第八章自然伽馬能譜測井儀器

第八章自然伽馬能譜測井儀器第1頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三8.1自然伽馬能譜測井方法原理8.1.1巖石的自然放射性8.1.2自然伽馬能譜探測原理8.1.3自然伽馬能譜測井儀器測量原理第2頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三8.1.1巖石的自然放射性主要放射性核素：鈾、釷、鉀巖石放射性：火山巖>變質巖>沉積巖沉積巖：高放射性：深海泥質沉積物中放射性：淺海、陸相泥質低放射性：砂巖、石灰?guī)r、煤等根據(jù)統(tǒng)計，沉積巖的自然放射性一般有以下變化規(guī)律：(1)隨泥質含量的增加而增加(2)隨有機物含量的增加而增加(3)隨著鉀鹽和某些放射性礦物的增加而增加。第3頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三鈾（U）、釷（Th）、鉀（K）的伽馬射線能譜第4頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三各種粘土礦物的Th/K比因此，用Th和K的比值可識別各種粘土礦物。第5頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三用Th和U的比值研究沉積環(huán)境從化學沉積物到碎屑沉積物，Th和U的比值增大；碳酸鹽巖的Th/U為0.3～2.8；粘土巖的Th/U為2.0～4.1；砂巖的U含量變化范圍很大，因而Th/U值變化范圍也大。第6頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三8.1.2伽馬能譜探測原理伽馬射線與物質的相互作用能引起物質中原子的電離和激發(fā)。利用這兩種物理現(xiàn)象可以探測伽馬射線。利用次級電子電離氣體而建立的探測器有電離室、正比計數(shù)器和蓋革一彌勒計數(shù)器等。利用次級電子使原子核的外層電子受激發(fā)，當原子返回基態(tài)時放出光子，發(fā)生閃光，而建立了閃爍計數(shù)器。1.伽馬射線探測器第7頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三放電計數(shù)管：γ輻射使氣體電離探測γ射線，效率比較低。第8頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三閃爍計數(shù)管射線γ+NaI——e——激發(fā)原子——回到穩(wěn)定態(tài)時產(chǎn)生光子——光電子——在陽極記錄光電倍增管第9頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三自然伽馬能譜測井儀測得的儀器譜儀器譜當用NaI（Tl）晶體探測伽馬射線能譜時，由于伽馬射線與物質的三種作用產(chǎn)生次級電子的能量不同，因此既使是單能伽馬光子，其脈沖幅度仍有一個很寬的分布。實際能譜曲線是連續(xù)的，稱儀器譜。在能譜曲線上，除了光電效應造成的光電峰或全能峰外，還有康普頓散射產(chǎn)生的峰，穿過晶體的伽馬射線反射回來產(chǎn)生的光電峰以及電子對效應產(chǎn)生的逃逸峰等。

第10頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三能窗設置

在高能域設置三個能窗，W3、W4和W5，分別探測1.46、1.76和2.62MeV個主要峰在低能域再設置二個能窗，W1和W2，探測地層中康普頓散射后的伽馬射線。W1：0.15～0.5MevW2：0.5～1.1MevW3：1.32～1.575Mev(K)W4：1.65～2.39Mev(U)W5：2.475～2.765Mev(Th)穩(wěn)譜晶體和光電倍增管對溫度十分靈敏，溫度變化將引起光電倍增管輸出脈沖幅度的改變，等效于能譜的漂移。因此，在測量過程中，通過調整電壓和電子線路參數(shù)保證能量譜的穩(wěn)定。

