FPGA技术在能谱探头测试系统中的应用

　　0 引 言

　　自然伽玛能谱测井仪是一种重要的测井仪器。它测量不同能量核脉冲的计数率，从而计算出地层铀、钍、钾的含量。自然伽玛能谱测井仪由能谱探头和能谱电路两大部分组成。能谱探头又由探测器、高压筒和前置放大器组成。探测器是由 NaI 晶体和光电倍增管组成。在装配仪器前，要对探测器进行检测。使用的主要分析设备是多道分析仪。它带有可控高压源和放大器，可控高压源可为光电倍增管提供工作所需的负高压，放大器可以按一定比例放大核脉冲信号。多道分析仪可以检测探测器的线性和分辨率等重要物理指标。

　　然而上述测试方法中探测器的被测状态与装配仪器后的工作状态并不相同。首先，高压不同。当仪器接收到硬件高压控制指令时，高压会实时动态调整到一个值。这个值是由仪器本身决定的。在温度不变的情况下，特定的一支能谱探头和一支电路只会对应着一个动态高压。在上述的测试方法中，高压是根据测试需要人为设定的，与仪器工作时的高压不同。其次，放大电路也不相同。能谱探头有着自己的放大电路。本文介绍一种辅助性检测系统，功能与能谱电路相同。用本系统接上能谱探头等同于能谱电路接上能谱探头，探头的被测状态与其工作状态完全相同。因此相比多道分析仪，本系统的测试结果更接近探头的工作状态。

　　能谱探头在现场交验时，并不是以多道分析仪的测试报告为验收标准，而是以实际联调刻度结果来验收仪器。相比体积庞大的地面操作系统和 2m 多长的能谱电路，本系统体积小、重量轻、携带方便、即插即用，即可用于产品的出所检验，还可以形成产品用于油田的现场维修和调试。

　　1 系统原理

　　图 1 为辅助性检测系统的方框原理图。图 1 中箭头的方向表明了信息的流向。

　　探测器是被测体，由晶体和光电倍增管组成。它能将射入晶体的γ射线转化为微弱的电信号(这种微弱的信号称为核脉冲)输出。其后的运放电路将核脉冲放大到一定的电压幅度送给窗口电路。

　　窗口电路的作用是鉴别核脉冲的幅度。窗口电路实际上是一连串的比较器，比较器的阈值由参考电压和谱误差控制电路共同决定。当核脉冲的幅度超过某比较器阈值时，比较器的输出就由高电平翻转成低电平。探头输出的每一个核脉冲经过放大后，都会引起窗口电路比较器一个或多个的翻转。只要脉冲幅度高于比较器的阈值，比较器的输出就会从高电平翻转到低电平，而阈值高于脉冲幅度的比较器都不会翻转。包含在窗口数据处理模块中的“温度计式译码器”逻辑会记录这种变化。参考电压为窗口电路和谱误差控制电路提供了一个稳定的参考电压。