鈾礦裂變中子測井控制與數(shù)據(jù)獲取技術(shù)

文/豐樹強(qiáng) 張國光 趙瀟 蘇丹 楊林森

當(dāng)前，我國對(duì)核燃料的需求逐步增加，利用核輻射探測技術(shù)進(jìn)行鈾礦勘探的測井方法應(yīng)用前景廣闊。鈾礦裂變中子測井中，所有井下儀器密封在金屬探管中，與井上設(shè)備間通過唯一的絞車線纜連接；測井中，井下溫度可達(dá)最高120℃，儀器連續(xù)工作時(shí)間長，外部高溫環(huán)境與內(nèi)部熱量都影響測井電路及器件的正常工作；探管外殼為不銹鋼材料，內(nèi)部為鋁合金結(jié)構(gòu)，用于結(jié)構(gòu)支撐與儀器固定，內(nèi)部狹窄的空間對(duì)測井電路的設(shè)計(jì)、布局以及散熱均提出了挑戰(zhàn)；絞車線纜長度達(dá)1km，井下儀器供電、控制與狀態(tài)傳輸、數(shù)據(jù)獲取均通過絞車線纜完成，通信距離長、干擾多，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定工作；利用脈沖中子源測井過程中，中子源的工作時(shí)序、探測器數(shù)據(jù)獲取時(shí)序、絞車控制等也需要緊密配合。

1 物理模型

鈾礦裂變中子測井技術(shù)中，測井探管內(nèi)主要儀器有中子發(fā)生器模塊、超熱中子探測器模塊、熱中子探測器模塊、伽瑪探測器模塊、數(shù)據(jù)采集板等；其中中子發(fā)生器工作時(shí)產(chǎn)額大于1 X 108n/s，脈沖頻率2KHz，脈沖寬度40μS；中子探測器由He-3正比計(jì)數(shù)管、高壓電源、前放電路等模塊組成，伽瑪探測器由LaBr3(Ce3+)晶體及信號(hào)成形電路等模塊組成，超熱中子探測器體積Φ32 X 180mm；熱中子探測器體積Φ16 X 90mm；伽瑪探測器體積Φ50 X100mm；此外，探管內(nèi)還有配套的高壓電源、低壓電源、信號(hào)成形電路，探測器通信板、數(shù)據(jù)采集板等；井上模塊主要有絞車及控制器；發(fā)電機(jī)、UPS電源、上位機(jī)控制與數(shù)據(jù)端；整套設(shè)備集成于改裝車內(nèi)，系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1：測井儀器組成示意圖

圖2：采集板電路示意圖與實(shí)物圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

絞車線纜兩芯用于井下儀器供電，另外兩芯用于485串行通信，考慮到穩(wěn)定性與通信效率，控制與數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)應(yīng)由井下模塊與上位機(jī)模塊兩部分組成；其中，井下模塊完成中子發(fā)生器單元的底層控制、運(yùn)行參數(shù)上傳、探測器譜數(shù)據(jù)的獲取與上傳等，上位機(jī)模塊完成絞車控制、深度數(shù)據(jù)獲取、采集流程的啟動(dòng)與停止、譜數(shù)據(jù)的接收、反顯、存檔、解釋模塊調(diào)度等。485通信中，導(dǎo)線電感對(duì)信號(hào)的變化有阻礙作用，其感抗通過公式XL=2πf L0（其中，XL為感抗，f為頻率，L0是電感）計(jì)算，而

L0=μ0L（Ln2L/R-0.75）/2π，其中，L為導(dǎo)線長度，R為導(dǎo)線半徑，μ0為真空磁導(dǎo)率；經(jīng)計(jì)算，波特率設(shè)為460800bps，考慮到開始位與停止位，每秒可傳輸46KB數(shù)據(jù)。

2.1 井下模塊

井下模塊的硬件部分是以單片機(jī)為核心的采集板，考慮到通信的實(shí)時(shí)性，中子發(fā)生器通信以及井上模塊通信通過獨(dú)立的485端口實(shí)現(xiàn)；多塊探測器通信板通過串接方式連接到485端口；采集板芯片選用汽車級(jí)器件，溫度適應(yīng)范圍為-40℃至120℃；為保證譜數(shù)據(jù)傳輸速率，在空間布局上采集板與探測器通信板盡可能靠近。

