地球物理仪器历史现状与发展(5)

2020-02-21 15:40

IRIS公司、美国的AGI公司和ZONGE公司、德国的DMT公司等。国外大多数传统式高密度电法仪结构(图1.2所示)。其中ZONGE公司推出的GDP-32仪器可以进行多种方式的野外测量(Resistivity,TD/FD-IP,CR,CSAMT等),其高密度电法采集功能可达16通道同时测量,GDP--32是将电测量主机与转换开关组合为一个箱体。2002年12月份,美国的AGI公司出品一款新仪器将电极与转换开关结合在一起,即把转换开关分布在各个电极,实现分布式高密度电法测量。

由于分布式高密度电法测量是未来发展的主流,功能最突出的应属德国DMT公司研制生产的RESECS高密度电法仪。RESECS仪是将开关单元分布在各个电极(解码器),其主机有一个电流测量通道和能够扩展为6个电位测量的通道。在工作时,主机发送命令(编码)给各个解码器,由解码器根据编码命令把任何一对接地电极切换为供电电极,而把最高可达6对其他接地电极切换为电位测量通道,并实现实时采集。在单道和多道工作情况下均可最高控制960个电极。在国内有利用RESECS仪地面高密度电法测量和井间电法测量的实例,应用效果明显,可接入最高外部转换电源为440V,A/D转换精度为16位。

国内自引进高密度电法以来,有不少单位投入了该方法的理论、方法技术和仪器准备的研制。1994年《地学仪器》杂志上发表文章,报道了原地质矿产部机电研究所研制的GHI高密度电法仪,其结构将机械电极转换开关改进成由单片机控制的电子开关。国内重庆地质仪器厂和重庆奔腾数控研究所等厂家生产的高密度电法仪就是引用该技术。其中武汉地大高科资源探测研究所推出的CUGBGM-密度电法仪采用了8通道采集技术。西安澳立华公司推出的flashRes64高密度直流电法仪可高达61通道同时采集数据,野外采集效率大大提高。从结构分析,国内生成的高密度电法仪属于电测主机和多级转换开关集中组合式的集中式采集系统。一些分布式高密度电法测量仪思想仅见诸一些学术期刊等论文中,鲜见实际应用。

从资料分析,大多数厂家采用嵌入式微处理器(MCU)作处理器和采集电路模块作为电法仪器的主机系统,个别厂家采用PC工控机集成采集板构成电测主机。多路转换开关亦采用微处理器(MCU)控制。从结构分析,大多数属于集中式,即由测量主机和电极转换集中(如图2所示)。电极与电缆一一对应,需要多芯电缆(一般达30芯以上)与转换开关相连。部分厂家推出的分布式高密度电法仪器把电极

转换开关分布在各个电极上(如RESECS仪器的解码器),电缆数目大大的减少(如图3所示)。

大多厂家推出的仪器都能自动对自然电位(SP)、漂移即电极极化进行自动补偿;采用滤波和信号增强技术提高抗干扰能力等。但鲜见有哪家仪器具有性能自检功能(如串音干扰、共模抑制、一致性等检测)。特别指出的是:对于直流电法测量中存在的供电后极化长时间的不稳,有的厂家推开的仪器除了可直流供电外,也可采用正弦或方波激电供电,从而消除或减少极化对测量精度的影响。

不言而喻,高密度电法勘探发展至今,也不过二十多年。其中仪器的发展总是融合了其他学科和技术(如电子学、计算机、信息技术、机械制造等)的发展。然而,随着我国大规模的经济建设,资源勘查、环境检测和工程地质和质量检测为地球物理勘探提出了新的挑战,也提供了广阔的扩展空间和发展机遇。地球物理新方法的改进离不开仪器设计的创新发展。汲取当代其他学科的最新成果,借鉴其他先进仪器的设计思想。高密度电法仪器仍具有广阔的发展空间。瞻望未来,高密度电法可以从以下几个方面取得发展和改进:

