ZGPJ-D自然伽马能谱测井讲义.ppt

自然伽马能谱测井仪 一 概述 自然伽马能谱测井可以测量地层的钍 铀 钾含量及其放射性总强度 通过这些参数可较准确地确定地层中泥质含量 区分泥岩的粘土类型并确定其含量 藉此可以判断岩性 研究沉积环境 生油层 寻找储集层等 自然伽马能谱测井方法大大提高了正确识别碳酸岩和沙岩储集层岩相的能力 是了解地层岩性的有效手段之一 二 主要技术指标 最高工作温度 155 2h 最高承受压力 140MPa 仪器外径 90mm 仪器长度 2 73m 仪器质量 52kg 最高测井测速 4 0m min 推荐测速 3 0m min 垂直分辩率 500mm 二 主要技术指标 测量范围 自然伽马总强度 0 500API 铀含量 0 5 10 6 20 10 6 钍含量 0 5 10 6 40 10 6 钾含量 0 1 10 测量准确度 自然伽马总强度的相对误差为 5 钾含量的绝对误差为 0 5 铀含量的绝对误差为 2 0 10 6 钍含量的绝对误差为 2 0 10 6 探测器 碘化铯晶体 2 0 12in 三 原理 一 伽马射线与物质的相互作用主要有三种形式 1 光电效应 E 1 02MeV 1 光电效应 E 150keV占主要 光子与原子的束缚电子相互作用 其能量大于电子在原子中的结合能时 使它脱离原子 并具有一定动能 而 光子被完全吸收 2 康普顿散射 150keV E 2MeV 光子与原子的电子发生碰撞时 其将部分能量传递给电子 使它脱离原子并具有一定动能 同时 光子被散射改变了原来的动量和动能 3 电子对效应 E 1 02MeV 当入射 光子能量大于1 02MeV 2m0c2 时 光子与物质的相互作用 可能形成一对正负电子 电子对 而其本身则完全消失 二 常用闪烁体晶体1 碘化钠NaI Ti 2 碘化铯CsI Na 3 锗酸铋BGO Bi14Ge3O12 常用闪烁体晶体性能比较 三 伽马射线探测过程伽马射线 电子 电离和激发 退激 荧光 光电倍增管 脉冲信号伽马射线能量 脉冲信号的幅度 四 解谱方法 1 剥谱法2 逆矩阵法3 最小二乘法 条件 1 混合样品中的核素都是已知的 2 测量标准谱和混合谱 测量条件一致 3 进行叠加时 探测系统幅度不随计数率改变 4 混合样品中 各核素具有各自的谱形 并能选出特征峰 地层 1 钾 铀系 钍系 占99 以上 2 特征峰40K 1 46MeV214Bi 铀系 1 76MeV208Tl 钍系 2 62MeV满足解谱条件 响应系数的定义 第j中核素标准谱在第i窗口的计数率Aij 第j中核素的含量 1 剥谱法 三个窗口由高向低剥 钍 铀 钾 仪器标准谱形 2 逆矩阵法 三个窗口 式中 X是 3 1 浓度矩阵 A是 3 3 响应系数矩阵 N是 3 1 计数率矩阵 3 最小二乘法 五个窗口 w1 0 15 0 5MeV w2 0 5 1 1MeV w3 1 1 1 6MeV w4 1 6 2 0MeV w5 2 0 3 0MeV 式中N是仪器的测量值 A是响应系数 X为待测铀 钍 钾含量 五个方程 三个未知量 此超定方程组可用加权最小二乘法求解 式中 X是 3 1 浓度矩阵 A是 5 3 响应系数矩阵 AT是A的转置矩阵 N是 5 1 计数率矩阵 Y是 5 5 权矩阵 权因子由各能窗的计数率确定 五 电路原理 1 仪器方框图2 低压电源3 高压电源4 探测器5前置放大器6 DTB接口电路7 NHL 能窗 电路8 PHA 脉冲幅度分析 电路9 CPU电路 1 仪器方框图 见附图7 2 低压电源 电路见图8 通过缆芯1 4输入的AC220V的交流电 经变压器T101降压 一组经V101整流 N101 N102稳压 输出 12V 另一组经V102整流 N103稳压 输出 5V供其它电路使用 二极管V103 V104 V105对集成三端稳压器起保护作用 输出的 12V 5V电源供仪器其他电路使用 3 高压电源 电路见图8 N201为高压模块 它是高压电源的核心器件 将 12V电源转换成负高压 供光电倍增管使用 输出的负高压随控制电压 CHV 改变而改变 系统通过DTB接口板改变控制电压 CHV 来控制高压模块的输出高压 R201 C201将 12V电源退藕滤波后供高压模块使用 C203对控制电压滤波 防止高频干扰信号对输出高压的影响 4 探测器 电路见图8 电阻R301 R314组成分压器 为光电倍增管阴极及各打拿极提供适当的工作电压 R315为负载电阻 将电流信号转换为电压信号 5前置放大器 电路见图9 N1组成电荷灵敏放大器 它对光电倍增管来的电荷进行收集 输出一个正脉冲 N2设计成同相电压放大器 R6和C5组成极 零电路 