一种气体中子探测器用高低压脉冲电源装置及其控制方法与流程

本发明涉及一种气体中子探测器用高低压脉冲电源，特别是一种气体中子探测器用高低压脉冲电源及其控制方法，适用于脉冲中子测井领域的中子探测。

背景技术：

脉冲中子测井是指脉冲中子源每隔一定时间发射一定宽度的快中子，照射地层，通过研究中子与地层的相互作用来研究地层。目前该方法主要应用于石油和铀矿勘探与开采行业。中子探测是脉冲中子测井领域的一个重要组成部分，由于中子不带电，不能直接引起物质的“电离”与“激发”，对中子的探测主要通过对它与物质作用产生的次级带电粒子的探测而实现，目前应用较为广泛的中子探测器为³he正比计数管。³he正比计数管通过³he气体与中子进行核反应产生带电粒子——质子与氚核，质子与氚核与³he气体发生电离碰撞，使³he气体分子电离，形成大量的离子对（电子和正离子）。在外加电场的作用下，这些电子和正离子分别向正电极（中心阳极丝）和负电极（金属管壳）漂移。电子愈接近阳极，电场强度越强，电子获得的能量足以与气体原子发生电离碰撞，形成新的离子对。同样新的电子再次被加速并发生新的电离碰撞，越接近阳极，碰撞几率越大，进而产生雪崩效应，雪崩后的离子对数目大量增多，形成信号的放大，得到与入射中子能量对应的脉冲信号。然而因为雪崩只发生在阳极丝周围狭小的范围内，当输入中子通量过大，导致阳极丝周围的气体全部处于电离状态，进而导致探测器饱和，无法输出脉冲信号。

气体正比计数管的雪崩效应与探测器内部的气体压强、工作电压、电极（阳极丝、金属管壳）半径有关，在仪器系统的工作过程中，中子探测器的气体压强、电极半径参数基本无法改变，为了避免因中子通量过大而导致的探测器饱和，可通过降低其工作电压来实现。比如在脉冲中子测井过程中，当发射源中子的时间段内，将³he中子探测器的工作电压降低到工作坪区以下，避免因过度的雪崩效应导致探测器饱和，而引起的探测器短暂失效现象；当源中子脉冲时间段过后，再将探测器的工作电压回升到正常的工作坪区。能够适用于这种情况的工作电源目前尚未见报道，本发明所述的气体中子探测用高低压脉冲电源及其控制方法即可完成该功能，能够很好地适用于脉冲中子通量较大情况下的中子测井系统。

技术实现要素：

本发明的目在于提供一种气体中子探测器用高低脉冲电源，可由外部同步脉冲信号控制高低压脉冲的频率和占空比，防止因中子通量过大导致气体探测器饱和，适用于脉冲中子通量较大情况下的中子测井领域。本发明的另一目在于提供该气体中子探测器用高低脉冲电源的控制方法。

本发明的技术方案：一种气体中子探测器用高低压脉冲电源，包括cpld控制芯片、上桥臂隔离驱动、下桥臂隔离驱动，由同步脉冲信号控制高压脉冲的频率和占空比，在直流高压电源和直流低压电源之间分别接入上下桥臂隔离驱动，通过上桥臂和下桥臂高压mos管交替导通的方式来实现高低压脉冲输出，其中：cpld控制芯片根据同步脉冲信号控制cpld输出合适的时序，分别控制上桥臂隔离驱动和下桥臂隔离驱动，所述上桥臂隔离驱动包括dc-dc隔离电源、隔离光耦和上桥臂高压mos管，所述下桥臂隔离驱动7包括dc-dc隔离电源、隔离光耦和下桥臂高压mos管；+5v供电电源与cpld控制芯片、上桥臂dc-dc隔离电源、下桥臂dc-dc隔离电源、直流高压电源、直流低压电源连接，上桥臂隔离光耦与cpld控制芯片、上桥臂dc-dc隔离电源、上桥臂高压mos管连接，下桥臂隔离光耦与cpld控制芯片、下桥臂dc-dc隔离电源、下桥臂高压mos管连接，输入直流高压电源与上桥臂高压mos管连接，同步脉冲信号与cpld控制芯片连接，高压脉冲电源输出与上桥臂高压mos管、下桥臂高压mos管连接，直流高压电源和直流电低电源的输出接气体中子探测器的工作电极。

