Аналитический активационный комплекс на основе портативного нейтронного генератора для анализа примесей в металлах

Вид материала

Документы

Содержание Мониторирование плотности потока нейтронов Измерение спектров -излучения Опыт внедрения и эксплуатации аппаратуры Исследование и выбор оптимальной системы питания скважинных приборов инк

Подобный материал:

• Апряжения для малогабаритного, транспортабельного генератора рентгеновских квантов, 12.72kb.
• Токи смещения в металлах, диэдектриках и в вакууме Геннадий Ивченков, 336.87kb.
• Правила приемки лрс и методы отбора проб для анализа на складах, базах и промышленных, 204.41kb.
• Аннотация дисциплины «Физика рентгеновских лучей и основы рентгеноструктурного анализа», 10.94kb.
• Ия некоторых примесей в отдельных водоемах и водотоках может превышать величину предельно-допустимых, 136.44kb.
• Под действием нейтронного облучения конструкционные материалы оболочек твэлов реакторов, 169.68kb.
• Реферат отчета по нир на тему: Развитие и сопровождение информационно-аналитического, 19.31kb.
• Програма фахового вступного випробування для навчання за освітньо-професійною програмою, 63.8kb.
• Е. а чвертко московский инженерно-физический институт (государственный университет), 18.26kb.
• Новая технология очистки воды кандидат медицинских наук В. Барабанов, 116.04kb.

Семейство импульсных генераторов нейтронов (ИНГ), разработанных и серийно выпускаемых во ВНИИА, насчитывает более 15 типов. Особенно важны для применения в производственных условиях такие их достоинства как портативность, низкое энергопотребление, широкий диапазон частоты повторения и длительности нейтронного импульса и практически полная безопасность в выключенном состоянии. Вследствие относительно малых габаритов при эксплуатации импульсных генераторов не требуется громоздкой радиационной защиты: например, такой генератор может быть размещен в скважине в полу лабораторного помещения или в полости бака, заполненного водой.

Мониторирование плотности потока нейтронов

Наибольшее распространение на практике получил относительный метод количественного анализа, состоящий в сравнении активности аналитического радионуклида в исследуемом образце и в образце с известным содержанием определяемого элемента. При этом неизвестный образец и образец сравнения облучают одновременно или раздельно во времени. Последний вариант анализа позволяет использовать более простую по конструкции одноканальную пневмопочту при условии обеспечения надежного мониторирования плотности потока быстрых нейтронов в месте облучения образца. Это требование связано с флюктуацией во времени потока быстрых нейтронов, характерной для источников ускорительного типа – нейтронных генераторов. Помимо этого, у некоторых моделей импульсных генераторов нейтронов наблюдается непостоянство положения «активного пятна» на мишени из-за угловой флюктуации пучка дейтронов. Вследствие большого градиента плотности потока нейтронов вблизи мишени, это также может приводить к заметным колебаниям наведенной в образце активности от цикла к циклу облучения.

Флюктуации потока нейтронов в процессе облучения влияют различным образом на величину наведенной активности образца и число отсчетов в канале монитора. Если в счетчике монитора количество отсчетов увеличивается в результате простого суммирования, то активность радионуклида в образце возрастает или убывает экспоненциально, приближаясь в пределе к уровню насыщения, который определяется плотностью потока нейтронов, усредненной по объему образца. Таким образом, число отсчетов в канале монитора соответствует флюенсу за все время облучения, в то время как активность интересующего радионуклида в образце определяется в большей степени действующим значением плотности потока нейтронов в конце периода облучения. Такое различие становится тем значительнее, чем больше продолжительность облучения превышает период полураспада образующегося радионуклида.

По этим причинам мониторирование потока нейтронов с помощью какого-либо из распространенных детекторов быстрых нейтронов, газонаполненного или твердотельного, не является оптимальным с точки зрения сходимости результатов анализа. Предпочтительнее применение двухканальной пневмотранспортной системы, в составе которой имеется специальная камера облучения для одновременного облучения анализируемого образца и стандартного образца определенного состава, который выполняет функцию монитора потока. Камера во время облучения обеспечивает вращение этих образцов вокруг двух взаимно перпендикулярных осей: оси пучка нейтронов и собственных осей, что позволяет усреднить эффективную плотность потока нейтронов по объемам образца и стандарта. При одновременном анализе нескольких элементов целесообразно использовать во втором канале вместо одноэлементного стандарта монитор потока нейтронов, представляющий собой смесь двух или более компонентов, содержащих определяемые элементы. Масса каждого из этих элементов должна быть достаточной для обеспечения приемлемой статистической погрешности мониторирования потока нейтронов. В этом случае измерение наведенной активности образца и монитора выполняется в течение нескольких интервалов измерения, задаваемых в соответствии с периодами полураспада аналитических радионуклидов, и при вычислении результатов анализа используется нужное число отсчетов от монитора.

