高溫小口徑X射線熒光測井儀的研制綜述

喻明福

摘 要 本文研制了基于能量X射線熒光分析技術(shù)的高溫小口徑X射線熒光測井儀，可以在100℃高溫，50Mpa高壓深井環(huán)境中，對井下礦物質(zhì)元素進(jìn)行實(shí)時勘探。通過對前端探管結(jié)構(gòu)的合理研制，解決了高溫高壓環(huán)境下電制冷Si-PIN探測器工作問題。在2小時的連續(xù)測量中，儀器能夠很好地穩(wěn)定工作，最大測量誤差小于2%，滿足實(shí)際測井儀器要求。

關(guān)鍵詞 高溫小口徑；數(shù)字化多道脈沖分析器；測量誤差

為獲知礦產(chǎn)資源中礦物質(zhì)成分，傳統(tǒng)采用的分析方法是“巖芯樣品化學(xué)分析法”，該方法需要井下提取巖芯，從巖芯中提取礦物質(zhì)樣本，碎樣縮分，化學(xué)分析等操作，而X射線熒光測井技術(shù)同其相比，無須提樣分析，通過激發(fā)礦物質(zhì)元素的特征X射線，由探測單元收集產(chǎn)生核脈沖電信號進(jìn)行實(shí)時處理，可以對井下礦物進(jìn)行現(xiàn)場分析，探測方便[1-2]。本文通過設(shè)計耐高溫型數(shù)字化多道脈沖分析器，使用高速ADC電路進(jìn)行脈沖信號采樣，在FPGA內(nèi)部進(jìn)行信號的處理，使用ARM進(jìn)行通訊，提高整個系統(tǒng)的數(shù)字化，準(zhǔn)確地提取脈沖幅度。

1 探測器制冷系統(tǒng)

在X射線熒光測井中，隨著鉆孔深度的增加溫度也會越來越高，大致以3℃/100m遞增，千米深度的鉆孔的溫度可達(dá)上百攝氏度。而Si-PIN探測器的工作溫度在50℃內(nèi)，為使探測器在高溫下正常工作，必須為Si-PIN探測器配備制冷系統(tǒng)[3]。本文采用的Si-PIN探測器，需要在恒溫的條件下工作。因此，為使X射線熒光測井探管能原位測量井下礦物質(zhì)元素，并在一定時間內(nèi)正常工作，需要設(shè)計一種全新的制冷系統(tǒng)。為此，本文為小口徑的熒光探管設(shè)計了特殊的制冷設(shè)備，整個制冷設(shè)備由絕熱材料，多級耐高溫半導(dǎo)體溫差制冷片，導(dǎo)熱材料三部分組成。將制冷裝置放入探頭中，在恒溫水浴加熱鍋中進(jìn)行溫度實(shí)驗(yàn)。由于水不能被恒溫水浴鍋加熱到100℃以上，實(shí)驗(yàn)室采用導(dǎo)熱油來代替水模擬井液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在整個制冷裝置的冷指內(nèi)和導(dǎo)熱油中分別放入溫度傳感器進(jìn)行監(jiān)控，進(jìn)行2.5小時的溫度實(shí)驗(yàn)，由圖1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)外部油溫在30min左右已超過設(shè)定100℃最高溫度，達(dá)到107.8℃，冷指內(nèi)部前30min溫度保持在40℃以下；在外部溫度接近110℃的2h中，溫度一直保持在47℃，小于50℃的最高溫度限值。滿足在100℃的外部高溫下，穩(wěn)定工作2h的設(shè)計要求。

2 核脈沖信號數(shù)字化處理

數(shù)字化多道能譜測量中，高速ADC將采樣到的數(shù)字化核脈沖送入FPGA中需要進(jìn)一步對信號做處理才可構(gòu)建能譜。FPGA內(nèi)部通過構(gòu)建高通濾波器對脈沖信號進(jìn)行整形，為了保證在較高計數(shù)率情況下，避免由于重疊峰引起峰高的誤判，引入了基線扣除，通過對脈沖幅度值的計算與甄別實(shí)現(xiàn)對計數(shù)率的校正恢復(fù)，使用梯形成形算法準(zhǔn)確提取脈沖幅度值，成功構(gòu)建能譜，最后通過SPI總線與微處理器ARM進(jìn)行通訊，傳輸譜線數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)電源的設(shè)計

X射線熒光測井儀工作在礦物勘探井下，在野外工作時只能使用小型發(fā)電機(jī)為儀器供電，而儀器各個電路單元需要的電壓種類多且各部分電路的功耗、電源噪聲要求也不盡相同，必須設(shè)計出適配各個單元電路的電源系統(tǒng)[4]。電源系統(tǒng)采用高轉(zhuǎn)換效率的DC-DC開關(guān)電源與高電源紋波抑制比的低電壓差線性穩(wěn)壓器LDO相結(jié)合的方式，首先使用DC-DC開關(guān)電源進(jìn)行大壓差的轉(zhuǎn)換，在通過LDO濾除系統(tǒng)噪聲，最終獲得高轉(zhuǎn)換效率，低噪聲的電源系統(tǒng)。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

在進(jìn)行數(shù)據(jù)測試中采用的是標(biāo)準(zhǔn)樣品，分別選取含量為1%，5%，10%的Fe，Cu，Ni，Ti，Zn的元素進(jìn)行相應(yīng)的測定。將儀器接通180V交流電源后，3分鐘后待儀器穩(wěn)定后，將標(biāo)準(zhǔn)樣品分別放置在測井鈹窗口，在模型井無液的條件下進(jìn)行測定。測量結(jié)果如表1。由最后的測試數(shù)據(jù)可以看出，對于含量較低為1%的Fe和Cu元素，所測得的數(shù)據(jù)含量測量誤差在2%之內(nèi)；而對于其他含量較高的元素，所測得的測量誤差都在1%以內(nèi)。含量越高，所測得的誤差越小。整體來說X射線熒光測井儀擁有較高的測量準(zhǔn)確度，測試數(shù)據(jù)顯示儀器對標(biāo)準(zhǔn)樣品含量測定的最大誤差小于2%。

5 結(jié)束語

本文研制出的高溫小口徑X射線熒光測井儀，可以實(shí)時對井下地層進(jìn)行元素分析。通過設(shè)計特殊的制冷設(shè)備，解決了100℃的高溫環(huán)境下，電制冷Si-PIN半導(dǎo)體探測器工作在50℃以下問題。合理的選擇元器件，優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)和降低電路功耗，設(shè)計出可以無故障工作在100℃的數(shù)字化脈沖多道分析器，擁有極好的穩(wěn)定性，最大測量誤差小于2%。

參考文獻(xiàn)

[1] 章曄，謝庭周，曹利國，等.X射線熒光探礦技術(shù)[M].北京，地質(zhì)出版社，1984：301.

[2] 葛良全.放射性同位素X熒光測井技術(shù)的研究[J].核技術(shù)，1997， 20（1）：18-23.

[3] 申風(fēng)君.X射線熒光測井關(guān)鍵技術(shù)研究[D].成都：成都理工大學(xué)，2011.

[4] 曾國強(qiáng)，葛良全，倪師軍，等.數(shù)字化X熒光儀電源的最優(yōu)化設(shè)計[J].核電子學(xué)與探測技術(shù)，2012，32（6）：719-723.