Давыдов А.В.

История аппаратурных разработок кафедры ядерной геофизики СГИ

Геофизика стоит на трех китах: Теории, Аппаратуре и Методике.
Александр Кириллович Овчинников (ВИРГ).

Не уверен, что известный ленинградский ученый-геофизик Александр Кириллович Овчинников является автором этой фразы. Но в частных беседах он не раз подчеркивал это триединство базовых основ геофизики, и что развитие этих трех направлений должно идти согласованно, в рамках комплексных программ. Тогда они взаимно стимулируют друг друга. Резюме: геофизики не должны упускать разработку геофизической аппаратуры из своих рук. К этому можно добавить только одно – и изготовление аппаратуры тоже. Для всех других приборостроительных отраслей, особенно в условиях советского хозяйства при жестком нормировании ценообразования по трудозатратам, геофизическая аппаратура интереса не представляла. При достаточно сложном технологическом оснащении производства она была мелкосерийной и малоприбыльной для изготовителя. Последнее понятно – основной экономический эффект от новой геофизической аппаратуры реализуется в эксплуатации за счет повышения информативности, производительности и расширения методических возможностей, а в конечном итоге определяется повышением эффективности поисков и разведки месторождений полезных ископаемых. Нормативы ценообразования, оторванные от основного экономического эффекта, не стимулировали у изготовителей интереса ни к производству геофизической аппаратуры, ни к ее совершенствованию. Это привело к постепенному старению номенклатуры выпускаемой аппаратуры (время разработок 20-30 летней давности), отставанию геофизического приборостроения от мирового технического уровня и сокращению числа заводов – изготовителей аппаратуры, не подчиненных непосредственно Министерству Геологии или его НИИ. Естественно, что в новых экономических условиях (после 90-х годов) рынок отечественной геофизической аппаратуры немедленно рухнул (за исключением редких позиций), не выдержав конкуренции с зарубежными изготовителями.

Следует заметить, что процесс деградации геофизического приборостроения начался много раньше, в конце 50-х годов, после организации территориальных Совнархозов. До Совнархозов Министерство Геологии СССР имело в своем распоряжении несколько заводов геофизического приборостроения, которые перешли в подчинение Совнархозов (за исключением заводов в составе НИИ Мингео). И если малосерийная и низкоприбыльная геофизическая аппаратура не представляла собой особого интереса для Совнархозов, то техническая и инструментальная база заводов оказалась вполне пригодной для развития радиоприборостроения, бум которого с переходом на полупроводниковую электронику пришелся как раз на этот же период. В результате, после ликвидации Совнархозов в 60-х годах, большинство этих заводов были переданы в министерства приборостроения, промышленности средств связи, радиопромышленности и пр. Подразумевалось, что эти министерства будут выполнять заказы Мингео на серийный выпуск геофизических приборов, а равно и заказы на разработку новой геофизической аппаратуры. Тем самым Аппаратура была вырвана из триединства геофизики. Но развивать геофизическое приборостроение без профессиональных знаний Теории и Методики геофизики, а равно и специфических условий ее эксплуатации, практически невозможно, и тем более невозможно в рамках нескольких заводов разных министерств. Можно только воспроизводить наиболее удачные разработки профессионалов – геофизиков, если бы была заинтересованность в их серийном выпуске.

По-видимому, к концу 70-х годов ситуация для Мингео стала достаточно ясной. Кроме увеличения внимания к разработкам геофизической аппаратуры в своих ведомственных НИИ, в главных управлениях Мингео (союзных производственных объединениях) началась организация приборостроительных подразделений, специализирующихся на разработке и выпуске определенных видов геофизических приборов. Именно на этот период приходится и достаточно активная работа кафедры ядерной геофизики геофизического факультета Свердловского горного института в области новых методов ядерно-физических измерений и ядерно-геофизического приборостроения. Основное направление работ – методическое и аппаратурное обеспечение каротажа скважин малого диаметра (до 36 мм) при поисках и разведке рудных месторождений.

В 70-х годах Давыдовым А.В. и Давыдовым Ю.Б. был выполнен анализ особенностей радиометрических и ядерно-физических методов каротажа скважин малого диаметра сцинтилляционными детекторами, и разработана теория переноса и регистрации многократно рассеянного естественного и индуцированного гамма-излучения, которое, в основном, и регистрируется детекторами малого объема. Для учета спектральной эффективности регистрации детекторов предложены методы сопряженных двухпороговых измерений эффективных массовых коэффициентов переноса гамма-излучения в условиях скважин. Предложены принципы приборов ГГК с автоматическим исключением естественного гамма-фона горных пород и одновременной гамма-кавернометрии и плотнометрии скважин.

