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1、自然伽马能谱测井仪,一、概述,自然伽马能谱测井可以测量地层的钍、铀、钾含量及其放射性总强度。通过这些参数可较准确地确定地层中泥质含量、区分泥岩的粘土类型并确定其含量，藉此可以判断岩性，研究沉积环境、生油层、寻找储集层等。自然伽马能谱测井方法大大提高了正确识别碳酸岩和沙岩储集层岩相的能力，是了解地层岩性的有效手段之一。,二、主要技术指标,最高工作温度：155，2h；最高承受压力：140MPa；仪器外径：90mm；仪器长度：2.73m；仪器质量：52kg；最高测井测速：4.0m/min（推荐测速：3.0m/min）；垂直分辩率：500mm；,二、主要技术指标,测量范围：自然伽马总强度：0500AP
2、I；铀含量：0.510620106；钍含量：0.510640106；钾含量：0.1%10%；测量准确度：自然伽马总强度的相对误差为5%；钾含量的绝对误差为0.5%；铀含量的绝对误差为2.0106；钍含量的绝对误差为2.0106；探测器：碘化铯晶体（2.012in）。,三、原理,（一）伽马射线与物质的相互作用主要有三种形式：1.光电效应（E1.02MeV）,1.光电效应,（E150keV占主要）光子与原子的束缚电子相互作用，其能量大于电子在原子中的结合能时，使它脱离原子，并具有一定动能，而光子被完全吸收。,2.康普顿散射（150keV E2 MeV）,光子与原子的电子发生碰撞时，其将部分能量传递
3、给电子，使它脱离原子并具有一定动能；同时光子被散射改变了原来的动量和动能。,3.电子对效应（E1.02MeV）,当入射光子能量大于1.02MeV（2m0c2）时，光子与物质的相互作用，可能形成一对正负电子（电子对），而其本身则完全消失。,（二）常用闪烁体晶体1.碘化钠NaI(Ti)2.碘化铯CsI(Na)3.锗酸铋BGO（Bi14Ge3O12）,常用闪烁体晶体性能比较,（三）伽马射线探测过程伽马射线电子电离和激发退激 荧光光电倍增管脉冲信号伽马射线能量脉冲信号的幅度,（四）解谱方法,1.剥谱法2.逆矩阵法3.最小二乘法,条件：,（1）混合样品中的核素都是已知的；（2）测量标准谱和混合谱，测量条
4、件一致；（3）进行叠加时，探测系统幅度不随计数率改变；（4）混合样品中，各核素具有各自的谱形，并能选出特征峰。,地层：1.钾、铀系、钍系（占99%以上）2.特征峰 40K 1.46MeV 214Bi（铀系）1.76MeV 208Tl（钍系）2.62MeV满足解谱条件,响应系数的定义,第j中核素标准谱在第i窗口的计数率Aij=第j中核素的含量,1.剥谱法,三个窗口由高向低剥（钍、铀、钾）,仪器标准谱形,2.逆矩阵法,三个窗口,式中，X是（31）浓度矩阵，A是（33）响应系数矩阵，N 是（31）计数率矩阵。,3.最小二乘法,五个窗口：w1：0.150.5MeV；w2：0.51.1MeV；w3：1.
5、11.6MeV；w4：1.62.0MeV；w5：2.03.0MeV；,式中N是仪器的测量值，A 是响应系数，X 为待测铀、钍、钾含量。五个方程，三个未知量，此超定方程组可用加权最小二乘法求解,式中，X是（31）浓度矩阵，A是（53）响应系数矩阵，AT是A的转置矩阵，N 是（51）计数率矩阵，Y是（55）权矩阵，权因子由各能窗的计数率确定,（五）电路原理,1.仪器方框图2.低压电源3.高压电源4.探测器5前置放大器6.DTB接口电路7.NHL（能窗）电路8.PHA（脉冲幅度分析）电路9.CPU电路,1.仪器方框图,见附图7,2.低压电源,电路见图8。通过缆芯1、4输入的AC220V的交流电,经变
6、压器T101降压，一组经V101整流，N101、N102稳压，输出12V；另一组经V102整流，N103稳压，输出+5V供其它电路使用，二极管V103、V104、V105对集成三端稳压器起保护作用。输出的12V、+5V电源供仪器其他电路使用。,3.高压电源,电路见图8。N201为高压模块，它是高压电源的核心器件，将+12V电源转换成负高压，供光电倍增管使用；输出的负高压随控制电压（CHV）改变而改变。系统通过DTB接口板改变控制电压（CHV）来控制高压模块的输出高压。R201、C201将+12V电源退藕滤波后供高压模块使用；C203对控制电压滤波，防止高频干扰信号对输出高压的影响。,4.探测器
7、,电路见图8。电阻R301R314组成分压器，为光电倍增管阴极及各打拿极提供适当的工作电压。R315为负载电阻，将电流信号转换为电压信号。,5前置放大器,电路见图9。N1组成电荷灵敏放大器，它对光电倍增管来的电荷进行收集，输出一个正脉冲；N2设计成同相电压放大器；R6和C5组成极-零电路，对电荷灵敏放大器输出的脉冲进行整形；V1、V2、V3、V4等组成基线恢复电路。输出的脉冲信号分别送到稳谱能窗（NHL）电路和脉冲幅度分析器（PHA）电路。,6.DTB接口电路,电路见图15。D1（HT001）、D2（HT002）两片混合电路是通信接口电路的核心，由于他们采用12V逻辑电平，其他电路用5V逻辑电