第11頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三解譜原理用U、Th和K分別代表各自含量，W1~W5代表五個能窗的計數(shù)率，則五個方程，3個未知數(shù)，其求解方法采用最小二乘法第12頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三構造目標函數(shù)當該目標函數(shù)Q達到最小時（理想值為零），則上述方程組得到滿足。因此，求解超定方程組問題轉化為函數(shù)求極值問題。根據(jù)函數(shù)求極值方法可得：三個方程，三個未知量，適定方程組，克萊姆法則直接求解。輸出值：自然伽瑪總計數(shù)率CTS、U、Th、K四條曲線。第13頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三8.1.3伽馬能譜測井儀器測量原理第14頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三8.2NGT—C自然伽馬能譜測井儀測量原理7.2.1穩(wěn)譜原理Am源穩(wěn)譜K、Th能譜峰穩(wěn)譜7.2.2NGT-C儀器測量原理和框圖7.2.3刻度能量和電壓的轉換關系第15頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三8.2.1穩(wěn)譜原理伽馬能譜測量要通過伽馬脈沖幅度來判別它們是從哪種放射性核素放射出來的，因而幅度信息是重要的，必須保證不受其它因素影響。由于閃爍晶體和光電倍增管的對溫度十分靈敏，由于溫度的變化會導致譜信號記入錯誤的能窗，因此，穩(wěn)譜措施是自然伽馬能譜測井儀設計中很重要的一環(huán)。NGT-C自然伽馬能譜測井儀采用兩種穩(wěn)譜方法。第16頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三1.Am源穩(wěn)譜為了使能譜信號處于能窗的正確位置，采用調整光電倍增管高壓的辦法，使輸出脈沖幅度有所改變。為此，選用一個單能伽馬源作為能量參考，記錄它的能量譜，實現(xiàn)穩(wěn)譜。儀器把5μCi的Am241源緊靠著閃爍晶體，它產(chǎn)生沒有散射的60keV的單峰，這個峰也不受地層譜的影響。

在60keV峰的兩旁設置二個能窗，低能窗是40～60keV，高能窗是60～80keV。在電路上用三個比較器來實現(xiàn)，比較器的參考電壓分別為：0.8V（相對于40keV）1V（相對于60keV）1.2V（相對于80keV）第17頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三記錄高、低能窗的計數(shù)率，如果滿足下式就認為全譜處于正確位置。為滿足這個條件，測井過程中將不斷地調節(jié)光電倍增管的高壓。式中APLW——镅源低能窗計數(shù)率；APUW——镅源高能窗計數(shù)率。穩(wěn)譜條件第18頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三2.K、Th能譜峰穩(wěn)譜為了進一步穩(wěn)定全譜，在NGT-C自然伽馬能譜測井儀中又增添了用地層的K峰（1460kev）和Th峰（2615keV）穩(wěn)譜，為此，在K峰和Th峰的兩側都設置高、低能窗：K峰的能窗范圍是1365～1460keV和1460～1590keV，Th峰的能窗范圍是2515～2610kev和2610～2740keV。和Am241峰穩(wěn)譜原理一樣，測量K峰和Th峰的高、低能窗的計數(shù)率，如果高、低能窗計數(shù)率相等，則全譜穩(wěn)定。如高、低能窗計數(shù)率不等，則調節(jié)能窗比較器的門檻電壓。和用Am241源通過調光電倍增管高壓實現(xiàn)穩(wěn)譜相比，這是一種穩(wěn)譜的“細調”。第19頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三8.2.2NGT-C儀器測量原理和框圖結構探頭組成電子短節(jié)：由測量、穩(wěn)譜和接口三大部分組成工作原理第20頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三NGT-C原理框圖探頭部分譜信號與環(huán)信號放大譜信號的能窗邏輯計數(shù)率寄存和傳輸高壓控制和譜誤差控制CCS接口電源環(huán)路信號就是Am241穩(wěn)譜峰信號第21頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三探頭部分譜信號與環(huán)信號放大譜信號的能窗邏輯計數(shù)率寄存和傳輸高壓控制和譜誤差控制CCS接口電源由光電倍增管輸出的計數(shù)脈沖包含了地層的自然伽馬譜信號和穩(wěn)譜源Am241的譜信號。經(jīng)U10/U11組成的放大級放大后，地層的譜信號送NGC-052測量信號比較器。Am源的信號再經(jīng)U12/U13組成的放大級放大后作為控制光電倍增管高壓的環(huán)信號送環(huán)信號能級比較器U1、U2、U3。比較器的參考電壓分別為1.2V、1V、0.8V，對應的能級為80keV、60keV、40keV。經(jīng)窗口邏輯電路后輸出Am241峰高（60～80keV）和低（40～60keV）能窗的計數(shù)率值N2和N1，N2和N1的差值通過電路或軟件指令改變高壓值使Am241峰穩(wěn)定在60keV。第22頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三NGT-C原理框圖探頭部分譜信號與環(huán)信號放大譜信號的能窗邏輯計數(shù)率寄存和傳輸高壓控制和譜誤差控制CCS接口電源

