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摘 要：He3管探测器是随钻中子测井仪器中的关键部件， 它采集数据的准确性直接影响着整支仪器的性能。随钻中子He3管探测器在安装和测试过程中，会存在很多干扰，从信号采集过程、电路工作原理、制造工艺等方面入手，改进了抗干扰设计，极大地提高了随钻中子He3管探测器的抗干扰性能，保证了采集数据的准确性。
关键词：He3管 随钻中子 滤波 厚膜电路
中图分类号：TN912 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）02（c）-0027-04
Abstract：He3 tube detector is the key component of the neutron logging while drilling， its accuracy of data acquisition directly affects the performance of the whole tool. In the process of installation and testing， there will be a lot of interference. The anti-interference design has been improved from the aspects of signal acquisition process， circuit working principle and manufacturing process， which greatly improves the anti-interference performance for He3 detector of the neutron logging while drilling and ensures the accuracy of data acquisition.
Key Words：He3 Tube;Neutron Logging While Drilling;Filtering;Thick Film Circuit
隨钻中子测井仪是具有阵列式多通道热中子He3管探测器的测井仪，在井下工作时，He3管探测器是随钻中子测井仪器的关键部件，主要测量地层中热中子数量多少，从而反映出地层孔隙度的变化，它的性能优劣将直接影响着整支仪器的性能和测井效果[1]。因此，He3管探测器的稳定性特别重要，所以He3管探测器的抗干扰性也成了仪器调校的重点。
1 He3管探测器工作原理
随钻中子测井仪井下工作时装载着15Ci的Am-Be中子源，每秒钟将产生4×107个快中子，这些快中子射入地层，与地层中的物质碰撞。经过几次碰撞后，快中子将被减速，能量从快中子的平均能量5.6MeV衰减到0.025eV的热中子。这些热中子部分进入He3管探测器，撞击He3核，引起核反应，产生H3（氚）子，该质子使其他一部分He3电离，产生带电的离子和电子，在高压电场的作用下，电子向阳极运动，产生一负脉冲，脉冲幅度在0.5μV～1.5mV范围内连续分布，脉冲宽度小于5μs，为随机信号，该脉冲被电子线路放大并记录下来，探测器接受中子的多少直接反映了地层中氢原子的多少[2]。因此He3探测器及其电子线路组成的测井仪可以测量地层中的含氢量多少，它探测中子的反应式[2]为：
实际情况是，自然界中不存在快中子，He3管在实验室不加放射源的情况下，是采集不到快中子的，因此He3管是没有任何计数的。He3管探测器很容易受到电子噪声等干扰，在并不存在快中子的空间里，He3管探测器也会采集到脉冲信号，经过电路处理之后就会产生计数。这种计数叫作空计数（无源时采集的计数值），既影响仪器的刻度测试，又影响仪器的下井作业应用，不能真实地反映出地层孔隙度的变化[3]。针对这种情况，从信号的采集过程、电路工作原理、制造工艺等方面入手，采取了一些措施，改进抗干扰设计。
