嚴(yán)語鳴, 李會(huì)銀, 徐德龍, 唐若飛, 葉顯詩

(1.中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 山東 青島 266580; 2.中國科學(xué)院聲學(xué)研究所, 北京 100101;3.國家海洋局北海分局標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心, 山東 青島 266033)

0　引　言

不同巖性的地層中放射性元素的含量不同,種類也有所差異。利用自然伽馬能譜可以間接獲得地層中不同放射性核素的含量,進(jìn)而可以評(píng)價(jià)地層的沉積環(huán)境[1]。在地礦領(lǐng)域中,可以利用自然伽馬能譜計(jì)算出地層中鈾、釷含量,準(zhǔn)確計(jì)算鈾的儲(chǔ)量[2]。中國一些熱液型鈾礦床屬于鈾、釷混合型礦床,該類礦床需要采用自然伽馬能譜測(cè)井方法分別測(cè)定礦石的鈾、釷含量,才能準(zhǔn)確計(jì)算鈾的儲(chǔ)量,但現(xiàn)有鉆井的井眼直徑越來越小,小直徑自然伽馬能譜測(cè)井儀研究成為地質(zhì)勘探工作的迫切需要[3]。

探測(cè)器使用同種閃爍晶體時(shí),閃爍晶體的體積與其對(duì)伽馬射線的俘獲能力成正比。探測(cè)器俘獲能力越強(qiáng),儀器探測(cè)自然伽馬的探測(cè)效率就越高,受統(tǒng)計(jì)起伏的影響就越小,同時(shí)增大閃爍晶體體積能夠有效提高儀器的能量分辨率。因此,本文設(shè)計(jì)小直徑自然伽馬能譜測(cè)井儀的過程中,盡可能地保證探測(cè)器的體積,在設(shè)計(jì)上放棄傳統(tǒng)自然伽馬能譜儀器在承壓外殼內(nèi)加裝保溫瓶的設(shè)計(jì)。

1　自然伽馬能譜測(cè)井儀探測(cè)器

1.1　探測(cè)器選擇

當(dāng)探測(cè)器尺寸縮小時(shí),儀器的探測(cè)效率就會(huì)降低,因此,在設(shè)計(jì)小直徑自然伽馬能譜測(cè)井儀的過程中,要求盡可能地保證探測(cè)器的體積。同時(shí),這也提高了儀器對(duì)所選用閃爍晶體的相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度與耐高溫兩項(xiàng)性能的要求。

核測(cè)井儀器常用的幾種晶體[4]中,LaBr3(Ce)相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度最高,且具有光衰減時(shí)間短,能量分辨率高的優(yōu)點(diǎn)[5],但由于LaBr3(Ce)有自發(fā)本底[6],且本底與鈾釷鉀的特征峰重疊[7],需要對(duì)本底譜進(jìn)行扣除后才能用于自然伽馬的測(cè)量[8]。BGO的密度最高,俘獲能力最強(qiáng),但是相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度低,分辨率較差,且高溫性能不好,需要使用保溫瓶[9],不適用于本設(shè)計(jì)。除了LaBr3(Ce)之外,NaI(Tl)的光輸出特性最好,且無自發(fā)本底[10],能夠降低因統(tǒng)計(jì)起伏產(chǎn)生的誤差,同時(shí)NaI(Tl)還具有明顯的體積與成本的優(yōu)勢(shì)。綜合考慮后,儀器選用熱鍛的NaI(Tl)晶體,這是以一種由NaI為基質(zhì)材料摻以適當(dāng)濃度的Tl生長而成的閃爍晶體材料為毛胚,在一定溫度和壓力下通過塑性形變而成的。晶體在發(fā)生塑性形變后,其抗冷熱沖擊和機(jī)械震動(dòng)能力得到了提高,而閃爍性能不受影響[1],能夠在不使用保溫瓶的情況下在井下高溫環(huán)境中正常工作。光電倍增管選擇濱松光子的38 mm的R9722型光電倍增管。

1.2　儀器特點(diǎn)