采集板結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

主控模塊完成設(shè)備初次加電后的初始化、參數(shù)設(shè)置，并設(shè)置串口通信中斷與定時(shí)器中斷，之后進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)，在循環(huán)體中完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與看門狗置位；其中中子發(fā)生器控制、探測器通信、上位機(jī)模塊通信通過獨(dú)立的串口實(shí)現(xiàn)，定時(shí)器中斷用于檢測并處理串口數(shù)據(jù)及通信異常。

2.2 中子發(fā)生器驅(qū)動(dòng)

脈沖中子發(fā)生器由中子管、高壓電源（靶高壓與離子源高壓）、燈絲恒流電源、驅(qū)動(dòng)電路等部分組成。其中，驅(qū)動(dòng)電路由FPGA、MCU及外圍數(shù)模電路、PWM電路組成，用于實(shí)現(xiàn)：

（1）靶高壓調(diào)整、頻率設(shè)置、氘氚放氣量控制；

（2）靶高壓反饋、靶電流反饋、離子源電流反饋；

（3）上位機(jī)控制通信。

工作時(shí)，燈絲恒流電路加熱氘氚儲(chǔ)氣裝置，產(chǎn)生氣體；離子源陽極加2000V脈沖高壓，氘氚混合氣體發(fā)生電離，之后，啟動(dòng)靶高壓電源，高壓加到中子管加速系統(tǒng)及靶極，使電離后的氘氚離子加速并打靶，最終離子在靶內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生中子?？刂齐娐吠ㄟ^單片機(jī)采集同步信號(hào)，再經(jīng)脈沖放大、保持、倍壓電路后產(chǎn)生陽極脈沖高壓，進(jìn)而通過控制陽極脈沖高壓的通斷實(shí)現(xiàn)快速離子源電離，最終控制中子的產(chǎn)生與停止。

上位機(jī)模塊啟動(dòng)后向采集板傳遞中子發(fā)生器控制參數(shù)，采集板將參數(shù)傳遞至中子發(fā)生器，流程啟動(dòng)指令由上位機(jī)模塊發(fā)出，經(jīng)采集板后傳遞給中子發(fā)生器驅(qū)動(dòng)電路，后者啟動(dòng)出束。驅(qū)動(dòng)電路同時(shí)獲取靶高壓、靶電流、離子源電流等反饋信號(hào)，并被采集板獲取，最終反饋回上位機(jī)模塊。

2.3 探測器通信

探測器模塊包括(超)熱中子、中子伽瑪、自然伽瑪?shù)忍綔y器，分別用于獲取中子時(shí)間譜、中子伽瑪譜、自然伽瑪譜等；通信控制模塊則由FPGA、DSP、中子信號(hào)采樣接口、同步接口、485接口、電源接口及外圍元器件等定制電路組成。

所有中子探測器的輸出信號(hào)及中子發(fā)生器同步脈沖信號(hào)被通信模塊采集；FPGA根據(jù)同步脈沖信號(hào)控制多路中子探測器的記錄，信號(hào)經(jīng)DSP處理后被上位機(jī)讀取；中子伽瑪與自然伽瑪通信模塊與此相似，由于自然伽瑪記錄過程中中子發(fā)生器不工作，無需同步信號(hào)。

從0時(shí)刻開始，在一個(gè)周期(2ms)中，源中子脈沖時(shí)間持續(xù)至40μs，源超熱中子衰減時(shí)間至 150μs，中子測量時(shí)間為 150μs-2000μs，而中子伽瑪非彈測量時(shí)間為0μs-10μs，俘獲測量時(shí)間為10μs-2000μs。其中，時(shí)間譜的總道數(shù)為128路，系統(tǒng)啟動(dòng)后，通過上位機(jī)模塊軟件設(shè)定道寬參數(shù)并下發(fā)至采集板，后者通過485通信端口完成對(duì)探測器時(shí)間譜道寬的設(shè)定。

2.4 絞車、井上數(shù)據(jù)獲取控制及測井流程

絞車控制器配合電動(dòng)絞車、測量頭及鎧甲線纜等，可在0-30m/min速度下在0-1000m范圍內(nèi)控制探管升降。其中，測量頭用于計(jì)量測井深度，鎧甲線纜用于探管升降及井上供電與通信；絞車運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，線纜速度與深度被測量頭上的測量輪及光脈沖機(jī)構(gòu)采集，數(shù)據(jù)經(jīng)絞車控制器處理后發(fā)送至上位機(jī)模塊。