8、平，用D3将5V逻辑电平转换为12V逻辑电平，D4、D5、D6将12V逻辑电平转换为5V逻辑电平；D7将D1分离出的串行下传数据转换为并行数据；D9是上升沿触发的三-D触发器，当ACOMP由低电平变高电平时，将下传数据锁存；D10、V1、N1、V2等组成D/A转换电路，下传高压值数据转换为对应高压控制电压。三总线UDATA/GO、UCK、DSIGNAL上的波形如图17所示。,7.NHL（能窗）电路,电路见图11。前置放大器的脉冲信号经N1缓冲，R5、V2将信号钳位在0.7V左右。N2为同相放大器，增益4倍左右。N3、V3、V4、V5、V1等组成基线恢复器，保持基线的稳定。N4、V9、V10、V
9、11、R25、R24、R23、R22、R21、R20、R38组成一个恒流源，调节 R38*可改变恒流源的电流。调节R38*,使窗口电压依次为0.586V（R20和R21公共端）、0.698V（R21和R22公共端）、0.839V（R22和R23公共端）、0.993V（R23和R24公共端）、1.134V（R24和R25公共端）。N5的A、N6的A、N6的B、N7的A、N7的B、D1、D2等组成窗口比较器及逻辑判断电路。,当输入脉冲幅度大于0.586V小于0.698V，D1的11脚（NL1）输出一个计数脉冲；大于0.698V小于0.839V，12脚（NL2）输出一个计数脉冲；大于0.839V小于
10、0.993V，14脚（NL3）输出一个计数脉冲；大于0.993V小于1.134V，15脚（NL4）输出一个计数脉冲；大于1.134V或小于0.586V，NL1、NL2、NL3、NL4都不输出计数脉冲。NL1对应能量为40keV50keV、NL2为50keV60keV、NL3为60keV70keV、NL4为70keV80keV。NL1、NL2、NL3、NL4的输出分别送到计算机电路的四个计数器。,8.PHA（脉冲幅度分析）电路,电路电路见图13。来自前置放大器的脉冲信号，一路送到模拟开关D2的11脚；一路送缓冲放大器N1。N1的输出分别送到N2A、N2B、N3A组成的三个比较器，三个比较器输出的
11、有序信号控制数模转换 器D1工作。N4、N5、D2、V2、V3、C16等组成采样保持器，保证它的输出电压是脉冲峰值且在数模转换器进行转换过程中保持不变，转换结束后，通过模拟开关D2的15脚迅速将保持电容C16上的电荷放掉。D1（AD1674）是一高速十二位（二进制）数模转换器，只用其输出的高八位，所以是一个256道脉冲幅度分析器。,9.CPU电路,电路见图18。D4（87C51）是MCS-51系列八位单片机，它自带4kB的EPROM，128B的RAM，32根I/O线，两个计数/定时器，最高工作频率12MHz。它是仪器数据获取、累加、传输的核心。D8（54HC 373）是一个8D锁存器，靠它实现
12、低八位地址总线和八位数据总线的分时使用。D7（6116）一个2K静态存储器（RAM），它用来暂存256道脉冲幅度数据、四个稳谱窗口的数据。D9、D10（82C54）是两个各带三个十六位计数/定时器的通用计数/定时器电路，用来记录NL1、NL2、NL3、NL4四个稳谱窗口的计数。D1（54HC374）是一个上升沿触发8D锁存器，用来缓存从脉冲幅度分析器的输出数据。,D3（GAL22V10）是一个可编程门电路，它内部固化了地址译码器、字节中断产生器、与非门、非门。D2（4520）是一个双四位二进制同步计数器，记录/UCK脉冲数，与D3中的字节中断产生器配合，累计八个/UCK脉冲向单片机申请一次字节
13、中断（INT0）；每次中断响应，单片机从外部RAM读取八位数据送到D5。D5（4014）是一个八位移位寄存器，用来将八位并行数据转换成串行数据，每个/UCK脉冲移出一位，送至通信接口电路。STB是PHA板的AD转换状态标志，由低电平变高电平，AD转换结束，将DB0DB7上的数据锁存在D8，同时向单片机申请一次PHA中断（INT1）；每次中断响应，单片机读取锁存在D8的八位数据，作为访问外部RAM的低八位地址，并将对应地址单元内容加一。,四车间刻度,6.1 车间刻度 将仪器和DYXC电缆遥测短节联接起来（接负载下堵头）,架起高度大于一米，周围应没有放射源。仪器通电预热三十分钟。在EAR2000地面系统选TCC+SGR组合串，输入仪器号，作车间刻度。车间刻度分成两步，钾、铀、钍含量刻度和API刻度。首先作钾、铀、钍含量刻度，将ZGPJT混合刻度筒放置在固定位置（如附图20所示），每次记录时间大于300s。,然后作API刻度，先记录本底；再将4702NK刻度架放置在固定位置（如附图20所示）高刻。要求刻度一览表车间刻度偏差（测量值相对于刻度筒标称值）一项，钾小于0.5%、铀小于210-6（2ppm）、钍小于210-6（2ppm）。,五使用与维修 常见的故障及排除方法,续上表,续上表,