Альтернативным решением проблемы мониторирования потока нейтронов является использование в спектрометрическом тракте монитора интегрирующей цепи с варьируемой постоянной времени. Задавая значение этой постоянной, равное периоду полураспада аналитического радионуклида, можно с помощью такого монитора адекватно учитывать временную нестабильность потока нейтронов генератора. Следует отметить, что этот способ мониторирования, во-первых, не позволяет отслеживать пространственные изменения геометрии облучения, произошедшие по разным причинам. Во-вторых, достаточно сложно осуществить подобным образом корректное мониторирование потока нейтронов при анализе нескольких элементов одновременно.

В силу рассмотренных выше факторов, базовый вариант проектируемой установки НАА будет включать двухканальную пневмотранспортную систему с общей камерой облучения анализируемого и стандартного образцов (или монитора потока нейтронов) и отдельными камерами измерения наведенной в них активности (см.рисунок).

Измерение спектров -излучения

Для регистрации -излучения наведенной активности предполагается предусмотреть возможность использования в установке НАА не только сцинтилляционных, но и полупроводникового детектора на основе особо чистого германия, что позволит при необходимости значительно расширить список анализируемых элементов. С этой целью обработка сигналов от детектора -квантов будет выполняться с помощью универсального спектрометрического устройства, разработанного и изготавливаемого в России 7.





Упрощенная схема установки инструментального НАА


Устройство представляет собой программно управляемый процессор импульсных сигналов от детектора, выполненный на одной плате, которая устанавливается в компьютер. На плате находятся все узлы, необходимые для получения амплитудного распределения сигналов, интерфейс связи с компьютером, где происходит накопление и обработка данных измерений, а также источники низковольтного питания предусилителя и высоковольтного питания ФЭУ или смещения полупроводникового детектора.

К спектрометрическому устройству, предназначенному для измерения -излучения наведенной активности, предъявляются особые требования. Это обусловлено высокими (до 10⁵ 1/с) скоростями счета на входе устройства в начале измерения активности образца сразу после окончания облучения, быстрым снижением скорости счета при измерении короткоживущих активностей и изменением формы аппаратурного спектра в процессе измерения при многоэлементном анализе. По этим причинам потребуется доработка спектрометра, направленная на повышение его быстродействия и уменьшение электронных потерь импульсов.

Правильность результатов количественного анализа, основанного на -спектрометрии, в значительной мере определяется величиной электронных потерь счета, которые обусловлены конечными значениями временных констант цепей обработки сигнала с детектора -квантов. В усилителе-формирователе это приводит к наложениям импульсов, в результате чего, с одной стороны, часть полезной информации выводится за пределы «области интереса» в аппаратурном спектре, а, с другой,  в этот интервал энергии попадают импульсы, не связанные с определяемым элементом. В амплитудно-цифровом преобразователе это приводит к просчету событий, приходящих на вход АЦП в течение времени кодирования сигнала. Корректная компенсация электронных потерь в условиях переменных входной скорости счета и формы аппаратурного спектра не является тривиальной задачей. Известный метод коррекции просчетов путем добавления отсчетов «быстрого» счетчика, зарегистрированных в течение периода занятости АЦП, в канал с кодом, отличным от выработанного АЦП, не всегда дает хорошие результаты при переменном составе входного -спектра [ 8 ].

По предварительным оценкам более приемлемой является коррекция просчетов путем умножения числа отсчетов в каждом канале анализатора на коэффициент, равный отношению суммы отсчетов «быстрого» счетчика и интегрального числа отсчетов во всем зарегистрированном спектре [9]. Возможная модификация такого способа состоит в том, что процедура корректировки просчетов будет производиться в течение всего периода измерения наведенной активности с частотой, определяемой скоростью изменения входной загрузки спектрометра.

Выбор типа детектора -квантов определяется особенностями конкретной аналитической задачи. Так, например, при определении содержания в металлах таких газовых микропримесей как кислород или хлор, целесообразно применять детектор с высокой эффективностью регистрации жестких -квантов, так как анализ этих элементов выполняется по радионуклидам ¹⁶N и ³⁷S, испускающим фотоны с энергией 6,13 и 3,10 МэВ, соответственно. В этом случае представляется целесообразным применение сцинтиллятора на основе кристалла NaI(Tl) большого объема с колодцем. Перспективным вариантом детектора для поточного экспресс-анализа может быть и сцинтиллятор на основе кристалла ортогерманата висмута BGO. В последнее время детекторы этого типа приблизились по энергетическому разрешению к сцинтилляторам на основе кристалла NaI(Tl) и имеют близкие к последнему временные характеристики, обладая при одинаковом объеме в два-три раза большей эффективностью регистрации высокоэнергетичных -квантов.

