СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ ФОТОУМНОЖИТЕЛЯ, ИСПОЛЬЗУЕМОГО В ДЕТЕКТОРЕ ИЗЛУЧЕНИЯ
METHOD AND SYSTEM FOR STABILISING PHOTOMULTIPLIER GAIN, USED IN RADIATION DETECTOR

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится в целом к области детекторов излучения, используемых в каротажных приборах. В частности, изобретение относится к системам и способам для стабилизации коэффициента усиления фотоумножителей, используемых в таких детекторах, позволяющей точно определять энергию регистрируемого излучения.
Уровень техники
Детекторы излучения используются в многочисленных каротажных приборах различных типов. Каротажные приборы, в целом, представляют собой датчики, заключенные в корпуса различных типов, что позволяет корпусу с заключенными в нем датчиками перемещаться вдоль ствола скважины, пробуренного через толщу геологических пород. Время и/или глубина измерений, произведенных различными датчиками, записывается, и такие измерения используются для формирования изображений или других представлений пространственного распределения определенных физических параметров геологических пород.
Детекторы излучения, известные в технике, которые используются в каротажных приборах, включают в себя сцинтилляционные детекторы. Сцинтилляционные детекторы включают в себя сцинтилляционный кристалл, состоящий из оптически прозрачного материала, чувствительного к одному или нескольким типам излучения. Один такой кристалл, чувствительный к гамма-излучению, состоит из иодида натрия, легированный таллием. Другие сцинтилляционные кристаллы состоят из таких материалов, как германат висмута, силикат гадолиния или оксиортосиликат лютеция. См. например, патент США №5 660 627, на имя Menente и др. и переуступленный правообладателю настоящего изобретения. Вышеозначенные кристаллические материалы создают вспышку света под действием гамма-излучения. Амплитуда вспышки света соответствует энергии гамма-фотона, проникающего в кристалл. Фотоумножитель обычно присоединен к кристаллу. Фотоумножитель включает в себя фотокатод, который испускает электроны при попадании света на катод. Ряд промежуточных электродов, именуемых динодами, располагается на пути электронов между катодом и анодом. На каждый следующий динод подается более высокое напряжение, чем на предыдущий динод, при этом на анод подается самое высокое напряжение. Электроны, испускаемые катодом, притягиваются к последовательно расположенным динодам, при этом каждый электрон, попадающий на каждый из последовательно расположенных динодов, выбивает из него множество электронов. Со временем электронный “каскад” достигает анода, где количество электронов может оказаться на несколько порядков больше, чем первоначально было выбито из фотокатода входящей вспышкой света. В результате, на аноде генерируется электрический импульс, величина которого соответствует амплитуде входящего импульса света и, таким образом, энергии гамма-фотона, проникшего в кристалл.
Фотоумножитель обычно подключен к электрической схеме, которая измеряет амплитуду каждого импульса, генерируемого фотоумножителем. Амплитуды импульса и количества импульсов, амплитуда каждого из которых определена, используются для принятия решений относительно характеристик пород, оцениваемых с помощью каротажного прибора, исходя из того, что амплитуды импульсов соответствуют известным энергиям гамма-фотонов. Обычно, схема измерения амплитуды импульса назначает “канал” для зарегистрированных амплитуд импульсов, которые попадают в заранее определенный диапазон. При регистрации каждого импульса, попавшего в тот ли иной канал, счетчик, соответствующий каналу, получает приращение. Таким образом, можно определить спектр регистрируемого излучения, определяя количества отсчетов на каждом канальном счетчике. Для оценивания фактической энергии таких зарегистрированных актов излучения требуется калибровка каналов в отношении уровня энергии регистрируемого излучения.
Известен метод калибровки фотоумножителя путем включения в кристалл энергетического эталона. Например, в качестве калибровочного источника можно использовать небольшое количество цезия-137, поскольку он генерирует монохроматическое гамма-излучение, имеющее энергию 662 тысячи электрон-вольт (кэВ). В ходе работы детектора излучения, согласно уровню техники, напряжение, подаваемое на анод и диноды фотоумножителя, регулируют таким образом, чтобы импульсы напряжения, связанные с гамма-фотонами, испускаемыми калибровочным источником, поддерживались на выбранной измеренной амплитуде импульса. Такое выбранное значение обычно называют “каналом”, который схема измерения амплитуды импульса назначает зарегистрированному импульсу напряжения. Схема в каротажном приборе определяет канал энергетического пика калибровочного источника и регулирует напряжение, подаваемое на фотоумножитель, чтобы поддерживать определенный пик в выбранном канале или “окне”, образованном соседними каналами.
