脈沖中子測井儀器前端信號(hào)處理電路

曹攀輝, 周凱波, 程晶晶, 馬雙寶, 聶高寧

(1.華中科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院, 湖北 武漢 430074; 2.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,湖北 武漢 430074; 3.圖像信息處理與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430074;4.武漢紡織大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院, 湖北 武漢 430074)

0 引 言

隨著油氣開采難度增加,對(duì)測井儀器的精度要求越來越高,常規(guī)的測井技術(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際需求。世界主要測井公司逐漸轉(zhuǎn)向受環(huán)境因素影響小、分辨率高的脈沖中子測井技術(shù)的研究[1]。為了節(jié)約成本、提高有效測量精度,脈沖中子儀器發(fā)展朝著多功能組合式發(fā)展[2],這對(duì)儀器前端探頭的信號(hào)處理電路提出了更高的要求。

本文介紹的電路方法有效解決了脈沖中子全譜采集測井儀前端信號(hào)放大和處理的問題。結(jié)合元器件的選型,該電路完成了0.1～10 MeV范圍內(nèi)的γ射線(14 MeV脈沖中子轟擊地層元素產(chǎn)生)能量的測量;具有耐高溫(150 ℃)、響應(yīng)速度快(壓擺率SR>10 V/μs)、線性度好等優(yōu)點(diǎn);實(shí)現(xiàn)了信號(hào)波形的有效整形,相對(duì)一般電路具有更高精度和準(zhǔn)確度,可有效完成地層多種元素能譜數(shù)據(jù)的采集。

1 伽馬閃爍探測器輸出信號(hào)特性

脈沖中子與地層元素相作用發(fā)出的伽馬射線首先被伽馬閃爍探測器接收和處理。伽馬閃爍探測器主要由閃爍晶體和光電倍增管組成[3],利用γ射線照射在閃爍體上發(fā)出光子,光電倍增管探測到光子后轉(zhuǎn)化為電子信號(hào),通過倍增管進(jìn)行信號(hào)倍增形成可檢測和分析的脈沖電信號(hào)。以R6667A-01型光電倍增管為例,其部分參數(shù)指標(biāo)見表1。

表1 R6667A-01參數(shù)指標(biāo)

從γ射線進(jìn)入閃爍體到光電倍增管陽極負(fù)載上形成脈沖信號(hào),其過程見圖1[4]。

圖1 閃爍探測器工作過程

圖1所示意的陽極脈沖信號(hào)形成過程中經(jīng)歷了4個(gè)階段。① γ射線進(jìn)入閃爍體中,閃爍體探測接收γ射線。② 閃爍體將接收的γ射線轉(zhuǎn)化為光子,BGO晶體的閃爍效率為8 200光子/MeV。③ 閃爍體發(fā)射出光子被光電倍增管的陰極窗接收,閃爍體和光導(dǎo)系統(tǒng)會(huì)反射或者吸收大部分光子,光電子會(huì)損失;陰極窗接收光子后,產(chǎn)生光電子。R6667A-01型光電倍增管陰極窗光子接收效率約為25%,接收光子后產(chǎn)生光電子量子效率為16.9%。④ 光電子經(jīng)過倍增系統(tǒng)打拿級(jí)加速倍增,電子數(shù)量急劇加倍,最終在陽極形成脈沖電信號(hào)。R6667A-01倍增系統(tǒng)放大倍數(shù)為5×105。

經(jīng)過上述過程,能量為1 MeV的γ射線,經(jīng)R6667A-01型光電倍增管后,陽極輸出電荷量為8200×1×25%×16.9%×5×105×1.6×10-19C=2.8×10-11C。

2 前置放大器設(shè)計(jì)

光電倍增管陽極輸出為微弱的電荷信號(hào),這些電荷信號(hào)需要經(jīng)過前置放大器進(jìn)行放大。電荷靈敏型放大器[5]是目前能譜測量系統(tǒng)中使用最多的前置放大器,它具有放大性能穩(wěn)定、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。前放電路采用電荷靈敏型放大電路,輸出信號(hào)為脈沖電壓信號(hào)[6]。探測器輸出信號(hào)為負(fù)脈沖信號(hào),電荷靈敏放大器采用反向輸入方式,電路設(shè)計(jì)見圖2。

