CN102094628A

CN102094628A - 基于LaBr3(Ce)晶体的多道γ能谱测井仪

Info

Publication number: CN102094628A
Application number: CN2011100686192A
Authority: CN
Inventors: 汤彬; 王仁波; 吴永鹏
Original assignee: East China Institute of Technology
Current assignee: East China Institute of Technology
Priority date: 2011-03-22
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2031-03-22
Also published as: CN102094628B

Abstract

本发明涉及一种基于LaBr₃(Ce)晶体的多道γ能谱测井仪，它包括探管部分、操作台、电缆和绞车，探管部分包括LaBr₃(Ce)与光电倍增管组合构成的LaBr₃(Ce)晶体γ射线探测器、谱仪放大器、峰值保持电路、脉冲幅度分析器、和高低压电源；操作台包括电源变换器和计算机；谱仪放大器接收来自探测器的脉冲信号，经过谱仪放大器后的脉冲信号通过峰值保持电路输入脉冲幅度分析器，脉冲幅度分析器输出的数字信息通过探管485通讯接口和电缆、与计算机485通讯接口连接。本发明提供了一种可以在核资源测井中直接测量铀系、钍系以及钾等多种放射性核素的特征能谱的测井仪器。具有能量分辨好、测量效率高、稳定性好等特点。

Description

基于LaBr<sub>3</sub>(Ce)晶体的多道γ能谱测井仪

技术领域

本发明涉及一种基于LaBr₃(Ce)晶体的多道γ能谱测井仪，具体地说是指一种基于LaBr₃(Ce)晶体探测器的1024道γ能谱测井仪，应用于铀矿γ测井当中，可直接获取地层精细γ能谱数据并解释出对应的铀矿层含量。

背景技术

核测井技术是随着当代科技的发展，以及它在铀钍、油气、煤炭等矿产勘探中的应用而迅速发展起来的尖端技术之一。它是利用地层岩石中天然产生(或人工激发与人工活化)的γ射线，研究其射线沿井轴的分布规律，进而确定地层岩石是否含有某些核素(元素)、并确定其含量的一种无损探测方法。早期基于一般性能的NaI(Tl)、CsI、BGO等晶体探测器的自然γ总量测井仪，只能获取总的γ射线信息，是一种粗略的γ射线测井仪器。后续采用上述几种探测器的γ能谱测井仪虽然在石油测井应用中得到广泛应用，但是在铀矿γ能谱测井中，因实际测井条件及探测器性能的限制，也无法满足实际测井需要，因而没有得到应用。

为了获取丰富而精细的地层γ信息，需要探测器具有优良的综合性能，例如良好的能量分辨率、稳定性，具有较高的探测效率等。在核资源测井的自然γ测井应用中，地层岩石中的铀系、锕系及钍系分别形成了各系的衰变链，含有众多的放射性核素并放出数百种具有不同能量特征的γ射线。在钻孔测量的复杂环境中，康普顿散射效应非常显著，同时钻孔中有限的环境给探测器尺寸带来了很大限制。实际的测井工作还需要保证一定的钻孔测量精度和测井效率。这一系列因素给获取钻孔精细γ能谱带来了很大困难。通常采用NaI(Tl)、CsI、BGO等晶体探测器的能谱测井仪由于受到探测器能量分辨率、探测效率等因素的限制无法有效克服上述困难而获取地层精细γ能谱信息，从而无法准确解释地层中铀、钍、钾等核素含量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有γ能谱测井仪器在铀矿测井应用中的不足，采用基于新型LaBr₃(Ce)晶体探测器的γ能谱测井仪，可以获取地层精细γ能谱，并可解释计算出地层中铀矿含量的测井仪器。

本发明通过如下技术方案实现：它包括探管部分、操作台、电缆和绞车，绞车是探管部分和电缆的测井移动载体，探管部分包括LaBr₃(Ce)晶体、光电倍增管、谱仪放大器、峰值保持电路、脉冲幅度分析器、探管485通讯接口和高低压电源；操作台包括计算机485通讯接口、电源变换器和计算机；LaBr₃(Ce) 晶体与光电倍增管组合构成LaBr₃(Ce)晶体γ射线探测器，LaBr₃(Ce)晶体γ射线探测器与谱仪放大器连接，谱仪放大器通过峰值保持电路与脉冲幅度分析器连接，脉冲幅度分析器通过探管485通讯接口和电缆、与计算机485通讯接口连接。谱仪放大器接收来自LaBr₃(Ce)晶体γ射线探测器的脉冲信号，经过谱仪放大器后的脉冲信号通过峰值保持电路输入脉冲幅度分析器，脉冲幅度分析器输出的数字信息通过探管485通讯接口和电缆、与计算机485通讯接口连接。