Раскрытие изобретения
Один аспект изобретения предусматривает способ регулировки напряжения, подаваемого на фотоумножитель, используемый в детекторе излучения на основе сцинтилляционного счетчика. Способ, согласно этому аспекту изобретения, включает в себя этап, на котором определяют количества импульсов напряжения, каждый из которых имеет одну из совокупности заранее определенных амплитуд, генерируемых фотоумножителем в соответствии с актами излучения, регистрируемыми сцинтилляционным детектором. Количества импульсов напряжения с каждой из заранее определенных амплитуд подаются на обученную нейронную сеть искусственного интеллекта. Нейронная сеть искусственного интеллекта генерирует сигнал, соответствующий величине регулировки напряжения, подаваемого на фотоумножитель.
Способ измерения свойств пород, через которые проходит ствол скважины, согласно другому аспекту изобретения, включает в себя этап, на котором перемещают каротажный прибор вдоль ствола скважины. Прибор включает в себя, по меньшей мере, один детектор излучения, имеющий сцинтилляционный детектор и функционально подключенный к нему фотоумножитель. Способ включает в себя этап, на котором определяют количества импульсов напряжения, каждый из которых имеет одну из совокупности заранее определенных амплитуд, генерируемых фотоумножителем в соответствии с актами излучения, регистрируемыми сцинтилляционным детектором. Количества импульсов напряжения с каждой из заранее определенных амплитуд подаются на обученную нейронную сеть искусственного интеллекта. Нейронная сеть искусственного интеллекта генерирует сигнал, соответствующий величине регулировки напряжения, подаваемого на фотоумножитель.
Детектор излучения, согласно еще одному аспекту изобретения, включает в себя сцинтилляционный детектор. Сцинтилляционный детектор включает в себя калибровочный источник. Фотоумножитель оптически подключен к сцинтилляционному детектору. Регулируемый источник высокого напряжения подключен к фотоумножителю. Анализатор амплитуды импульса функционально подключен к выходу фотоумножителя. Анализатор способен определять амплитуду каждого импульса напряжения, генерируемого фотоумножителем. Обученная нейронная сеть искусственного интеллекта функционально подключена к выходу анализатора амплитуды импульса. Сеть обучена преобразовывать количество зарегистрированных импульсов напряжения с каждой из совокупности амплитуд в сигнал для регулировки источника высокого напряжения, чтобы пиковое количество импульсов напряжения, соответствующее регистрации актов излучения калибровочного источника попадало в выбранное окно амплитуды напряжения анализатора.
Каротажный прибор, согласно еще одному аспекту изобретения, включает в себя корпус, способный перемещаться вдоль внутренней части ствола скважины, пробуренной через толщу геологических пород. Сцинтилляционный детектор, размещенный в корпусе, подвергается воздействию излучения, исходящего из толщи пород. Сцинтилляционный детектор включает в себя калибровочный источник. Фотоумножитель размещен в корпусе и оптически подключен к сцинтилляционному детектору. Регулируемый источник высокого напряжения размещен в корпусе и подключен к фотоумножителю. Анализатор амплитуды импульса функционально подключен к выходу фотоумножителя. Анализатор способен определять амплитуду каждого импульса напряжения, генерируемого фотоумножителем. Обученная нейронная сеть искусственного интеллекта функционально подключена к выходу анализатора амплитуды импульса. Сеть обучена преобразовывать количество зарегистрированных импульсов напряжения с каждой из совокупности амплитуд в сигнал для регулировки источника высокого напряжения, чтобы пиковое количество импульсов напряжения, соответствующее регистрации актов излучения калибровочного источника попадало в выбранное окно амплитуды напряжения анализатора.
