小口径数字化X射线荧光测井仪电路设计

矿产资源勘查中,利用钻探方法发现和验证地下矿物岩石是地质普查最为直接有效的技术手段。随着我国地面矿产的开采殆尽,深部矿产已成为我国重要的资源勘探方向和战略布局。故深部钻探将成为矿产资源勘查的重要研究方向,而对于即将面临高温高压环境的测井仪器亦成为重要课题。本文针对深部矿产资源勘查需求,在基于能量色散X射线荧光分析技术原理基础上,设计了一款高温高压环境下的小口径数字化X射线荧光测井仪。该X射线荧光测井仪在电路设计上通过引入数字多道脉冲幅度分析器不仅大幅度减少了易受环境因素影响的模拟电路,而且很大程度上减小了体积。并采用数字滤波,数字反堆积和数字滤波成形等算法提高电路抗干扰能力和脉冲计数通过率,抑制系统温漂,从而提高了X射线荧光测井仪的数字化水平和仪器性能指标。通过实验该仪器可在温度为-10℃—109℃,压强为50Mpa工作环境下实现对原子序数22的钛至原子序数92的铀的元素分析。整机能谱分辨率达到3.35%,光电峰谱漂现象小于2道,测量的准确度小于±20%,和精密度小于10%(Cu含量为1%,模型无井液条件下)。X射线荧光测井仪器通过在野外的模型井和科研井中进行测试,各项指标达到设计要求,性能稳定。具体工作内容如下:(1)根据小口径深井高温高压环境,提出了X射线荧光测井系统的硬件电路整体设计方案。该方案采用数字化多道脉冲幅度分析器替代X射线荧光测井仪硬件电路中易受环境温度等因素干扰的传统多道脉冲幅度分析器,大幅提高了X射线荧光测井仪数字化水平和耐高温高压环境能力。该测井仪可在高温109℃和高压50Mpa下实现对元素的分析,其分辨率可达3.35%,光电峰谱漂小于2道。(2)根据对探测器输出信号的分析,设计了数字多道脉冲幅度分析器的模拟前端电路,包括CR微分整形电路、信号高倍数放大电路和抗混叠滤波电路。通过低噪声低失真电压反馈运算放大器ADA4841加CR微分电路实现CR微分整形电路的设计,其中运算放大器用作隔离驱动,CR微分电路用来对探测器输出的1.7Hz低频锯齿波复位信号的滤除和对X射线产生的信号进行整形,实测CR微分整形电路通过取值使得时间常数τ=RC=8μs,截止频率fc=19.9kHz,成功滤除了1.7Hz复位信号和将X射线产生的信号整形为负指数脉冲信号。信号高倍数放大电路采用两个高速运算放大器AD829和模拟开关构成增益可控的两级放大电路,可实现第一级放大40倍,第二级放大4倍,整体放大160倍。抗混叠滤波电路采用两个三级RC滤波电路和由运算放大器AD829构成的电压跟随器构成,该滤波电路截止频率为10.6MH。(3)根据模拟前端电路输出信号的特点,舍弃峰值保持器等模拟电路,设计了高速A/D转换电路,可实现最大200kps脉冲通过率。在后端逻辑电路部分采用FPGA+ARM组合方式完成对高速A/D转换电路的输出数字量的处理,并通过CAN总线的设计将处理后的数据传送至终端显示,传输距离可达10km。(4)设计了测井电源系统:高压电源系统的和低压电源系统。针对Si-PIN探测器用的110V—220V高压直流电,采用PWM开关控制、罗耶谐振电路加倍压整流电路设计方案,实现了一种小体积、低纹波的高压直流电源系统的设计,实测该高压直流电源可在0—200V连续可调,纹波低至0.01%,稳定度优于2%/10h。低压电源系统主要给数字多道脉冲幅度提供+5VD数字电源,+5VA和-5VA模拟电源。其中+5VD采用超低静态电流开关稳压器LT8610实现,无负载条件下,5V输出电压时,消耗的电流仅为2.5μA;在1A下,输入为12V,输出为5V时,效率可达96%。+5VA电源设计使用低纹波稳压器LT3970实现,其输出纹波电压低于5mVpp。而-5VA电源设计采用超低噪声的LT1931芯片完成,在12V输入电压下,可实现-5V/350mA输出,输出端采用陶瓷电容时可获得接近1mVpp的超低输出电压纹波。