（1）选用综合性能优良的基于LaBr₃(Ce)晶体的γ射线探测器，其能量分辨率不低于3.5％（@662keV），3.5％（@662keV）是指位于662keV处的分辨率为3.5%，是普通NaI(Tl)晶体探测器的1/2；

（2）探管中采用井下高速数据处理单片机和放大成形电路构成1024道脉冲幅度分析器（MCA）、具有很高的脉冲采样速率，缩短死时间，可实现钻孔测量中的脉冲处理与数据上传的同时进行，消除测井过程中可能存在的沿井轴方向的空白测量段；

（3）采用有源485总线数据传输方案，数据传输率最高可达57.6kbps，可实现最大3千米长度电缆的能谱数据高速传输；

（4）探管机械结构在通常的不锈钢材质耐压防水结构设计的基础上，探测器外围部分采用质量较轻的铝合金结构，保证探管在井下泥浆环境可靠工作的前提下，针对自然γ全谱低能段的屏蔽效应尽量小；

（5）地面计算机系统配置可进行能谱解释的软件，可实时存储和显示获取的γ射线能谱信息，并根据能谱数据解释计算出对应地层中的铀矿层含量。

本发明采用新型LaBr₃(Ce)晶体探测器的γ能谱测井仪，提供了一种可以在核资源测井中直接测量铀系、钍系以及钾等多种放射性核素的特征能谱的测井仪器，也为石油等核测井领域提供了一种性能更高的能谱型测井仪。该仪器具有能量分辨好、测量效率高、稳定性好等特点。

附图说明

图1、本发明实施例1仪器结构方框示意图。

图2、本发明实施例1谱仪放大器结构方框示意图。

图3、本发明实施例1改进型极零补偿微分电路原理图。

图4、本发明实施例1第七级基线恢复器的工作原理图。

图5、本发明实施例1脉冲幅度分析器结构方框示意图。

图6、本发明实施例1仪器工作流程图。

具体实施方式

本发明通过下面的实施例可以对本发明作进一步的描述，然而，本发明的范围并不限于下述实施例。

实施例1：

本发明提出的γ能谱测井仪包括探管、操作台、电缆和绞车。探管部分包括LaBr3(Ce)晶体、光电倍增管、谱仪放大器、峰值保持电路、脉冲幅度分析器、485通讯接口以及高低压电源等；操作台部分由485通讯接口、电源变换和笔记本计算机等构成。绞车为电动或手动测井绞车，电缆为最长3千米的多芯测井电缆。结构如图1。

（1）采用LaBr₃(Ce)与光电倍增管组合构成LaBr₃(Ce)晶体γ射线探测器：

采用最新的LaBr₃(Ce)晶体γ射线探测器，它具有更为优良的综合性能，具体表现为：探测器具有更宽的能量响应范围、更宽的能量线性范围、特别是对中高能γ射线具有更高的探测效率、更大的光产额输出、以及更宽的温度范围，具有优良的能量分辨率。例如采用外型尺寸为Φ1.5×2英寸的B380型晶体，可以保证在20～70℃之间的工作温度范围内，不低于3.5％（@662keV）的能量分辨率。

由于LaBr₃(Ce)晶体γ射线探测器探测范围120KeV～3MeV，能够区分主要的天然铀或铀系列放射性核素产生的特征γ谱峰，即对于²³⁵U、²³⁴Pa、²³⁴Th等核素产生的γ射线能够寻找到明显的特征γ谱峰，且具有很高的探测效率，在含量解释上可实现针对²³⁵U特征峰的直接铀含量解释。

此外，采用LaBr₃(Ce)晶体γ射线探测器，可最大限度地克服强度型核测井仪器由于高计数率产生的γ射线照射量率与高铀含量之间的非线性，实现在高铀含量的高计数率情况下大大降低漏计数。