对电荷灵敏放大器输出的脉冲进行整形 V1 V2 V3 V4等组成基线恢复电路 输出的脉冲信号分别送到稳谱能窗 NHL 电路和脉冲幅度分析器 PHA 电路 6 DTB接口电路 电路见图15 D1 HT001 D2 HT002 两片混合电路是通信接口电路的核心 由于他们采用12V逻辑电平 其他电路用5V逻辑电平 用D3将5V逻辑电平转换为12V逻辑电平 D4 D5 D6将12V逻辑电平转换为5V逻辑电平 D7将D1分离出的串行下传数据转换为并行数据 D9是上升沿触发的三 D触发器 当ACOMP由低电平变高电平时 将下传数据锁存 D10 V1 N1 V2等组成D A转换电路 下传高压值数据转换为对应高压控制电压 三总线UDATA GO UCK DSIGNAL上的波形如图17所示 7 NHL 能窗 电路 电路见图11 前置放大器的脉冲信号经N1缓冲 R5 V2将信号钳位在0 7V左右 N2为同相放大器 增益4倍左右 N3 V3 V4 V5 V1等组成基线恢复器 保持基线的稳定 N4 V9 V10 V11 R25 R24 R23 R22 R21 R20 R38组成一个恒流源 调节R38 可改变恒流源的电流 调节R38 使窗口电压依次为0 586V R20和R21公共端 0 698V R21和R22公共端 0 839V R22和R23公共端 0 993V R23和R24公共端 1 134V R24和R25公共端 N5的A N6的A N6的B N7的A N7的B D1 D2等组成窗口比较器及逻辑判断电路 当输入脉冲幅度大于0 586V小于0 698V D1的11脚 NL1 输出一个计数脉冲 大于0 698V小于0 839V 12脚 NL2 输出一个计数脉冲 大于0 839V小于0 993V 14脚 NL3 输出一个计数脉冲 大于0 993V小于1 134V 15脚 NL4 输出一个计数脉冲 大于1 134V或小于0 586V NL1 NL2 NL3 NL4都不输出计数脉冲 NL1对应能量为40keV 50keV NL2为50keV 60keV NL3为60keV 70keV NL4为70keV 80keV NL1 NL2 NL3 NL4的输出分别送到计算机电路的四个计数器 8 PHA 脉冲幅度分析 电路 电路电路见图13 来自前置放大器的脉冲信号 一路送到模拟开关D2的11脚 一路送缓冲放大器N1 N1的输出分别送到N2 A N2 B N3 A组成的三个比较器 三个比较器输出的有序信号控制数模转换器D1工作 N4 N5 D2 V2 V3 C16等组成采样保持器 保证它的输出电压是脉冲峰值且在数模转换器进行转换过程中保持不变 转换结束后 通过模拟开关D2的15脚迅速将保持电容C16上的电荷放掉 D1 AD1674 是一高速十二位 二进制 数模转换器 只用其输出的高八位 所以是一个256道脉冲幅度分析器 9 CPU电路 电路见图18 D4 87C51 是MCS 51系列八位单片机 它自带4kB的EPROM 128B的RAM 32根I O线 两个计数 定时器 最高工作频率12MHz 它是仪器数据获取 累加 传输的核心 D8 54HC373 是一个8D锁存器 靠它实现低八位地址总线和八位数据总线的分时使用 D7 6116 一个2K静态存储器 RAM 它用来暂存256道脉冲幅度数据 四个稳谱窗口的数据 D9 D10 82C54 是两个各带三个十六位计数 定时器的通用计数 定时器电路 用来记录NL1 NL2 NL3 NL4四个稳谱窗口的计数 D1 54HC374 是一个上升沿触发8D锁存器 用来缓存从脉冲幅度分析器的输出数据 D3 GAL22V10 是一个可编程门电路 它内部固化了地址译码器 字节中断产生器 与非门 非门 D2 4520 是一个双四位二进制同步计数器 记录 UCK脉冲数 与D3中的字节中断产生器配合 累计八个 UCK脉冲向单片机申请一次字节中断 INT0 每次中断响应 单片机从外部RAM读取八位数据送到D5 D5 4014 是一个八位移位寄存器 用来将八位并行数据转换成串行数据 每个 UCK脉冲移出一位 送至通信接口电路 STB是PHA板的AD转换状态标志 由低电平变高电平 AD转换结束 将DB0 DB7上的数据锁存在D8 同时向单片机申请一次PHA中断 INT1 每次中断响应 单片机读取锁存在D8的八位数据 作为访问外部RAM的低八位地址 并将对应地址单元内容加一 四车间刻度 6 1车间刻度将仪器和DYX C电缆遥测短节联接起来 接负载下堵头 架起高度大于一米 周围应没有放射源 仪器通电预热三十分钟 在EAR2000地面系统选TCC SGR组合串 输入仪器号 作车间刻度 车间刻度分成两步 钾