密度測(cè)井中新型長(zhǎng)短道穩(wěn)譜的電路設(shè)計(jì)

常見(jiàn)的密度測(cè)井儀器^[1]一般會(huì)采用兩個(gè)高壓控制兩個(gè)探測(cè)器輸出，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)譜^[2] 功能。本文介紹了用一路高壓實(shí)現(xiàn)兩路穩(wěn)譜，經(jīng)濟(jì)又能節(jié)省空間，特別實(shí)用于空間受限的井下儀器。

1 密度測(cè)井中高壓穩(wěn)譜介紹

密度測(cè)井是由放射源銫-137向地層發(fā)射單能伽馬射線，射線的能量為662keV。射線與地層發(fā)生作用，主要是康普頓散射和光電效應(yīng)。作用后的射線能量衰減，一部分被晶體探測(cè)器接收到，晶體探測(cè)接收到射線后會(huì)產(chǎn)生光信號(hào)，光信號(hào)再經(jīng)過(guò)光電倍增管放大后，轉(zhuǎn)換成能夠被電路測(cè)量的電信號(hào)。不同能量的射線會(huì)產(chǎn)生不同電壓的電信號(hào)，通過(guò)對(duì)電壓值的測(cè)量就可以分辨出入射射線的能量^[1-2]。

為了使測(cè)量到的電信號(hào)與伽馬射線的能量能夠相互對(duì)應(yīng)，我們需要將已知的662keV能量射線產(chǎn)生的電信號(hào)固定在一個(gè)電壓值上，相當(dāng)于能量的參考值，這個(gè)過(guò)程就是穩(wěn)譜。穩(wěn)譜的效果會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量的精度，穩(wěn)譜不穩(wěn)則相當(dāng)于參考值不穩(wěn)，那么所測(cè)得的信號(hào)也是不準(zhǔn)確的。

信號(hào)受環(huán)境影響很大，尤其是溫度的影響。同樣能量的射線和電路，在不同溫度下產(chǎn)生的電壓值是不同的，一般來(lái)講，溫度過(guò)高或過(guò)低時(shí)倍增管效率降低，這時(shí)要使662KeV的信號(hào)在原來(lái)的電壓值上，必須要適當(dāng)增加倍增管的控制高壓；相之，則應(yīng)該適當(dāng)降低控制高壓。我們通過(guò)電路上的調(diào)節(jié)，使參考信號(hào)處于相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)域內(nèi)，從而達(dá)到穩(wěn)譜的目的。

2 電路設(shè)計(jì)方案

2.1 兩路高壓控制

一般的密度測(cè)井儀器都有兩個(gè)探測(cè)器，長(zhǎng)源距探測(cè)器和短源距探測(cè)器^[3]。每個(gè)探測(cè)器都會(huì)有相應(yīng)的晶體和倍增管總成實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，而每個(gè)倍增管配有1個(gè)輸出電壓可調(diào)的高壓電源模塊，來(lái)控制倍增管的工作，如圖1 所示。

圖1 高壓調(diào)節(jié)電路框圖

在電路上通過(guò)MCU和DAC產(chǎn)生1 個(gè)低壓信號(hào)Vctrl，用來(lái)控制高壓模塊的輸出電壓HV。當(dāng)Vctrl增大時(shí)，HV增大，Vin也增大，用多道測(cè)量倍增管的輸出信號(hào)會(huì)發(fā)現(xiàn)能量峰向右偏移。相反，Vctrl降低時(shí)，能量峰左移，這樣我們就可以通過(guò)調(diào)節(jié)控制電壓的大小，來(lái)實(shí)現(xiàn)能量峰的相對(duì)固定，而不會(huì)產(chǎn)生偏移。

該電路的優(yōu)點(diǎn)是控制可靠，缺點(diǎn)是需要兩個(gè)高壓模塊，占用的空間大，不便于實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)，而且高溫高壓模塊價(jià)格高，在成本上也會(huì)加倍。

2.2 固定高壓控制增益

該方案是根據(jù)倍增管的坪區(qū)特性，給長(zhǎng)短道兩個(gè)倍增管一個(gè)固定的高壓值，兩道產(chǎn)生的信號(hào)通過(guò)不同的增益控制電路來(lái)進(jìn)行信號(hào)調(diào)節(jié)，使信號(hào)輸出在設(shè)定的區(qū)域內(nèi)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)譜功能^[4]。如圖2所示，固定高壓HV后，長(zhǎng)短道各自輸出信號(hào)Vin，經(jīng)過(guò)增益調(diào)節(jié)電路后，信號(hào)變?yōu)锳*Vin。A是增益值，可通過(guò)MCU來(lái)控制大小。

