薛志波 王昊煒

摘? 要：He3管探測器是隨鉆中子測井儀器中的關(guān)鍵部件， 它采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接影響著整支儀器的性能。隨鉆中子He3管探測器在安裝和測試過程中，會存在很多干擾，從信號采集過程、電路工作原理、制造工藝等方面入手，改進了抗干擾設(shè)計，極大地提高了隨鉆中子He3管探測器的抗干擾性能，保證了采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：He3管? 隨鉆中子? 濾波? 厚膜電路

中圖分類號：TN912? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2019）02（c）-0027-04

Abstract：He3 tube detector is the key component of the neutron logging while drilling， its accuracy of data acquisition directly affects the performance of the whole tool. In the process of installation and testing， there will be a lot of interference. The anti-interference design has been improved from the aspects of signal acquisition process， circuit working principle and manufacturing process， which greatly improves the anti-interference performance for He3 detector of the neutron logging while drilling and ensures the accuracy of data acquisition.

Key Words：He3 Tube;Neutron Logging While Drilling;Filtering;Thick Film Circuit

隨鉆中子測井儀是具有陣列式多通道熱中子He3管探測器的測井儀，在井下工作時，He3管探測器是隨鉆中子測井儀器的關(guān)鍵部件，主要測量地層中熱中子數(shù)量多少，從而反映出地層孔隙度的變化，它的性能優(yōu)劣將直接影響著整支儀器的性能和測井效果[1]。因此，He3管探測器的穩(wěn)定性特別重要，所以He3管探測器的抗干擾性也成了儀器調(diào)校的重點。

1? He3管探測器工作原理

隨鉆中子測井儀井下工作時裝載著15Ci的Am-Be中子源，每秒鐘將產(chǎn)生4×107個快中子，這些快中子射入地層，與地層中的物質(zhì)碰撞。經(jīng)過幾次碰撞后，快中子將被減速，能量從快中子的平均能量5.6MeV衰減到0.025eV的熱中子。這些熱中子部分進入He3管探測器，撞擊He3核，引起核反應(yīng)，產(chǎn)生H3（氚）子，該質(zhì)子使其他一部分He3電離，產(chǎn)生帶電的離子和電子，在高壓電場的作用下，電子向陽極運動，產(chǎn)生一負(fù)脈沖，脈沖幅度在0.5μV～1.5mV范圍內(nèi)連續(xù)分布，脈沖寬度小于5μs，為隨機信號，該脈沖被電子線路放大并記錄下來，探測器接受中子的多少直接反映了地層中氫原子的多少[2]。因此He3探測器及其電子線路組成的測井儀可以測量地層中的含氫量多少，它探測中子的反應(yīng)式[2]為：

實際情況是，自然界中不存在快中子，He3管在實驗室不加放射源的情況下，是采集不到快中子的，因此He3管是沒有任何計數(shù)的。He3管探測器很容易受到電子噪聲等干擾，在并不存在快中子的空間里，He3管探測器也會采集到脈沖信號，經(jīng)過電路處理之后就會產(chǎn)生計數(shù)。這種計數(shù)叫作空計數(shù)（無源時采集的計數(shù)值），既影響儀器的刻度測試，又影響儀器的下井作業(yè)應(yīng)用，不能真實地反映出地層孔隙度的變化[3]。針對這種情況，從信號的采集過程、電路工作原理、制造工藝等方面入手，采取了一些措施，改進抗干擾設(shè)計。

1.1 硬件電路改進

He3管探測器的輸出是一個電流脈沖，能模擬探測核輻的大小，不是電流脈沖的某一瞬間值，而是它積分值（或輸出電荷）的大小，在測量時，為了得到與能量呈線性關(guān)系的電壓脈沖，就應(yīng)該對探測器的輸出電流脈沖進行積分。當(dāng)積分作用發(fā)生在探測器輸出端和預(yù)放大器輸入端之間，就稱為電壓成形方式，此時，預(yù)放大器的輸入信號為電壓脈沖，采用電壓預(yù)放大器相配合[4]。

前置放大器是置于信號源與放大級之間的預(yù)放大電路，是專為接受來自信號源的微弱電壓信號而設(shè)計的。此次測試所用的前置放大電路僅僅只放大有用的小信號，將電路上的噪聲信號濾掉，減少了后級電路對噪聲的進一步放大，提高了系統(tǒng)的信噪比，減少外界干擾的相對影響，實現(xiàn)阻抗匹配[5]。He3管探測器的前放電路如圖1所示。

前置放大器包括兩級放大器：第一級為高通濾波放大電路，第二級為二階Sallen-Key高通濾波器，進一步濾除信號噪聲，提取有用信號，并對信號進行放大。下面對部分電路做以下分析。

（1）第一級為高通濾波放大電路（見圖2）將He3管探測器采集到的電荷信號轉(zhuǎn)化成電壓信號， 濾除低頻噪聲干擾信號，提取有用的關(guān)鍵信號，并對有用信號適當(dāng)放大，放大截止頻率是12.87kHz。

（2）第二級是二階壓控型有源高通濾波器（HPF）（見圖3），當(dāng)頻率足夠高時，電容C1和C2可視為短路，因此HPF的通帶電壓放大倍數(shù)為：

傳遞函數(shù)為：

得到HPF的傳遞函數(shù)，整理得：

頻率特性。

中的s換成 jω，并令，則有：

所以f<

針對這種問題，結(jié)合He3管探測器采集信號的特點，從硬件電路入手，完善前置放大電路原理設(shè)計，把前后兩級放大倍數(shù)做適當(dāng)調(diào)整，前級放大倍數(shù)調(diào)整到20倍，保證后一級放大倍數(shù)在3倍以內(nèi)，調(diào)整到2.73倍，如圖4、圖5所示。