1.1 硬件电路改进
He3管探测器的输出是一个电流脉冲，能模拟探测核辐的大小，不是电流脉冲的某一瞬间值，而是它积分值（或输出电荷）的大小，在测量时，为了得到与能量呈线性关系的电压脉冲，就应该对探测器的输出电流脉冲进行积分。当积分作用发生在探测器输出端和预放大器输入端之间，就称为电压成形方式，此时，预放大器的输入信号为电压脉冲，采用电压预放大器相配合[4]。
前置放大器是置于信号源与放大级之间的预放大电路，是专为接受来自信号源的微弱电压信号而设计的。此次测试所用的前置放大电路仅仅只放大有用的小信号，将电路上的噪声信号滤掉，减少了后级电路对噪声的进一步放大，提高了系统的信噪比，减少外界干扰的相对影响，实现阻抗匹配[5]。He3管探测器的前放电路如图1所示。
前置放大器包括两级放大器：第一级为高通滤波放大电路，第二级为二阶Sallen-Key高通滤波器，进一步滤除信号噪声，提取有用信号，并对信号进行放大。下面对部分电路做以下分析。
（1）第一级为高通滤波放大电路（见图2）将He3管探测器采集到的电荷信号转化成电压信号， 滤除低频噪声干扰信号，提取有用的关键信号，并对有用信号适当放大，放大截止频率是12.87kHz。
（2）第二级是二阶压控型有源高通滤波器（HPF）（见图3），当频率足够高时，电容C1和C2可视为短路，因此HPF的通带电压放大倍数为： 传递函数为：
得到HPF的传递函数，整理得：
频率特性。
中的s换成 jω，并令，则有：
所以f<<f0时幅频特性的斜率为+40dB/十倍频。通带电压放大倍数应小于3，否则很不稳定，可能会造成自激振荡。所以，上述前放电路实际上不是很稳定，抗干扰能力很差，外界有一点干扰或者噪声就会引起前放电路自激震荡，产生不必要的空计数，严重影响He3管探测器的探测效果。
针对这种问题，结合He3管探测器采集信号的特点，从硬件电路入手，完善前置放大电路原理设计，把前后两级放大倍数做适当调整，前级放大倍数调整到20倍，保证后一级放大倍数在3倍以内，调整到2.73倍，如图4、图5所示。
第一级高通滤波放大电路放大倍数为20倍，第二级二阶压控高通滤波放大器运放的放大倍数为2.73倍，前后两级一共放大倍数为55倍，和原来的放大倍数一样，既保证了放大倍数的稳定性，又避免了在后一级轻微干扰就会产生的自激震荡，保证了整个He3管探测器系统的稳定性。
1.2 工艺改进
随钻中子测井仪井下工作环境恶劣，高温高压、振动强度大，因此He3管探测器的设计要保证能稳定可靠的工作。
1.2.1 集成电路改进
前放电路采用集成电路设计时，芯片、阻容等器件焊接时受人为影响较大，对焊接工艺要求非常高。
厚膜电路工艺优势是选用陶瓷基板，厚膜绝缘电阻高、介电常数小，并且线膨胀系数能与其他膜层相匹配，直接采用晶元器件进行封装，耐高温、抗干扰、可靠性高、一致性好，降低了电磁辐射，改善了He3管探测器易受外界干扰性能。
如图6所示，采用厚膜电路方式封装前放模块，所有的芯片都封装在厚膜电路里面，保密性好，性能能稳定可靠。
1.2.2 装配工艺改进
原始信号很微弱，脉冲幅度在0.5μV～1.5mV范圍内连续分布，脉冲宽度小于5μs，为随机信号，传输到主放电路时，外界干扰信号很容易串入到电路系统里面，因此，对前放到主放之间的信号传输要求很严格，采用屏蔽线取代一般信号线，并把屏蔽层接地，避免干扰信号窜入系统。屏蔽效果要好，要用专门的屏蔽线，信号线需要采用同轴屏蔽线，能够保证信号在传输过程中，受到外界干扰要小，可以有效地去除掉无用的干扰信号。针对存在干扰，在制造装配时，从各种因素考虑，采用一点接地方式防止噪声电压的产生[6]。整个前放电路板都用铍铜外壳屏蔽包裹在内，这样能很有效地屏蔽外界电磁干扰。
2 测试结果分析
2.1 测试波形信号
改进后的He3管探测器，在实验室验证测试，加上高压测试信号，测试多个通道的本底计数值。
