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第八章-自然伽马能谱测井仪器

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第八章自然伽马能谱测井仪然伽马能谱测井方法原理石的自然放射性 然伽马能谱探测原理 石的自然放射性主要放射性核素: 铀、钍、钾岩石放射性: 火山岩 >变质岩 >沉积岩沉积岩: 高放射性:深海泥质沉积物中放射性:浅海、陆相泥质低放射性:砂岩、石灰岩、煤等根据统计,沉积岩的自然放射性一般有以下变化规律:(1)随泥质含量的增加而增加(2)随有机物含量的增加而增加(3)随着钾盐和某些放射性矿物的增加而增加。铀( U)、钍( 钾( K)的伽马射线能谱各种粘土矿物的 比因此,用 的比值可识别各种粘土矿物。用 的比值研究沉积环境 从化学沉积物到碎屑沉积物, 的比值增大 ; 碳酸盐岩的 为 粘土岩的 为  砂岩的 而 值变化范围也大。马能谱探测原理 伽马射线与物质的相互作用能引起物质中原子的电离和激发 。利用这两种物理现象可以探测伽马射线。 利用次级电子电离气体而建立的探测器有电离室、正比计数器和 盖革一弥勒计数器 等。 利用次级电子使原子核的外层电子受激发,当原子返回基态时放出光子,发生闪光,而建立了 闪烁计数器 。γ辐射使气体电离探测 γ射线,效率比较低。闪烁计数管射线 γ+ e—— 激发原子 ——回到稳定态时产生光子 —— 光电子 —— 在阳极记录光电倍增管自然伽马能谱测井仪测得的仪器谱仪器谱当用 体探测伽马射线能谱时,由于伽马射线与物质的三种作用产生次级电子的能量不同,因此既使是单能伽马光子,其脉冲幅度仍有一个很宽的分布。实际能谱曲线是连续的,称仪器谱。在能谱曲线上,除了光电效应造成的光电峰或全能峰外,还有康普顿散射产生的峰,穿过晶体的伽马射线反射回来产生的光电峰以及电子对效应产生的逃逸峰等。能窗设置在高能域设置三个能窗, 5,分别探测 2,探测地层中康普顿散射后的伽马射线。))h)稳谱晶体和光电倍增管对温度十分灵敏,温度变化将引起光电倍增管输出脉冲幅度的改变,等效于能谱的漂移。因此,在测量过程中,通过调整电压和电子线路参数保证能量谱的稳定。•解谱原理用 U、 分别代表各自含量, 5代表五个能窗的计数率,则1 11 12 132 21 22 233 31 32 334 41 42 435 51 52 5353~.W a U a T h a KW a U a T h a KW a U a T h a KW a U a T h a KW a U a T h a           11式 中 ,a 由 仪 器 刻 度 时 标 定五个方程, 3个未知数,其求解方法采用最小二乘法构造目标函数   251 2 31i i i a U a Th a K   当该目标函数 想值为零),则上述方程组得到满足。因此,求解超定方程组问题转化为函数求极值问题。根据函数求极值方法可得:          1 2 3 11 2 3 21 2 3 3202020i i i i ii i i i ii i i i a U a T h a K a U a T h a K a U a T h a K                 三个方程,三个未知量,适定方程组,克莱姆法则直接求解。•输出值: 自然伽玛总计数率 U、 稳谱原理、 器测量原理和框图谱原理伽马能谱测量要 通过伽马脉冲幅度来判别它们是从哪种放射性核素放射出来的 ,因而幅度信息是重要的,必须保证不受其它因素影响。由于闪烁晶体和光电倍增管的对温度十分灵敏,由于温度的变化会导致谱信号记入错误的能窗,因此, 稳谱措施是自然伽马能谱测井仪设计中很重要的一环 。. 用调整光电倍增管高压的办法,使输出脉冲幅度有所改变。为此, 选用一个单能伽马源作为能量参考 ,记录它的能量谱,实现稳谱。仪器把 5μ靠着闪烁晶体,它产生没有散射的 60个峰也不受地层谱的影响。在 60能窗是 40~ 60能窗是 60~ 80电路上用三个比较器来实现,比较器的参考电压分别为:对于 401V(相对于 60对于 80录高、低能窗的计数率,如果满足下式就认为全谱处于正确位置。为满足这个条件,测井过程中将不断地调节光电倍增管的高压。0A P U L W A P U L W 式中 镅源低能窗计数率; 镅源高能窗计数率。稳谱条件2. K、 地层的 1460 2615谱 ,为此, 在 能窗 :365~ 1460460~ 1590515~ 2610610~ 2740 量 能窗的计数率, 如果高、低能窗计数率相等,则全谱稳定 。