所述直流高压电源和直流电低电源的型号为cc228p-13y，输入工作电压为+12v，输出电压0~+1500v可调，直流高压电源工作于气体中子探测器的坪区电压，直流低压电源工作于气体中子探测器的坪区以下电压；所述的气体中子探测器用高低压脉冲电源，所述气体中子探测器的类型为³he正比计数管、涂硼正比计数管。

一种气体中子探测器用高低压脉冲电源的控制方法，其步骤：步骤一，cpld芯片实时监测中子同步脉冲信号，当源中子到来时，该同步信号为低电平，当源中子结束后，该同步信号为高电平；当检测到同步信号的上升沿时进入步骤二，当检测到同步信号的下降沿时进入步骤三，否则进入步骤四；步骤二，设置同步脉冲标志为1，关闭下桥臂mos管，禁止直流低压电源将气体中子探测器的工作电极拉至低电压，进入步骤五；步骤三，设置同步脉冲标志为0，关闭上桥臂mos管，禁止直流高压电源将气体中子探测器的工作电极拉至高电压，进入步骤五；步骤四，上下桥臂mos管保持原有状态不变，进入步骤一；步骤五，进行死区延时，防止因上下桥臂mos管同时导通烧坏mos管，延时时间由cpld进行设置，若同步脉冲标志为，进入步骤六，否则进入步骤七；步骤六，打开上桥臂mos管，使输出到气体中子探测器的工作电极的电压从低压切换到高压，确保其工作于坪区电压，提高其探测效率，进入步骤一；步骤七，打开下桥臂mos管，使输出到气体中子探测器的工作电极的电压从低压切换到高压，确保其工作于坪区电压以下，降低其探测效率，防止探测器饱和，进入步骤一。

气体中子探测器用高低压脉冲电源的控制方法，所述的同步脉冲信号由外部输入，或由dsp、arm、fpga/cpld、单片机的cpu芯片根据源中子同步脉冲信号产生，该同步脉冲信号与源中子同步脉冲信号保持一致的时序，或有自己的特定时序，如上升沿与源中子触发脉冲同步，其高电平脉冲占空比根据实际需要由cpu进行设置。

本发明的优点：具有结构简单、使用方便，由同步脉冲信号控制高低压脉冲的频率和占空比，输出高压脉冲占空比在0%~90%之间连续可调、输出高压脉冲频率可以在1hz~2khz连续可调、输出高压脉冲上升/下降沿宽度小于1μs，非常适合利用气体中子探测器进行脉冲中子测井领域的中子探测。

附图说明

图1为本发明实施例1的系统结构示意图；

图2为本发明实施例1的控制流程图；

图3为本发明实施例1的单片机芯片及其外围接口原理图；

图4为本发明实施例1的cpld控制芯片及其外围接口原理图；

图5为本发明实施例1的上桥臂隔离驱动和下桥臂隔离驱动原理图。

图中：+5v供电电源(1)，cpld控制芯片(2)，上桥臂隔离驱动(3)，上桥臂dc-dc隔离电源(4)，上桥臂隔离光耦(5)，上桥臂高压mos管(6)，下桥臂隔离驱动(7)，下桥臂dc-dc隔离电源(8)，下桥臂隔离光耦(9)，下桥臂高压mos管(10)，直流高压电源(11)，直流高压电源(12)，同步脉冲信号(14)，气体中子探测器(13)。