В результате одинаковые метрологические характеристики анализа: чувствительность и точность могут быть достигнуты при меньших значениях потока нейтронов генератора или при сокращенном времени облучения, что способствует увеличению срока службы нейтронной трубки.

При выполнении многоэлементного анализа в спектре -излучения наведенной активности обычно присутствует большое количество интерферирующих линий. Примером подобной задачи является контроль состава сплавов в металлургии. В этом случае для надежного измерения интенсивностей аналитических линий необходимо использовать ППД высокого разрешения на основе особо чистого германия.

Для измерения -излучения, наведенного в образцах сравнения – стандартных образцах или мониторах потока нейтронов,– достаточно использовать сцинтиллятор средних размеров, так как обычно не представляет проблемы довести массу интересующих элементов в этих образцах до уровней, обеспечивающих приемлемую статистику измерений.


В заключение следует отметить, что проектируемая активационная установка должна стать базовым прототипом, т.е. обеспечивать возможность относительно простой адаптации нейтронно-активационной технологии элементного анализа к специфике конкретной задачи на том или ином предприятии. Это требование предъявляется как к составу аппаратуры и структуре пневмотранспортной системы установки, так и к программному обеспечению (ПМО). В ПМО установки должны входить модули управления работой генератора нейтронов и пневмотранспортной системы, позволяющие задавать оптимальный режим анализа интересующих элементов, а также подпрограммы обработки -спектров и вычисления результата и его погрешности.

Как показывает опыт применения методов НАА, несмотря на относительно высокую стоимость аппаратуры, использование этой технологии во многих случаях становится экономически оправданным в расчете на стоимость одного элементоопределения, вследствие высокой производительности и исключения затрат на пробоподготовку.


Литература

1. Егиазаров Б.Г., Корытко Л.А., Сельдяков Ю.П. Измерительная техника в инструментальном нейтронно-активационном анализе.  М.: Атомиздат, 1972, с.26.
   
2. Вожжов В.Ф., Егиазаров Б.Г., Александров В.Д., Корытко Л.А. Опыт и перспективы использования установки активационного анализа для аналитического обеспечения селекционных исследований. Там же, с.26.
   
3. Андреев А.В. Новые возможности активационного анализа с использованием нейтронных генераторов. Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук. Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности "ГИРЕДМЕТ". Москва, 1999
   
4. James W.D. 14 MeV Fast Neutron Analysis the Year 2000.  J.Radional.Nucl.Chem.,243, 119-123 (2000).
   
5. Кирьянов Г.И. Тенденции разработки портативных генераторов нейтронов с запаянными трубками.// Тезисы докладов 3-го Всесоюзного научно-технического совещания. Вопросы разработки и применения портативных генераторов нейтронов.  Киев, ноябрь, 1988, с.1.
   
6. Боголюбов Е.П., Хасаев Т.О., Коротков С.А. Нейтронный генератор нового поколения ИНГ-17 для аппаратуры элементного анализа на основе нейтронно-радиационных методов.// Сборник материалов VII седьмого ежегодного семинара. Спектрометрический анализ. Аппаратура и обработка данных на ПЭВМ. – Обнинск: ГЦИПК, 20-24 ноября 2000, 290 с.
   
7. Дорин А.Б., Кондрашов М.В., Сельдяков Ю.П. Быстродействующее спектрометрическое устройство SBS-60 и области его применения. // Труды научно-инженерного центра «СНИИП». Ядерные измерительно-информационные технологии-99.  М.: Измерительно-информационные технологии, 1999, с.88.
   
8. Электронные методы ядерной физики. Под ред. Л.А. Маталина.  М.: Атомиздат, 1973, с.190.
   
9. Барышев Л.В., Корытко Л.А. Методы уменьшения и учета просчетов в амплитудной спектрометрии. Труды научно-инженерного центра «СНИИП». Ядерные измерительно-информационные технологии-99.  М.: Измерительно-информационные технологии, 1999, c.145.
   