输入加1200V高压直流电源，测试He3管探测器，不加放射源，看本底噪声信号大小，测试波形如图7所示，都是白噪声，不存在干扰噪声信号。前放端加入模拟信号，模拟地层中热中子的信号，输入100kHz脉冲信号， 信号幅值为2mVpp，偏置-1mVpp，99%正占空比脉冲，测试波形如图8所示（上面粉色为输入信号，下面蓝色为输出信号），测试放大倍数。
改进后，前放电路对模拟信号的放大倍数为55倍左右，达到改进之前的效果，噪声信号小，抗干扰能力强，在实验室调试制造简单快捷。
2.2 He3管通道计数测试对比
改进之前和改进之后，在实验室里，测试本底计数，没有任何放射源，理论上讲，测试的空计数应该为零，N1～N6为He3管探测器6个近通道计数，F1～F6为He3管探测器6个远通道计数。
没有改进抗干扰设计之前，本底计数很高，个别通道每秒能达到几百多，如图9所示，严重影响着测试数据的准确性，在改进前放抗干扰设计之后，如图10所示，空计数值每秒最多只有几个，完全满足了测试精度要求。
3 结语
测试结果表明，经过硬件电路及制造工艺等改进，可有效滤除杂质干扰信号，减少了电磁干扰，保证了电路处在稳定的状态下工作。前放电路板制造合格率很高，空计数很低，提高了随钻中子孔隙度数据采集的准确性和可靠性，而且工艺也简单可靠，提高了仪器生产制造效率，有利于He3管探测器产业化大批量生产应用。
参考文献
[1] 李科，鲁保平，吴永安.He3管检测系统的设计研制[J].石油仪器，2007，21（1）：29-31.
[2] 李伟，赵帆.一种随钻中子孔隙度测井系统的抗干扰设计[J].西安邮电大学学报，2017，22（3）：121-126.
[3] 黄芳，张士中，程辉建，等.SDZ-3090补偿中子测井仪故障分析[J].石油管材与仪器，2017，3（3）：85-87.
[4] 邓刚，刘静松，郭志辉，等.SDZ-5070补偿中子测井仪故障分析与排除[J].内蒙古石油化工，2015（19）：31.
[5] 赵建辉，王丽艳，盛利民，等.去除随钻测量信号中噪声及干扰的新方法[J].石油学报，2008，29（4）：596-600.
[6] 孟令晗.RC电路工作原理及其典型应用[J].电子技术与软件工程，2017（1）：105-106.
关键词：He3管 随钻中子 滤波 厚膜电路
中图分类号：TN912 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）02（c）-0027-04
Abstract：He3 tube detector is the key component of the neutron logging while drilling， its accuracy of data acquisition directly affects the performance of the whole tool. In the process of installation and testing， there will be a lot of interference. The anti-interference design has been improved from the aspects of signal acquisition process， circuit working principle and manufacturing process， which greatly improves the anti-interference performance for He3 detector of the neutron logging while drilling and ensures the accuracy of data acquisition.
Key Words：He3 Tube;Neutron Logging While Drilling;Filtering;Thick Film Circuit