具体实施方式

下面通过附图和具体实施方式对本发明作更为详细的描述。

参见图1-图5，本气体中子探测器用高低压脉冲电源，包括cpld控制芯片2、上桥臂隔离驱动3、下桥臂隔离驱动7，由同步脉冲信号14控制高压脉冲的频率和占空比，在直流高压电源11和直流低压电源12之间接入一个半桥式控制电路，通过上桥臂和下桥臂高压mos管交替导通的方式来实现高低压脉冲输出，其中：cpld控制芯片2根据同步脉冲信号14控制cpld输出合适的时序，分别控制上桥臂隔离驱动3和下桥臂隔离驱动7，所述上桥臂隔离驱动3包括dc-dc隔离电源4、隔离光耦5和上桥臂高压mos管6，所述下桥臂隔离驱动7包括dc-dc隔离电源8、隔离光耦9和下桥臂高压mos管10；+5v供电电源1与cpld控制芯片2、上桥臂dc-dc隔离电源4、下桥臂dc-dc隔离电源8、直流高压电源11、直流低压电源12连接，上桥臂隔离光耦5与cpld控制芯片2、上桥臂dc-dc隔离电源4、上桥臂高压mos管6连接，下桥臂隔离光耦9与cpld控制芯片2、下桥臂dc-dc隔离电源8、下桥臂高压mos管10连接，输入直流高压电源11与上桥臂高压mos管6连接，同步脉冲信号14与cpld控制芯片2连接，高压脉冲电源输出13与上桥臂高压mos管6、下桥臂高压mos管10连接，直流高压电源11和直流电低电源12的输出接气体中子探测器13的工作电极。

进一步，所述直流高压电源11和直流电低电源12的型号为cc228p-13y，输入工作电压为+12v，输出电压0~+1500v可调，直流高压电源11工作于气体中子探测器13的坪区电压（对应³he正比计数管为+1300v左右），直流低压电源12工作于气体中子探测器13的坪区以下电压（对应³he正比计数管为+900v左右）；所述的气体中子探测器用高低压脉冲电源，其特征在于：所述气体中子探测器13的类型可为³he正比计数管、涂硼正比计数管等。

一种气体中子探测器用高低压脉冲电源的控制方法，如图2所示，包括以下步骤：步骤一，cpld芯片实时监测中子同步脉冲信号，当源中子到来时，该同步信号为低电平，当源中子结束后，该同步信号为高电平；当检测到同步信号的上升沿时进入步骤二，当检测到同步信号的下降沿时进入步骤三，否则进入步骤四；步骤二，设置同步脉冲标志为1，关闭下桥臂mos管，禁止直流低压电源将气体中子探测器的工作电极拉至低电压，进入步骤五；步骤三，设置同步脉冲标志为0，关闭上桥臂mos管，禁止直流高压电源将气体中子探测器的工作电极拉至高电压，进入步骤五；步骤四，上下桥臂mos管保持原有状态不变，进入步骤一；步骤五，进行死区延时，防止因上下桥臂mos管同时导通烧坏mos管，延时时间可由cpld进行设置，若同步脉冲标志为1，进入步骤六，否则进入步骤七；步骤六，打开上桥臂mos管，使输出到气体中子探测器的工作电极的电压从低压切换到高压，确保其工作于坪区电压，提高其探测效率，进入步骤一；步骤七，打开下桥臂mos管，使输出到气体中子探测器的工作电极的电压从低压切换到高压，确保其工作于坪区电压以下，降低其探测效率，防止探测器饱和，进入步骤一。

进一步，所述的同步脉冲信号14可由外部输入，也可以由cpu（如单片机、dsp、arm、fpga/cpld）根据源中子同步脉冲信号产生，如图3所示，该同步脉冲信号可与源中子同步脉冲信号保持一致的时序，也可以有自己的特定时序，如上升沿与源中子触发脉冲同步，其高电平脉冲占空比根据实际需要由cpu进行设置。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。