一種基于溴化鑭晶體的伽馬能譜采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

喻益明

(大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163153)

0 引 言

溴化鑭(LaBr3) 閃爍體是近年發(fā)展起來(lái)的一種能量分辨率很高的閃爍晶體，由于其相較于傳統(tǒng)的BGO晶體具有光產(chǎn)額高、能量分辨好、溫度系數(shù)絕對(duì)值小、衰減時(shí)間短、非線性響應(yīng)小等優(yōu)點(diǎn)[1]，近年越來(lái)越受測(cè)井行業(yè)的青睞。斯倫貝謝公司率先推出了新一代元素測(cè)井儀Litho Scanner[2]，利用脈沖中子源和高分辨率探測(cè)晶體溴化鑭組成的探測(cè)器可以獲取到俘獲譜和非彈能譜，通過(guò)高中子產(chǎn)額、高計(jì)數(shù)率為提高元素測(cè)量的準(zhǔn)確度和精確度奠定了扎實(shí)基礎(chǔ)。為了提升國(guó)內(nèi)測(cè)井儀器水平，緊跟國(guó)際技術(shù)前沿，擺脫對(duì)國(guó)外服務(wù)公司的依賴，大慶油田測(cè)試分公司研制了基于溴化鑭探測(cè)器的高效脈沖中子全譜測(cè)井儀，并與PNST脈沖中子全譜測(cè)井儀進(jìn)行了性能對(duì)比[3]。

1 溴化鑭探測(cè)器的設(shè)計(jì)

基于溴化鑭探測(cè)器的測(cè)量原理是：γ射線進(jìn)入晶體后與之發(fā)生相互作用，被電離和激發(fā)的晶體的原子、分子退激時(shí)發(fā)射出閃爍光子，這些閃爍光子由光導(dǎo)和光學(xué)耦合劑到達(dá)光電倍增管的光陰極，通過(guò)光電效應(yīng)發(fā)射光電子，光電子在倍增管中倍增，最后在陽(yáng)極收集形成電子流，從而產(chǎn)生脈沖信號(hào)[4]。

溴化鑭探測(cè)器由溴化鑭晶體、光電倍增管、前置放大電路及調(diào)理電路組成。在溴化鑭晶體本身優(yōu)越性能的基礎(chǔ)上，配合應(yīng)用濾波整形電路，最終利用溴化鑭探測(cè)器采集到理想的核脈沖信號(hào)。探測(cè)器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖

為了將探測(cè)到的脈沖信號(hào)進(jìn)行放大和成形，在前置放大電路之后的調(diào)理電路中采用濾波成形電路以滿足后級(jí)電路對(duì)信號(hào)波形的需要。探測(cè)器輸出的電流脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)電荷靈敏前置放大電路，變換為以大的時(shí)間常數(shù)衰減的指數(shù)衰減信號(hào)，極零相消電路將信號(hào)變換為較小時(shí)間常數(shù)的指數(shù)衰減信號(hào)，并消除下沖，后面一級(jí)S-K濾波器完成準(zhǔn)高斯濾波成形，并獲得一定的電壓放大倍數(shù)，如圖2所示。

圖2 調(diào)理電路原理圖

對(duì)圖2電路進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖3所示：

圖3 調(diào)理電路仿真結(jié)果圖

2 高速數(shù)字采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

由于BGO晶體的發(fā)光衰減時(shí)間是300 ns，而溴化鑭晶體的發(fā)光衰減時(shí)間是20 ns[5]，傳統(tǒng)的模擬脈沖能譜采集電路無(wú)法滿足溴化鑭晶體的快速響應(yīng)需求，通過(guò)設(shè)計(jì)高速數(shù)字化多道脈沖幅度分析電路對(duì)溴化鑭探測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理。高速數(shù)字采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 高速數(shù)字采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

ADC的采集信號(hào)既可以通過(guò)單端輸入，也可以采用差分輸入。因?yàn)閱味溯斎霑?huì)使得ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果中二次諧波比例增大，從而影響到信噪比的水平，為了能有效抑制共模干擾以及提高信噪比，這就需要把放大電路中輸出的單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分輸入信號(hào)。ADC將轉(zhuǎn)換結(jié)果輸入FPGA。FIR濾波模塊去除高頻噪聲，堆積判別模塊通過(guò)脈沖寬度識(shí)別脈沖堆積，梯形成行模塊減少信號(hào)的彈道虧損，配合基線恢復(fù)模塊可以得到信號(hào)真實(shí)幅值。峰值提取模塊提取到有效最大值后存入FIFO，譜累加控制模塊根據(jù)FIFO的值讀取雙端口RAM中的值進(jìn)行操作，最后將雙端口RAM中的譜數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)曼碼編解碼單元上傳至上位機(jī)。