被測的地層譜信號送測量能級比較器U1、U2、U3、U4、U11、U12、U13、U14、U15、U16和U17，輸出9個能窗的信號，即W1、W2、W3、W4、W5、K穩(wěn)譜峰的N1、N2和Th穩(wěn)譜峰的N1、N2。這9個信號與Am241穩(wěn)譜峰的N1、N2一道加至NGC-054板的11個8位計數(shù)器，在下傳命令的控制下，再從計數(shù)器信號加載進11個8位移位寄存器，與此同時，高壓狀態(tài)信號和儀器狀態(tài)也載入另外三個8位移位寄存器。這14個移位寄存器的112個數(shù)據(jù)位在上傳時鐘的節(jié)拍下串行輸出，經(jīng)CCS接口板沿電纜送到地面。第23頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三探頭部分譜信號與環(huán)信號放大譜信號的能窗邏輯計數(shù)率寄存和傳輸高壓控制和譜誤差控制CCS接口電源NGC-055CCS接口板通過三條總線與電纜通信系統(tǒng)連接。這三條總線是下傳信號線、Go脈沖/上傳數(shù)據(jù)線、上傳時鐘線。接口板接收來自電纜通信系統(tǒng)的二條指令，根據(jù)指令中的控制數(shù)據(jù)實現(xiàn)對光電倍增管高壓的調節(jié)和譜信號比較電路門檻電壓的微調，與此同時，把測量的信號按上傳時鐘的節(jié)拍傳送到電纜上。第24頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三探頭部分譜信號與環(huán)信號放大譜信號的能窗邏輯計數(shù)率寄存和傳輸高壓控制和譜誤差控制CCS接口電源指令用戶字所載的數(shù)據(jù)送NGC-053板的16位移位寄存器。如果控制數(shù)據(jù)是調節(jié)高壓的則送入由U10、U13、U12組成的鎖存一可逆計數(shù)器，再經(jīng)D/A轉換器U14和放大器U1去調整光電倍增管的高壓。如果用戶字的數(shù)據(jù)用來微調比較器門檻，則把數(shù)據(jù)送入U8、U5和U7組成的寄存器，再經(jīng)12位D/A轉換器和放大器U2，作為譜誤差控制電壓送NGC-052板的放大器U22的輸入端，微調譜信號比較器的門檻。第25頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三8.3NGT-C自然伽馬能譜測井儀電路分析7.3.1環(huán)信號放大、比較邏輯電路7.3.2譜信號比較邏輯電路7.3.3高壓環(huán)路控制和譜誤差控制7.3.4能窗計數(shù)率的發(fā)送第26頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三8.3.1環(huán)信號放大、比較邏輯電路環(huán)信號放大電路作用：放大譜信號、環(huán)信號（穩(wěn)譜峰信號），適應能級比較電路的要求結構及工作原理環(huán)信號比較邏輯電路作用：檢出能量在40keV—60keV和60keV—80keV的環(huán)信號脈沖，送高低兩個能窗計數(shù)結構工作原理第27頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三1.譜信號和環(huán)信號放大電路環(huán)信號放大電路由兩級放大器構成。每級放大器都由二個運算放大器組成同相放大器U10和U12是HA2620寬帶放大器

U11和U13是LH0002電流放大器

先寬帶放大后電流放大組合的作用：既考慮放大脈沖的高頻成分，又照顧到增大脈沖輸出功率，有較好的信噪比。

第一級放大器對光電倍增管輸出的譜信號和環(huán)信號放大：譜信號的動態(tài)范圍是0～3000keV，放大器輸出為0—6V環(huán)信號的動態(tài)范圍是0～400keV，放大器輸出為0—800mV第二級放大器使環(huán)信號對應的輸出電壓進一步放大到0—6VR10用以調節(jié)環(huán)路增益第28頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三2.環(huán)信號比較邏輯電路組成：能級比較器U1、U2和U3脈沖記憶R—S觸發(fā)器：U4、U5

脈沖讀出、復位定時邏輯U7、U8和U9脈沖輸出選通門：U6a、U6b能級比較器脈沖記憶觸發(fā)器脈沖輸出選通門脈沖讀出、復位定時邏輯從放大器輸出的信號送比較器U1、U2和U3的反相輸入端，這三個比較器的同相端接參考電壓的分壓電阻，使得這三個比較器的門檻電壓分別為：1.2V：對應能級為80keV1V：對應能級為60keV0.8V：對應能級為40keV第29頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三當輸入環(huán)信號幅度在0.8～1.0V，即相當于核脈沖能量在40～60keV，比較邏輯電路工作時序無信號輸入時，三個比較器的輸出都是高電平，每個比較器輸出端的R-S觸發(fā)器置零。