小直徑自然伽馬測(cè)井儀儀器外徑為60 mm,探測(cè)器晶體直徑為38 mm,長度為300 mm。儀器采用FPGA技術(shù)將原來的中小規(guī)模集成電路進(jìn)一步集成,使得電路系統(tǒng)盡可能節(jié)省空間。串行芯片相對(duì)于并行芯片具有接口簡單、體積小的特點(diǎn),有利于節(jié)省空間。在探測(cè)效率低的條件下,井下有限資源難以有效識(shí)別峰位,無法單獨(dú)完成穩(wěn)譜,采用地面軟件多次累加方法,通過計(jì)算機(jī)軟件與人工識(shí)別相結(jié)合,可以更準(zhǔn)確地識(shí)別峰位,進(jìn)行可靠地穩(wěn)譜。

2　硬件設(shè)計(jì)

儀器設(shè)計(jì)時(shí)采用FPGA實(shí)現(xiàn)能譜測(cè)量與處理,單片機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊與控制的雙核心設(shè)計(jì)。采用串行器件減小電子系統(tǒng)體積,高低壓電源均采用DC-DC模塊,探測(cè)器晶體、光電倍增管采用高溫器件,去除保溫瓶。測(cè)量系統(tǒng)模擬電路包括前置放大器電路、基線恢復(fù)電路、脈沖幅度采樣/保持電路、高壓調(diào)整電路[8](見圖1)。

前置放大器電路采用高速運(yùn)算放大器,用于實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖信號(hào)的線性放大。根據(jù)光電倍增管輸出伽馬脈沖信號(hào)大小及后續(xù)測(cè)量精度要求,采用2級(jí)放大器放大?；€恢復(fù)電路由晶體管及阻容元件構(gòu)成,用于消除脈沖信號(hào)引起的基線偏移,避免前面脈沖影響后續(xù)脈沖幅度測(cè)量[11]。

高壓控制電路由運(yùn)放和功率晶體管2N3439組成。由單片機(jī)根據(jù)地面命令控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生高壓控制電壓,經(jīng)高壓控制電路進(jìn)行功率放大后控制高壓模塊的輸出[12]。當(dāng)井溫變化引起脈沖幅度變化、使特征峰發(fā)生漂移時(shí),通過調(diào)整光電倍增管高壓,可以使特征峰穩(wěn)定,實(shí)現(xiàn)測(cè)井過程中的穩(wěn)譜[13]。

脈沖幅度采樣/保持電路是高速A/D的前置電路,其作用是獲取伽馬脈沖的峰值信號(hào),并在A/D轉(zhuǎn)換期間保持穩(wěn)定,從而保證A/D轉(zhuǎn)換的精度。采樣保持電路采用HA1-5320/883實(shí)現(xiàn)。脈沖幅度模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用AD7266實(shí)現(xiàn),12 bit分辨率,轉(zhuǎn)換速率2 MHz,能夠滿足本系統(tǒng)測(cè)量需要。

3　軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括儀器單片機(jī)通訊與控制軟件設(shè)計(jì)和FPGA能譜處理軟件設(shè)計(jì)[14]。單片機(jī)選用C8051F580,通過控制CAN接口實(shí)現(xiàn)與遙測(cè)短節(jié)的命令與數(shù)據(jù)通訊,通過操作高壓控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對(duì)光電倍增管高壓的調(diào)整,另外,還完成輔助參數(shù)的數(shù)據(jù)采集等。單片機(jī)軟件包括儀器內(nèi)部變量初始化模塊、CAN控制器初始化模塊、接收命令解釋執(zhí)行模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、高壓調(diào)整模塊等,流程圖如圖2所示。程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是通訊協(xié)議的制定,程序編寫圍繞通訊協(xié)議的功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行[15]。

圖2　單片機(jī)程序流程圖

圖3　FPGA記錄脈沖幅值時(shí)序圖

FPGA選用A3P250,采用VHDL語言描述。FPGA實(shí)現(xiàn)的功能:識(shí)別有效的伽馬脈沖信號(hào),根據(jù)脈沖峰值的到達(dá)時(shí)間使峰值保持器處于保持狀態(tài),啟動(dòng)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,讀出模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果,進(jìn)行成譜處理,在單片機(jī)收到采集命令時(shí),讀出能譜數(shù)據(jù)[6]。整個(gè)轉(zhuǎn)換過程的時(shí)序圖如圖3所示,其中GPRO為整形后的脈沖信號(hào),AIND為經(jīng)過采樣保持器后的采樣信號(hào)。為了減小電路噪聲的影響,利用電位器設(shè)置閾值電壓,當(dāng)GPRO高于設(shè)置好的閾值電壓時(shí),BCHK置低。當(dāng)采樣信號(hào)高于脈沖信號(hào)時(shí),PCHK置低,若此時(shí)BCHK也置低,則采樣保持信號(hào)H/S置高,隨后ADC片選信號(hào)ADCS置低,ADC開始工作。當(dāng)ADC開始向FPGA傳輸數(shù)據(jù)時(shí),adcBusy置低。傳輸完成后,adcBusy與H/S返回原值,脈沖幅值讀取結(jié)束。