3 溴化鑭探測(cè)器與BGO探測(cè)器室內(nèi)對(duì)比試驗(yàn)

為了對(duì)比研究BGO、溴化鑭探測(cè)器能量分辨率及高速數(shù)字采集系統(tǒng)響應(yīng)速率，在石蠟房?jī)?nèi)對(duì)使用BGO探測(cè)器的PNST脈沖中子全譜測(cè)井儀和使用溴化鑭探測(cè)器的高效脈沖中子全譜測(cè)井儀進(jìn)行試驗(yàn)。

將長(zhǎng)源距為55 cm的PNST脈沖中子全譜測(cè)井儀放入蠟罐刻度，探測(cè)信號(hào)經(jīng)線放調(diào)理為脈寬700 ns,設(shè)定適合的梯形成形參數(shù)。中子管燈絲電離至130 μA，然后加靶壓至100 kV測(cè)得譜形如圖5所示。后將長(zhǎng)源距為55 cm的高效脈沖中子全譜測(cè)井儀放入蠟罐，探測(cè)信號(hào)經(jīng)高速線放調(diào)理為脈寬250 ns，設(shè)定適合的梯形成形參數(shù)，在相同燈絲電離及靶壓條件下測(cè)量譜形如圖6所示，其中藍(lán)色譜線為俘獲譜，紅色譜線為非彈總譜，白色譜線為時(shí)間譜。

通過(guò)室內(nèi)對(duì)比試驗(yàn)，高效脈沖中子全譜測(cè)井儀探測(cè)2.23 MeV的氫元素特征峰與4.43 MeV的碳元素特征峰均優(yōu)于PNST脈沖中子全譜測(cè)井儀，分辨率更高。同時(shí)其時(shí)間譜計(jì)數(shù)提高了3倍左右，充分驗(yàn)證了與溴化鑭探測(cè)器匹配的高速數(shù)字采集系統(tǒng)響應(yīng)更快速。

圖5 BGO探測(cè)器長(zhǎng)短源距能譜

圖6 溴化鑭探測(cè)器長(zhǎng)短源距能譜

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

使用溴化鑭探測(cè)器的高效脈沖中子全譜測(cè)井儀進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)。

芳XX井為大慶油田2016年4月完鉆的一口密閉取心井，于2017年3月21日進(jìn)行了測(cè)井試驗(yàn)。表1是芳XX在測(cè)速為120 m/h下的測(cè)井解釋結(jié)果與取心結(jié)果對(duì)比。從表中數(shù)據(jù)可知，求取的含油飽和度與巖心分析結(jié)果的最大絕對(duì)誤差是2.63%，解釋結(jié)果與取心結(jié)果基本一致。

表1 芳XX井測(cè)井解釋結(jié)果與取心結(jié)果對(duì)比表

山XX井為長(zhǎng)慶油田的一口產(chǎn)能建設(shè)井，地層孔隙度在10%左右，為確定儲(chǔ)層油水分布情況，2018年6月30日使用PNST脈沖中子全譜測(cè)井儀和高效脈沖中子全譜測(cè)井儀連續(xù)測(cè)井，對(duì)比解釋結(jié)果如圖7所示。其中實(shí)線為PNST脈沖中子全譜測(cè)井曲線，虛線為高效脈沖中子全譜測(cè)井曲線，測(cè)井成果圖顯示，Si/Ca、C/O、CI、OAI等主要測(cè)井曲線形態(tài)相似，重復(fù)一致性良好。其中1 882.0～1 886.0 m層段PNST脈沖中子全譜測(cè)井剩余油飽和度解釋為20%左右，表明該層為高水淹；高效脈沖中子全譜測(cè)井剩余油飽和度解釋為40%左右，表明該層為中水淹。結(jié)合裸眼井測(cè)井資料，2018年7月31日射開(kāi)該層段，投產(chǎn)后實(shí)際含水35%，與高效脈沖中子全譜儀解釋結(jié)果一致性更好。

圖7 山XX井溴化鑭和BGO測(cè)井剩余油飽和度解釋成果對(duì)比圖

5 結(jié) 論

1)選用高性能的溴化瀾晶體及光電倍增管，設(shè)計(jì)適合的調(diào)理及采集電路，能夠采集到分辨率更高的能譜曲線。

2)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，溴化鑭探測(cè)器分辨率優(yōu)于BGO探測(cè)器，高速數(shù)字采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理響應(yīng)速度更快。

3)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，使用溴化鑭探測(cè)器的高效脈沖中子全譜測(cè)井含油飽和度解釋結(jié)果與巖心分析結(jié)果基本一致，最大絕對(duì)誤差是2.63%。在含水飽和度為35%的地層中，高效脈沖中子全譜測(cè)井剩余油飽和度解釋結(jié)果為40%，PNST脈沖中子全譜測(cè)井儀解釋結(jié)果為25%。