如高、低能窗计数率不等,则调节能窗比较器的门槛电压。和用 是一种稳谱的 “ 细调 ” 。仪器测量原理和框图 结构 探头组成 电子短节:由测量、稳谱和接口三大部分组成 工作原理信号与环信号放大谱信号的能窗逻辑计数率寄存和传输高压控制和谱误差控制信号与环信号放大谱信号的能窗逻辑计数率寄存和传输高压控制和谱误差控制 11组成的放大级放大后,地层的谱信号送 12/1、 较器的参考电压分别为 1V、应的能级为 80600窗口逻辑电路后输出60~ 80低( 40~ 60窗的计数率值 1的差值通过电路或软件指令改变高压值使 信号与环信号放大谱信号的能窗逻辑计数率寄存和传输高压控制和谱误差控制1、 16和 出 9个能窗的信号,即 1、 9个信号与 1、 1个 8位计数器,在下传命令的控制下,再从计数器信号加载进 11个 8位移位寄存器,与此同时,高压状态信号和仪器状态也载入另外三个 8位移位寄存器。这 14个移位寄存器的 112个数据位在上传时钟的节拍下串行输出,经 头部分 谱信号与环信号放大谱信号的能窗逻辑计数率寄存和传输高压控制和谱误差控制三条总线是下传信号线、 上传数据线、上传时钟线。接口板接收来自电缆通信系统的二条指令,根据指令中的控制数据实现对光电倍增管高压的调节和谱信号比较电路门槛电压的微调,与此同时,把测量的信号按上传时钟的节拍传送到电缆上。探头部分 谱信号与环信号放大谱信号的能窗逻辑计数率寄存和传输高压控制和谱误差控制6位移位寄存器。如果控制数据是调节高压的则送入由 经 D/14和放大器 果用户字的数据用来微调比较器门槛,则把数据送入 5和 经 12位 D/2,作为谱误差控制电压送 22的输入端,微调谱信号比较器的门槛。环信号放大、比较逻辑电路 谱信号比较逻辑电路 高压环路控制和谱误差控制 较逻辑电路 环信号放大电路 作用:放大谱信号、环信号(稳谱峰信号),适应能级比较电路的要求 结构及工作原理 环信号比较逻辑电路 作用:检出能量在 4060080高低两个能窗计数 结构 环信号放大电路由两级放大器构成。 每级放大器都由二个运算放大器组成同相放大器 12是 13是 先宽带放大后电流放大组合的作用:既考虑放大脉冲的 高频成分 ,又照顾到增大脉冲 输出功率 ,有较好的 信噪比 。 第一级放大器对光电倍增管输出的谱信号和环信号放大: 谱信号的动态范围是 0~ 3000放大器输出为 0— 6V 环信号的动态范围是 0~ 400 放大器输出为 0— 800第二级放大器使环信号对应的输出电压进一步放大到 0— 6V 能级比较器 脉冲记忆 R— 4、 脉冲读出、复位定时逻辑 9 脉冲输出选通门: 6冲记忆触发器脉冲输出选通门脉冲读出、复位定时逻辑从放大器输出的信号送比较器 3的反相输入端,这三个比较器的同相端接参考电压的分压电阻,使得这三个比较器的门槛电压分别为:应能级为 80对应能级为 应能级为 40相当于核脉冲能量在 40~ 60较逻辑电路工作时序无信号输入时,三个比较器的输出都是高电平,每个比较器输出端的 因此 高电平 )。当输入环信号幅度在 a) ( b) ( c) 3( f) ( e) ( d) 1( g) ( h) 5当输入环信号幅度在 相当于核脉冲能量在 40~ 60较逻辑电路工作时序当输入脉冲电压幅度高于 较器 7)跳到低电平,使 ,它锁存比较器的状态( 信号 a和 d)。与此同时, 8B,它的 信号 b),这个脉冲的下跳边再触发 3输出正的读脉冲( 信号 c)。715611495 13( a) ( b) ( c) 3( f) ( e) ( d) 1( g) ( h) 5从上面的分析得到以下结论:• 当脉冲能量处于 40~ 60 计数脉冲 当脉冲能量在 60~ 80 计数脉冲 通过计算机按下式进行计算,并通过硬件和软件两种方式调节高压实现稳谱。T P U L U L 式中, 谱信号比较逻辑电路谱信号比较逻辑电路( 环信号比较逻辑电路( 似,由 11个比较器给出 9个输出值,按能窗顺序是 : 200~ 500 500~ 11001 1363~ 14602 1460~ 1590 1100~ 1590 1590~ 20001 2515~ 26102 2610~ 2740 2000~ 3000谱信号中分离出 9个能窗的计数脉冲200成:谱信号能级 比较器 、 R— 选通门 、 门槛电压设置电路特点: 门槛电压有参考电源经缓冲后分压得到 谱误差控制电压可对门槛电压微调............ 