一种用于脉冲中子氧活化测井仪数据采集电路方法的探析

张 峰 李 琼 程晶晶 李照浦

（1、中海油田服务股份有限公司测井技术研究院，北京101149 2、华中科技大学人工智能与自动化学院，湖北 武汉430074）

目前氧活化测井解释方法主要依赖于时间谱，本设计则同时采集的能谱信息和时间谱信息，可以通过能谱将活化氧产生的伽马与自然背景的伽马区分开，在地层环境复杂以及移动测量时具备独特的优势。

1 采集电路设计

脉冲中子氧活化测井仪的系统结构包括两部分，一部分控制中子发生器向地层发射中子，构成中子发射短节；另一部分采集地层中产生的伽马射线并获取其中所包含的信息，构成数据采集短节。数据采集短节内部包含三个探头，按照与中子发生器的距离分别记为短源探头SS，长源探头LS 以及超长源探头XLS。其结构图如图1 所示。

由于数据采集短节内一共有三个探头，每个探头内部封装了NaI 晶体和光电倍增管，将外界伽马转换为电脉冲信号，因此采集电路需要同时对三路脉冲信号需要进行处理与采集。

针对每一个探头而言，其产生的脉冲信号首先需要通过前置放大器提高信噪比[5]。前置放大器有两级，第一级采用电流灵敏型前置放大器对信号进行脉冲整形[6]；第二级采用了同相比例放大器，可以改变电阻的参数来实现增益的调节，有利于后续能谱的标定。由于不同探头处于仪器的不同位置，因此采用了同轴线进行信号传输并通过无源CDD 基线恢复电路[7]来消除脉冲堆积造成的基线偏移现象。随后将信号分为两路：一路进行脉冲展宽同时获取展宽后脉冲的峰值时刻，从而触发ADC 采集脉冲的峰值，获取能量信息；另一路通过比较器将脉冲信号转换为数字信号，有利于计数信息的获取。最终，通过两个单片机对信号采集、成谱、上传，整个电路的结构如图2 所示。

图2 数据采集电路结构

2 测试与结果分析

由于电路的主要功能是能谱采集，因此测试过程以Cs137为基准源，对每个通道单独进行测试。在单片机内编写测试程序上传采集的能谱数据，通过这些数据验证能谱采集功能同时利用Cs137 的特征峰标定能谱范围，实验过程如图3 所示。

图3 测试流程

在实验过程中，稳压电源IPS4303 提供正负18V 电源来模拟井下设备的供电状态，通过电源模块可以将正负18V 转换为电路和探头所需的电压。采集电路的CAN 总线则是通过转接器转换为USB 信号与PC 连接，在PC 上通过与转接器相匹配的软件来实现地面系统功能，完成命令的下发和数据的上传。

为了方便对比进行了两组实验，一组没有任何放射源，只采集自然界中的伽马射线以及电路本身的噪声信号，对应本底测量，另一组在探头旁放置Cs137 豁免源，两组能谱均采集10 分钟。在测试环境没有发生变化时可以认为本底和噪声是稳定的，因此将测量能谱减去本底能谱就可以得到扣除本底与噪声干扰的Cs137 能谱如图4 所示。

图4 10 分钟扣除本底的Cs137 能谱

根据Cs137 的能谱可知，其特征峰对应的能量为662keV。从图中可以看出能量峰值落在第19 道，而能谱一共有256 道，由此可以得出能谱采集能量的最大范围为：

对于氧来说，其活化后释放的伽马射线能量集中在6.13MeV，能够落在能谱范围内较为合适的区间。在实际使用中即能够明显地观察到活化氧峰值区域，又不会使氧峰附近的数据被边界剔除，满足氧活化仪器的工作需求。

结束语

本文设计了脉冲中子氧活化测井仪的数据采集系统，该系统能够同时对仪器内三个探头产生的脉冲信号进行处理与采集，获取能谱和时间谱信息。在信号的处理过程中，根据恒比定时鉴别法，同时实现了脉冲信号的展宽和峰值时刻获取，使其功耗、体积显著减小，从而满足测井仪器工作的需求。最终仪器的能谱范围标定在8.92MeV，能够较为明显地显示活化氧产生的6.13MeV 特征伽马。在氧活化测井过程中，利用采集的能谱数据可以提取出活化氧释放的伽马计数，过滤其它能量范围伽马射线产生的干扰，从而提高仪器的测量精度。