(1)二维测量的数据采集中,将可以进行直流电阻率和时间域激发极化法测量。该方法在传统的高密度电法仪中难以实现,其中难点是:传统的高密度 采集对时间的精确测量和控制。

(2)多通道、大数据量采集将会在野外数据采集中占主导地位。传统的数据采集一般采用四极或三极数据采集(无论对称四级、偶一偶极、单极一偶极方式),新型的高密度电法仪将能够同时采集多种观测装置的数据。国外GDP--32高密度电法仪器可16通道同时采集,德国DMT的RESECS高密度电法仪器可以6道同时采

集,国内已有厂家推出了能够61通道同时采集的高密度直流电法仪器。 (3)多通道和大数据量的采集将在三维高密度电法测量中有所应用。由于其测量时间和反演运算时间长等原因,三维高密度电法目前仅限于研究和实验阶段。随着仪器水平的提高,软件水平的进步,三维高密度电法将会得到广泛的应用。特别指出:地球物理方法中的地震采集取得了惊人进步,地震采集已经实现野外成千上万道数据采集,并能够对时间进行精确控制。其发展融合了最新的其他学科的发展。受采集方法和采集道控制技术以及通讯方法等启发,结合电法勘探的特点设计的新型分布式高密度电法仪器将是未来发展的主要思路。将电极转换和信号转换(A/D转换)分布在各个电极,连接电缆将主要由通讯电缆和供电电源组成,由微机(PC机)作为中央控制系统新型高密度电法仪正在研制之中,不久的将来,以上的3种方法的发展和改进设想能够取得突破,实现高密度电法采集的又一次革新,为软件开发方面的发展特别是三维立体成像(包括电阻率和激发极化法等)软件开发及其应用提供可靠的装备保证。

相对于其他地球物理方法,高密度电法发展历史仍然比较短,除了在采集方法上需要借鉴其他学科的最近发展和其他物理方法的最新发展之外,随之配套的是其正演和反演的研究及其软件开发。此外,由于勘探仪器大多在野外作业,环境恶劣,需要多次搬迁,难免风吹雨淋磕碰,在研制过程中,除了基本功能的实现以外,防震、防雨等制造工艺也需要重点考虑,这也正是一些厂商和科研机构推出的仪器性能不够稳定,难以胜任野外工作,造成了市场推广的失败的原因。 1.4、核辐射仪器

测量地质体中天然放射性元素发出的,或通过人工激发由非放射性元素发出的射线的核探测仪器。在放射性勘探中,用于放射性矿床和某些非放射性矿床的勘查,以及解决某些地学问题。 1.4.1基本原理及探测器

探测的基本原理是粒子或射线通过构成探测器的物质时,直接或经次级效应产生的电离、激发效应使其能量转换为可观测的物理量信号,用电子线路或特定的设备处理这些信号,以便测定。核法勘探仪器的种类繁多,性能、功能各异,

然而它们通常都是由探测器、信号处理、分析、显示、输出等部件构成,其中最重要的、决定仪器基本性能的是探测器,常用的有以下几类。

气体探测器 包括电离室、正比计数器、盖革-弥勒计数器(G- M计数器)等。大多是由圆柱状阴极和中央丝状阳极构成,其间为气体介质,并加有稳定电压,形成电场。带电粒子 α、β可直接使气体电离;X、γ射线通过与阴极等物质的次级效应产生的高能电子使气体电离,n与所充的三氟化硼(BF3)、氦(3He)、氢(H)等气体的核反应产生带电粒子,使气体电离。电离形成的电子和正离子在电场中漂移。在阳极上产生感应电荷,从而把射线能转换为平均电流或脉冲信号输出。

正比计数器电极间电场强度大,电子在其漂移的路径中可引起次级电离,阳极上感应的电荷量比初始电离电荷量大,形成“气体放大”现象。对确定的电场强度,其放大倍数基本为定值。输出的脉冲信号幅度与入射射线的能量成正比。 G-M计数器电极间电场强度更大,次级电离形成雪崩现象,大量正离子产生了空间电荷效应,减弱了电场强度,使阳极上的感应电荷量基本饱和,其输出脉冲信号幅度大,但与入射射线能量无关。