Для повышения чувствительности, точности и производительности радиометрических и ядерно-физических измерений в скважинах малого диаметра Давыдовым А.В. были разработаны способы нормированного суммирования информации в параллельных статистически распределенных потоках сигналов от детекторов излучения. Методы наиболее эффективны при малых скоростях счета сигналов, и позволяют повысить скорость каротажа при сохранении нормативных требований по точности измерений. Разработаны также способы стабилизации энергетической шкалы преобразования радиометрической аппаратуры по дифференциальному распределению многократно рассеянных гамма-квантов. На способы измерений и устройства их реализации было получено 14 авторских свидетельств. Материалы исследований и разработок опубликованы более чем в 30 работах, и легли в основу кандидатской диссертации Давыдова А.В. "Повышение эффективности радиометрических методов исследования скважин малого диаметра" (1980).

К концу 70-х годов производство аппаратуры для поисков и разведки радиоактивных руд было налажено в ПГО "Березовгеология" (г. Новосибирск). По инициативе начальника геофизического отдела ВГО "Союзгеологоразведка" Хромова Ю.В. и главного геофизика ПГО "Березовгеология" Серых А.С. кафедра ядерной геофизики была привлечена к исследованиям и разработке новой аппаратуры, и в 1980-1985 годах выполнила достаточно фундаментальную научно-исследовательскую работу "Исследование перспективных направлений повышения эффективности и производительности радиометрических и ядерно-геофизических методов каротажа при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых", а в 1986 году – "Исследование возможностей радиометрической аппаратуры с системой стабилизации энергетической шкалы по средней энергии спектра". Исследования были многоплановыми, и выполнялись под общим научным руководством Давыдова А.В. Конкретными направлениями руководили: Давыдов А.В. – теория измерений и принципы технической реализации аппаратуры, Шампаров А.Г. – схемотехника и метрология аппаратуры, Коргуль Г.Г. – методика измерений и обработки данных. Отметим основные результаты исследований.

Метрология измерений естественного гамма-излучения при гамма-опробовании в скважинах сформировалась в 50-х годах на аппаратуре с газоразрядными детекторами с эффективностью регистрации первичных квантов до (1-2)% и многократно рассеянных квантов с энергией ниже 200 кэВ не более 0.5%. При переходе на сцинтилляционные детекторы эффективность регистрации первичных квантов повышена до (10-20)%, а многократно рассеянных квантов – до (70-90)% (в зависимости от размеров детекторов и толщины оболочки скважинных приборов). Но плотность потока многократно рассеянного излучения зависит не только от плотности потока первичных квантов, но и от эффективного атомного номера среды, а потому при гамма-опробовании детектор закрывался от низкоэнергетического излучения свинцовым фильтром с понижением общей интегральной эффективности регистрации квантов в 2-4 и более раз. Были предложены два новых решения.

Первое: стабилизация энергетической шкалы преобразования детектора по аппаратурному спектру излучения и раздельная регистрация низко- и высокоэнергетических квантов, что дает возможность автоматической коррекции результатов измерений за изменение формы спектра относительно моделей руд, а также возможность определения эффективного атомного номера среды, как дополнительного информационного параметра. Испытания показали возможность стабилизации энергетической шкалы преобразования детектора с точностью до 3% и пересчетного коэффициента аппаратуры с точностью до (1-2)%.

Второе: стабилизация непосредственно пересчетного коэффициента гамма-опробования путем стабилизации дозовой чувствительности детектора по средней энергии выходных импульсов детекторов выше порога энергетической селекции, при этом осуществляется автоматическая адаптация как к форме аппаратурного спектра излучения (для детекторов разных размеров), так и к изменению формы спектра в природных средах относительно моделей руд. Данный принцип реализован при разработке скважинного прибора "Поток" и проверен на полевых испытаниях. Результаты испытаний аналогичны первому методу.

И первый, и второй метод позволяют повысить интегральную чувствительность детекторов по скорости счета квантов в 2-4 раза с соответствующим увеличением нормативной скорости каротажа или снижением статистической погрешности измерений.

