Brevet FR2686982A1 — publié le 19930806

PROCEDE DE SPECTROSCOPIE D'IMPULSIONS NUCLEAIRES A TAUX DE COMPTAGE ELEVE DESCRIPTION L'invention concerne un procédé de spectros- copie n'impulsions nucléaires obtenues à la sortie d'un iétecteur tel qu'un détecteur photomultiplieur à crista L scintillateur. De tels procédés sont utilisés dans de nombreux domaines techniques faisant appel à la détection de rayonnement et de particules nucléaires. C'est e cas par exemple en géophysique pour la réa Li- sation se mesures de diagraphies dans une formation souterraine. Pour réaliser des mesures de diagraphies on uti Lise un outil que l'on déplace dans un puits traversant Les différentes formations souterraines en un Lieu donné. L'outil permet de réaliser des mesures physiques du sous-sol et de les transmettre après trai- tement en temps réel, à la surface, à d'autres moyens de traitement et à des moyens d'exploitation. Parmi les différentes techniques de mesures de diagraphies, on utilise la spectroscopie réalisée au moyen d'un outil de spectroscopie afin de déterminer des caractéristiques des différents constituants du sous- sol. En général, le spectre d'énergie est obtenu par détection soit de rayons r naturels, soit de rayons y émis par une source après interaction avec les électrons des constituants de ces formations, soit de rayonsr résultant d'interactions entre les noyaux des constituants et des neutrons émis par une source. Un détecteur permet alors de détecter le rayonnement et de le transformer en un signal électrique impu Lsionnel dont l'amplitude est une mesure de l'énergie du rayonnements On pourra se reporter pour plus de détails au manuel "Hand Book on Detection and Measurement" de Glenn F Kno Ll ( 1979) dans leque L est décrit un analyseur d'impulsions nucléaires. On pourra également se reporter à l'art antérieur constitué par la demande de brevet européenne N 90401174 9, pub Liée sous le numéro EP O 396 464,10 dans la Quel Le est décrit un procédé de spectroscopie appliqué à un outil géophysique permettant de réaliser des diagramhies. Le procédé décrit dans cet art antérieur consiste à réaliser un filtrage du signal analogique constitué d'impulsions électriques fournies par le détecteur de radiations pour réaliser une mise en forme de type Gaussien Le procédé consiste ensuite à réaliser une conversion analogique-numérique du signal, puis à réaliser la détection d'impu Lsions par comparaison ce l'am Dlitude des échantillons à un seuil prédéterminé. Le procédé permet également de modifier, si besoin est, La ligne de base du signal lorsque l'am- plitude d'un échanti L Lon se trouve au-dessous de cette ligne.25 A l'encontre des procédés classiques et en particulier à l'encontre de l'enseignement apporté par cette demande de brevet EP O 396 464, dans lesquels on réalise la détection d'impulsions à partir d'échan- tillons numériques, le procédé conforme à l'invention30 permet de ne réaliser la détection qu'après avoir réalisé une mise en forme du signal numérique par un filtre numérique, de manière à ramener toute l'énergie du signal sur un nombre Limité d'échantillons. Cette caractéristique présente comme avan- tage, par rapport aux techniques classiques, de produire des impulsions plus courtes et par conséquent d'autoriser des taux de comptage plus éLevés. De façon pratique et préférentielle, le orocédé consiste à opérer un filtrage de manière à ramener toute L'énergie d'une impulsion sur la durée de deux échantillons. Le procédé consiste en outre à réaliser avant conversion analogiquenumérique du signal un échantillonnage du signal ana Logique issu du détecteur, avec intégration sur une durée égale à la période d'échantillonnage. L'invention a plus particulièrement pour objet un procédé de spectroscopie