第八章自然伽马能谱测井仪器优秀课件.ppt
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1、第八章自然伽马能谱测井仪器第1页,本讲稿共46页8.1自然伽马能谱测井方法原理 l8.1.1 岩石的自然放射性l8.1.2 自然伽马能谱探测原理 l8.1.3 自然伽马能谱测井仪器测量原理第2页,本讲稿共46页8.1.1 岩石的自然放射性 主要放射性核素:主要放射性核素:铀、钍、钾铀、钍、钾 岩石放射性:岩石放射性:火山岩火山岩变质岩变质岩沉积岩沉积岩 沉积岩:沉积岩:高放射性:深海泥质沉积物高放射性:深海泥质沉积物 中放射性:浅海、陆相泥质中放射性:浅海、陆相泥质 低放射性:砂岩、石灰岩、煤等低放射性: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:根据统计,沉积岩的自然放
2、射性一般有以下变化规律:(1)(1)随泥质含量的增加而增加随泥质含量的增加而增加(2)(2)随有机物含量的增加而增加随有机物含量的增加而增加 (3)(3)随着钾盐和某些放射性矿物的增加而增加。随着钾盐和某些放射性矿物的增加而增加。第3页,本讲稿共46页铀(U)、钍(Th)、钾(K)的伽马射线能谱第4页,本讲稿共46页各种粘土矿物的Th/K比因此,用Th和K的比值可识别各种粘土矿物。第5页,本讲稿共46页用Th和U的比值研究沉积环境 l从化学沉积物到碎屑沉积物,Th和U的比值增大;l碳酸盐岩的Th/U为0.32.8;l粘土岩的Th/U为2.04.1;l砂岩的U含量变化范围很大,因而Th/U值变化
3、范围也大。第6页,本讲稿共46页8.1.2 伽马能谱探测原理l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。l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。l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。1.伽马射线探测器第7页,本讲稿共46页放电计数管:放电计数管:辐射使气体电离探测辐射使气体电离探测射线,效率比较低。射线,效率比较低。第8页,本讲稿共46页闪烁计数管闪烁计数管 射线射线+NaIe激发原子激发原子 回到稳定态时产生光子回到稳定态时产生光子光电子光电子在阳极
4、记录在阳极记录光电倍增管第9页,本讲稿共46页自然伽马能谱测井仪测得的仪器谱n仪器谱当用NaI(Tl)晶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。第10页,本讲稿共46页l能窗设置 在高能域设置三个能窗,W3、W4和W5,分别探测1.46、1.76和2.62MeV个主要峰 在低能域再设置二个能窗,W1和W2,探测地层中康普顿散射后的伽马射
5、线。W1:0.150.5Mev W2:0.51.1Mev W3:1.321.575Mev(K)W4:1.652.39Mev(U)W5:2.4752.765Mev(Th)l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。第11页,本讲稿共46页解谱原理用U、Th和K分别代表各自含量,W1W5代表五个能窗的计数率,则五个方程,3个未知数,其求解方法采用最小二乘法第12页,本讲稿共46页构造目标函数 当该目标函数Q达到最小时(理想值为零),则上述方程组得到满足。因此,求解超定方程组问题转
6、化为函数求极值问题。根据函数求极值方法可得:三个方程,三个未知量,适定方程组,克莱姆法则直接求解。n输出值:输出值:自然伽玛总计数率自然伽玛总计数率CTSCTS、U U、ThTh、K K四条曲线。四条曲线。第13页,本讲稿共46页8.1.3 伽马能谱测井仪器测量原理第14页,本讲稿共46页8.2 NGTC自然伽马能谱测井仪测量原理n7.2.1 稳谱原理 nAm源稳谱 nK、Th能谱峰稳谱 n7.2.2 NGT-C 仪器测量原理和框图 n7.2.3 刻度能量和电压的转换关系 第15页,本讲稿共46页8.2.1 稳谱原理 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
7、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。NGT-C自然伽马能谱测井仪采用两种稳谱方法。第16页,本讲稿共46页1.Am源稳谱 为了使能谱信号处于能窗的正确位置,采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5Ci的Am241源紧靠着闪烁晶体,它产生没有散射的60keV的单峰,这个峰也不受地层谱的影响。在60keV峰的两旁设置二个能窗,低能窗是4060keV,高能窗是6080keV
8、。在电路上用三个比较器来实现,比较器的参考电压分别为:l0.8V(相对于40keV)l1V(相对于60keV)l1.2V(相对于80keV)第17页,本讲稿共46页 记录高、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。式中APLW镅源低能窗计数率;APUW镅源高能窗计数率。稳谱条件第18页,本讲稿共46页2.K、Th能谱峰稳谱为了进一步稳定全谱,在NGT-C自然伽马能谱测井仪中又增添了用地层的K峰(1460kev)和Th峰(2615keV)稳谱,为此,在K峰和Th峰的两侧都设置高、低能窗:K峰的能窗范围是13651460keV和1