УДК 550.832.5


ОПЫТ ВНЕДРЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ АППАРАТУРЫ

ИМПУЛЬСНОГО НЕЙТРОННОГО КАРОТАЖА АИНК-43


Е.П. Боголюбов, И.А. Титов, М.В. Шипунов, А.Г. Амурский, к.т.н.


В статье рассмотрен опыт внедрения аппаратурно-методического комплекса (АМК) импульсного нейтронного каротажа АИНК-43, выпускаемого во ВНИИА. Представлены порядок взаимодействия с потребителем аппаратуры в части гарантийных обязательств, внедрения и сервисного обслуживания.


Разработка аппаратурно-методического комплекса (АМК) АИНК-43 во ВНИИА завершилась в апреле 1998 г. Его краткие технические и метрологические характеристики, а так же методы их определения опубликованы в научно-техническом вестнике [1, 2, 3]. Технические условия на АИНК-43 соответствуют стандарту СТ ЕАГО-043 "Геофизическая аппаратура и оборудование. Аппаратура импульсного нейтронного каротажа. Параметры, характеристики, требования. Методы контроля и испытаний".

В период разработки проводились демонстрации и поставка опытных образцов в различные геофизические организации, российские и зарубежные, производственные и научно-исследовательские. К настоящему времени поставлено более 70 комплектов АИНК-43 в Россию и страны ближнего и дальнего Зарубежья. В Среднем Приобъе, Волжском регионе, Казахстане, Калининградской и Полтавской областях АИНК-43 используется, в основном для контроля за разработкой нефтяных месторождений, а немецкой фирмой BLM - для контроля режимов эксплуатации подземных хранилищ газов (ПХГ). В ОАО "Нижневартовскнефтегеофизика" имеется опыт использования АИНК-43 в горизонтальных скважинах. Все поставки сопровождались внедрением АМК с участием специалистов ВНИИА. В результате накоплен определенный опыт в решении проблем, возникающих при освоении новой техники.

Наиболее важной на этапе внедрения АИНК-43 была проблема обеспечения и контроля качества на уровне, гарантированном в технических условиях в пределах срока службы. Качество аппаратурно-методического комплекса, на наш взгляд, определяется его метрологическими и эксплуатационными характеристиками. Метрологические характеристики устанавливаются и проверяются на стандартных образцах горных пород в части основных погрешностей и на испытательных стендах - в части дополнительных погрешностей, вызываемых изменениями окружающей температуры, напряжения питания и механическими воздействиями. Дополнительные погрешности, вызываемые отличием литологии, диаметра скважины и минерализации пластовых и скважинных вод от стандартных образцов, определяются расчетным путем и могут быть проверены или уточнены для конкретных месторождений после проведения большого объема опытно-методических работ. Эксплуатационные характеристики определяют величину затрат геофизической организации на приобретение, внедрение и эксплуатацию аппаратурно-методического комплекса данного типа. К наиболее важным характеристикам относятся: цена комплекса, параметры его надежности и долговечности, стоимость его внедрения и ремонта, стоимость проведения работ и результатов интерпретации данного метода геофизических исследований скважин (ГИС) согласно расценке заказчиком геофизических услуг.


При поставках АМК АИНК-43 проводились работы по внедрению, включающие:

• электрическое, механическое и информационное согласование аппаратуры и программного обеспечения комплекса с аппаратурой и программным обеспечением каротажной станции;
  
• проверку метрологических характеристик комплекса в нормальных условиях;
  
• проверку воспроизводимости результатов, каротажа в скважинных условиях.
  

При проведении работ осуществлялось обучение персонала каротажной, метрологической, ремонтной и контрольно-интерпретационной служб организации-покупателя в объеме инструкции по эксплуатации и технического описания комплекса.

Для контроля стабильности метрологических характеристик при эксплуатации аппаратурно-методического комплекса использовались результаты периодических измерений в бассейне с пресной водой и данные каротажа с интервалами перекрытия.

