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        一種用于脈沖中子氧活化測(cè)井儀數(shù)據(jù)采集電路方法的探析

        2021-05-20 00:40:14程晶晶李照浦
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2021年12期
        關(guān)鍵詞:短節(jié)伽馬中子

        張 峰 李 瓊 程晶晶 李照浦

        (1、中海油田服務(wù)股份有限公司測(cè)井技術(shù)研究院,北京101149 2、華中科技大學(xué)人工智能與自動(dòng)化學(xué)院,湖北 武漢430074)

        目前氧活化測(cè)井解釋方法主要依賴于時(shí)間譜,本設(shè)計(jì)則同時(shí)采集的能譜信息和時(shí)間譜信息,可以通過能譜將活化氧產(chǎn)生的伽馬與自然背景的伽馬區(qū)分開,在地層環(huán)境復(fù)雜以及移動(dòng)測(cè)量時(shí)具備獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

        1 采集電路設(shè)計(jì)

        脈沖中子氧活化測(cè)井儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括兩部分,一部分控制中子發(fā)生器向地層發(fā)射中子,構(gòu)成中子發(fā)射短節(jié);另一部分采集地層中產(chǎn)生的伽馬射線并獲取其中所包含的信息,構(gòu)成數(shù)據(jù)采集短節(jié)。數(shù)據(jù)采集短節(jié)內(nèi)部包含三個(gè)探頭,按照與中子發(fā)生器的距離分別記為短源探頭SS,長(zhǎng)源探頭LS 以及超長(zhǎng)源探頭XLS。其結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

        由于數(shù)據(jù)采集短節(jié)內(nèi)一共有三個(gè)探頭,每個(gè)探頭內(nèi)部封裝了NaI 晶體和光電倍增管,將外界伽馬轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào),因此采集電路需要同時(shí)對(duì)三路脈沖信號(hào)需要進(jìn)行處理與采集。

        針對(duì)每一個(gè)探頭而言,其產(chǎn)生的脈沖信號(hào)首先需要通過前置放大器提高信噪比[5]。前置放大器有兩級(jí),第一級(jí)采用電流靈敏型前置放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行脈沖整形[6];第二級(jí)采用了同相比例放大器,可以改變電阻的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)增益的調(diào)節(jié),有利于后續(xù)能譜的標(biāo)定。由于不同探頭處于儀器的不同位置,因此采用了同軸線進(jìn)行信號(hào)傳輸并通過無源CDD 基線恢復(fù)電路[7]來消除脈沖堆積造成的基線偏移現(xiàn)象。隨后將信號(hào)分為兩路:一路進(jìn)行脈沖展寬同時(shí)獲取展寬后脈沖的峰值時(shí)刻,從而觸發(fā)ADC 采集脈沖的峰值,獲取能量信息;另一路通過比較器將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),有利于計(jì)數(shù)信息的獲取。最終,通過兩個(gè)單片機(jī)對(duì)信號(hào)采集、成譜、上傳,整個(gè)電路的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

        圖2 數(shù)據(jù)采集電路結(jié)構(gòu)

        2 測(cè)試與結(jié)果分析

        由于電路的主要功能是能譜采集,因此測(cè)試過程以Cs137為基準(zhǔn)源,對(duì)每個(gè)通道單獨(dú)進(jìn)行測(cè)試。在單片機(jī)內(nèi)編寫測(cè)試程序上傳采集的能譜數(shù)據(jù),通過這些數(shù)據(jù)驗(yàn)證能譜采集功能同時(shí)利用Cs137 的特征峰標(biāo)定能譜范圍,實(shí)驗(yàn)過程如圖3 所示。

        圖3 測(cè)試流程

        在實(shí)驗(yàn)過程中,穩(wěn)壓電源IPS4303 提供正負(fù)18V 電源來模擬井下設(shè)備的供電狀態(tài),通過電源模塊可以將正負(fù)18V 轉(zhuǎn)換為電路和探頭所需的電壓。采集電路的CAN 總線則是通過轉(zhuǎn)接器轉(zhuǎn)換為USB 信號(hào)與PC 連接,在PC 上通過與轉(zhuǎn)接器相匹配的軟件來實(shí)現(xiàn)地面系統(tǒng)功能,完成命令的下發(fā)和數(shù)據(jù)的上傳。

        為了方便對(duì)比進(jìn)行了兩組實(shí)驗(yàn),一組沒有任何放射源,只采集自然界中的伽馬射線以及電路本身的噪聲信號(hào),對(duì)應(yīng)本底測(cè)量,另一組在探頭旁放置Cs137 豁免源,兩組能譜均采集10 分鐘。在測(cè)試環(huán)境沒有發(fā)生變化時(shí)可以認(rèn)為本底和噪聲是穩(wěn)定的,因此將測(cè)量能譜減去本底能譜就可以得到扣除本底與噪聲干擾的Cs137 能譜如圖4 所示。

        圖4 10 分鐘扣除本底的Cs137 能譜

        根據(jù)Cs137 的能譜可知,其特征峰對(duì)應(yīng)的能量為662keV。從圖中可以看出能量峰值落在第19 道,而能譜一共有256 道,由此可以得出能譜采集能量的最大范圍為:

        對(duì)于氧來說,其活化后釋放的伽馬射線能量集中在6.13MeV,能夠落在能譜范圍內(nèi)較為合適的區(qū)間。在實(shí)際使用中即能夠明顯地觀察到活化氧峰值區(qū)域,又不會(huì)使氧峰附近的數(shù)據(jù)被邊界剔除,滿足氧活化儀器的工作需求。

        結(jié)束語

        本文設(shè)計(jì)了脈沖中子氧活化測(cè)井儀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠同時(shí)對(duì)儀器內(nèi)三個(gè)探頭產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行處理與采集,獲取能譜和時(shí)間譜信息。在信號(hào)的處理過程中,根據(jù)恒比定時(shí)鑒別法,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了脈沖信號(hào)的展寬和峰值時(shí)刻獲取,使其功耗、體積顯著減小,從而滿足測(cè)井儀器工作的需求。最終儀器的能譜范圍標(biāo)定在8.92MeV,能夠較為明顯地顯示活化氧產(chǎn)生的6.13MeV 特征伽馬。在氧活化測(cè)井過程中,利用采集的能譜數(shù)據(jù)可以提取出活化氧釋放的伽馬計(jì)數(shù),過濾其它能量范圍伽馬射線產(chǎn)生的干擾,從而提高儀器的測(cè)量精度。

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