因此N1、H2均無輸出(高電平)。當輸入環(huán)信號幅度在0.8～1.0V之間,N1輸出一負脈沖。（a)U3端7（b)U8端5（c)U8端13（f)U6端6（e)U4端4（d)U5端11（g)U9端9（h)U7端15第30頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三當輸入環(huán)信號幅度在0.8～1.0V，即相當于核脈沖能量在40～60keV，比較邏輯電路工作時序當輸入脈沖電壓幅度高于0.8V時，比較器U3的輸出（腳7）跳到低電平，使U5D和U5C構成的R-S觸發(fā)器置1，它鎖存比較器的狀態(tài)（信號a和d）。與此同時，U3輸出脈沖的下跳邊觸發(fā)單穩(wěn)U8B，它的Q端輸出一個2.6ns寬的延遲脈沖（信號b），這個脈沖的下跳邊再觸發(fā)U8A，U8A的腳13輸出正的讀脈沖（信號c）。

71561149513（a)U3端7（b)U8端5（c)U8端13（f)U6端6（e)U4端4（d)U5端11（g)U9端9（h)U7端15第31頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三從上面的分析得到以下結論：當脈沖能量處于40～60keV，即Am241的低能窗時，有計數(shù)脈沖N1輸出；當脈沖能量在60～80keV，即Am241的高能窗時，有計數(shù)脈沖N2輸出。通過計算機按下式進行計算，并通過硬件和軟件兩種方式調節(jié)高壓實現(xiàn)穩(wěn)譜。式中，TPLW——Th穩(wěn)譜峰低能窗計數(shù)率；TPUW——Th穩(wěn)譜峰高能窗計數(shù)率。第32頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三8.3.2譜信號比較邏輯電路譜信號比較邏輯電路（NGC-052）與環(huán)信號比較邏輯電路（NGC-051）相似，由11個比較器給出9個輸出值，按能窗順序是:W1200～500keVW2500～1100keV

K穩(wěn)譜N11363～1460keVK穩(wěn)譜N21460～1590keVW31100～1590keVW41590～2000keV

Th穩(wěn)譜N12515～2610KeVTh穩(wěn)譜N22610～2740KeVW52000～3000keV電路作用：從譜信號中分離出9個能窗的計數(shù)脈沖第33頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三200keV500keV3000keV構成：譜信號能級比較器、R—S觸發(fā)器、選通門、門檻電壓設置電路特點：門檻電壓有參考電源經(jīng)緩沖后分壓得到譜誤差控制電壓可對門檻電壓微調............第34頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三從環(huán)信號放大電路輸出的譜信號送至各比較器的反相端，各個同相端在接參考電壓源的各個分壓電阻上，產(chǎn)生不同的比較器門檻電壓。從參考電壓源輸出的6.6V送到U22的反相端，反相端的另一個輸入是程序PCSL設定值所提供的譜誤差控制電壓，其變化范圍是0～9V。這二個輸入電壓經(jīng)U22求和，再經(jīng)U21的1:1放大和功率輸出接各分壓電阻。不同電平的譜信號觸發(fā)不同能窗的計數(shù)信號輸出200keV500keV3000keV...............第35頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三8.3.3高壓環(huán)路控制和譜誤差控制在CSU數(shù)控測井系統(tǒng)里，測量和控制都是由地面計算機進行，從電纜通信系統(tǒng)CCS的井下部分送出二條指令給下井儀器，這二條指令是用戶字（UDW）和基本指令字（BIW），每條指令16位，基本指令字的9～15位是地址位，各種下井儀器有不同的地址，NGT-C儀器的地址是十進制數(shù)7，下井儀器通過電路識別地址后，才接受指令。CCS井下部分的接口首先向下井儀器傳用戶字，再傳基本指令字。

第36頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三數(shù)據(jù)位15～4地址位3210(D)說明X～XX～X10100001(1)0010(2)0011(3)0011(3)0100(4)0100(4)加載數(shù)據(jù)進高壓控制寄存器加載數(shù)據(jù)進譜誤差控制寄存器用硬件控制高壓用軟件控制高壓禁止Am環(huán)路控制允許Am環(huán)路控制表7-3UDW用戶字