Восстановление метрологических характеристик требуется либо в случае катастрофического отказа одного из блоков, либо в результате постепенного ухудшения характеристик работы и надежности блоков. В любом случае требуется ремонт аппаратуры. Наш опыт внедрения показывает, что наиболее целесообразно ремонт, проводимый силами ремонтной службы организации-покупателя, ограничить диагностикой и заменой отказавшего узла или блока. При этом под узлом понимается печатная плата или моточные изделия с контактными панелями, для замены которых требуются операции отпаивания и припаивания выводов к контактным точкам. Блоки нейтронной трубки, питания и управления нейтронного генератора, наземного пульта управления снабжены разъемными соединителями и для их замены не требуется пайка. Ремонт узлов или блоков производится во ВНИИА, после чего они подвергаются необходимому объему испытаний для выявления скрытых отказов. После успешного прохождения испытаний они возвращаются покупателю. Такой порядок принят для всех блоков, кроме блока нейтронной трубки, который после ремонта используется только для испытаний, а покупателю направляется новый блок: при этом на все блоки, прошедшие ремонт, сохраняются гарантийные обязательства изготовителя. Если ремонтная служба организации-покупателя проводит ремонт блоков или узлов своими силами, то гарантийные обязательства считаются недействительными, так как изготовитель не может проконтролировать качество выполненных операций. В этом случае все необходимые последующие ремонтные операции ВНИИА выполняет на договорной основе или ограничивается бесплатными консультациями для технических специалистов покупателя. Нужно заметить, что на комплект узлов и блоков АИНК-43, кроме блоков нейтронного генератора, установлена довольно низкая цена (около 7% от цены комплекса). Покупатель может приобрести этот комплект, который называется "групповой ЗИП АИНК-43", отдельно или вместе с АИНК-43, что позволит ему оперативно проводить ремонт без потери гарантийных обязательств.

Отметим, что для некоторых организаций, имеющих несколько комплектов АМК АИНК-43 и приобретающих значительное количество блоков трубок, предоставляющих ВНИИА информацию о статистике наработки ресурсных блоков, установлен увеличенный до 70 ч гарантийный ресурс работы блока трубки.

Выводы


Во ВНИИА разработан и выпускается аппаратурно-методический комплекс импульсного нейтронного каротажа АИНК-43, который может быть поставлен после полной предоплаты заказчиком в соответствии с планом выпуска и поставки, либо немедленно при наличии аппаратуры на складе.

При поставке АИНК-43 специалистами ВНИИА выполняются работы по внедрению, стоимость которых входит в цену комплекса.

Организации-покупателю АИНК-43 заранее, до начала работ по внедрению, сообщаются требования по метрологическому обеспечению при эксплуатации комплекса, которые не могут быть выполнены без участия покупателя.

Для оперативного ремонта АИНК-43 силами своей ремонтной службы с сохранением гарантийных обязательств производителя покупатель может приобрести комплект "групповой ЗИП АИНК-43".

Результатом каротажа АИНК-43 является текстовый файл в формате LAS 2.0, который поддерживается всеми геофизическими АРМ.

Специалисты ВНИИА готовы участвовать в разработке методики количественной интерпретации результатов каротажа АИНК-43.


Литература:

1. Аппаратура импульсного нейтронного каротажа АИНК-43.// Научно-технический вестник "Каротажник". - Тверь.: ГЕРС, 1997, вып.31, с.45-49.
   
2. Аппаратура импульсного нейтронного каротажа АИНК-43.// Научно-технический вестник "Каротажник". - Тверь.: ГЕРС, 1998, вып.52, с.94-99.
   
3. Амурский А.Г., Титов И.А., Боголюбов Е.П. и др. Метрологическая аттестация и сертификация аппаратуры двухзондового импульсного нейтрон-нейтронного каротажа.// Научно-технический вестник "Каротажник". - Тверь.: ГЕРС, 1997, вып.35, с.96-103.
   

УДК 539.1.074.8


ИССЛЕДОВАНИЕ И ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ СКВАЖИННЫХ ПРИБОРОВ ИНК


Д.И. Морозов, И.А. Титов, В.А. Цыганков, к.т.н., В.Н.Шеблаков


Процессы генерации нейтронов, регистрации вторичного излучения, обработки, накопления и передачи информации из скважинного прибора (СП), требуют передачи электрической энергии по грузонесущему каротажному кабелю длиной 1,5 - 6 км и более от наземного источника электропитания к СП. Оптимальные способы преобразования и рассеяния этой энергии внутри скважинного прибора рассматриваются в настоящей статье.


Скважинный прибор аппаратуры ИНК состоит из секции генератора импульсного нейтронного потока и регистрации, обеспечивающей детектирование тепловых нейтронов, обработку и прием – передачу информации между СП и наземной аппаратурой. Если энергоемкость измерительной части аппаратуры и может быть в некоторой мере снижена выбором микромощных схемных решений и элементной базы, обеспечивающих требуемые производительность и точность обработки информации, то мощность, необходимая для генерации нейтронов вакуумной трубкой, составляет порядка 25 Вт для выходного потока 10⁸ 14 - МэВных нейтронов в секунду (т.е. порядка 5* 10⁶ нейтронов на ватт), в ближайшее время вряд ли может быть существенно снижена и является основным источником потребления СП импульсного нейтронного каротажа (ИНК).

