高溫小口徑X射線熒光測井儀的研制綜述

喻明福

摘 要 本文研制了基于能量X射線熒光分析技術的高溫小口徑X射線熒光測井儀，可以在100℃高溫，50Mpa高壓深井環境中，對井下礦物質元素進行實時勘探。通過對前端探管結構的合理研制，解決了高溫高壓環境下電制冷Si-PIN探測器工作問題。在2小時的連續測量中，儀器能夠很好地穩定工作，最大測量誤差小于2%，滿足實際測井儀器要求。

關鍵詞 高溫小口徑；數字化多道脈沖分析器；測量誤差

為獲知礦產資源中礦物質成分，傳統采用的分析方法是“巖芯樣品化學分析法”，該方法需要井下提取巖芯，從巖芯中提取礦物質樣本，碎樣縮分，化學分析等操作，而X射線熒光測井技術同其相比，無須提樣分析，通過激發礦物質元素的特征X射線，由探測單元收集產生核脈沖電信號進行實時處理，可以對井下礦物進行現場分析，探測方便[1-2]。本文通過設計耐高溫型數字化多道脈沖分析器，使用高速ADC電路進行脈沖信號采樣，在FPGA內部進行信號的處理，使用ARM進行通訊，提高整個系統的數字化，準確地提取脈沖幅度。

1 探測器制冷系統

在X射線熒光測井中，隨著鉆孔深度的增加溫度也會越來越高，大致以3℃/100m遞增，千米深度的鉆孔的溫度可達上百攝氏度。而Si-PIN探測器的工作溫度在50℃內，為使探測器在高溫下正常工作，必須為Si-PIN探測器配備制冷系統[3]。本文采用的Si-PIN探測器，需要在恒溫的條件下工作。因此，為使X射線熒光測井探管能原位測量井下礦物質元素，并在一定時間內正常工作，需要設計一種全新的制冷系統。為此，本文為小口徑的熒光探管設計了特殊的制冷設備，整個制冷設備由絕熱材料，多級耐高溫半導體溫差制冷片，導熱材料三部分組成。將制冷裝置放入探頭中，在恒溫水浴加熱鍋中進行溫度實驗。由于水不能被恒溫水浴鍋加熱到100℃以上，實驗室采用導熱油來代替水模擬井液進行實驗。在整個制冷裝置的冷指內和導熱油中分別放入溫度傳感器進行監控，進行2.5小時的溫度實驗，由圖1的實驗結果數據可以看出，當外部油溫在30min左右已超過設定100℃最高溫度，達到107.8℃，冷指內部前30min溫度保持在40℃以下；在外部溫度接近110℃的2h中，溫度一直保持在47℃，小于50℃的最高溫度限值。滿足在100℃的外部高溫下，穩定工作2h的設計要求。

2 核脈沖信號數字化處理

數字化多道能譜測量中，高速ADC將采樣到的數字化核脈沖送入FPGA中需要進一步對信號做處理才可構建能譜。FPGA內部通過構建高通濾波器對脈沖信號進行整形，為了保證在較高計數率情況下，避免由于重疊峰引起峰高的誤判，引入了基線扣除，通過對脈沖幅度值的計算與甄別實現對計數率的校正恢復，使用梯形成形算法準確提取脈沖幅度值，成功構建能譜，最后通過SPI總線與微處理器ARM進行通訊，傳輸譜線數據。

3 系統電源的設計

X射線熒光測井儀工作在礦物勘探井下，在野外工作時只能使用小型發電機為儀器供電，而儀器各個電路單元需要的電壓種類多且各部分電路的功耗、電源噪聲要求也不盡相同，必須設計出適配各個單元電路的電源系統[4]。電源系統采用高轉換效率的DC-DC開關電源與高電源紋波抑制比的低電壓差線性穩壓器LDO相結合的方式，首先使用DC-DC開關電源進行大壓差的轉換，在通過LDO濾除系統噪聲，最終獲得高轉換效率，低噪聲的電源系統。

4 實驗數據及分析

在進行數據測試中采用的是標準樣品，分別選取含量為1%，5%，10%的Fe，Cu，Ni，Ti，Zn的元素進行相應的測定。將儀器接通180V交流電源后，3分鐘后待儀器穩定后，將標準樣品分別放置在測井鈹窗口，在模型井無液的條件下進行測定。測量結果如表1。由最后的測試數據可以看出，對于含量較低為1%的Fe和Cu元素，所測得的數據含量測量誤差在2%之內；而對于其他含量較高的元素，所測得的測量誤差都在1%以內。含量越高，所測得的誤差越小。整體來說X射線熒光測井儀擁有較高的測量準確度，測試數據顯示儀器對標準樣品含量測定的最大誤差小于2%。

5 結束語

本文研制出的高溫小口徑X射線熒光測井儀，可以實時對井下地層進行元素分析。通過設計特殊的制冷設備，解決了100℃的高溫環境下，電制冷Si-PIN半導體探測器工作在50℃以下問題。合理的選擇元器件，優化電路結構和降低電路功耗，設計出可以無故障工作在100℃的數字化脈沖多道分析器，擁有極好的穩定性，最大測量誤差小于2%。

參考文獻

[1] 章曄，謝庭周，曹利國，等.X射線熒光探礦技術[M].北京，地質出版社，1984：301.

[2] 葛良全.放射性同位素X熒光測井技術的研究[J].核技術，1997， 20（1）：18-23.

[3] 申風君.X射線熒光測井關鍵技術研究[D].成都：成都理工大學，2011.

[4] 曾國強，葛良全，倪師軍，等.數字化X熒光儀電源的最優化設計[J].核電子學與探測技術，2012，32（6）：719-723.