隨鉆中子He3管探測器抗干擾的改進設計程羽張嘉偉

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鍵部件， 它采集數據的準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，保證了采集數據的準確性。

關鍵詞：He3管? 隨鉆中子? 濾波? 厚膜電路

中圖分類號：TN912? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：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鍵部件，主要測量地層中熱中子數量多少，從而反映出地層孔隙度的變化，它的性能優劣將直接影響著整支儀器的性能和測井效果[1]。因此，He3管探測器的穩定性特別重要，所以He3管探測器的抗干擾性也成了儀器調校的重點。

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，每秒鐘將產生4×107個快中子，這些快中子射入地層，與地層中的物質碰撞。經過幾次碰撞后，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，產生H3（氚）子，該質子使其他一部分He3電離，產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，產生一負脈沖，脈沖幅度在0.5μV～1.5mV范圍內連續分布，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，經過電路處理之后就會產生計數。這種計數叫作空計數（無源時采集的計數值），既影響儀器的刻度測試，又影響儀器的下井作業應用，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系的電壓脈沖，就應該對探測器的輸出電流脈沖進行積分。當積分作用發生在探測器輸出端和預放大器輸入端之間，就稱為電壓成形方式，此時，預放大器的輸入信號為電壓脈沖，采用電壓預放大器相配合[4]。

前置放大器是置于信號源與放大級之間的預放大電路，是專為接受來自信號源的微弱電壓信號而設計的。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，提高了系統的信噪比，減少外界干擾的相對影響，實現阻抗匹配[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化成電壓信號， 濾除低頻噪聲干擾信號，提取有用的關鍵信號，并對有用信號適當放大，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為：

傳遞函數為：

得到HPF的傳遞函數，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計，把前后兩級放大倍數做適當調整，前級放大倍數調整到20倍，保證后一級放大倍數在3倍以內，調整到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為20倍，第二級二階壓控高通濾波放大器運放的放大倍數為2.73倍，前后兩級一共放大倍數為55倍，和原來的放大倍數一樣，既保證了放大倍數的穩定性，又避免了在后一級輕微干擾就會產生的自激震蕩，保證了整個He3管探測器系統的穩定性。

1.2 工藝改進

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

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。

厚膜電路工藝優勢是選用陶瓷基板，厚膜絕緣電阻高、介電常數小，并且線膨脹系數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范圍內連續分布，脈沖寬度小于5μs，為隨機信號，傳輸到主放電路時，外界干擾信號很容易串入到電路系統里面，因此，對前放到主放之間的信號傳輸要求很嚴格，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。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生[6]。整個前放電路板都用鈹銅外殼屏蔽包裹在內，這樣能很有效地屏蔽外界電磁干擾。

2? 測試結果分析

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，下面藍色為輸出信號），測試放大倍數。

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

2.2 He3管通道計數測試對比

改進之前和改進之后，在實驗室里，測試本底計數，沒有任何放射源，理論上講，測試的空計數應該為零，N1～N6為He3管探測器6個近通道計數，F1～F6為He3管探測器6個遠通道計數。

沒有改進抗干擾設計之前，本底計數很高，個別通道每秒能達到幾百多，如圖9所示，嚴重影響著測試數據的準確性，在改進前放抗干擾設計之后，如圖10所示，空計數值每秒最多只有幾個，完全滿足了測試精度要求。

3? 結語

測試結果表明，經過硬件電路及制造工藝等改進，可有效濾除雜質干擾信號，減少了電磁干擾，保證了電路處在穩定的狀態下工作。前放電路板制造合格率很高，空計數很低，提高了隨鉆中子孔隙度數據采集的準確性和可靠性，而且工藝也簡單可靠，提高了儀器生產制造效率，有利于He3管探測器產業化大批量生產應用。

參考文獻

[1] 李科，魯保平，吳永安.He3管檢測系統的設計研制[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的抗干擾設計[J].西安郵電大學學報，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].石油學報，2008，29（4）：596-600.

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