯形成形参数。中子管灯丝电离至130 μA，然后加靶压至100 kV测得谱形如图5所示。后将长源距为55 cm的高效脉冲中子全谱测井仪放入蜡罐，探测信号经高速线放调理为脉宽250 ns，设定适合的梯形成形参数，在相同灯丝电离及靶压条件下测量谱形如图6所示，其中蓝色谱线为俘获谱，红色谱线为非弹总谱，白色谱线为时间谱。

通过室内对比试验，高效脉冲中子全谱测井仪探测2.23 MeV的氢元素特征峰与4.43 MeV的碳元素特征峰均优于PNST脉冲中子全谱测井仪，分辨率更高。同时其时间谱计数提高了3倍左右，充分验证了与溴化镧探测器匹配的高速数字采集系统响应更快速。

图5 BGO探测器长短源距能谱

图6 溴化镧探测器长短源距能谱

4 现场试验

使用溴化镧探测器的高效脉冲中子全谱测井仪进行了现场对比试验。

芳XX井为大庆油田2016年4月完钻的一口密闭取心井，于2017年3月21日进行了测井试验。表1是芳XX在测速为120 m/h下的测井解释结果与取心结果对比。从表中数据可知，求取的含油饱和度与岩心分析结果的最大绝对误差是2.63%，解释结果与取心结果基本一致。

表1 芳XX井测井解释结果与取心结果对比表

山XX井为长庆油田的一口产能建设井，地层孔隙度在10%左右，为确定储层油水分布情况，2018年6月30日使用PNST脉冲中子全谱测井仪和高效脉冲中子全谱测井仪连续测井，对比解释结果如图7所示。其中实线为PNST脉冲中子全谱测井曲线，虚线为高效脉冲中子全谱测井曲线，测井成果图显示，Si/Ca、C/O、CI、OAI等主要测井曲线形态相似，重复一致性良好。其中1 882.0～1 886.0 m层段PNST脉冲中子全谱测井剩余油饱和度解释为20%左右，表明该层为高水淹；高效脉冲中子全谱测井剩余油饱和度解释为40%左右，表明该层为中水淹。结合裸眼井测井资料，2018年7月31日射开该层段，投产后实际含水35%，与高效脉冲中子全谱仪解释结果一致性更好。

图7 山XX井溴化镧和BGO测井剩余油饱和度解释成果对比图

5 结 论

1)选用高性能的溴化澜晶体及光电倍增管，设计适合的调理及采集电路，能够采集到分辨率更高的能谱曲线。

2)室内试验结果表明，溴化镧探测器分辨率优于BGO探测器，高速数字采集系统数据处理响应速度更快。

3)通过现场试验，使用溴化镧探测器的高效脉冲中子全谱测井含油饱和度解释结果与岩心分析结果基本一致，最大绝对误差是2.63%。在含水饱和度为35%的地层中，高效脉冲中子全谱测井剩余油饱和度解释结果为40%，PNST脉冲中子全谱测井仪解释结果为25%。