Оба метода реализуются при линейной энергетической шкале преобразования детекторов. На практике линейный энергетический диапазон преобразования может быть ограничен интервалом до 600-800 кэВ, с заменой сигналов выше этого уровня определенным постоянным значением, при этом дополнительно происходит стабилизация значений урановых эквивалентов тория и калия, средние значения энергии излучения которых отличаются от спектра урана именно в данном интервале.

Вопросы теории переноса и регистрации гамма-излучения при переходе на низкоэнергетические пороги селекции квантов потребовали уточнения. При существенном влиянии на результаты измерений целого ряда переменных параметров (среды, скважины, конструкции скважинного прибора, технических параметров сцинтилляционного детектора, уровня энергетической селекции квантов, скорости каротажа) решение прямой задачи ГК выполнено в виде уравнения последовательной свертки (конволюции) с условными функциями отклика на переменные параметры при регистрации излучения бесконечно тонкого пласта. При этом принято, что регистрируемые детектором кванты многократного рассеяния имеют малую длину пробега и плотность их потока формируется в непосредственных окрестностях детектора, что позволяет перенести влияние энергетического порога регистрации квантов и эффективного атомного номера среды в непосредственных окрестностях детектора (включая буровой раствор и конструкцию скважинного прибора) на значение пересчетного коэффициента и освободить от этой зависимости эффективное значение длины переноса высокоэнергетических квантов (более 300 кэВ), которая в этом случае определяется только плотностью и атомным номером горных пород между излучающим пластом и сечением через центр детектора. Тем самым однозначно определяется функция отклика бесконечно тонкого пласта. Функция отклика скважины определена путем обработки и аппроксимации данных по зависимости результатов измерений от диаметра скважин, опубликованным в литературе и принятым в качестве поправок в методических инструкциях по каротажу. Аналогично, аппроксимацией известных теоретических, справочных и экспериментальных данных, определены зависимости пересчетного коэффициента и дозовой чувствительности детектора от энергетического порога регистрации квантов, объема и сечения детектора и толщины кожухов (включая стальной кожух прибора). Расчет функций отклика на длину детектора и скорость каротажа в теории известны.

Решение прямой задачи гамма-каротажа методом конволюции позволяет применять для решения обратной задачи (интерпретации результатов измерений) методы деконволюции, в том числе применять приведение результатов разнотипных измерений к единым условиям (как, например, снимать влияние каверн или приводить измерения к нулевому диаметру скважины и т.п.).

Статистическая группировка потоков информации (СГПИ). При регистрации излучения целевая или полезная информация /ПИ/ может присутствовать в нескольких энергетических интервалах спектра, т.е. потоки квантов в этих интервалах, в принципе, являются коррелированными, но с коэффициентом корреляции меньше 1. Рабочими (основными) обычно считаются интервалы с минимальным влиянием дестабилизирующих факторов (помех). СГПИ решает задачу извлечения ПИ из дополнительных интервалов и ее суммирование в реальном масштабе времени с ПИ основного интервала, что позволяет снизить статистическую погрешность измерений и/или повысить их производительность. Разработанная теория СГПИ позволяет оценить получаемый эффект в различных условиях измерений, причем эффект СГПИ максимален именно в тех случаях, когда особенно остро ощущается недостаток информации: при малых значениях потоков излучения и при повышенной скорости измерений.

Техническая реализация СГПИ выполнена в нескольких вариантах под различные условия измерений и для различных целевых назначений. В частности, для радиометров гамма-опробования она реализована в двухдетекторном скважинном приборе "ОБЬ-САС" со стабилизацией пересчетного коэффициента открытого (без свинцовых экранов) детектора большого объема (применяемого обычно при литологическом расчленении горных пород) по основному потоку детектора в свинцовом экране, что позволило резко повысить эффективность регистрации излучения. По существу, детектор литологического расчленения горных пород был переведен в режим количественных измерений содержания радиоактивных элементов в горных породах при кларковых содержаниях последних.

Были разработаны также теория и принципы технической реализации СГПИ в многоканальных потоках, и, в частности, при многоканальных спектрометрических измерениях с автоматическим решением систем спектральных уравнений в реальном масштабе времени для определения урана, тория и калия.