从环信号放大电路输出的谱信号送至各比较器的反相端 ,各个同相端在接参考电压源的各个分压电阻上 , 产生不同的比较器门槛电压 。 从参考电压源输出的 22的反相端 , 反相端的另一个输入是程序 其变化范围是 0~ 9V。 这二个输入电压经 再经 :1放大和功率输出接各分压电阻 。 不同电平的谱信号触发不同能窗的计数信号输出200............量和控制都是由地面计算机进行,从电缆通信系统 二条指令是用户字( 基本指令字( 每条指令 16位,基本指令字的 9~ 15位是地址位,各种下井仪器有不同的地址, ,下井仪器通过电路识别地址后,才接受指令。 传基本指令字。数据位15~ 4地址位3210(D)说 明X~ )0010(2)0011(3)0011(3)0100(4)0100(4)加载数据进高压控制寄存器加载数据进谱误差控制寄存器用硬件控制高压用软件控制高压禁止 ~ 15位是数据位,载有控制高压或谱误差控制电压的数据, 0~ 3位是功能地址,表明 4~ 15位的数据是用来控制高压还是用作谱误差控制。其功能如下表 7压环路控制和谱误差控制原理图D/A D/存器组译码器地址选择及控制串改并移位寄存器 ,存放 移位寄存器 ; 高压数据锁存器、D/大电路 ; 谱误差数据锁存器、 D/大电路 ;译码控制电路;高压控制方式寄存器;镅环路控制寄存器。返回上级控制硬件控制的升降控制输入端D/A D/存器组译码器地址选择及控制串改并移位寄存器 ,存放 11和 户字的 4~ 15位是载入寄存器 10还是载入寄存器 8,取决于用户字的0~ 3位,用户字的 0~ 3位由移位寄存器 码器 ~ 9。由表 7能地址位的二进制数经译码后是十进制数 1~ 4。 1是加载数据进高压寄存器 , 2是加载数据进谱误差控制寄存器 , 3是高压控制方式 , 4是 个输出分别接与门 4四个与门的另一输入端接与门 数据位15~ 4地址位3210(D)说 明X~ )0010(2)0011(3)0011(3)0100(4)0100(4)加载数据进高压控制寄存器加载数据进谱误差控制寄存器用硬件控制高压用软件控制高压禁止 D/存器组译码器地址选择及控制串改并移位寄存器 ,存放 允许指令进入。 接口电路识别地址 7后 时奇偶检查无误,才使 此时,若译码器 ;则通过与门 8,再经 D/6,输出谱误差控制电压去细调谱信号比较器的门槛电压。同时, 8的 11~ 15位作为谱误差控制状态位输出。D/A D/存器组译码器地址选择及控制串改并移位寄存器 ,存放 ~ 3位的十进制译码输出为 3,且 数据位 4的二进制为 0时,为软件控制高压。 端接移位寄存器 的输出,用来记忆数据位 4的状态 。当位 4为二进制 0时,译码器输出 3经 26非端为高电平,并输给与非门 3的输出 1经 这二个输入都是高电平时, 制寄存器 2位数据位 ,再经 D/14,从三极管 时, 10的 12位输出作为高压控制状态位输到计数存储与传输板。如果 译码器 ,则应加载数据进高压控制寄存器。但是,对高压的控制可以通过两种方式进行,硬件控制抑或软件控制。硬件控制时 10作可逆计数器用,不锁存用户字的数据位, 只有软件控制高压时,才锁存用户字的数据位 。 D/存器组译码器地址选择及控制串改并移位寄存器 ,存放 果用户字数据位 4是二进制数 1,在 译码器 作为时钟控制下, 塞 与非门 10不锁存用户字的数据位,而作为 可逆计数器对高压进行硬件控制 。26户字数据位 4接到 译码器 经 时,在时钟控制下, 许 时, 止 第一个字是高压数据状态( 12位)和谱误差数据状态( 4位) 字 2、字 3、和字 4分别传送 稳谱峰低能和高能窗的计数率。每个能窗的数据取 8位。 字 5、字 6和字 7的 8~ 15位用以传送能窗 5的计数率。 字 7的第 7位传送环路的控制状态当用硬件控制高压时,用 1表示软件控制高压时,用 0表示 字 7的第 6位传送奇偶状态位1表示偶数奇偶检查0表示奇数奇偶检查 字 7的第 5位传送环路控制的稳定性状态 1表示; 0表示。据上传时加载到移位寄存器,在上传时钟作用下实现并 — 串转换电路组成11个计数器对 5个测量能窗( 6个稳谱能窗( 1和 K 2、 1和 计数 脉冲进行计数最后一字节谱误差状态高压状态习题 1、 样进行稳谱? 2、试画出 说明各部分的功能。 3、什么是 中环信号是用来做什么用的? 4、试分析 5、试分析 6、 7、试画出 说明其工作过程。
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