井上控制與數(shù)據(jù)獲取端包括采集板通信模塊、絞車通信模塊、譜數(shù)據(jù)解析與顯示模塊、文件處理模塊、流程控制模塊、異常處理模塊等。如圖3所示。

圖3：井上模塊軟件界面

軟件啟動(dòng)后加載默認(rèn)參數(shù)及刻度數(shù)據(jù)，執(zhí)行初始化，向采集板傳遞中子發(fā)生器控制參數(shù)以及時(shí)間譜道寬參數(shù)，啟動(dòng)自檢，之后進(jìn)入等待狀態(tài)。

定點(diǎn)模式下，上位機(jī)模塊設(shè)定預(yù)置深度，啟動(dòng)絞車，獲取絞車狀態(tài)，到達(dá)設(shè)定深度后，確認(rèn)絞車停止?fàn)顟B(tài)及反饋深度，下發(fā)啟動(dòng)流程指令，采集板啟動(dòng)存儲(chǔ)區(qū)及同步初始化，等待數(shù)據(jù)采集板反饋中子發(fā)生器狀態(tài)，獲取探測器譜數(shù)據(jù)，按照格式解析數(shù)據(jù)，按照刻度數(shù)據(jù)完成譜顯示；采集完成后，上位機(jī)模塊下發(fā)停止流程指令，采集板依次停止探測器獲取，停止中子發(fā)生器出束，完成所有數(shù)據(jù)上傳，清零；后者接收所有數(shù)據(jù)后，集成并打包深度數(shù)據(jù)、日期戳數(shù)據(jù)、中子發(fā)生器狀態(tài)數(shù)據(jù)、刻度數(shù)據(jù)，生成復(fù)合文檔。

恒速模式下，上位機(jī)模塊設(shè)定起點(diǎn)深度、終止深度、預(yù)設(shè)速度與步長；啟動(dòng)流程，檢查并置位當(dāng)前深度，低速啟動(dòng)絞車電機(jī)，啟動(dòng)后逐步提速至設(shè)定速度；到達(dá)起點(diǎn)深度后，下發(fā)啟動(dòng)流程指令，獲取中子發(fā)生器參數(shù)，獲取譜數(shù)據(jù)，采集深度數(shù)據(jù)，深度達(dá)到步長值后，打包并保存數(shù)據(jù)，重復(fù)過程直至深度達(dá)到終止深度。

通常，下降測量時(shí)，開啟自然伽瑪探測器測量巖層的自然伽瑪能譜，中子管保存關(guān)閉，根據(jù)自然伽瑪能譜確定巖層的U，Th，K的含量曲線，并根據(jù)測井曲線的異常確定感興趣的測量區(qū)；提升測量時(shí)，中子發(fā)生器、中子探測器與中子伽馬探測器均工作，對(duì)自然伽瑪能譜異常的地層區(qū)間做重點(diǎn)測量。

3 探測器刻度及模型井實(shí)驗(yàn)

利用Cs-137、Co-60及Th-232核素對(duì)伽瑪探測器進(jìn)行線性刻度，通過刻度實(shí)驗(yàn)，也驗(yàn)證了采集板與探測器模塊、采集板與上位機(jī)模塊通信正常；具備了開展進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)的條件。

整套測井儀集成于專用改裝車中，在模型標(biāo)準(zhǔn)井開展了實(shí)驗(yàn)；主要完成測井儀在測井模型標(biāo)準(zhǔn)裝置上的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)和鈾含量的線性、準(zhǔn)確性驗(yàn)證。通過實(shí)驗(yàn)，也驗(yàn)證了探管、上位機(jī)模塊、車載發(fā)電機(jī)與UPS、絞車控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，具備了開展野外測井實(shí)驗(yàn)的條件。

4 結(jié)論

本工作針對(duì)使用環(huán)境要求，完成了井下采集板的硬件設(shè)計(jì)、采集板控制與通信模塊的軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)，完成了上位機(jī)模塊軟件的開發(fā)，整套系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性在譜刻度實(shí)驗(yàn)與模型標(biāo)準(zhǔn)井實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證，關(guān)于系統(tǒng)進(jìn)一步的測試有待通過野外測井實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。