（2）谱仪放大器：

谱仪放大器接收来自LaBr3(Ce)晶体γ射线探测器的脉冲信号。主要由极-零补偿微分电路、主放大器、有源滤波积分成形器、基线恢复器等部分构成，其结构如图2所示，极-零补偿微分电路的作用是：当计数率高时，后面的脉冲将叠加在前面脉冲的下降部分上，形成如重叠的系列脉冲，脉冲的重叠会使脉冲幅度测量不准确，为此必须设置CR微分电路使重叠的脉冲分开。同时由于CR微分电路输出的脉冲是按指数规律衰减的，这样的脉冲经CR微分后，便出现反冲，使放大器的抗过载能力变坏。高计数率时，来不及恢复的反冲尾巴叠加起来，加剧了基线漂移。因此在单独CR微分电路基础上采用改进型极零补偿微分电路，其电路原理如图3所示。

在主放大器中，第一级放大A1是主要增益级，该放大节选用宽带、电流反馈型、高速运算放大器AD844器件，采用同相比例运算电路，适于应用在小信号的高增益放大中。放大器的第二级A2、第三级A3、第四级A4放大级，是积分成形级，由二阶有源低通滤波器组成，其作用在于改善信号的波形。第五级放大A5是极性变换的放大极，采用反相比例运算电路，实现信号的极性转换。第六级放大A6是固定放大倍数的放大极，采用同相比例运算电路，适于信号的低增益放大。

放大器的第七级A7是由跨导型放大器组成的基线恢复器，其工作原理图如图4所示。放大器A1输出的信号送到基线漂移检测电路进行检测，当基线漂移时，该信号经过跨导型放大器为主的基线恢复调整电路，调整放大器A7，消除基线漂移的影响。

（3）峰值保持电路：

经过谱仪放大器后的脉冲信号，其峰顶宽度比较窄，不满足后续A/D转换的时间要求(大于几μs)。采用峰值保持电路，以展宽脉冲信号峰值宽度，使脉冲峰值保持足够长的时间,以保证在A/D转换的过程中峰值稳定。

（4）脉冲幅度分析器：

脉冲幅度分析器是能谱测量中的核心部件，它把放大后的模拟信号变换成计算机可以识别的数字量，不同幅度的模拟信号转换成对应的数字信息，这个数字信息代表一个道址（总共1024个道址）。以道址作为存储器的地址码记录脉冲数，各道址的计数就可以把脉冲幅度的分布情况表现出来。

脉冲幅度分析器由脉冲检测电路、过峰检测电路、控制电路、采样保持电路和微控制器等组成，其框图如图5所示，脉冲幅度分析器中脉冲检测电路是通过设定电压阈值，将信号中幅度小于阈值的噪声去除。由于半导体探测器、电荷灵敏前置放大器和主放大器自身都存在着噪声，去除这些噪声有利于提高系统抗干扰性能。这个阈值大小一般在0.5V左右，通过可调电阻进行调节。过峰检测电路用于捕捉脉冲幅度的最大值，当到达最大值时启动峰值保持电路。峰值保持电路用以保持脉冲幅度最大点，相当于展宽脉冲信号峰值宽度，使脉冲峰值保持足够长的时间，以保证在A/D转换的过程中峰值稳定。采用C8051F064单片机作为脉冲幅度分析器的控制核心，协调各电路之间的工作，同时该单片机内部含有16位AD转换器，可直接完成脉冲信号的模数转换。

改进型极零补偿微分电路、脉冲检测电路、过峰检测电路、控制电路、采样保持电路和微控制器采用通用技术。

（5）485通讯接口：

探管485通讯接口与操作台计算机485通讯接口采用有源485总线数据传输方案；485通讯接口将单片机串行接口转换为适合远距离传输的两线制485接口协议，同时采用光电隔离芯片将探管电路与传输电缆隔离，可实现57.6kbps传输速率下最长3千米的数据传输，将操作台发出的控制指令以及探管获取的能谱数据经测井电缆完成双向传输。

（6）操作台电源变换器：

操作台的电源变换器分别与井下探管和操作台计算机485通讯接口连接；操作台的电源变换器将220V交流电源转换为48V和9V直流电源，分别向井下探管和操作台计算机485通讯接口供电。