Другие аспекты и преимущества изобретения явствуют из нижеследующего описания и прилагаемой формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - каротажный прибор на основе измерения излучения, как он есть, первоначально используемый в стволе скважины, пробуренной через толщу геологических пород.
Фиг.2 - более подробный вид активных компонентов каротажного прибора, показанного на фиг.1.
Фиг.3 - иллюстративный спектр отсчетов детектора от каротажного прибора на основе регистрации излучения, например, показанного на фиг.2.
Фиг.4 - один вариант осуществления системы регулировки высокого напряжения согласно изобретению.
Осуществление изобретения
На фиг.1 показан каротажный прибор, включающий в себя счетчик излучения типа сцинтилляционного детектора, обозначенный позицией 10, как он есть, первоначально используемый в процедуре измерения свойств геологических пород, через которые проходит ствол скважины. Ствол скважины 12 пробуренный через толщу пород, обозначен в целом позицией 15. Ствол скважины 12 можно наполнять жидкостью, именуемой “буровым раствором” 14, в ходе процедуры бурения и каротажа. Процедура каротажа включает в себя спуск каротажного прибора 10 в ствол скважины 12. Прибор 10 может быть присоединен к одному концу бронированного электрического кабеля 16. Кабель 16 спускают в ствол скважины 12 с помощью лебедки 18 или аналогичного наматывающего устройства для спуска прибора 10 в ствол скважины 12. Затем лебедку 18 можно использовать для подъема кабеля 16 из ствола скважины, пока различные датчики (объясненные ниже) в приборе 10 производят измерения различных свойств пород 15, через которые проходит ствол скважины 12. Электроэнергия может передаваться по кабелю 16 с поверхности для обеспечения питания прибора 10. Сигналы, соответствующие измерениям, осуществляемым различными датчиками в приборе 10, могут передаваться по кабелю 16 для записи и/или интерпретации на блоке записи 20, находящемся на поверхности земли.
В качестве примера каротажного прибора рассмотрим прибор плотностного каротажа, который производит измерения, соответствующие плотности геологических пород 15. Такие приборы включают в себя корпус 10A, в котором размещены определенные электронные схемы, обозначенные в целом позицией E и объясненные ниже. Корпус 10A может включать в себя прижимной башмак или рычаг 10B, расположенный с одной стороны прибора 10, который смещается для приведения другой стороны прибора 10 в контакт со стенкой ствола скважины 12. На другой стороне прибора 10 может располагаться вольфрамовый или аналогичный скид или башмак 10C высокой плотности, в котором находится источник гамма-излучения RS. Источник излучения RS может представлять собой источник на основе химического изотопа, например цезия-137, размещенный в корпусе, устойчивом к давлению. Источник излучения также может представлять собой устройство, работающее на электричестве, например рентгеновскую трубку, или, в приборах, отличных от приборов плотностного каротажа, может представлять собой химический источник нейтронов, например америций-бериллий, или импульсный генератор нейтронов, который испускает “вспышки” высокоэнергичных нейтронов регулируемой длительности.
Один или несколько детекторов излучения, включающий в себя кристалл сцинтилляционного детектора XTAL, оптически подключенный к фотоумножителю PMT, могут располагаться в башмаке 10C. Регулируемый высоковольтный источник питания HV подключен к фотоумножителю PMT, обеспечивая преобразование попадающий в него фотонов в импульсы напряжения, что хорошо известно специалистам в данной области техники. Выходное напряжение высоковольтного источника питания HV может регулироваться контроллером (не показан отдельно на фиг.1), составляющим часть схемы E, чтобы источник высокого напряжения HV мог поддерживать нужное напряжение на фотоумножителе PMT.