圖2 增益調(diào)節(jié)電路

這種只調(diào)增益的方法優(yōu)點(diǎn)是電路及控制相對(duì)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是信號(hào)可調(diào)范圍窄，適應(yīng)性差。對(duì)于測(cè)井儀器，其環(huán)境溫度變化是很大的，最高可達(dá)200多度。而當(dāng)溫度變化很大時(shí)，倍增管的輸出也會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)信號(hào)過(guò)小時(shí)，則A 需要調(diào)到很大，增益A 過(guò)大帶來(lái)的后果是信噪比降低；相反如果信號(hào)過(guò)大時(shí)，只調(diào)整增益A又會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。這兩種情況下都會(huì)影響測(cè)量精度，甚至使儀器出現(xiàn)故障。

圖3 穩(wěn)譜核心電路

電路中U1（DAC）、U2（運(yùn)放）、U3（高壓模塊）實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)源距的高壓調(diào)節(jié)，保證不同環(huán)境溫度下倍增管都能工作在合理范圍內(nèi)。電路由控制器向U1發(fā)送控制數(shù)DAC1，其輸出電壓經(jīng)過(guò)U2 后得到放大，輸出高壓控制電壓Vctrl，然后再經(jīng)過(guò)高壓模塊輸出高壓值HV1，二者之間是線性關(guān)系，系數(shù)為K，則長(zhǎng)源距的高壓值為：

HV1=Vctrl×K   (1)

HV1經(jīng)過(guò)分壓電阻后得到高壓值HV2，用來(lái)給短源距倍增管提供高壓；同時(shí)短源距的信號(hào)NEARIN先輸入到運(yùn)放U4，可對(duì)信號(hào)進(jìn)行初步放大，放大系數(shù)為A，然后輸入到可調(diào)增益放大器U5，U5 是R-2R 型的14 bits 的DAC，由控制器向其發(fā)送控制數(shù)DAC2，其輸入輸出的關(guān)系是:

   (2)

這樣硬件上就實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)、短源距信號(hào)的數(shù)字化控制，結(jié)合穩(wěn)譜算法即可實(shí)現(xiàn)兩路的自動(dòng)穩(wěn)譜功能。

3 穩(wěn)譜固件實(shí)現(xiàn)

電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)后，固件的穩(wěn)譜控制方法^[8] 也要隨之改變。如圖4 所示，固件開(kāi)始運(yùn)行后首先根據(jù)長(zhǎng)道的信號(hào)對(duì)高壓進(jìn)行調(diào)整，由穩(wěn)譜算法計(jì)算出粗調(diào)因子FF1；如果FF1進(jìn)入到了微調(diào)的范圍內(nèi)，則需要進(jìn)行細(xì)調(diào)，計(jì)算出細(xì)調(diào)因子CFF1；最后根據(jù)FF1或CFF1計(jì)算出DAC的值，發(fā)送DAC完成一次長(zhǎng)道高壓調(diào)節(jié)。當(dāng)長(zhǎng)道高壓基本穩(wěn)定，即CFF1小于域值時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行短道調(diào)節(jié)，同樣進(jìn)行粗調(diào)FF2或細(xì)調(diào)CFF2，然后發(fā)送DAC完成一次短道調(diào)節(jié)。至于穩(wěn)譜因子的算法，一般采用四個(gè)能窗穩(wěn)譜^[5]的方法，這里不做詳細(xì)介紹了。

圖4 穩(wěn)譜固件流程

4 結(jié)束語(yǔ)

該電路實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高壓控制長(zhǎng)短探測(cè)器穩(wěn)譜的功能，所采用的 1 路控制高壓 1 路控制增益的方法有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)：與兩路高壓控制相比，簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)，從而縮減空間、降低成本；與兩路增益控制相比具有更好的兼容性和可靠性。該電路已在實(shí)際測(cè)井儀器中得到了應(yīng)用，事實(shí)證明穩(wěn)譜效果非常好。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年7月期）