圖2 電荷靈敏放大電路

圖2中,由運(yùn)算放大器U1和緩沖器U2組成電荷靈敏前置放大電路,緩沖器U2主要作用是提供電流驅(qū)動(dòng),同時(shí)滿足電路高速需求。R1作為匹配電阻,其主要作用一方面是匹配同軸電纜的阻抗,一方面是將電流脈沖轉(zhuǎn)化為電壓脈沖,通常R1取值為50 Ω。C1為隔直流電容,主要作用是過濾信號(hào)中的直流信號(hào),其取值與脈沖信號(hào)的頻率相關(guān)。Rf為反饋電阻,其主要作用一是為反饋電容提供放電路徑,另一是為直流部分提供負(fù)反饋通道,防止電路產(chǎn)生振蕩自激,提高電路的穩(wěn)定性。為了保證Cf上電荷積累,減少彈道虧損,防止放電過快造成信號(hào)的過沖,Rf的選取一般在MΩ量級(jí)。電荷脈沖信號(hào)通過電荷靈敏放大電路后輸出端信號(hào)電壓為[7]

(1)

當(dāng)開環(huán)增益Ao>>1,Cf保持恒定,則電荷靈敏放大器輸出信號(hào)幅度只與探測器輸出電荷量Q成正比[8]。反饋電容Cf選取十分關(guān)鍵,Cf過大則噪聲大,信噪比小;Cf過小則反饋深度小,輸出幅度穩(wěn)定性變差。綜合考慮信噪比、反饋深度、放大器輸出電壓等因素,選取高精度、高穩(wěn)定性能的電容作為反饋電容,取值100 pF左右。

采用Orcad軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)測試電路進(jìn)行仿真調(diào)試分析,電荷靈敏前置放大器輸入輸出信號(hào)的PSPICE仿真波形見圖3。藍(lán)色信號(hào)Vi為輸入50 mV,脈沖寬度為5 μs的負(fù)脈沖信號(hào),紅色信號(hào)Vo為仿真輸出的放大信號(hào)。經(jīng)過反向放大后,得到放大的正脈沖電壓信號(hào),實(shí)現(xiàn)了電荷負(fù)脈沖信號(hào)的放大處理要求,對(duì)于探測器輸出信號(hào)周期短,幅值小等特點(diǎn),電荷靈敏放大器輸入阻抗高、開環(huán)增益大、輸出穩(wěn)定性好、較寬的帶寬和響應(yīng)速度快的特性能夠符合要求。

圖3 前放電路輸入輸出信號(hào)PSPICE仿真波形

根據(jù)前面對(duì)γ射線被探測器接收到在光電倍增管陽極負(fù)載上形成脈沖信號(hào)過程的介紹,晶體采用BGO晶體,光電倍增管采用R6667A-01,1 MeV的γ射線,探測器相應(yīng)輸出電荷量為2.8×10-11C。在上述前置放大器設(shè)計(jì)中反饋電容Cf取為100 pF時(shí),0.1～10 MeV能量范圍內(nèi)的伽馬射線對(duì)應(yīng)幅度為0.028～2.8 V。運(yùn)算放大器采用LT1363,其供電電壓為±12 V,響應(yīng)速率為1 000 V/μs,帶寬為70 MHz,能夠提供足夠線性放大區(qū)域,滿足高頻快速放大。緩沖芯片采用BUF634,其供電電壓為±2.5±18 V,響應(yīng)速率為3 000 V/μs,帶寬可達(dá)到180 MHz,并且擁有良好的噪聲特性。

前放電路壓擺率計(jì)算公式為

SR=2πfVpk

(2)