第一級高通濾波放大電路放大倍數(shù)為20倍，第二級二階壓控高通濾波放大器運放的放大倍數(shù)為2.73倍，前后兩級一共放大倍數(shù)為55倍，和原來的放大倍數(shù)一樣，既保證了放大倍數(shù)的穩(wěn)定性，又避免了在后一級輕微干擾就會產(chǎn)生的自激震蕩，保證了整個He3管探測器系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.2 工藝改進

隨鉆中子測井儀井下工作環(huán)境惡劣，高溫高壓、振動強度大，因此He3管探測器的設(shè)計要保證能穩(wěn)定可靠的工作。

1.2.1 集成電路改進

前放電路采用集成電路設(shè)計時，芯片、阻容等器件焊接時受人為影響較大，對焊接工藝要求非常高。

厚膜電路工藝優(yōu)勢是選用陶瓷基板，厚膜絕緣電阻高、介電常數(shù)小，并且線膨脹系數(shù)能與其他膜層相匹配，直接采用晶元器件進行封裝，耐高溫、抗干擾、可靠性高、一致性好，降低了電磁輻射，改善了He3管探測器易受外界干擾性能。

如圖6所示，采用厚膜電路方式封裝前放模塊，所有的芯片都封裝在厚膜電路里面，保密性好，性能能穩(wěn)定可靠。

1.2.2 裝配工藝改進

原始信號很微弱，脈沖幅度在0.5μV～1.5mV范圍內(nèi)連續(xù)分布，脈沖寬度小于5μs，為隨機信號，傳輸?shù)街鞣烹娐窌r，外界干擾信號很容易串入到電路系統(tǒng)里面，因此，對前放到主放之間的信號傳輸要求很嚴(yán)格，采用屏蔽線取代一般信號線，并把屏蔽層接地，避免干擾信號竄入系統(tǒng)。屏蔽效果要好，要用專門的屏蔽線，信號線需要采用同軸屏蔽線，能夠保證信號在傳輸過程中，受到外界干擾要小，可以有效地去除掉無用的干擾信號。針對存在干擾，在制造裝配時，從各種因素考慮，采用一點接地方式防止噪聲電壓的產(chǎn)生[6]。整個前放電路板都用鈹銅外殼屏蔽包裹在內(nèi)，這樣能很有效地屏蔽外界電磁干擾。

2? 測試結(jié)果分析

2.1 測試波形信號

改進后的He3管探測器，在實驗室驗證測試，加上高壓測試信號，測試多個通道的本底計數(shù)值。

輸入加1200V高壓直流電源，測試He3管探測器，不加放射源，看本底噪聲信號大小，測試波形如圖7所示，都是白噪聲，不存在干擾噪聲信號。前放端加入模擬信號，模擬地層中熱中子的信號，輸入100kHz脈沖信號， 信號幅值為2mVpp，偏置-1mVpp，99%正占空比脈沖，測試波形如圖8所示（上面粉色為輸入信號，下面藍(lán)色為輸出信號），測試放大倍數(shù)。

改進后，前放電路對模擬信號的放大倍數(shù)為55倍左右，達(dá)到改進之前的效果，噪聲信號小，抗干擾能力強，在實驗室調(diào)試制造簡單快捷。

2.2 He3管通道計數(shù)測試對比

改進之前和改進之后，在實驗室里，測試本底計數(shù)，沒有任何放射源，理論上講，測試的空計數(shù)應(yīng)該為零，N1～N6為He3管探測器6個近通道計數(shù)，F(xiàn)1～F6為He3管探測器6個遠(yuǎn)通道計數(shù)。

沒有改進抗干擾設(shè)計之前，本底計數(shù)很高，個別通道每秒能達(dá)到幾百多，如圖9所示，嚴(yán)重影響著測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在改進前放抗干擾設(shè)計之后，如圖10所示，空計數(shù)值每秒最多只有幾個，完全滿足了測試精度要求。

3? 結(jié)語

測試結(jié)果表明，經(jīng)過硬件電路及制造工藝等改進，可有效濾除雜質(zhì)干擾信號，減少了電磁干擾，保證了電路處在穩(wěn)定的狀態(tài)下工作。前放電路板制造合格率很高，空計數(shù)很低，提高了隨鉆中子孔隙度數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和可靠性，而且工藝也簡單可靠，提高了儀器生產(chǎn)制造效率，有利于He3管探測器產(chǎn)業(yè)化大批量生產(chǎn)應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 李科，魯保平，吳永安.He3管檢測系統(tǒng)的設(shè)計研制[J].石油儀器，2007，21（1）：29-31.

[2] 李偉，趙帆.一種隨鉆中子孔隙度測井系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計[J].西安郵電大學(xué)學(xué)報，2017，22（3）：121-126.

[3] 黃芳，張士中，程輝建，等.SDZ-3090補償中子測井儀故障分析[J].石油管材與儀器，2017，3（3）：85-87.

[4] 鄧剛，劉靜松，郭志輝，等.SDZ-5070補償中子測井儀故障分析與排除[J].內(nèi)蒙古石油化工，2015（19）：31.

[5] 趙建輝，王麗艷，盛利民，等.去除隨鉆測量信號中噪聲及干擾的新方法[J].石油學(xué)報，2008，29（4）：596-600.

[6] 孟令晗.RC電路工作原理及其典型應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2017（1）：105-106.