Очевидно, что эффективность передачи и преобразования электрической мощности в СП и рациональность соответствующих технических решений в значительной мере определяют такие характеристики аппаратуры ИНК как безотказность, долговечность, предельная рабочая температура и т.п.

Следует отметить, что находящиеся в эксплуатации СП ИНК, питаемые переменным напряжением повышенной частоты (400 Гц – 1 кГц) и требующие использования многожильных каротажных кабелей, можно считать морально устаревшими и не отвечающими современным требованиям заказчиков.

Возможность питания СП постоянным напряжением и двусторонней передачи информации через одножильный каротажный кабель с достаточно широко варьируемыми электрическими параметрами существенно облегчают сопряжение с оборудованием заказчика и расширяют сферу применения аппаратуры. Понятно, что при этом необходимо обеспечить одновременно передачу и мощности, и информации. Именно такой способ питания и связи скважинной аппаратуры с наземной был принят за основу при разработке во ВНИИА комплексов ИНК типа АИНК-43 и АИНК-60 (см. рисунок).

При этом осуществлялся обоснованный выбор:

• величины входного питающего напряжения;
  
• критериев оптимальности силовых преобразователей входного напряжения излучающей и регистрирующей частей аппаратуры;
  
• структурной и принципиальной схем этих преобразователей;
  
• элементной базы для их реализации;
  
• рабочих частот инверторов преобразователей;
  
• направления дальнейшего усовершенствования силовой части аппаратуры.
  

Блок регистрации Блок питания и управления Блок трубки


Структурная схема системы питания скважинного прибора ИНК


17


Ясно, что все перечисленные пункты взаимосвязаны и положительный результат достижим только при рассмотрении и реализации их в комплексе.

Омическое сопротивление реальных каротажных кабелей зависит от типа и длины и может изменяться от 20 до 200 Ом. Поэтому наземный блок электропитания вместе с каротажным кабелем по отношению к СП с потреблением в десятки ватт, не является идеальным источником напряжения. Не идеальность приводит к следующим факторам паразитного взаимовлияния кабеля и СП:

• изменению напряжения на входе СП из-за нестационарного потребления тока при изменении режимов работы СП;
  
• зависимости режима работы формирователя информационных сигналов СП от типа и длины кабеля;
  
• искажению информационных импульсов пульсациями, связанными с рабочими частотами инверторов преобразователей при импульсном характере потребляемого ими тока.
  

Очевидно, что повышение номинального значения входного напряжения на СП одновременно снижает как потребляемый ток, так и его пульсации и соответствующие потери на омическом сопротивлении кабеля. Физическим пределом при этом является пробивное напряжение, которое для реальных кабелей может составлять от 300 до 1500 В.

Фактически, максимальные рабочие напряжения определяются наличием и стоимостью элементной базы, в частности, ключевых элементов для реализации инверторов входного напряжения СП. Отметим, что максимальное рабочее напряжение непропорционально "дороже" максимального рабочего тока для коммутирующих элементов с одинаковой мощностью.

Выделяемая СП мощность создает градиент температур между его внутренним объемом и окружающей средой. Естественным резервом для снижения как выделяемой мощности, так и указанного градиента, является реализация максимально возможного КПД в преобразователях мощности СП. Однако существенной является не только величина общей рассеиваемой мощности, но и ее распределение по конкретным элементам электрической схемы, а также конструктивное исполнение тепловыделяющих элементов, поскольку затрудненный теплообмен внутри СП вызывает их локальный перегрев. Вместе с тем, перегрев различных элементов не равнозначен. Так, например, некоторые ферромагнитные материалы, в соответствии с техническими условиями, работоспособны при температурах 200 и более градусов Цельсия. Гораздо более критичны к перегреву такие элементы, как высоковольтные конденсаторы большой реактивной мощности и силовые полупроводниковые элементы. Поэтому структурные и схемные решения, направленные на минимизацию потерь мощности именно в критичных элементах, предпочтительны.

Известно [6, 7], что минимизация потерь в ключевых элементах инверторов достигается в схемных решениях, реализующих коммутацию этих элементов при нулевых токе или напряжении (мягкое переключение), причем в схемах с повышенным входным напряжением коммутация в нуле напряжения более эффективна.