Следует отчетливо понимать, что иллюстративный каротажный прибор показан на фиг.1 только в целях иллюстрации источника импульсов напряжения, генерируемых фотоумножителем, подлежащих обработке согласно изобретению, и устройство согласно изобретению, которое поддерживает надлежащее напряжение на фотоумножителе. Другие каротажные приборы на основе регистрации излучения могут включать в себя более одного детектора излучения сцинтилляционного типа или детекторы излучения, реагирующие на другие уровни энергии излучения для анализа других свойств пород, и такие приборы отвечают объему этого изобретения. Также следует отчетливо понимать, что операции спуска/подъема каротажного прибора 10, показанного на фиг.1, является лишь одним примером операций спуска/подъема. Любые операции спуска/подъема описанного здесь каротажного прибора, который производит измерения излучения, также входит в объем этого изобретения. Такие операции спуска/подъема включают в себя, но без ограничения, присоединение прибора к концу бурильной трубы, гибкой НКТ, эксплуатационной НКТ или другого трубного устройства, или заключение прибора в утяжеленную бурильную трубу, подлежащую включению в состав бурильной колонны, чтобы прибор мог производить измерения во время бурения ствола скважины 12 через толщу пород 15, такие операции спуска/подъема известны в технике как “каротаж во время бурения” (LWD). Также следует отчетливо понимать, что конфигурация ствола скважины, показанная на фиг.1, где ствол скважины непосредственно контактирует с породой (так называемый “необсаженный ствол скважины”), не ограничивается использованием детекторов излучения согласно различным аспектам изобретения. Изобретение в равной степени применимо к стволам скважины, в которые вставлена и/или зацементирована труба или колонна (так называемый “обсаженный ствол скважины”).
Более подробный вид активных компонентов каротажного прибора показан на фиг.2. Источник излучения RS показан расположенным на одном конце башмака 10C для минимизации регистрации излучения, исходящего непосредственно от источника RS. Сцинтилляционный кристалл 26 находится в башмаке 10C, благодаря чему он подвергается действию излучения, исходящего из окружающих геологических пород (15 на фиг.1). Кристалл 26 может состоять из такого материала, как иодид натрия, легированный таллием, германат висмута, ортосиликат гадолиния, оксиортосиликат лютеция, кварцевое стекло, легированное литием-6, или любого другого материала, используемого для регистрации излучения, который генерирует вспышки света, когда соответствующий квант излучения или фотон проникает в кристалл. Кристалл 26 включает в себя калибровочный источник 28, который включает в себя малое активное количество источника излучения с известным энергетическим спектром. Например, в устройстве измерения плотности, калибровочный источник 28 может представлять собой цезий-137, поскольку такой материал источника излучает, по существу, монохроматические гамма-фотоны с энергией 662 кэВ, согласно объяснению, приведенному в разделе «уровень техники». Кристалл 26 оптически подключен к фотоумножителю 24 также, по существу, согласно объяснению, приведенному в разделе «предпосылки изобретения». Фотоумножитель 24 питается от регулируемого источника высокого напряжения 22. Обычно, напряжения, подаваемые на фотоумножитель 24, составляют от 800 до 2200 вольт, в зависимости от типа используемого фотоумножителя. Источник высокого напряжения 22 может иметь выходное напряжение, регулируемое с точностью от одного до пяти вольт, хотя такое разрешение и фактический диапазон напряжения не призваны ограничивать объем этого изобретения. Напряжение, выдаваемое источником высокого напряжения 22, регулируется контроллером 32, который будет объяснен в дальнейшем. Контроллер 32 может представлять собой контроллер на базе микропроцессора, который может выполнять зашитую компьютерную программу.
Согласно объяснению, приведенному в разделе «уровень техники», излучение, воспринимаемое сцинтилляционным детектором 26, проникнув в детектор 26, приводит к тому, что сцинтилляционный детектор 26 испускает вспышку света, амплитуда которого соответствует энергии действующего акта излучения. Вспышка света заставляет фотоумножитель 24 выработать импульс напряжения, амплитуда которого соответствует амплитуде вспышки света, сгенерированной детектором 26. Импульс напряжения, выдаваемый фотоумножителем 24, может поступать на многоканальный анализатор амплитуды импульса (“МКАА”) 30. МКАА 30 может включать в себя пороговый дискриминатор, отсеивающие любые импульсы, пиковая амплитуда которых ниже выбранного порога (во избежание, например регистрации, так называемых “темновых токов”, которые может выдавать фотоумножитель), и детектор пиковой амплитуды для измерения пиковой амплитуды всех зарегистрированных импульсов напряжения над порогом. Каждый зарегистрированный импульс напряжения приводит к приращению счетчика, соответствующего пиковой амплитуде регистрируемых импульсов напряжения. Количества зарегистрированных импульсов, имеющих конкретные регистрируемые амплитуды, используются для спектрального анализа энергетического содержания излучения, регистрируемого сцинтилляционным детектором 26. Чтобы точно охарактеризовать энергию зарегистрированных актов излучения, необходимо охарактеризовать выходной сигнал МКАА 30 в отношении энергии регистрируемого излучения. Изобретение имеет целью регулировку напряжения, подаваемого на фотоумножитель 24, чтобы характеризация выходного сигнала МКАА оставалась связанной известным образом с энергией регистрируемого излучения.
