程羽 王昊炜 陈敬智

【摘 要】He3管探测器是随钻中子孔隙度测量系统的关键部件，工作时需要高压直流电源激励，要求高压直流电源耐高温，功耗小、纹波小，在高温时能稳定的运行，电压输出不会出现波动。基于Cockcroft倍压电路原理设计了高压直流电源，在不同环境温度下进行了性能测试、中子灵敏度测试、坪区特性测试等，该高压直流电源满足随钻中子测井仪He3管探测器的工作需求。

【关键词】Cockcroft电路;高压电源;脉宽调制;纹波

中图分类号：TN912 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）07-0055-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.07.023

【Abstract】He3 tube detector is the key component of the neutron porosity measurement system while drilling. It needs high voltage DC power supply to excite when it works. It requires high temperature resistance， low power consumption and low ripple. It can operate steadily at high temperature， and the voltage output will not fluctuate. Based on the principle of Cockcroft voltage doubling circuit， a high voltage DC power supply is designed. The performance test， neutron sensitivity test and flat area characteristic test are carried out at different ambient temperatures. The high voltage DC power supply meets the working requirements of the He3 tube detector of the neutron logging tool while drilling.

【Key words】Cockcroft Circuit; High Voltage Power; Pulse Width Modulation; Ripple

0 引言

在隨钻测井作业中，中子孔隙度测量是随钻测井作业最基本的、最关键的组成部分，地层孔隙度是实施综合地层评价的重要地质参数之一[1]。由于随钻测井的工作环境恶劣，要求随钻中子测井仪及其器件必须满足耐高温高压、抗振动以及空间结构狭小等客观要求。He3管探测器是随钻中子测井仪的关键部分，激励He3管探测器的高压直流电源必须耐高温，功耗小、纹波小，在高温时直流高压能稳定输出，不会出现较大的波动。

1 He3管工作原理

He3管由阳极丝、He3气体、金属外壳等组成，工作时阳极丝处于高压激发状态，需要一个稳定的直流高压激励才能工作。当热中子进入He3管探测器时，撞击He3核，引起核反应，产生H3（氚）子，该质子使其它一部分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。He3管工作时，有特定的坪区高压，坪区高压在1050V～1250V之间，坪区长度大概是200V，在高温时直流高压需要保持稳定不变输出，He3管的阻抗为1012Ω，工作时电流很微弱，输出的信号电压只有几个mV，因此，要求高压直流电源功耗小，纹波信号干扰小，高温时稳定输出直流，高压值不能波动很大[2]。

2 高压直流电源原理及电路设计

2.1 高压直流电源原理

随钻中子的高压直流电源主要是给He3管探测器供电，针对He3管输入高压电源必须满足耐高温、功耗小、纹波小，温飘小等特殊要求，基于柯克罗夫特（Cockcroft）倍压原理设计了高压电路，原理是采用变压器方式产生初级高压，变压器初级线圈供电为正负5V，变比为1：20，次级线圈电压输出为200V，高压形成电路采用6级柯克罗夫特（Cockcroft）回路倍压。上半周时， D10导通，D11截止，变压器电源经D10向C41充电，理想情况下，D10视为短路，电容C41充电至200V;下半周时，D10截止，D11导通，变压器电源和C41串联后电压为400V，同时给C43充电，依次类推，6级倍压后C51输出电压为1200V，输出值正好在He3管的坪区电压范围内。

SE555P芯片控制着电路高压的产生，555_RST端输入为高电平时，555工作，产生高压，555_RST端输入为低电平时，555复位，高压消失。高压电源的参考电源是由D/A_OUT引脚控制的，D/A_OUT值大小控制着初始高压值的输出值，D/A_OUT引脚初始值决定着的初始高压值，整个电路具有温度补偿功能，采集温度信号值，随温度变化，会有相应的温度补偿。

2.1.1 初级电压监测

高压电路工作时需要监测变压器工作是否正常，产生的高压值是否正常，因此在在变压器的后端设计了初级监测电路，TR_1FB是变压器后面的初级监测采集回路，直接监测变压器产生的200V电压值，经过运放，返回到监测电路，实时监测采集到的电压值，来判断变压器是否正常工作。

2.1.2 高压直流电源的反馈控制

经过6级柯克罗夫特（Cockcroft）回路倍压产生的1200V高压，不能直接采集监测，采用分压电阻分压方式监测，分压到芯片可以检测到的范围内，OP284EP比较器把采集到的电压和D/A_OUT输出电压比较，控制着555芯片的导通时间，采集的高压值分量大于D/A_OUT时，比较器输出负值，从而减小PWM脉宽宽度，从而减少高压电路变压器的导通时间，使高压值变小，反之，采集的高压值分量小于D/A_OUT时，比较器输出正值，增大PWM脉宽宽度，从而增加高压电路变压器的导通时间，使高压值变大，通过控制变压器的的脉宽，调整高压的输出值大小。

2.2 抗干扰设计

1200V高压电源，要求抗干扰性能好，高压电源会产生一些纹波脉冲干扰，直接影响随钻地层评价。纹波干扰主要由变压器逆变电路残留的交流成分造成，直流高压电源输出的纹波干扰主要取决于高频及电源自身的控制系统噪声幅值。由脉动的整流电容产生的输出电压具有一定的脉冲性，因此会产生不期望的高频噪声。高频纹波产生于高频逆变过程，在纹波干扰占比中整流环节的纹波干扰值较高，因此高压电源需要纹波抑制，滤除纹波信号。

在1200V产生的电路后面，加上滤波电路，滤除掉纹波噪声干扰。一边为滤除纹波的波形，一边为加上滤波电路的波形，对比二者可知，加上滤波电路之后，纹波信号变得很小，只有几十mV左右，完全满足He3管探测器的精度要求。

2.3 高温设计

高压与温度曲线如图，如图1所示，在高于90℃时，输出电压为1100VDC，高压明显下降，反复实验测试，原因是由于反馈电容C143容值过小，PWM调节控制时，脉冲宽度太小，高压无法调节过来，把PWM的脉宽调节电容C143容值变大，整个高压输出值在高温时可以有效地调节，重新做加温实验验证，在150℃时能输出稳定的高压值。

3 小结

基于柯克罗夫特（Cockcroft）回路倍压原理设计的电路，高压直流电源满足耐高温、功耗小、纹波小，温飘小等要求。在150℃环境温度下进行测试，该电源工作稳定，可靠性高，且电路调试容易。即使在恶劣的环境下，温度上升，振动剧烈，输出的高压值也不会出现大幅度的波动，满足He3管探测器测井要求。

【参考文献】

[1]宋延淳，邓乐，毛为民.随钻中子空隙度测量的数值模拟研究[A].先进钻井技术与装备论文集[C].北京，2008：23-27.

[2]艾维平，邓乐，宋延淳.随钻中子孔隙度测量系统中高压电源的研制[J].电力电子技术.第44卷第3期.2010：53-59.