闪烁探测器 由闪烁体和光电倍增管构成。可做为闪烁体的已知物质有固体、液体、气体,以及有机物、无机物等多种多类,其中广为应用的是无机透明固体碘化钠(铊)〔NaI(Tl)〕闪烁体,常用于 γ射线探测器。闪烁体吸收射线后的次级效应产生的电子使闪烁体受激发射光子,光子通过光电倍增管转换为电子,并倍增约105~108倍,被阳极收集,输出脉冲信号。其幅度与被吸收的射线能量成正比,单位时间的脉冲计数与入射射线强度相关。

锗酸铋(Bi4Ge3O12)闪烁体对 γ射线的吸收能力是NaI(Tl)的2.3倍,高能响应好,可用于高能γ探测器。然而其发光温度系数较大,对野外现场能谱测量不利。硫化锌(银)〔ZnS(Ag)〕闪烁体常用于 α粒子探测器。

半导体探测器 半导体探测器与电离室相似,不同的是半导体中不是空气介质,而是其P-N结区(耗尽区)或补偿区的高电阻率固体介质。常用的有金硅面叠型、硅(锂)〔Si(Li)〕、锗(锂)〔Ge(Li)〕、高纯锗(HpGe)等,后3种对X、γ射线有极好的能量分辨率,是能谱测量的最佳探测器,但需在低温下工作,限制了其在野外现场的应用。化合物半导体碲化镉(CdTe)、碘化汞(HgI2)在高温下

也具有良好的能量分辨率,然而其晶体生长困难,尺寸大小约 2立方厘米。但随着材料科学的进展仍不失为有前景的一类探测器。

固体径迹探测器 α 粒子可使具有很低阈值的硝酸纤维绝缘片产生辐射损伤,损伤面只能在数万倍电子显微镜下观察到。通常对有辐射损伤的绝缘片进行强酸或强碱的化学蚀刻,形成直径约200纳米的蚀坑,用数十倍的光学显微镜观测蚀坑数量。这种探测观测方法常用来测量氡浓度。 1.4.2 分立元件及小规模集成电路辐射仪

我国70年代开始进行野外伽玛射线能谱测量技术及应用研究。上海电子仪器厂研制出FD-71 数字伽玛辐射仪,FD-31型的2道能谱仪。80年代,我国先后推出FD-3003,FD-840,FD-3022等多种型号的四道伽玛能谱仪,通过模拟电路或数字电路运算,给出铀、钍、锂的含量值,后期生产的仪器带有单片微机,可以将测量数据记录下来。仪器通过Cs-137或Ba-133放射性核素源进行自动硬件稳谱。1989年,贾文懿等人研究成功CD-3微机化四道地面伽玛能谱仪,它采用袖珍式计算机为核心进行数据采集和现场数据处理,而且可以逐道自动进行256道伽玛射线能谱测量和数据存储工作,能在现场直接获得伽玛射线全谱数据。

90年代初,贾文懿等人又研究成功地面放射性测量工作站,把伽玛射线能谱测量的数据处理工作引上新的台阶,使得过去需要数月甚至数年进行整理成图的资料,可以在数天的时间内完成大量的数据处理工作,得到丰富的图件等资料。随后,贾文懿等人将地面伽玛能谱仪成功地应用于地质填图、水文地质、工程地质等地球科学领域,取得了显著成绩。通过继续对地面伽玛能谱测量技术进行了深入研究,先后研制了256道微机化能谱仪、轻便能谱测井仪等。特别是将笔记本微机引入伽玛能谱仪,研制出2048道能谱测井仪,可以在现场处理数据、绘制图件等。

随着科技进步的发展,核地球物理仪器的发展趋势是:向轻便化、定位一体化、高精度(高灵敏度、高分辨率)、多参数(多功能、多通道)、大数据量随机处理,与实时显示、智能化等方向发展。数据采集卡的主要任务是提供高精度地理坐标及地球物理参数。


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