d'impulsions nuc Léaires à taux de comptage éLevé pour l'analyse d'impulsions d'un signal électrique s(t) émis par un détecteur de rayonnement, Ledit signa L comprenant des événements nucléaires représentés par des impulsions dont l'amplitude est une mesure de l'énergie de parti- cu Les d'un rayonnement, caractérisé en ce qu'i L comprend les étapes de traitement suivantes: échantillonnage analogique continu du signal s(t) et intégration du signa L sur une durée égale à La période d'échanti L Lonnage (T), conversion ana Logique/numérique du signa L échantillonné, détection des impulsions à partir du signa L filtré et obtention du spectre d'énergie. L'invention sera mieux comprise à L'aide de La description qui est faite à titre indicatif et nu L Lement limitatif et à L'aide des dessins sur Lesque Ls: la figure 1 représente Les différentes étapes et sous-étapes du procédé conforme à l'invention, sous la forme d'une succession de blocs fonctionnels, la figure 2 représente un exemple de signal s(t) détecté et traité conformément au procédé objet de l'invention, La figure 3 repésente un deuxième exemple de signal s(t) détecté et traité. Le procédé qui va maintenant être décrit s'applique à tout domaine faisant intervenir l'analyse d'impulsions électriques obtenues à partir de La détec- tion d'un rayonnement, par exemple à l'aide d'un cristal scintillateur tel que Na I, ou GSO et d'un photomultiplicateur. L'invention s'applique notamment à la mesure de diagraphies que l'on pratique dans un forage au moyen d'un outil de diagraphie plongé dans le forage. On pourra se reporter à titre d'exemple à la description qui est faite d'un tel outil dans la demande de brevet EP O 396 464, publiée sous le N 90401174 9. Selon une première phase de traitement (bloc 10 de la figure 1), Le signal électrique s(t) émis par le détecteur sous la forme d'impu Lsions ana Lo- giques correspondant à la nature du rayonnement détecté est numérisé et éventuellement mis en forme de manière à ce que l'énergie de chaque impulsion soit comprise dans un créneau temporel de durée fixée. Selon une deuxième phase de traitement (bloc 20 de la figure 1), on réalise la détection d'impulsions à partir du signal numérique éventuellement mis en forme La fin de cette phase 20 permet d'aboutir au spectre d'énergie des impulsions détectées. Selon une forme de réalisation, la première phase 10 comporte les étapes de traitement suivantes: Le signa L analogique s(t) est échanti L Lonné avec intégration de ce signa L sur La période d'échanti L- Lonnage T cnoisie, et ce La au moyen de tout circuit échanti Llonneur intégrateur analogique classique que L'on trouve dans Le commerce. On peut se reporter à ce stade aux figures 2 et 3 qui donnent des exemp Les différents de signaux s(t) Le signa L obtenu après cette opération d'échanti L- Lonnage/intégration est Le signa L s(n). L'opération d'échanti L Lonnage intégration se fait de façon continue sur Le signa L s(t) fourni par Le détecteur. Chaque échanti L Lon s(n) déLivré par L'échan- ti L Lonneur intégrateur est L'intégra Le du signa L d'entrée s(t) sur La donnée d'un interva L Le d'échanti L- Lonnage T = tn-tn_ 1 stn tn-1 Une seu Le impulsion arrivant à L'instant ta et ayant une amplitude A peut s'exprimer par une fonction exponentie L Le du temps s(t) = 0 pour t 2 (t) = A e(ta-t)Ir partout ai L Leurs. y Pour ce signa L, en supposant que to L'échanti L Lonneur intégrateur fournit La suite d'échan- ti L Lons suivants S( 0) = O s( 1) = A ( 1 -e(t -T):') s( 2) = A (e(t T)/r_ e(t -2 T)-r) s( 3) = A (e(t -2 T)/r_ e(to-3 T)Ir) = s( 2) e-TI s( 4) = A (ta,-='/_ c T, /) = s( 3) e-TI s(n) = s(n 1) e-T/'- soit: n=Os(n) = A =t s(t) dt Les échantillons analogiques sont par Jn convertisseur analogique-numérique sur la figure 