При выборе и проектировании преобразователей мощности аппаратуры ИНК анализировались и исследовались следующие их типы, в которых возможна реализация мягкого переключения:

• преобразователи [1,с.5,6; 4, с.76-80; 6] на основе инверторов напряжения - последовательных резонансных инверторов;
  
• преобразователи [1,с.6-11; 4,с.81-85] на основе инверторов тока - параллельных резонансных инверторов;
  
• прямо- и обратноходовые квазирезонансные преобразователи [7];
  
• преобразователи [3, с.60-73] на основе инверторов с реактором переменного тока в первичной цепи;
  
• преобразователи [5, с.248-262] на основе мостовых квазирезонансных фазосдвигающих инверторов.
  

Основное внимание целесообразно акцентировать на узлах силовой части, выполненных нетрадиционно, с указанием достоинств, позволившим авторам отдать им предпочтение.

Скважинная аппаратура ИНК, выпускаемая ВНИИА, имеет проверенное практикой конструктивное исполнение в виде двух функциональных блоков: излучателя и регистрации, расположенных в отдельных герметичных охранных кожухах, связываемых соединительной муфтой.

Важным отличием от традиционного исполнения излучателя как единого объема, заполняемого трансформаторным маслом, является его реализация в виде соединяемых высоковольтным разъемом двух неразборных ресурсных изделий:

• блока трубки (БТ), заполненного маслом и содержащего вакуумную нейтронную трубку (НТ), включенную по биполярной схеме, высоковольтные трансформаторы и накопительные конденсаторы;
  
• блока питания и управления (БПУ), содержащего источник зарядного напряжения накопительных конденсаторов БТ, высоковольтный коммутатор этого напряжения – сильноточный коммутирующий элемент частотный (СКЭЧ), формирователь импульсов управления (ФИУ) коммутатором и служебный источник питания (СИП).
  

Такое конструктивное исполнение излучателя сделало необязательным участие в его обслуживании специалистов по высоковольтной и вакуумной технике.

Эффективность тех или иных схемных решений преобразователей напряжения зависит от номиналов входного напряжения и, в особенности, от характера нагрузки.

Основным потребителем энергии для БПУ являются накопительные конденсаторы БТ. В соответствии с принятой классификацией [2, с.42], схемы зарядных устройств емкостных накопителей энергии принято подразделять на устройства с нерегулируемым и регулируемым зарядным процессом, а также на устройства с жесткой выходной характеристикой преобразования (с токоформирующими элементами) и с дозаторами энергии.

Источник зарядного напряжения, реализованный в БПУ, может быть отнесен к классу зарядных устройств с нерегулируемым процессом заряда (поскольку в инверторе излучателя (ИИ) отсутствуют специальные технические средства, направленные на управление скоростью заряда) и емкостным дозатором энергии, роль которого выполняют конденсаторы двухтактной схемы умножения напряжения (СУН) .

Стабилизация выходного напряжения осуществляется путем выключения ИИ схемой сравнения блока стабилизации (БС) в момент достижения зарядным напряжением БТ номинального значения.

Особенностью рассматриваемого источника зарядного напряжения является выполнение ИИ, в качестве которого использован двухтактный ключевой синусоидальный генератор с параллельным включением резонансного контура (инвертора тока), работающий в режиме автогенератора. При традиционном использовании, т. е. при работе на резонансной частоте с активной нагрузкой и высокой добротностью контура, резонансные инверторы тока обладают рядом важных полезных свойств [1,с. 6-7; 4, с. 81-84]:

• от источника питания генератора потребляется постоянный, пропорциональный нагрузке ток;
  
• коммутация ключевых элементов осуществляется при нулевом напряжении;
  
• ключевые транзисторы не коммутируют реактивную мощность контура, которая (при высокой добротности) существенно превышает активную.
  

В зарядном устройстве БПУ элементом параллельного колебательного контура является повышающий резонансный трансформатор, выходная обмотка которого нагружена на СУН с накопительной емкостью БТ, эффективное значение которой ~ 0,15 мкФ на выходе.

По мере заряда накопительных конденсаторов БТ меняются углы отсечки диодов СУН, нелинейные искажения синусоидального напряжения, текущая резонансная частота и входной ток, потребляемый ИИ. Потребляемый ток и текущий период колебаний при этом меняются от максимума (при срабатывании коммутатора и нулевом напряжении накопительной емкости) до минимума (в момент достижения выходным напряжением БПУ номинального ~ 3,5 кВ значения и блокировкой инвертора). Однако режим автогенерации, несмотря на нестационарность нагрузки, дает возможность ИИ все время работать на текущей резонансной частоте. При этом полезные свойства резонансных инверторов тока, указанные выше, сохраняются.