9、4601590keV,Th峰的能窗范围是25152610kev和26102740keV。和Am241峰稳谱原理一样,测量K峰和Th峰的高、低能窗的计数率,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Am241源通过调光电倍增管高压实现稳谱相比,这是一种稳谱的“细调”。第19页,本讲稿共46页8.2.2 NGT-C 仪器测量原理和框图n结构n探头组成n电子短节:由测量、稳谱和接口三大部分组成n工作原理第20页,本讲稿共46页NGT-C原理框图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CCS接口电源环路信环路信号
10、就是号就是Am241Am241稳稳谱峰信谱峰信号号第21页,本讲稿共46页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CCS接口电源 由光电倍增管输出的计数脉冲包含了地层的自然伽马谱信号和稳谱源Am241的谱信号。经U10/U11组成的放大级放大后,地层的谱信号送NGC-052测量信号比较器。Am源的信号再经U12/U13组成的放大级放大后作为控制光电倍增管高压的环信号送环信号能级比较器U1、U2、U3。比较器的参考电压分别为1.2V、1V、0.8V,对应的能级为80keV、60keV、40keV。经窗口逻辑电路后输出Am241峰高(6080keV)和低(40
11、60keV)能窗的计数率值N2和N1,N2和N1的差值通过电路或软件指令改变高压值使Am241峰稳定在60keV。第22页,本讲稿共46页NGT-C原理框图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CCS接口电源 被测的地层谱信号送测量能级比较器U1、U2、U3、U4、U11、U12、U13、U14、U15、U16和U17,输出9个能窗的信号,即W1、W2、W3、W4、W5、K稳谱峰的N1、N2和Th稳谱峰的N1、N2。这9个信号与Am241稳谱峰的N1、N2一道加至NGC-054板的11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
12、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CCS接口板沿电缆送到地面。第23页,本讲稿共46页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CCS接口电源 NGC-055 CCS接口板通过三条总线与电缆通信系统连接。这三条总线是下传信号线、Go脉冲/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。第24页,本讲稿共46页探头部分谱信
13、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CCS接口电源指令用户字所载的数据送NGC-053板的16位移位寄存器。如果控制数据是调节高压的则送入由U10U10、U13U13、U12U12组成的锁存一可逆计数器,再经D/A转换器U14和放大器U1去调整光电倍增管的高压。如果用户字的数据用来微调比较器门槛,则把数据送入U8U8、U5U5和和U7U7组成的寄存器,再经12位D/A转换器和放大器U2,作为谱误差控制电压送NGC-052板的放大器U22的输入端,微调谱信号比较器的门槛。第25页,本讲稿共46页8.3 NGT-C自然伽马能谱测井仪电路分析l7.3.1 环信号放大、比
14、较逻辑电路 l7.3.2 谱信号比较逻辑电路 l7.3.3 高压环路控制和谱误差控制 l7.3.4 能窗计数率的发送 第26页,本讲稿共46页8.3.1环信号放大、比较逻辑电路 l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l环信号比较逻辑电路 作用:检出能量在40keV60keV和60keV80keV的环信号脉冲,送高低两个能窗计数结构工作原理第27页,本讲稿共46页1.谱信号和环信号放大电路n环信号放大电路由两级放大器构成。n每级放大器都由二个运算放大器组成同相放大器 nU10和U12是HA2620宽带放大器 nU11和U13是LH0002电流
15、放大器 n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。n第一级放大器对光电倍增管输出的谱信号和环信号放大:n谱信号的动态范围是03000keV,放大器输出为06Vn环信号的动态范围是0400keV,放大器输出为0800mVn第二级放大器使环信号对应的输出电压进一步放大到06VnR10用以调节环路增益第28页,本讲稿共46页2.环信号比较逻辑电路组成:组成:n能级比较器能级比较器U1U1、U2U2和和U3U3n脉冲记忆脉冲记忆RSRS触发器:触发器:U4U4、U5U5 n脉冲读出、复位定时逻辑脉冲读出、复位定时逻辑U7U7、U8U8和和U9
16、U9n脉冲输出选通门:脉冲输出选通门:U6aU6a、U6bU6b能级比较器能级比较器脉冲记忆触发器脉冲记忆触发器脉冲输出选通脉冲输出选通门门脉冲读出、复位定时逻辑脉冲读出、复位定时逻辑从放大器输出的信号送比较器U1、U2和U3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:1.2V1.2V:对应能级为80keV1V1V:对应能级为60keV0.8V0.8V:对应能级为40keV第29页,本讲稿共46页当输入环信号幅度在0.81.0V,即相当于核脉冲能量在4060keV,比较逻辑电路工作时序u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R
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