1) puis filtrés par un filtre (étape 4 sur la figure 1) de La façon qui détaillée: convertis (étape 2 numérique va être Le filtre permet de supprimer le phénomène d'évanescence de l'exponentielle Le filtre a une réponse impu Lsionnelle finie pour une durée d'une période d'échantillonnage: ï'(n) =( 1 + at) s(n) a s(n -1) e-T/r avec: I À-T/ Dans ce mode de réalisation le signal correspondant à une impulsion reçue est ramené à deux échanti L Lons successifs: ()= O (o) Ao 1 'e(t-T)/-r 1 e-T/r e(t -T)/I, _ e-T/,. ( 2) =A (T TI- s'( 3) = O s'(n) = O Le procédé consiste en outre à réaliser un asservissement (étapes 3 et 5) permettant de corriger la ligne de base B du signal avant filtrage. La ligne de base B correspond au niveau constant du signal Ce niveau est réglé à une valeur prédéterminée et est réajusté par l'asservissement. La phase de détection permet de fournir le niveau constant correspondant à la ligne de base en l'absence d'impulsions L'étape de mise à jour 5 consiste à conserver en mémoire ce niveau pour permettre la correction aux instants désirés avant filtrage. L'étape 11 de détection d'impulsions consiste, conformément à ce premier mode de réalisation, à se fixer un seuil de détection Tr, puis à prendre en compte les échantillons du signa L à chaque instant d'échantillonnage par groupes et selon cet exemple particulier par groupes de quatre. Ainsi, on sélectionne à l'instant d'échan- tillonnage tn les échantillons s'(n), s'(n+ 1), s'(n+ 2), s'(n+ 3). La détection consiste à vérifier si le premier et le dernier échantillon du groupe sont inférieurs ou égaux au seuil fixé, ce qui s'exprime de la façon suivante: s'(n) 4 Tr et s'(n+ 3) Tr Si ces deux conditions sont réalisées, alors une impulsion est détectée et son amplitude est A = s'(n+ 1) + s'(n+ 2) Cette étape est représentée par le bloc 13 de la figure 1. Dans le cas contraire, c'est-à-dire lorsque ces deux conditions ne sont pas réalisées, cela signifie soit qu'il n'y a pas de signal, soit que l'impulsion n'est pas à cette position (elle a lieu peut_être à un autre instant que les instants tn+ 1 et tn+ 2), soit qu'il y a un chevauchement, ou empi Lement, de plusieurs impulsions Après avoir vérifié ces conditions, n est incrémenté de 1 pour passer au groupe d'échantillons n+ 11, n+ 2, n+ 3, n+ 4 et ainsi de suite jusqu'à ce qu'il n'y ait p Lus de signal. IL est possible le cas échéant de déterminer les impulsions dans le cas o se produit un phénomène d'empilement comme l'indique l'étape 12 de la figure 1. On peut se reporter à la figure 3 qui illus- tre ce phénomène. Pour réaliser une mesure de l'empilement te L que présent sur Le signa L s(t) de la figure 3, une solution consiste à sélectionner Les échanti L Lons par groupes de 5 en incrémentant d'un échantillon après chaque mesure, soit les cinq échantil Lons S '(n),, s' (n+ 4). Le procédé consiste à vérifier pour ce groupe d'échantillons les conditions suivantes: pour le premier et le dernier: s'(n) Tr s'(n+ 2) > Tr et s'(n+ 3) > Tr Si ces conditions sont remplies, alors i L y a détection d'un empilement dont l'amplitude A est égale à: A =S'(n+ 1) + S'(n+ 2) + S'(n+ 3) Cette étape 12 permet donc, lorsque deux ou plusieurs impulsions arrivent pendant deux périodes d'échantillonnage successives (tel que l'illustre La figure 3), de détecter et mesurer ce phénomène. Ainsi, La somme de trois échanti L Lons qui représente la somme des impulsions est utilisée pour quantifier l'empilement, ce qui permet, si on le désire, de corriger les mesures obtenues à l'étape 13. Apres avoir mis en oeuvre les étapes portant les références 13 et éventuellement 12, on réalise un ou des histogramme(s) des amplitudes (étape portant la référence 14). La mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention est réalisée avec des circuits analogiques et numériques existants dans le commerce ou avec des circuits intégrés spécifiques. Un circuit analogique intervient pour l'étape 1 d'échantillonnage intégration et à l'étape 2 pour La conversion analogiquenumérique. Des circuits numériques sont utilisés pour réaliser les étapes de filtrage et de détection d'impul- ssions. Des processeurs de signaux numériques seront par exemple utilisés pour réaliser les étapes 12, 14, 15. 