密度测井中新型长短道稳谱的电路设计

常见的密度测井仪器^[1]一般会采用两个高压控制两个探测器输出，以实现稳谱^[2] 功能。本文介绍了用一路高压实现两路稳谱，经济又能节省空间，特别实用于空间受限的井下仪器。

1 密度测井中高压稳谱介绍

密度测井是由放射源铯-137向地层发射单能伽马射线，射线的能量为662keV。射线与地层发生作用，主要是康普顿散射和光电效应。作用后的射线能量衰减，一部分被晶体探测器接收到，晶体探测接收到射线后会产生光信号，光信号再经过光电倍增管放大后，转换成能够被电路测量的电信号。不同能量的射线会产生不同电压的电信号，通过对电压值的测量就可以分辨出入射射线的能量^[1-2]。

为了使测量到的电信号与伽马射线的能量能够相互对应，我们需要将已知的662keV能量射线产生的电信号固定在一个电压值上，相当于能量的参考值，这个过程就是稳谱。稳谱的效果会严重影响测量的精度，稳谱不稳则相当于参考值不稳，那么所测得的信号也是不准确的。

信号受环境影响很大，尤其是温度的影响。同样能量的射线和电路，在不同温度下产生的电压值是不同的，一般来讲，温度过高或过低时倍增管效率降低，这时要使662KeV的信号在原来的电压值上，必须要适当增加倍增管的控制高压；相之，则应该适当降低控制高压。我们通过电路上的调节，使参考信号处于相对稳定的区域内，从而达到稳谱的目的。

2 电路设计方案

2.1 两路高压控制

一般的密度测井仪器都有两个探测器，长源距探测器和短源距探测器^[3]。每个探测器都会有相应的晶体和倍增管总成实现光电信号的转换，而每个倍增管配有1个输出电压可调的高压电源模块，来控制倍增管的工作，如图1 所示。

图1 高压调节电路框图

在电路上通过MCU和DAC产生1 个低压信号Vctrl，用来控制高压模块的输出电压HV。当Vctrl增大时，HV增大，Vin也增大，用多道测量倍增管的输出信号会发现能量峰向右偏移。相反，Vctrl降低时，能量峰左移，这样我们就可以通过调节控制电压的大小，来实现能量峰的相对固定，而不会产生偏移。

该电路的优点是控制可靠，缺点是需要两个高压模块，占用的空间大，不便于实现小型化设计，而且高温高压模块价格高，在成本上也会加倍。

2.2 固定高压控制增益

该方案是根据倍增管的坪区特性，给长短道两个倍增管一个固定的高压值，两道产生的信号通过不同的增益控制电路来进行信号调节，使信号输出在设定的区域内，以此来实现稳谱功能^[4]。如图2所示，固定高压HV后，长短道各自输出信号Vin，经过增益调节电路后，信号变为A*Vin。A是增益值，可通过MCU来控制大小。

图2 增益调节电路

这种只调增益的方法优点是电路及控制相对简单。缺点是信号可调范围窄，适应性差。对于测井仪器，其环境温度变化是很大的，最高可达200多度。而当温度变化很大时，倍增管的输出也会发生变化，当信号过小时，则A 需要调到很大，增益A 过大带来的后果是信噪比降低；相反如果信号过大时，只调整增益A又会出现饱和现象。这两种情况下都会影响测量精度，甚至使仪器出现故障。

图3 稳谱核心电路

电路中U1（DAC）、U2（运放）、U3（高压模块）实现长源距的高压调节，保证不同环境温度下倍增管都能工作在合理范围内。电路由控制器向U1发送控制数DAC1，其输出电压经过U2 后得到放大，输出高压控制电压Vctrl，然后再经过高压模块输出高压值HV1，二者之间是线性关系，系数为K，则长源距的高压值为：

HV1=Vctrl×K   (1)

HV1经过分压电阻后得到高压值HV2，用来给短源距倍增管提供高压；同时短源距的信号NEARIN先输入到运放U4，可对信号进行初步放大，放大系数为A，然后输入到可调增益放大器U5，U5 是R-2R 型的14 bits 的DAC，由控制器向其发送控制数DAC2，其输入输出的关系是:

   (2)

这样硬件上就实现了长、短源距信号的数字化控制，结合稳谱算法即可实现两路的自动稳谱功能。

3 稳谱固件实现

电路设计实现后，固件的稳谱控制方法^[8] 也要随之改变。如图4 所示，固件开始运行后首先根据长道的信号对高压进行调整，由稳谱算法计算出粗调因子FF1；如果FF1进入到了微调的范围内，则需要进行细调，计算出细调因子CFF1；最后根据FF1或CFF1计算出DAC的值，发送DAC完成一次长道高压调节。当长道高压基本稳定，即CFF1小于域值时，开始进行短道调节，同样进行粗调FF2或细调CFF2，然后发送DAC完成一次短道调节。至于稳谱因子的算法，一般采用四个能窗稳谱^[5]的方法，这里不做详细介绍了。

图4 稳谱固件流程

4 结束语

该电路实现了一个高压控制长短探测器稳谱的功能，所采用的 1 路控制高压 1 路控制增益的方法有多个优点：与两路高压控制相比，简化了硬件设计，从而缩减空间、降低成本；与两路增益控制相比具有更好的兼容性和可靠性。该电路已在实际测井仪器中得到了应用，事实证明稳谱效果非常好。

参考文献：

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（本文来源于《电子产品世界》杂志2023年7月期）