Ключевые публикации
Разработка и производство прецизионного оборудования требуют от коллектива ведения научной деятельности. Научные изыскания обеспечивают высочайшие характеристики производимого оборудования и помогают давать ответы на вопросы, возникающие в процессе эксплуатации.
«Наука есть ясное познание истины, просвещение разума, непорочное увеселение жизни, похвала юности, старости подпора, строительница градов, полков, крепость успеха в несчастии, в счастии украшение, везде верный и безотлучный спутник.»
В.А. Сапунов, А.Ю. Денисов, О.В. Денисова, Д.В. Савельев
Изучены некоторые основные экспериментальные и теоретические результаты, касающиеся метрологических характеристик протонных и оверхаузеровых магнитометров. В частности, обсуждается влияние режимов работы, алгоритмов обработки, конструкции датчика и тракта регистрации на абсолютные и случайные погрешности измерения геомагнитного поля. В докладе рассматриваются методы испытаний и метрологической аттестации, используемые лабораторией при изготовлении магнитометров. В частности, описаны простейшие лабораторные испытания, испытания с использованием специального лабораторного эталона на основе магнитного экрана и аттестация с использованием эталонного магнитометра в условиях эталона магнитного поля. Показана систематическая погрешность измерений, обусловленная термоЭДС, возникающей при поляризации или при наличии градиента температуры, для протонных и оверхаузеровских датчиков. Предложены методы устранения этого недостатка.
А.Ю. Денисов, В.А. Сапунов, Б. Рубинштейн
Выбор метода обработки сигнала может улучшить характеристики измерительного устройства. Мы рассматриваем погрешность измерения методов регрессионной обработки сигналов для квазигармонического сигнала, генерируемого в частотно-селективном устройстве. Результаты применяются для анализа различий между простой обработкой с помощью измерителя периода и регрессионными алгоритмами с использованием данных сигнала измерительного цикла в протонных магнитометрах с прецессией. Получены зависимости погрешности измерения от добротности сенсора и частоты ядерной прецессии. Показано, что регрессионные методы существенно расширяют полосу регистрации и смягчают требования к аппаратной части магнитометра, тем самым влияя на критерии оптимизации регистрационной системы.
В.А. Сапунов, Ж. Рассон, А.Ю. Денисов, Д.В. Савельев, С.Е. Киселев, О.В. Денисова, Ю.Г. Подмогов, С.Ю. Хомутов
Аннотация второй статьи. Описание методов, применённых в разработке магнитометров, и их сравнительный анализ с зарубежными аналогами.
А.Ю. Денисов, О.В. Денисова, В.А. Сапунов, С.Ю. Хомутов
Представлен метод оценки качества значения магнитного поля, измеренного протонными прецезионными магнитометрами, по данным единичного измерения. Данный метод применим для алгоритмов измерения частоты, обрабатывающих временные ряды пересечений нуля сигналом. Получены выражения для оценки погрешности измерения с учетом затухания сигнала и коррелированного шума. Представленные формулы позволяют оценить достоверность результата непосредственно в ходе единичного измерения и дают возможность комплексного контроля работоспособности прибора. Приведены корреляционные и релаксационные поправки. Экспериментально проверено, что стандартное отклонение измерений хорошо согласуется качественно с представленной оценкой погрешности.
А.Ю. Денисов, В.А. Сапунов, О.В. Дикусар
Рассматриваются систематическая и случайная погрешности протонных прецессионных геомагнитометров с цифровой обработкой по алгоритму периодомера, периодомера с внутрицикловой обработкой и методу наименьших квадратов. В явном виде учтены влияние затухания сигнала прецессии, корреляции шумов и основных параметров тракта регистрации. Проведено сравнение представленных методов, и сформулированы основные требования к датчику и тракту регистрации протонного магнитометра. Приведены результаты тестирования в обсерваторских условиях нового процессорного Оверхаузеровского магнитометра POS-1, подтверждающие представленные теоретические расчеты.