Реализация удовлетворительных технических характеристик выбранной структурной схемы зарядного устройства потребовала использования как специальных конструктивных решений (например, симметричная намотка резонансного трансформатора), так и тщательного подбора элементной базы. Так, например, весьма высокие требования предъявляются к тангенсу угла диэлектрических потерь не только основного резонансного конденсатора колебательного контура автогенератора (что, вообще говоря, очевидно), но и к конденсаторам СУН, которые, в отличие от традиционного применения, когда пульсации на конденсаторах схемы умножения пренебрежимы по сравнению с постоянным на них напряжением, в процессе заряда накопительной емкости БТ пропускают через себя значительную реактивную мощность.

Эффективные методы улучшения технических характеристик БПУ показали рациональный выбор материала сердечника магнитопровода резонансного трансформатора и рабочей частоты инвертора. В указанном сердечнике целесообразно использовать феррит не только с малым коэффициентом удельной мощности потерь на перемагничивание в рабочем диапазоне частот, но и с отрицательным значением этого коэффициента в наиболее вероятном диапазоне рабочих температур. Реальное быстродействие даже лучших из современных высоковольтных выпрямительных диодов делает в настоящее время нецелесообразным повышение рабочей частоты инвертора БПУ более 70 кГц.

Работа регистрирующей части аппаратуры должна обеспечиваться целым рядом питающих напряжений с разными номиналами, потреблением и стабильностью. Двумя крайними вариантами являются реализация этих напряжений в одном многоканальном преобразователе входного напряжения или в виде ряда преобразователей по числу требуемых напряжений. Все питающие напряжения имеют общую точку с корпусом СП. Поэтому их гальваническая развязка от входного напряжения СП, вообще говоря, не нужна. Однако детекторы БД требуют высокого (существенно превышающего входное), а аналоговые и цифровые части регистрации и телеметрии ряда низких (существенно ниже входного) напряжений питания. Поэтому реализация преобразователей входного напряжения на основе бестрансформаторных импульсных регуляторов нерациональна из-за слишком большого соотношения времен рабочего такта и паузы при коммутации ключевых элементов. В связи с тем, что детекторы потребляют малую (пренебрежимую с общей) мощность и требуют повышенной стабильности высоковольтного напряжения питания, на первый взгляд представляется рациональным реализовать соответствующий источник питания в виде отдельного преобразователя. Но при реализации малогабаритных инверторов с высоким выходным напряжением для скважинных приборов с внутренним диаметром ~ 32 мм размеры соответствующих трансформаторов лимитируются толщиной требуемых изоляций и выводов, а не величиной трансформируемой мощности, т.е. объем магнитопровода, на перемагничивание которого тратится соответствующая мощность потерь, оказывается неоптимальным (избыточным). Получение всех требуемых напряжений на выходах одного трансформатора также оказывается неэффективным из-за трудности реализации большого числа выводов из малогабаритных катушек и обеспечения удовлетворительной магнитной связи между большим количеством обмоток.

Поэтому авторами признана целесообразной реализация БПР в регистрирующей части СП на основе одного инвертора, выполненного в виде параллельного резонансного автогенератора, сходного с используемым в БПУ и обладающего всеми перечисленными выше положительными свойствами, на выходе которого вырабатывается высокое напряжение питания детекторов и биполярное напряжение ~ 15 В для питания аналоговой части регистрации (см. рисунок). Это биполярное напряжение может быть использовано как первичное для бестрансформаторного преобразования в требуемое количество и номиналы низких напряжений непосредственно на платах блока телеметрии ТМ. Ассортимент соответствующих технических решений и микросхем для их реализации непрерывно увеличивается [5], а оптимальное воплощение маломощных низковольтных стабилизированных преобразователей без гальванической развязки в скважинной аппаратуре, видимо, не имеет особенностей.

Непосредственное отношение к СП имеет силовой элемент выходного каскада, передающего в каротажный кабель информационные импульсы последовательного двоичного кода ТМ. Этот элемент выполнен в виде последовательно соединенных рвущего ключа, дросселя и первичной обмотки формирующего трансформатора, вторичная обмотка которого зашунтирована конденсатором и резистором.

Дроссель и приведенная к первичной обмотке величина емкости конденсатора образуют колебательный контур, а резистор – затухание в этом контуре и, следовательно, форму информационных импульсов. Коммутация ключевого транзистора по аналогии с квазирезонансным преобразователем соответствующей структуры [7], осуществляется при нулевом токе.

Описанная структурная схема системы питания скважинного прибора ИНК реализована в аппаратуре АИНК-43 и АИНК-60, выпускаемой ВНИИА, и может быть при соответствующем совершенствовании взята за основу при разработке СП новых типов.