4　實(shí)驗(yàn)測(cè)試

常溫環(huán)境下使用鉀標(biāo)準(zhǔn)源對(duì)能譜進(jìn)行標(biāo)定,調(diào)節(jié)高壓VH=1 500 V時(shí),K元素特征峰位于能譜上約105道。在實(shí)驗(yàn)室利用溫箱分別模擬25、50、75、100、125 ℃和150 ℃的測(cè)井條件對(duì)儀器進(jìn)行了測(cè)試,儀器測(cè)量實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的自然伽馬,每次記錄100 s。第1次實(shí)驗(yàn)時(shí)不調(diào)整高壓,在保持對(duì)應(yīng)溫度1 h,能譜輸出穩(wěn)定后進(jìn)行記錄;第2次實(shí)驗(yàn)在溫度不斷提高的同時(shí)調(diào)節(jié)光電倍增管高壓使鉀峰道址回到105道且保持穩(wěn)定后進(jìn)行記錄。分析兩次實(shí)驗(yàn)中記錄的能譜的總計(jì)數(shù)、鉀峰道址、鉀峰計(jì)數(shù)和鉀峰分辨率并進(jìn)行對(duì)比。其中鉀峰計(jì)數(shù)為使用直線法扣除本底后鉀峰的計(jì)數(shù)。鉀峰分辨率通過式(1)計(jì)算

(1)

式中,C為鉀峰的道址;ΔC為鉀峰半高寬FWHM。

圖4　未校正與校正后的總計(jì)數(shù)與鉀峰計(jì)數(shù)對(duì)比圖

未校正與校正后的能譜總計(jì)數(shù)與鉀峰計(jì)數(shù)隨溫度變化的數(shù)值對(duì)比如圖4所示。從圖4中可以看出,不進(jìn)行校正時(shí),總計(jì)數(shù)隨溫度提高明顯下降,通過調(diào)整高壓能夠很好地將總計(jì)數(shù)保持在25 000左右。鉀峰計(jì)數(shù)在常溫下約為1 000,未校正前鉀峰計(jì)數(shù)隨溫度的提高出現(xiàn)先降低再升高最后再降低的趨勢(shì),這是因?yàn)殡S著溫度的升高,一方面整體計(jì)數(shù)率降低;另一方面光電倍增管輸出脈沖幅度降低,同時(shí)電路增益降低,能譜呈現(xiàn)出被縱向壓縮的形態(tài),相鄰的能道發(fā)生重疊,計(jì)數(shù)相加,堆高了鉀峰計(jì)數(shù)。通過調(diào)整高壓能使鉀峰計(jì)數(shù)基本保持穩(wěn)定,但計(jì)數(shù)仍會(huì)隨溫度提高而降低,并在100 ℃達(dá)到800 ℃左右,隨后重新保持穩(wěn)定。這一現(xiàn)象的主要原因是當(dāng)光電倍增管高壓不斷提高時(shí),來自光電倍增管暗電流的噪聲計(jì)數(shù)也會(huì)提高,而高能計(jì)數(shù)則會(huì)降低,從而抬高能譜本底,使鉀峰扁平化,此時(shí)使用直線法扣除本底不可避免地產(chǎn)生誤差,導(dǎo)致鉀峰計(jì)數(shù)降低[16],后期在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)需要加入溫度校正。

未校正與校正后的鉀峰道址與鉀峰分辨率隨溫度變化的數(shù)值對(duì)比如圖5所示。從圖5中可以看出,未校正情況下鉀峰道址會(huì)隨溫度升高不斷降低,同時(shí)鉀峰分辨率也會(huì)從7.6%逐漸升高至16%。通過調(diào)整高壓使鉀峰道址回到105道的同時(shí)也能改善鉀峰分辨率,校正后的鉀峰分辨率在150 ℃時(shí)為11.4%,相對(duì)于未校正前,分辨率增幅降低52%。