式中,f為最大頻率,一般認(rèn)為是帶寬;Vpk是放大輸出信號(hào)的最大峰值。圖4為前置放大電路在150 ℃下穩(wěn)定1 h后進(jìn)行256次平均采樣測量的放大性能分析。輸入信號(hào)峰峰值在1 000～4 000 mV,頻率在100 kHz～2 MHz范圍內(nèi),放大倍數(shù)為5.22,前放電路帶寬可達(dá)1.5 MHz(到2 MHz會(huì)產(chǎn)生2%的放大倍數(shù)衰減),并在輸入信號(hào)峰峰值在4 000 mV范圍內(nèi),表現(xiàn)出良好的線性特性,壓擺率SR=166,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換速率要求。

圖4 前放電路150 ℃放大性能測試

3 信號(hào)整形處理電路的設(shè)計(jì)

伽馬探測器檢測到的信號(hào)非常微弱,輸出的脈沖信號(hào)上升快,下降慢,同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的下沖。這些因素以及外界環(huán)境噪聲的干擾對(duì)于信號(hào)的測量有著較嚴(yán)重的影響,因此需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形處理。信號(hào)整形處理電路主要包括基線恢復(fù)電路、零極相消電路、CR-RC(微分-積分)電路等。

圖5 信號(hào)濾波整形電路

圖5中,信號(hào)輸入以后經(jīng)過基線恢復(fù)電路,一方面是為了消除由于探測器輸出信號(hào)通過前置放大器后,系統(tǒng)沖擊響應(yīng)具有緩慢衰減的尾部,尾部引起的基線偏移[9];另一方面是為了消除信號(hào)通過RC網(wǎng)絡(luò)時(shí)電容充放電產(chǎn)生的基線偏移,基線恢復(fù)電路部分中由C1、R2、R3、D1、D2構(gòu)成,最終達(dá)到減小基線漲落,消除電路中溫度影響、電抗參數(shù)、幅度測量畸變?cè)斐傻幕€偏移[10]。

圖5中,基線恢復(fù)后的S1信號(hào)經(jīng)由U1組成的運(yùn)算放大電路,送入微分電路[11]。光電倍增管輸出脈沖信號(hào)周期很短,受限于部分元器件的轉(zhuǎn)換速率,運(yùn)算放大器U1可以起到隔離和緩沖的作用。經(jīng)過U1后得到信號(hào)S2,再通過由C3和R7組成的微分電路。由于在前置放大電路中輸入電阻不為∞,輸出電壓信號(hào)呈指數(shù)衰減,信號(hào)一般呈雙極性,產(chǎn)生過零下沖,影響系統(tǒng)對(duì)于正常信號(hào)的放大性能,因此需要采用一個(gè)零極相消電路對(duì)信號(hào)進(jìn)一步調(diào)整,保證微分后的輸出信號(hào)為單極性信號(hào)[12]。

圖5中信號(hào)經(jīng)過由C3和R7組成的微分電路后傳遞函數(shù)為

(3)

式中,τf=R5C2,τ=R7C3。

式中,傳遞函數(shù)含有一個(gè)值為0的點(diǎn),理論上會(huì)造成信號(hào)波形的雙極性過沖。經(jīng)過PSPICE仿真電路實(shí)驗(yàn)調(diào)試,仿真結(jié)果如圖6所示,藍(lán)色信號(hào)為微分電路輸入信號(hào)S2,紅色信號(hào)為微分電路輸出信號(hào)S3。微分電路輸出的信號(hào)S3拖尾得到了改善,但是產(chǎn)生了不良的過零下沖。

圖6 微分前后PSPICE仿真波形

為了消除微分電路產(chǎn)生的過沖現(xiàn)象,需要在CR網(wǎng)絡(luò)的電容C2上并聯(lián)一個(gè)電阻R6,傳遞函數(shù)為

(4)

(5)

如此處理后,0值點(diǎn)消除,輸入脈沖頂部較大的衰減常數(shù)變小,既達(dá)到加快信號(hào)下降的目的,也消除了信號(hào)過零下沖。信號(hào)處理仿真效果見圖7,藍(lán)色信號(hào)為零極相消電路輸入信號(hào)S2,紅色信號(hào)為零極相消電路輸出信號(hào)S3。信號(hào)S3的拖尾以及過零下沖基本消除。

