小口徑數字化X射線熒光測井儀電路設計

礦產資源勘查中,利用鉆探方法發現和驗證地下礦物巖石是地質普查最為直接有效的技術手段。隨著我國地面礦產的開采殆盡,深部礦產已成為我國重要的資源勘探方向和戰略布局。故深部鉆探將成為礦產資源勘查的重要研究方向,而對于即將面臨高溫高壓環境的測井儀器亦成為重要課題。本文針對深部礦產資源勘查需求,在基于能量色散X射線熒光分析技術原理基礎上,設計了一款高溫高壓環境下的小口徑數字化X射線熒光測井儀。該X射線熒光測井儀在電路設計上通過引入數字多道脈沖幅度分析器不僅大幅度減少了易受環境因素影響的模擬電路,而且很大程度上減小了體積。并采用數字濾波,數字反堆積和數字濾波成形等算法提高電路抗干擾能力和脈沖計數通過率,抑制系統溫漂,從而提高了X射線熒光測井儀的數字化水平和儀器性能指標。通過實驗該儀器可在溫度為-10℃—109℃,壓強為50Mpa工作環境下實現對原子序數22的鈦至原子序數92的鈾的元素分析。整機能譜分辨率達到3.35%,光電峰譜漂現象小于2道,測量的準確度小于±20%,和精密度小于10%(Cu含量為1%,模型無井液條件下)。X射線熒光測井儀器通過在野外的模型井和科研井中進行測試,各項指標達到設計要求,性能穩定。具體工作內容如下:(1)根據小口徑深井高溫高壓環境,提出了X射線熒光測井系統的硬件電路整體設計方案。該方案采用數字化多道脈沖幅度分析器替代X射線熒光測井儀硬件電路中易受環境溫度等因素干擾的傳統多道脈沖幅度分析器,大幅提高了X射線熒光測井儀數字化水平和耐高溫高壓環境能力。該測井儀可在高溫109℃和高壓50Mpa下實現對元素的分析,其分辨率可達3.35%,光電峰譜漂小于2道。(2)根據對探測器輸出信號的分析,設計了數字多道脈沖幅度分析器的模擬前端電路,包括CR微分整形電路、信號高倍數放大電路和抗混疊濾波電路。通過低噪聲低失真電壓反饋運算放大器ADA4841加CR微分電路實現CR微分整形電路的設計,其中運算放大器用作隔離驅動,CR微分電路用來對探測器輸出的1.7Hz低頻鋸齒波復位信號的濾除和對X射線產生的信號進行整形,實測CR微分整形電路通過取值使得時間常數τ=RC=8μs,截止頻率fc=19.9kHz,成功濾除了1.7Hz復位信號和將X射線產生的信號整形為負指數脈沖信號。信號高倍數放大電路采用兩個高速運算放大器AD829和模擬開關構成增益可控的兩級放大電路,可實現第一級放大40倍,第二級放大4倍,整體放大160倍。抗混疊濾波電路采用兩個三級RC濾波電路和由運算放大器AD829構成的電壓跟隨器構成,該濾波電路截止頻率為10.6MH。(3)根據模擬前端電路輸出信號的特點,舍棄峰值保持器等模擬電路,設計了高速A/D轉換電路,可實現最大200kps脈沖通過率。在后端邏輯電路部分采用FPGA+ARM組合方式完成對高速A/D轉換電路的輸出數字量的處理,并通過CAN總線的設計將處理后的數據傳送至終端顯示,傳輸距離可達10km。(4)設計了測井電源系統:高壓電源系統的和低壓電源系統。針對Si-PIN探測器用的110V—220V高壓直流電,采用PWM開關控制、羅耶諧振電路加倍壓整流電路設計方案,實現了一種小體積、低紋波的高壓直流電源系統的設計,實測該高壓直流電源可在0—200V連續可調,紋波低至0.01%,穩定度優于2%/10h。低壓電源系統主要給數字多道脈沖幅度提供+5VD數字電源,+5VA和-5VA模擬電源。其中+5VD采用超低靜態電流開關穩壓器LT8610實現,無負載條件下,5V輸出電壓時,消耗的電流僅為2.5μA;在1A下,輸入為12V,輸出為5V時,效率可達96%。+5VA電源設計使用低紋波穩壓器LT3970實現,其輸出紋波電壓低于5mVpp。而-5VA電源設計采用超低噪聲的LT1931芯片完成,在12V輸入電壓下,可實現-5V/350mA輸出,輸出端采用陶瓷電容時可獲得接近1mVpp的超低輸出電壓紋波。