На фиг.3 показан пример “спектра” отсчета регистрируемого напряжения, поясняющий устройство и способ стабилизации коэффициента усиления согласно изобретению. В ходе работы каротажного прибора регистрируемые импульсы напряжения могут назначаться одному из четырех соседних “окон”, каждое из которых охватывает совокупность (например, от пяти до десяти) каналов в диапазоне МКАА (30 на фиг.2). Каналы, обозначены LL, LU, UL, UU на фиг.3. Канал, обозначенный P, может представлять собой канал, для которого энергетический пик калибровочного источника в спектре определен. Напряжение, подаваемое на фотоумножитель (24 в фиг.2), регулируется так, чтобы, по существу, равные количества регистрируемых импульсов напряжения (так называемых “отсчетов”) оказались в каждом из окон LU и UL, и чтобы пиковое количество таких отсчетов, которое связано с энергией излучения калибровочного источника, назначалось каналу P, с поправкой на фоновые отсчеты, зарегистрированные во внешних окнах LL и UU. Вышеописанная процедура может повторяться со статистически значимыми интервалами суммарного количества зарегистрированных отсчетов. В ходе работы, номер канала МКАА, для которого пиковое количество отсчетов от калибровочного источника может отличаться от канала P, может изменяться вследствие ряда факторов, включая, помимо прочих факторов, скорость счета регистрации и температуры окружающей среды. Контроллер (32 на фиг.2) способен регулировать или контролировать источник высокого напряжения (22 на фиг.2) так, чтобы пиковое количество отсчетов, связанное с калибровочным источником, возвращалось в канал номер P на выходе МКАА (30 на фиг.2).
Согласно настоящему изобретению, контроллер может включать в себя программу обученной нейронной сети искусственного интеллекта (ИНС). ИНС выдает сигнал “ошибки”, выражающий разность между предпочтительным номером канала для энергетического пика калибровочного источника и фактическим номером канала, определенным из зарегистрированных импульсов напряжения. Сигнал ошибки может использоваться пропорционально-интегрально-дифференциальной (ПИД) цепью регулировки для регулировки напряжения, подаваемого на фотоумножитель. ИНС и цепь регулировки ПИД могут быть реализованы в контроллере (32 на фиг.2) или могут быть реализованы в отдельных электронных компонентах схемы (E на фиг.1). Независимо от аппаратной реализации функциональные возможности, которые могут быть реализованы в любом варианте осуществления, будут описаны ниже со ссылкой на фиг.4. ИНС 40 может принимать в качестве входного сигнала два отдельных отношения счета для всех импульсов напряжения (отсчетов), зарегистрированных в статистически значимом количестве отсчетов. Отношения могут быть отношениями: 1) суммы отсчетов подпикового окна (LL+LU) к суммарному количеству отсчетов (LL+LU+UL+UU); и 2) суммы отсчетов надпикового окна (UL+UU) к суммарному количеству отсчетов. В данном варианте осуществления отношения скоростей счета используются для облегчения обучения ИНС 40 и минимизации возможности ошибки в результатах, вычисленных ИНС 40 как результата разностей в интенсивности различных радиоактивных источников.