圖7 零極相消電路PSPICE仿真波形

圖8 積分前后PSPICE仿真波形

經(jīng)過零極相消微分電路處理后,信號(hào)下降加快,波峰變尖,不利于峰值信號(hào)的準(zhǔn)確采集,因此需要將波峰進(jìn)行展寬,對(duì)信號(hào)進(jìn)行積分處理。但為了避免無源CR和RC間相互干擾和影響,在CR和RC之間用一級(jí)運(yùn)放來進(jìn)行隔離。積分電路通過圖5電路中的R10、C5實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過PSPICE仿真電路實(shí)驗(yàn)調(diào)試驗(yàn)證,仿真結(jié)果見圖8,藍(lán)色信號(hào)為積分電路輸入信號(hào)S3,紅色信號(hào)為積分電路輸出信號(hào)Vo。信號(hào)S3經(jīng)過積分電路后,信號(hào)Vo實(shí)現(xiàn)展寬。如果經(jīng)過一級(jí)CR-RC電路后,信號(hào)波形沒有達(dá)到要求,可以適當(dāng)增加CR或者RC的級(jí)數(shù)。

4 電路性能測試結(jié)果

經(jīng)過對(duì)前端信號(hào)特征分析計(jì)算,結(jié)合電路的PSPICE調(diào)試仿真,完成實(shí)物電路元器件選型、PCB繪制和電路焊接工作。圖9為捕獲的伽馬射線經(jīng)過伽馬光電探測器轉(zhuǎn)化為脈沖電信號(hào)后,經(jīng)由電荷靈敏放大電路和濾波整形電路測試輸出效果。圖9中,信號(hào)3為經(jīng)過電荷靈敏放大器反向放大和基線恢復(fù)后的脈沖電壓信號(hào);信號(hào)2(較窄波形信號(hào))為經(jīng)過零極相消微分電路后的信號(hào)波形;信號(hào)1為經(jīng)過積分電路后的信號(hào)波形。通過對(duì)實(shí)測信號(hào)波形的分析,實(shí)驗(yàn)電路驗(yàn)證了理論設(shè)計(jì)和PSPICE的調(diào)試結(jié)果;實(shí)現(xiàn)了核脈沖中子測井儀前端信號(hào)的放大和濾波整形處理,達(dá)到了信號(hào)采集分析的要求。

圖9 電荷靈敏放大以及濾波整形后信號(hào)輸出測試結(jié)果

5 結(jié) 論

(1) 通過理論分析和計(jì)算,采用BGO晶體和R6667A-01型光電倍增管為儀器前端探頭,給出了前端信號(hào)電荷量與γ射線能量計(jì)算關(guān)系和信號(hào)波形特性。

(2) 根據(jù)光電倍增管輸出脈沖電荷信號(hào)特性,確定了前置放大電路設(shè)計(jì)方案,給出電荷靈敏放大電路中反饋電容Cf與輸出脈沖電壓信號(hào)計(jì)算關(guān)系,完成了放大電路150 ℃高溫放大性能和轉(zhuǎn)換速率(壓擺率SR遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于10 V/μs)的測試。

(3) 通過仿真分析和理論計(jì)算,設(shè)計(jì)了基線恢復(fù)電路、零極相消電路和CR-RC電路。通過對(duì)時(shí)間常數(shù)參量的調(diào)整,實(shí)現(xiàn)波形整形。實(shí)驗(yàn)中完成了自然環(huán)境伽馬射線的測量, 自然伽馬射線經(jīng)過 BGO晶體和R6667A-01型光電倍增管后輸出信號(hào)上升時(shí)間約為200 ns,下降時(shí)間約為2 μs,經(jīng)過整形處理后,上升時(shí)間約為0.4 μs,下降時(shí)間約為0.6 μs。波峰寬度滿足ADC采集時(shí)間需求。該電路能滿足較大范圍(峰峰值0～4 000 mV,頻率10 kHz～2 MHz)脈沖信號(hào)高速放大整形,可根據(jù)實(shí)際脈沖信號(hào)特性,對(duì)零極相消電路和CR-RC電路的時(shí)間常數(shù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),最終實(shí)現(xiàn)能譜數(shù)據(jù)采集。

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