隨钻中子测井仪是具有阵列式多通道热中子He3管探测器的测井仪，在井下工作时，He3管探测器是随钻中子测井仪器的关键部件，主要测量地层中热中子数量多少，从而反映出地层孔隙度的变化，它的性能优劣将直接影响着整支仪器的性能和测井效果[1]。因此，He3管探测器的稳定性特别重要，所以He3管探测器的抗干扰性也成了仪器调校的重点。
1 He3管探测器工作原理
随钻中子测井仪井下工作时装载着15Ci的Am-Be中子源，每秒钟将产生4×107个快中子，这些快中子射入地层，与地层中的物质碰撞。经过几次碰撞后，快中子将被减速，能量从快中子的平均能量5.6MeV衰减到0.025eV的热中子。这些热中子部分进入He3管探测器，撞击He3核，引起核反应，产生H3（氚）子，该质子使其他一部分He3电离，产生带电的离子和电子，在高压电场的作用下，电子向阳极运动，产生一负脉冲，脉冲幅度在0.5μV～1.5mV范围内连续分布，脉冲宽度小于5μs，为随机信号，该脉冲被电子线路放大并记录下来，探测器接受中子的多少直接反映了地层中氢原子的多少[2]。因此He3探测器及其电子线路组成的测井仪可以测量地层中的含氢量多少，它探测中子的反应式[2]为：
实际情况是，自然界中不存在快中子，He3管在实验室不加放射源的情况下，是采集不到快中子的，因此He3管是没有任何计数的。He3管探测器很容易受到电子噪声等干扰，在并不存在快中子的空间里，He3管探测器也会采集到脉冲信号，经过电路处理之后就会产生计数。这种计数叫作空计数（无源时采集的计数值），既影响仪器的刻度测试，又影响仪器的下井作业应用，不能真实地反映出地层孔隙度的变化[3]。针对这种情况，从信号的采集过程、电路工作原理、制造工艺等方面入手，采取了一些措施，改进抗干扰设计。
1.1 硬件电路改进
He3管探测器的输出是一个电流脉冲，能模拟探测核辐的大小，不是电流脉冲的某一瞬间值，而是它积分值（或输出电荷）的大小，在测量时，为了得到与能量呈线性关系的电压脉冲，就应该对探测器的输出电流脉冲进行积分。当积分作用发生在探测器输出端和预放大器输入端之间，就称为电压成形方式，此时，预放大器的输入信号为电压脉冲，采用电压预放大器相配合[4]。
前置放大器是置于信号源与放大级之间的预放大电路，是专为接受来自信号源的微弱电压信号而设计的。此次测试所用的前置放大电路仅仅只放大有用的小信号，将电路上的噪声信号滤掉，减少了后级电路对噪声的进一步放大，提高了系统的信噪比，减少外界干扰的相对影响，实现阻抗匹配[5]。He3管探测器的前放电路如图1所示。
前置放大器包括两级放大器：第一级为高通滤波放大电路，第二级为二阶Sallen-Key高通滤波器，进一步滤除信号噪声，提取有用信号，并对信号进行放大。下面对部分电路做以下分析。
（1）第一级为高通滤波放大电路（见图2）将He3管探测器采集到的电荷信号转化成电压信号， 滤除低频噪声干扰信号，提取有用的关键信号，并对有用信号适当放大，放大截止频率是12.87kHz。
（2）第二级是二阶压控型有源高通滤波器（HPF）（见图3），当频率足够高时，电容C1和C2可视为短路，因此HPF的通带电压放大倍数为： 传递函数为：
得到HPF的传递函数，整理得：
频率特性。
中的s换成 jω，并令，则有：
所以f<<f0时幅频特性的斜率为+40dB/十倍频。通带电压放大倍数应小于3，否则很不稳定，可能会造成自激振荡。所以，上述前放电路实际上不是很稳定，抗干扰能力很差，外界有一点干扰或者噪声就会引起前放电路自激震荡，产生不必要的空计数，严重影响He3管探测器的探测效果。
针对这种问题，结合He3管探测器采集信号的特点，从硬件电路入手，完善前置放大电路原理设计，把前后两级放大倍数做适当调整，前级放大倍数调整到20倍，保证后一级放大倍数在3倍以内，调整到2.73倍，如图4、图5所示。