В некоторых вариантах осуществления ИНС 40 может также принимать в качестве входного сигнала величины, связанные с количеством отсчетов, отвечающие определенным пороговым критериям. Одна такая величина называется “групповыми” отсчетами. Группа это отсчет, назначенный месту хранения, отличному от назначенного канала МКАА (30 на фиг.2), в результате того, что два или более показаний напряжения, превышающих порог смещения, зарегистрированы в течение выбранного интервала времени (запрограммированного в МКАА). Выбранный интервал времени обычно представляет минимальное время восстановления фотоумножителя. Фотоумножителю обычно требуется определенное время восстановления после каждого импульса напряжения для обеспечения полной пропорциональности между уровнем света, входящего в фотоумножитель, и амплитудой импульса напряжения, поскольку ток, текущий в фотоумножителе, не сразу возвращается к нулю после генерации каждого импульса. Таким образом, импульсы, сгенерированные до того, как ток упадет до порогового уровня, могут дать амплитуду импульса, не соответствующую уровню энергии регистрируемого излучения. Любые импульсы напряжения, возникающие до истечения времени восстановления фотоумножителя считаются ненадежными для регистрации калибровочного пика, т.е. для точной регистрации актов излучения. Однако такие отсчеты можно использовать для передачи полезной информации скорости счета на ИНС 40. Поэтому, одним входным сигналом ИНС 40 может быть величина:
1 - (групповые отсчеты и суммарное количество отсчетов),
где суммарное количество отсчетов это все отсчеты, зарегистрированные на всех каналах МКАА для получения статистически значимого количества отсчетов. Другой возможный тип импульсов напряжения, которые можно учитывать, называется “переполнение”. Отсчеты переполнения это отсчеты, уровень энергии которых превышает уровень, характерный для типа излучения, измеряемого прибором. Например, в приборах плотностного каротажа, все гамма-фотоны, которые имеют отношение к измерению плотности, имеют энергию, меньшую, чем у генерируемых источником излучения (RS на фиг.1), которая, в данном варианте осуществления, такая же, как у калибровочного источника (28 на фиг.2). Таким образом, регистрации повышенной энергии являются выбросами относительно нужных уровней энергии, и таким зарегистрированным отсчетам можно назначить регистр отсчетов “переполнения”. Высокие отсчеты переполнения могут свидетельствовать об определенных поверхностных условиях, которые могут негативно влиять на точность измерения, производимого прибора. В данном варианте осуществления, еще одним входным сигналом ИНС 40 может быть величина:
1 - (отсчеты переполнения и суммарное количество отсчетов).
Еще одна величина, которую можно передавать ИНС 40, это величина:
1 - [(переполнение + группа) и суммарное количество отсчетов].
На выходе ИНС 40 получается сигнал ошибки. Сигнал ошибки представляет разность между предполагаемым номером канала МКАА (30 на фиг.2), на котором определен пик калибровочного источника, и предпочтительным номером канала для калибровочного пика.
Сигнал ошибки в данном варианте осуществления можно использовать как входной сигнал цепи ПИД 42. Цепь ПИД генерирует сигнал, который может предписывать источнику высокого напряжения (22 на фиг.2) изменять напряжение на величину, определяемую согласно следующей формуле:
1
2
3
где ε представляет сигнал ошибки, генерируемый ИНС 40, i представляет индекс текущего значения ошибки, и k, k, k - коэффициенты ПИД. Коэффициенты можно определять эмпирически для любой конкретной конфигурации прибора.
Предполагается, что обучение ИНС 40 должно включать в себя диапазон напряжений, подаваемых на фотоумножитель, в зависимости от конкретного фотоумножителя, примерно от 800 до 2,200 вольт. Обучение ИНС 40 может включать в себя скорости счета, представляющие весь диапазон плотностей материалов, с которыми можно встретиться в стволе скважины, включая буровой раствор, и породы в известном диапазоне плотностей. Обучение ИНС также может включать в себя восстановление из интервалов отсутствия тока, например, когда прибор отключен.
Варианты осуществления способа и системы, отвечающих изобретению, могут обеспечивать точную регулировку напряжения на фотоумножителе, используемом в детекторе излучения сцинтилляционного типа, без необходимости разрабатывать сложные алгоритмы регулировки напряжения.
Хотя изобретение было описано в отношении ограниченного количества вариантов осуществления, специалисты в данной области техники, пользуясь этим раскрытием, могут предложить другие варианты осуществления, не выходящие за рамки объема раскрытого здесь изобретения. Соответственно, объем изобретения должен ограничиваться только прилагаемой формулой изобретения.