圖5　未校正與校正后的總計(jì)數(shù)與鉀峰計(jì)數(shù)對(duì)比圖

5　結(jié)束語

FPGA與單片機(jī)分別作為成譜與通訊控制核心,串行芯片取代并行芯片的硬件設(shè)計(jì)在保證儀器性能的同時(shí)顯著減小電路板的體積。儀器外徑降低至60 mm,去除保溫瓶后能夠使用Φ38 mm×300 mm的NaI(Tl)晶體探測(cè)器。NaI(Tl)晶體的價(jià)格與體積優(yōu)勢(shì)使探測(cè)器并不特別昂貴的同時(shí)擁有較高的探測(cè)效率與探測(cè)精度。使用地面軟件與井下控制相結(jié)合的穩(wěn)譜方法可以保持能譜計(jì)數(shù)的穩(wěn)定,同時(shí)抑制能量分辨率隨溫度的增高的趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn):

[1]馮啟寧, 鞠曉東, 柯式鎮(zhèn), 等. 測(cè)井儀器原理 [M]. 北京: 石油工業(yè)出版社, 2010: 230-258.

[2]馬衛(wèi)衛(wèi), 徐德龍, 李會(huì)銀, 等. 一種小井眼自然伽馬能譜測(cè)井裝置: ZLCN201520578429.9[P]. 2015-08-04.

[3]葉顯詩, 李會(huì)銀, 徐德龍, 等. 小直徑伽馬能譜測(cè)井儀探頭溫度特性研究 [J]. 電子測(cè)量技術(shù), 2016, 39(10): 26-29.

[4]史宏聲, 泰來順, 魏欽華, 等. 核測(cè)井用閃爍晶體研究進(jìn)展 [C]∥第十五屆全國核電子學(xué)與核探測(cè)技術(shù)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集北京: 中國科學(xué)院高能物理研究所, 2010: 248-253.

[5]唐宇, 王小寧. 核測(cè)井探測(cè)器技術(shù)創(chuàng)新: LaBr3閃爍體響應(yīng)函數(shù)開發(fā) [J]. 測(cè)井技術(shù), 2013, 1(20): 98.

[6]MILBRATH B D, CHOATE B J, FAST J E, et al. Comparison of LaBr3: Ce and NAI(Tl) Scintillators for Radio-isotope Identification Devices [J]. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research. 2007, 572(2): 774-784.

[7]高峰, 張建國, 楊翊方, 等. LaBr3: Ce閃爍探測(cè)器自發(fā)本底譜研究 [J]. 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù), 2012, 32(5): 514-517.

[8]郭成, 賴萬昌, 易欣, 等. LaBr3閃爍探測(cè)器在天然放射性測(cè)量中的應(yīng)用 [J]. 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù), 2013, 33(6): 708-711.

[9]焦倉文, 鄧明, 陸士立, 等. 小口徑γ能譜測(cè)井儀研制 [J]. 核技術(shù), 2015, 38(4): 35-40.

[10] 謝希成, 賴萬昌, 趙祖龍, 等. LaBr3(Ce)與NaI(Tl)閃爍探測(cè)器的性能研究與比較 [J]. 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù), 2014, 34(7): 917-920.

[11] 蔡曉波, 郭嗣杰, 劉東友, 等. 核測(cè)井自然伽馬能譜測(cè)井儀線性改進(jìn)及驗(yàn)證 [J]. 艦船防化, 2011(3): 1-7.

[12] 戴為偉, 周軍, 高輝. 擁有井下自動(dòng)穩(wěn)譜功能的自然伽馬能譜測(cè)井儀 [J]. 石油管材與儀器, 2015, 2(1): 62-65.

[13] CASANOVAS R, MORANT J J, SALVADO M. Temperature Peak-shift Correction Methods for NaI(Tl) and LaBr3(Ce) Gamma-ray Spectrum Stabilization [J]. Radiation Measurements, 2012, 47: 588-595.

[14] 張建軍, 李曉明, 劉旭然, 等. 基于FPGA芯片的伽馬能譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制 [J]. 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù), 2011, 31(8): 844-846.

[15] 李會(huì)銀, 鞠曉東, 成向陽, 等. 基于CPLD的高性能自然伽馬能譜測(cè)井儀的研制 [J]. 西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2005, 20(2): 72-76.

[16] 趙海文. 小直徑自然伽馬測(cè)井儀存在問題淺析及改進(jìn) [J]. 石油儀器, 2005, 19(3): 77-79.