Измерения эффективного атомного номера среды. Информационным интервалом гамма-спектра при измерениях эффективного атомного номера среды является область низких энергий (менее 200 кэВ). Для измерения атомного номера разработаны: метод спектральной селекции на концентрацию рассеивающих гамма-излучение элементов среды, модификация метода спектральных отношений с применением СГПИ, метод средней энергии рассеянного гамма-излучения и модифицированные методы средней энергии с использованием СГПИ и априорных данных по вещественному составу среды. Проведена аппаратурная реализация методов и полевые испытания их эффективности.

Технико-экономическая и методическая эффективность всех новых способов измерений и устройств их реализации исследовалась на опытных образцах каротажных радиометров для скважин малого диаметра, при исследовании которых наиболее остро стоят как метрологические вопросы уменьшения основной погрешности измерений, стабилизации пересчетных коэффициентов, учета плотности и эффективного атомного номера горных пород, так и вопросы повышения производительности измерений и скорости каротажа, особенно при количественном гамма-опробовании рудных интервалов.

В основу модификаций радиометров при их разработке был положен двухдетекторный вариант (детектор большого объема и детектор в свинцовом экране) с тремя каналами передачи информации от скважинных приборов, что позволило реализовать регистрацию информации от детекторов с раздельной регистрацией низко- и высокоэнергетической части спектров открытого детектора. Передача сигналов от детекторов по каротажному кабелю (до 2 км) выполнялась в реальном масштабе времени с применением разравнивания статистики следования импульсов, что позволило повысить общую скорость следования сигналов по кабелю до 100 т. имп/с без взаимного влияния каналов. Процессор СГПИ и основные системы автоматики измерений и формирования выходных данных (в реальном масштабе времени) располагались в наземном приборе радиометра. Выходная информация регистрировалась в аналоговой и в цифровой форме.

Полевые испытания аппаратуры показали, что применение СГПИ дает возможность повышения точности количественных измерений мощности экспозиционной дозы естественного гамма-излучения руд и горных пород в 1.5-2 раза или увеличения скорости гамма-опробования в 3-4 раза. Временная нестабильность аппаратуры не превышала 1% по 10-ти часовым циклам, и не более 2% по (10-15)-дневным циклам. Нестабильность пересчетного коэффициента гамма-опробования не превышала 2% при влиянии любых дестабилизирующих факторов, в том числе при изменении атомного номера руд и горных пород от 13 до 18 единиц. Точность определения эффективного атомного номера горных пород и руд составила 0.2-0.3 единицы Z при среднеквадратическом расхождении с данными по геологическому опробованию не более 5%.

Исследования по данной программе показали также, что метод СГПИ и практически все способы измерений и стабилизации каротажной радиометрической аппаратуры, а равно и устройства их реализации, могут быть эффективно использованы и в других методах ядерной геофизики. По результатам данных работ было получено более 30 авторских свидетельств, опубликовано более 50 статей и сообщений в научных изданиях, и защищено 2 кандидатских (Коргуль Г.Г. и Шампаров А.Г.) и одна докторская (Давыдов А.В.) диссертации.

К концу 80-х годов целевое финансирование аппаратурных разработок было прекращено. Исследования и аппаратурные разработки на кафедре ядерной геофизики в дальнейшем проводились в инициативном порядке и по разовым заказам производственных организаций. Среди них можно отметить разработку способов и устройств радиальной и торцевой направленности регистрации излучения в условиях скважин и шпуров, способов и устройств автоматического контроля качества минерального сырья в больших емкостях и на конвейерных лентах (Возжеников Г.С., Белышев Ю.В., Возжеников С.Г.)., а также разработку способа регуляризации полезной информации (СРПИ), которым метод СГПИ реализуется в программном варианте и может применяться для повышения точности зарегистрированных данных любых геофизических методов (Давыдов А.В.).

В 1995 году кафедра ядерной геофизики распалась и все разработки в области аппаратуры и приборостроения были прекращены. Результаты исследований осели на полках.

Давыдов А.В.
1995.

Ниже приводится ряд полученных нами авторских свидетельств СССР. Практически все они были отнесены к разделу ДСП и в БИ не публиковались. Заложенные в них идеи могут представлять определенный интерес для специалистов и в настоящее время.

Название

№ А.С. СССР

1

Двухканальный скважинный прибор с разравнивателем импульсов.

№ 490364, 1975.