NGT-C儀器的用戶字的4～15位是數(shù)據(jù)位，載有控制高壓或譜誤差控制電壓的數(shù)據(jù)，0～3位是功能地址，表明4～15位的數(shù)據(jù)是用來控制高壓還是用作譜誤差控制。其功能如下表7-3。第37頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三高壓環(huán)路控制和譜誤差控制原理圖D/AD/A寄存器組寄存器組譯碼器地址選擇及控制串改并移位寄存器,存放UDW字返回上級控制高壓控制電路譜誤差控制電路構成：移位寄存器；高壓數(shù)據(jù)鎖存器、D/A轉換器、放大電路；譜誤差數(shù)據(jù)鎖存器、D/A轉換器、放大電路；譯碼控制電路；高壓控制方式寄存器；镅環(huán)路控制寄存器。返回上級控制硬件控制的升降控制輸入端第38頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三D/AD/A寄存器組寄存器組譯碼器地址選擇及控制串改并移位寄存器,存放UDW字高壓控制電路譜誤差控制電路16位用戶字在DWCK反相時鐘的節(jié)拍下送入串行輸入并行輸出的移位寄存器U11和U9。用戶字的4～15位是載入寄存器U12、U13和U10還是載入寄存器U7、U5和U8，取決于用戶字的0～3位，用戶字的0～3位由移位寄存器U9送給譯碼器U3，U3的輸出是十進制譯碼數(shù)0～9。由表7-3可知，功能地址位的二進制數(shù)經(jīng)譯碼后是十進制數(shù)1～4。1是加載數(shù)據(jù)進高壓寄存器，2是加載數(shù)據(jù)進譜誤差控制寄存器，3是高壓控制方式，4是Am241環(huán)路控制是否允許。U3的4個輸出分別接與門U4A、U4B、U4C和U4D的一個輸入端，這四個與門的另一輸入端接與門U27A的輸出。U27A的輸入接ACOMP信號和奇偶檢查信號。數(shù)據(jù)位15～4地址位3210(D)說明X～XX～X10100001(1)0010(2)0011(3)0011(3)0100(4)0100(4)加載數(shù)據(jù)進高壓控制寄存器加載數(shù)據(jù)進譜誤差控制寄存器用硬件控制高壓用軟件控制高壓禁止Am環(huán)路控制允許Am環(huán)路控制第39頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三D/AD/A寄存器組寄存器組譯碼器地址選擇及控制串改并移位寄存器,存放UDW字高壓控制電路譜誤差控制電路當NGT-C儀器識別了基本指令字的NGT地址后，才允許指令進入。接口電路識別地址7后ACOMP信號為高電平，同時奇偶檢查無誤，才使U27A的輸出為高電平。此時，若譯碼器U3的輸出為2；則通過與門U4D使用戶字加載進寄存器U7、U5和U8，再經(jīng)D/A轉換器U6，輸出譜誤差控制電壓去細調譜信號比較器的門檻電壓。同時，U7、U5和U8的11～15位作為譜誤差控制狀態(tài)位輸出。

第40頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三D/AD/A寄存器組寄存器組譯碼器地址選擇及控制串改并移位寄存器,存放UDW字高壓控制電路譜誤差控制電路當用戶字0～3位的十進制譯碼輸出為3，且數(shù)據(jù)位4的二進制為0時，為軟件控制高壓。U26B的D端接移位寄存器U9的數(shù)據(jù)位4的輸出，用來記憶數(shù)據(jù)位4的狀態(tài)。當位4為二進制0時，譯碼器輸出3經(jīng)U4B作為U26B的時鐘使其Q非端為高電平，并輸給與非門U28A的一個輸入端。U28A的另一個輸入是譯碼器U3的輸出1經(jīng)U4C給出的。當這二個輸入都是高電平時，U28A輸出低電平，控制寄存器U12、U13和U10的加載端加載用戶字的12位數(shù)據(jù)位，再經(jīng)D/A轉換器U14，從三極管Q1的射極輸出高壓控制電壓。同時，U12、U13和U10的12位輸出作為高壓控制狀態(tài)位輸?shù)接嫈?shù)存儲與傳輸板。

如果譯碼器U3的輸出為1，則應加載數(shù)據(jù)進高壓控制寄存器。但是，對高壓的控制可以通過兩種方式進行，硬件控制抑或軟件控制。硬件控制時U12、U13和U10作可逆計數(shù)器用，不鎖存用戶字的數(shù)據(jù)位，只有軟件控制高壓時，才鎖存用戶字的數(shù)據(jù)位。U26BU28A第41頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三D/AD/A寄存器組寄存器組譯碼器地址選擇及控制串改并移位寄存器,存放UDW字高壓控制電路譜誤差控制電路如果用戶字數(shù)據(jù)位4是二進制數(shù)1，在譯碼器U3的二進制輸出3作為時鐘控制下，D觸發(fā)器U26B置位，Q非端為低電平，堵塞與非門U28A，U28A輸出高電平，U12、U1