1 1 REVENDICATIONS 1 Procédé de spectroscopie d'impulsions nucléaires à taux de comptage éLevé pour l'analyse d'impulsions d'un signal électrique s(t) émis par un détecteur de rayonnement, comprenant des événements nuc Léaires représentés par des impu Lsions, dont L'ampli- tude est une mesure de l'énergie de particules d'un rayonnement, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de traitement suivantes: échantillonnage analogique continu du signal s(t) et intégration du signal sur une durée égale à la période d'échantillonnage (T), conversion analogique/numérique du signal échantillonné, détection des impulsions à partir du signal filtré et obtention du spectre d'énergie. 2 Procédé de spectroscopie selon la reven- dication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape de filtrage des échantillons numériques pour réaliser une mise en forme de l'impulsion. 3 Procédé de spectroscopie se Lon la reven- dication 2, caractérisé en ce que le filtrage consiste à ramener Le signa L échantillonné sur une durée de deux échantillons. 4 Procédé de spectroscopie selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la détection des impulsions comprend Les étapes itératives suivantes: sélection d'un groupe d'au moins quatre échantillons successifs, vérification de L'amplitude d'une première condition par comparaison du premier et du dernier échantillons du groupe à un seuil prédéterminé (Tt) pour savoir si ces échantillons sont inférieurs ou égaux à ce seuil, vérification d'une deuxième condition par comparaison de l'échantillon ou des échantillons intermédiaires à ce seuil pour savoir si leur amplitude est supérieure à ce seuil, décision de la détection d'une impulsion lorsque les deux conditions sont remplies, sélection du groupe suivant d'échantillons. Procédé de spectroscopie selon la reven- dication 4, caractérisé en ce que lorsqu'une impulsion est détectée, son amplitude est obtenue en réalisant la somme des amplitudes des échantillons intermédiaires d'un groupe. 6 Procédé de spectroscopie selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la détection d'impulsions comprend en outre une étape consistant à mesurer l'effet d'empilement. 7 Procédé de spectroscopie selon la reven- dication 6, caractérisé en ce que la mesure de l'effet d'empilement comporte les étapes suivantes: sélection d'un groupe d'au moins cinq échantillons, vérification d'une première condition par comparaison du premier et du dernier échantillons du groupe à un seuil prédéterminé (Tr), pour savoir si leur amplitude est inférieure ou égale au seuil, vérification d'une deuxième condition par comparaison des échantillons intermédiaires à ce seuil pour savoir si leur amplitude est supérieure au seuil, décision de La détection d'un empi Lement Lorsque Les deux conditions sont remp Lies. 8 Procédé de spectroscopie se Lon L'une que Lconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'i L comporte en outre une étape de correction de La Ligne de base du signa L, cette correction étant réalisée par une boucle de contre-réaction injectant la nouvelle valeur de la ligne de base avant fi Ltrage, et en ce qu'une nouve L Le valeur est obtenue lorsque la différence entre le niveau d'un échantillon et le niveau de la ligne de base B est inférieure au seuil (Tr) de détection.