2

Скважинное устройство гамма-гамма-каротажа.

№ 496523, 1975.

3

Схема регистрации данных гамма-гамма-каротажа.

№ 519027, 1976.

4

Способ гамма-гамма-каротажа.

№ 671530, 1979.

5

Способ определения длины диффузии квантов в горных породах.

№ 616867, 1978.

6

Способ определения массового эффективного коэффициента ослабления гамма-излучения горных пород в условиях скважин.

№ 496852, 1975.

7

Устройство радиометрического каротажа скважин.

№ 695284, 1979.

8

Способ радиометрических измерений при каротаже скважин и устройство для его осуществления.

№ 708810, 1979.

9

Способ радиометрических измерений при каротаже скважин и устройство для его осуществления.

№ 1034503, 1983.

10

Способ измерения гамма-излучения в условиях скважин и устройство для его осуществления.

№ 1240221, 1986.

11

Многоканальный скважинный прибор радиоактивного каротажа.

№ 1487673, 1989.

12

Способ многоканального радиоактивного каротажа и устройство для его осуществления.

№ 1556373, 1989.

13

Способ многоканального радиоактивного каротажа и устройство для его осуществления.

№ 1563430, 1990.

14

Способ радиоактивного каротажа и устройство для его осуществления.

№ 1805431, 1993.

15

Переносной каротажный радиометр.

№ 555815, 1976.

16

Устройство радиометрических измерений плотности потока ионизирующего излучения.

№ 671531, 1979.

17

Устройство умножения интенсивности статистически распределенного потока импульсов.

№ 717680, 1980.

18

Устройство для измерения интенсивности импульсных потоков.

№ 1050378, 1983.

19

Способ определения содержания радиоактивных элементов в горных породах и устройство для его осуществления.

№ 1050388, 1983.

20

Устройство для измерения плотности потока ионизирующего излучения.

№ 1058446, 1983.

21

Способ коррекции регистрируемой плотности потока излучения при гамма-каротаже и опробовании руд и устройство для его осуществления.

№ 1167969, 1985.

22

Способ скважинного опробования радиоактивных руд.

№ 1223748, 1985.

23

Способ раздельного определения содержания радиоактивных элементов в горных породах и устройство для его реализации.

№ 1236668, 1986.

24

Способ нормированного суммирования коррелированной информации и устройство для его осуществления.

№ 1289223, 1986.

25

Способ нормированного суммирования коррелированной информации и устройство для его осуществления.

№ 1403814, 1988.

26

Способ определения содержания радиоактивных элементов в горных породах и устройство для его осуществления.         

№ 1301153, 1986.

27

Способ измерения интенсивности статистически распределенного потока сигналов и устройство для его осуществления.

№ 1468221, 1988.

28

Способ определения содержания радиоактивных элементов в горных породах.

№ 1514116, 1989.

29

Способ радиометрических измерений и устройство для его осуществления.

№ 1598693, 1990.

30

Радиометрический способ определения контрастности руд по образцам керна.

№ 1777461, 1992.

31

Способ направленного детектирования излучения пород.

№ 1227019, 1985.

32

Способ направленного детектирования гамма-излучения горных пород.

№ 1122126, 1984.

33

Способ направленных радиометрических измерений и устройство для его реализации.

№ 1223747, 1985.

34

Способ гамма-опробования горных пород радиометрами направленного приема.

№ 1820740, 1992.

35

Способ определения эффективного атомного номера горных пород и устройство для его осуществления.

№ 1570523, 1990.

36

Способ стабилизации энергетической шкалы гамма-каротажного спектрометра и устройство для его реализации.

№ 764494, 1980.

37

Способ стабилизации коэффициента усиления ФЭУ сцинтилляционного счетчика ионизирующего излучения и устройство его осуществления.

№ 993733, 1983.

38

Способ стабилизации энергетической шкалы каротажной радиометрической аппаратуры и устройство для его осуществления.

№ 1106284, 1984.

39

Способ стабилизации коэффициента энергетического преобразования измерительного тракта радиометрической аппаратуры и устройство для его осуществления.

№ 1327687, 1987.


Поиск по сайту

Это фрейм страницы "Радиометрия и ядерная геофизика".
Для просмотра всей страницы, нажмите здесь!
Об ошибках, предложениях и мертвых ссылках: davpro@yandex.ru
Copyright © 2005-2010 Davydov