第一级高通滤波放大电路放大倍数为20倍，第二级二阶压控高通滤波放大器运放的放大倍数为2.73倍，前后两级一共放大倍数为55倍，和原来的放大倍数一样，既保证了放大倍数的稳定性，又避免了在后一级轻微干扰就会产生的自激震荡，保证了整个He3管探测器系统的稳定性。
1.2 工艺改进
随钻中子测井仪井下工作环境恶劣，高温高压、振动强度大，因此He3管探测器的设计要保证能稳定可靠的工作。
1.2.1 集成电路改进
前放电路采用集成电路设计时，芯片、阻容等器件焊接时受人为影响较大，对焊接工艺要求非常高。
厚膜电路工艺优势是选用陶瓷基板，厚膜绝缘电阻高、介电常数小，并且线膨胀系数能与其他膜层相匹配，直接采用晶元器件进行封装，耐高温、抗干扰、可靠性高、一致性好，降低了电磁辐射，改善了He3管探测器易受外界干扰性能。
如图6所示，采用厚膜电路方式封装前放模块，所有的芯片都封装在厚膜电路里面，保密性好，性能能稳定可靠。
1.2.2 装配工艺改进
原始信号很微弱，脉冲幅度在0.5μV～1.5mV范圍内连续分布，脉冲宽度小于5μs，为随机信号，传输到主放电路时，外界干扰信号很容易串入到电路系统里面，因此，对前放到主放之间的信号传输要求很严格，采用屏蔽线取代一般信号线，并把屏蔽层接地，避免干扰信号窜入系统。屏蔽效果要好，要用专门的屏蔽线，信号线需要采用同轴屏蔽线，能够保证信号在传输过程中，受到外界干扰要小，可以有效地去除掉无用的干扰信号。针对存在干扰，在制造装配时，从各种因素考虑，采用一点接地方式防止噪声电压的产生[6]。整个前放电路板都用铍铜外壳屏蔽包裹在内，这样能很有效地屏蔽外界电磁干扰。
2 测试结果分析
2.1 测试波形信号
改进后的He3管探测器，在实验室验证测试，加上高压测试信号，测试多个通道的本底计数值。
输入加1200V高压直流电源，测试He3管探测器，不加放射源，看本底噪声信号大小，测试波形如图7所示，都是白噪声，不存在干扰噪声信号。前放端加入模拟信号，模拟地层中热中子的信号，输入100kHz脉冲信号， 信号幅值为2mVpp，偏置-1mVpp，99%正占空比脉冲，测试波形如图8所示（上面粉色为输入信号，下面蓝色为输出信号），测试放大倍数。
改进后，前放电路对模拟信号的放大倍数为55倍左右，达到改进之前的效果，噪声信号小，抗干扰能力强，在实验室调试制造简单快捷。
2.2 He3管通道计数测试对比
改进之前和改进之后，在实验室里，测试本底计数，没有任何放射源，理论上讲，测试的空计数应该为零，N1～N6为He3管探测器6个近通道计数，F1～F6为He3管探测器6个远通道计数。
没有改进抗干扰设计之前，本底计数很高，个别通道每秒能达到几百多，如图9所示，严重影响着测试数据的准确性，在改进前放抗干扰设计之后，如图10所示，空计数值每秒最多只有几个，完全满足了测试精度要求。
3 结语
测试结果表明，经过硬件电路及制造工艺等改进，可有效滤除杂质干扰信号，减少了电磁干扰，保证了电路处在稳定的状态下工作。前放电路板制造合格率很高，空计数很低，提高了随钻中子孔隙度数据采集的准确性和可靠性，而且工艺也简单可靠，提高了仪器生产制造效率，有利于He3管探测器产业化大批量生产应用。
参考文献
[1] 李科，鲁保平，吴永安.He3管检测系统的设计研制[J].石油仪器，2007，21（1）：29-31.
[2] 李伟，赵帆.一种随钻中子孔隙度测井系统的抗干扰设计[J].西安邮电大学学报，2017，22（3）：121-126.
[3] 黄芳，张士中，程辉建，等.SDZ-3090补偿中子测井仪故障分析[J].石油管材与仪器，2017，3（3）：85-87.
[4] 邓刚，刘静松，郭志辉，等.SDZ-5070补偿中子测井仪故障分析与排除[J].内蒙古石油化工，2015（19）：31.
[5] 赵建辉，王丽艳，盛利民，等.去除随钻测量信号中噪声及干扰的新方法[J].石油学报，2008，29（4）：596-600.
[6] 孟令晗.RC电路工作原理及其典型应用[J].电子技术与软件工程，2017（1）：105-106.