一種用于脈沖中子氧活化測井儀數據采集電路方法的探析

張 峰 李 瓊 程晶晶 李照浦

（1、中海油田服務股份有限公司測井技術研究院，北京101149 2、華中科技大學人工智能與自動化學院，湖北 武漢430074）

目前氧活化測井解釋方法主要依賴于時間譜，本設計則同時采集的能譜信息和時間譜信息，可以通過能譜將活化氧產生的伽馬與自然背景的伽馬區分開，在地層環境復雜以及移動測量時具備獨特的優勢。

1 采集電路設計

脈沖中子氧活化測井儀的系統結構包括兩部分，一部分控制中子發生器向地層發射中子，構成中子發射短節；另一部分采集地層中產生的伽馬射線并獲取其中所包含的信息，構成數據采集短節。數據采集短節內部包含三個探頭，按照與中子發生器的距離分別記為短源探頭SS，長源探頭LS 以及超長源探頭XLS。其結構圖如圖1 所示。

由于數據采集短節內一共有三個探頭，每個探頭內部封裝了NaI 晶體和光電倍增管，將外界伽馬轉換為電脈沖信號，因此采集電路需要同時對三路脈沖信號需要進行處理與采集。

針對每一個探頭而言，其產生的脈沖信號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，第一級采用電流靈敏型前置放大器對信號進行脈沖整形[6]；第二級采用了同相比例放大器，可以改變電阻的參數來實現增益的調節，有利于后續能譜的標定。由于不同探頭處于儀器的不同位置，因此采用了同軸線進行信號傳輸并通過無源CDD 基線恢復電路[7]來消除脈沖堆積造成的基線偏移現象。隨后將信號分為兩路：一路進行脈沖展寬同時獲取展寬后脈沖的峰值時刻，從而觸發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轉換為數字信號，有利于計數信息的獲取。最終，通過兩個單片機對信號采集、成譜、上傳，整個電路的結構如圖2 所示。

圖2 數據采集電路結構

2 測試與結果分析

由于電路的主要功能是能譜采集，因此測試過程以Cs137為基準源，對每個通道單獨進行測試。在單片機內編寫測試程序上傳采集的能譜數據，通過這些數據驗證能譜采集功能同時利用Cs137 的特征峰標定能譜范圍，實驗過程如圖3 所示。

圖3 測試流程

在實驗過程中，穩壓電源IPS4303 提供正負18V 電源來模擬井下設備的供電狀態，通過電源模塊可以將正負18V 轉換為電路和探頭所需的電壓。采集電路的CAN 總線則是通過轉接器轉換為USB 信號與PC 連接，在PC 上通過與轉接器相匹配的軟件來實現地面系統功能，完成命令的下發和數據的上傳。

為了方便對比進行了兩組實驗，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，對應本底測量，另一組在探頭旁放置Cs137 豁免源，兩組能譜均采集10 分鐘。在測試環境沒有發生變化時可以認為本底和噪聲是穩定的，因此將測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Cs137 的能譜可知，其特征峰對應的能量為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較為合適的區間。在實際使用中即能夠明顯地觀察到活化氧峰值區域，又不會使氧峰附近的數據被邊界剔除，滿足氧活化儀器的工作需求。

結束語

本文設計了脈沖中子氧活化測井儀的數據采集系統，該系統能夠同時對儀器內三個探頭產生的脈沖信號進行處理與采集，獲取能譜和時間譜信息。在信號的處理過程中，根據恒比定時鑒別法，同時實現了脈沖信號的展寬和峰值時刻獲取，使其功耗、體積顯著減小，從而滿足測井儀器工作的需求。最終儀器的能譜范圍標定在8.92MeV，能夠較為明顯地顯示活化氧產生的6.13MeV 特征伽馬。在氧活化測井過程中，利用采集的能譜數據可以提取出活化氧釋放的伽馬計數，過濾其它能量范圍伽馬射線產生的干擾，從而提高儀器的測量精度。