В.А. Сапунов, Е.Д. Нархов, А.Л. Федоров, А.В. Сергеев, А.Ю. Денисов
Технология ЯМР широко используется в протонных прецезионных магнитометрах магнитного поля Земли, предназначенных для геологической и геофизической разведки. Основным методом, используемым в этих приборах, является метод свободной прецезии Паккарда и Вариана. Значительное улучшение характеристик современных протонных магнитометров достигнуто за счёт применения динамической ядерной поляризации Оверхаузера (DNP). В данном отчёте представлены современные конструкции наземных магнитометров, включая разработанные в лаборатории QM. В качестве примеров приведены исследования метеорита Челябинск LL5 и бесконтактной магнитной дефектоскопии газопроводов. Модификации векторных магнитометров на основе DNP, измеряющих как модуль поля, так и его абсолютные компоненты, представляют собой ещё одно применение этой технологии в методах магнитометрии для геофизической разведки, магнитных обсерваторий и задач нефтегазовой отрасли, связанных с направленным бурением. Они основаны на использовании специальных подмагничивающих FC-полей при регистрации сигнала прецессии с последующим расчётом компонент поля. Другие примеры применения DNP и ЯМР в слабых магнитных полях включают каротаж нефтяных скважин и исследование кернов, где оверхаузеровские магнитометры обеспечивают стабильность спиновых эхо-сигналов в условиях нестабильного магнитного поля Земли.
А. Паршин, А. Будяк, И. Чебокчинов, В. Сапунов, А. Булнаев, В. Морозов
Одним из наиболее эффективных факторов оптимизации геологоразведочных работ является низковысотное дистанционное зондирование Земли, включающее методы геофизической разведки. В данной статье описан пример успешного применения комплексной низковысотной аэрогеофизической съёмки с использованием мультироторного БПЛА при перспективной оценке золоторудного потенциала на не изученной ранее территории (greenfield) в Западном Саяне (Россия). Участок площадью 90 кв. км характеризуется чрезвычайно сложными ландшафтными и рельефными условиями, а также противоречивыми взглядами на его геологическое строение. Съёмка с мультироторного беспилотного летательного аппарата проводилась в режиме следования рельефу и включала одновременные магнитную и гамма-радиометрическую съёмки, а также гамма-спектрометрию по методу «статического зависания» и мультиспектральную фотограмметрию. В статье изложены основные принципы применяемой методики, а также продемонстрированы преимущества технологий на базе БПЛА по сравнению с традиционными методами геофизической разведки: высокая производительность и низкая стоимость даже в тех условиях, когда наземные и авиационные работы экономически нецелесообразны или полностью невозможны. Применение низковысотной съёмки с БПЛА позволило выполнить крупномасштабное геолого-геофизическое картирование с минимальными затратами, разрешить спорные вопросы геологического строения участка и спланировать дальнейшие поисковые работы, избежав ошибочных решений, вызванных неверными априорными представлениями о геологической структуре территории.
С. Хомутов, В. Сапунов, А. Денисов, Д. Савельев, И. Бабаханов
Представлены результаты полуторагодовых измерений, выполненных оверхаузеровским векторным магнитометром POS-4. Проведена оценка точности, стабильности и надежности прибора.
Е.Д. Нархов, В.А. Сапунов, А.Ю. Денисов, Д.В. Савельев
Трубопроводный транспорт уже доказал свою эффективность как высокопроизводительный инструмент транспортировки ресурсов для функционирования современного общества. Однако агрессивная окружающая среда, модернизация существующих и строительство новых трубопроводов создают ряд проблем, требующих решения для обеспечения безопасной эксплуатации. К таким проблемам относятся картирование, сертификация систем, техническая инспекция и мониторинг. В последнее время большое внимание уделяется эффективному решению этих задач без вмешательства в работу существующих систем (бесконтактные методы), и магнитометрическая методика является одним из таких методов. Метод, представленный в данной статье, основан на интерпретации абсолютного значения магнитного поля объекта, что позволяет проводить измерения точнее по сравнению с другими подходами. В статье представлены предварительные результаты применения высокоточных абсолютных квантовых оверхаузеровских магнитометров серии POS (proton Overhauser sensor) в нефтегазовой отрасли. Полевые работы, проведенные летом 2013 года, показали, что данное оборудование обладает большим потенциалом для безопасной эксплуатации нефтегазовых трубопроводов. Эффективность геофизического оборудования для газопроводов большого диаметра (1400 мм) также была подтверждена в реальных эксплуатационных условиях.