（7）探管高、低压电源：

探管部分的低压电源模块输出±9V和＋5V电源，探管部分的高压电源模块输出800V直流高压电源。探管中低压电源模块负责将地面操作台送来的直流电源经过稳压和滤波，转换为各电路模块所需的±9V和＋5V电源。高压电源模块将＋9V电源转换为800V直流高压，用于光电倍增管加速极。

（8）操作台笔记本计算机：

通过计算机串口与485通讯接口相连，接收探管采集的1024道能谱数据，并向探管中多道分析器单片机发送控制指令。计算机还安装能谱解释的软件，可实时存储和显示获取的γ射线能谱信息，并根据能谱数据解释计算出对应地层中的铀矿层含量。

（9）探管、电缆与绞车：

探管外壳主体采用高强度不锈钢材料，在通常的不锈钢材质耐压防水结构设计的基础上，探测器外围部分（位于探管顶端）采用质量较轻的铝合金结构，在保证探管在井下泥浆环境可靠工作的前提下，使探测器针对自然γ全谱低能段的屏蔽效应尽量小；

最大3千米电缆盘绕在绞车上，摇动绞车实现电缆的收放。地面直流电源通过电缆向井下探管内部的电路模块提供电能，井下探管内的电路模块的工作状态、能谱数据也是通过电缆实现上传的。

整个测井仪工作流程如图6所示，它表示了测井仪从初始化开始到探管不断提升过程中1024道能谱数据（MCB）不断循环采集的过程。

Claims

1. 一种基于LaBr₃(Ce)晶体的多道γ能谱测井仪，它包括探管部分、操作台、电缆和绞车，其特征在于探管部分包括LaBr₃(Ce)晶体、光电倍增管、谱仪放大器、峰值保持电路、脉冲幅度分析器、探管485通讯接口和高低压电源；操作台包括计算机485通讯接口、电源变换器和计算机；LaBr₃(Ce) 晶体与光电倍增管组合构成LaBr₃(Ce)晶体γ射线探测器，LaBr₃(Ce)晶体γ射线探测器与谱仪放大器连接，谱仪放大器通过峰值保持电路与脉冲幅度分析器连接，脉冲幅度分析器通过探管485通讯接口和电缆、与计算机485通讯接口连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于LaBr₃(Ce)晶体的多道γ能谱测井仪，其特征在于：LaBr₃(Ce)晶体γ射线探测器的能量分辨率不低于3.5％（@662keV）；LaBr₃(Ce)晶体γ射线探测器探测范围在120KeV～3MeV。

3.根据权利要求1所述的一种基于LaBr₃(Ce)晶体的多道γ能谱测井仪，其特征在于：谱仪放大器包括极-零补偿微分电路、放大器、有源滤波积分成形器、和基线恢复器；极-零补偿微分电路中的包括CR微分电路；放大器有七级反馈放大节组成，第一级反馈放大节（A1）是主要增益级，该放大节选用宽带、电流反馈型、高速运算放大器AD844器件，采用同相比例运算电路；第二至四级放大节（A2、A3、A4）是三个积分成形器，分别由二阶有源低通滤波器组成；第五级放大节（A5）采用反相比例运算电路实现输入极性变换；第六级放大节（A6）是固定放大倍数放大器，采用同相比例运算电路；第七级放大节（A7）是由跨导型放大器组成的基线恢复器。

4.根据权利要求1所述的一种基于LaBr₃(Ce)晶体的多道γ能谱测井仪，其特征在于：脉冲幅度分析器包括脉冲检测电路、过峰检测电路、控制电路、采样保持电路和微控制器，采用C8051F064单片机作为控制核心，该单片机内部含有16位AD转换器，脉冲幅度分析器具有1024道址。

5.根据权利要求1所述的一种基于LaBr₃(Ce)晶体的多道γ能谱测井仪，其特征在于：探管485通讯接口与操作台计算机485通讯接口采用有源485总线数据传输方案，数据传输率最高达57.6kbps，传输距离最大3千米。

6.根据权利要求1所述的一种基于LaBr₃(Ce)晶体的多道γ能谱测井仪，其特征在于：操作台的电源变换器分别与井下探管和操作台计算机485通讯接口连接；探管部分的低压电源模块输出±9V和＋5V电源，探管部分的高压电源模块输出800V直流高压电源。