В.А. Сапунов, А.Ю. Денисов, В.В. Савельев, С.Е. Киселёв, Нархов Е.Д., Сергеев А.В., Фёдоров А.Л., Широков А.А., М.Ю. Попков
В статье представлены результаты модернизации протонного оверхаузеровского магнитометра POS-1 для применения в беспилотной аэромагниторазведке на мультироторных платформах (коптерах). Новая модификация, обозначенная как POS-1aero, была разработана для соответствия противоречивым требованиям аэрогеофизики: высокой чувствительности и абсолютной точности при минимальных массе (порядка 400 г для датчика) и энергопотреблении (3-5 Вт). Ключевые усовершенствования включают разработку компактного датчика (Ø50×105 мм), встроенного автономного регистратора данных с энергонезависимой памятью и облегченного корпуса блока электроники. Прибор сохраняет все преимущества оверхаузеровской технологии, такие как низкое энергопотребление и отсутствие необходимости в термостабилизации. Приведены результаты метрологических испытаний, демонстрирующие чувствительность в диапазоне 0.03–0.3 нТл при циклах измерений от 3 до 1/3 секунды. Особенностью системы является параметр QMC (Quality Measurement Condition), обеспечивающий контроль достоверности каждого отдельного измерения. Сделан вывод о перспективности POS-1aero для универсального использования как в наземной вариационной съемке, так и в аэромагниторазведке на БПЛА, а также о возможности создания на его основе трехкомпонентных аэроградиентометров.
Л.А. Муравьев, В.А. Сапунов, Е.Д. Нархов, И.М. Хасанов
В статье обобщен опыт применения высокоточных отечественных оверхаузеровских магнитометров серии POS для поиска коренных и рассыпных месторождений золота и алмазов. Приборы характеризуются высокой точностью (до 0,1–0,5 нТл), градиентоустойчивостью (до 10 000–20 000 нТл/м) и уникальной функцией контроля достоверности измерений (параметр QMC). На примерах исследований на Курильских островах, в Магаданской области и республике Ангола показана эффективность комплекса, включающего пешеходный магнитометр и вариационную станцию. Детальные наземные магнитные съемки, в том числе в градиентометрическом и непрерывном режимах с GPS-привязкой, позволяют выявлять слабоконтрастные аномалии, связанные с зонами оруденения (кварциты, гидротермально измененные породы), детализировать и разбраковывать аномалии, обнаруженные аэромагнитной съемкой, а также локализовывать перспективные участки на основе комплексного анализа магнитного поля и данных электроразведки. Сделан вывод, что разработанный аппаратурно-методический комплекс является эффективным инструментом для решения современных геологоразведочных задач, связанных с поиском слабоконтрастных и труднообнаружимых объектов.
Л.А. Муравьев, О.А. Кусонский, П.Б. Бородин, В.А. Сапунов, С.Е. Киселев, В.В. Савельев
Представлены результаты использования абсолютного веркторного магнитометра POS-4, основанного на методе переключения подмагничивающего поля. Прибор разработан в лаборатории Квантовой магнитометрии УрФУ и опробован на нескольких геомагнитных обсерваториях в сети INTERMAGNET. Благодаря высокой абсолютной точности и стабильности имеется хорошая перспектива использования и внедрения таких оверхаузеровских компонентных магнитометров на долговременных пунктах наблюдения векового хода геомагнитного поля и автономных магнитных обсерваториях. Магнитометр POS-4 может быть использован в качестве опорной базовой магнитного станции для поддержки направленного бурения нефтяных и газовых скважин. Обсуждаются основные погрешности измерений и демонстрируется многолетний опыт в испытаниях на магнитной обсерватории Арти (Урал).
В.А. Сапунов, И.В. Кашин, В.А. Ушаков, А.В. Сергеев, О.В. Денисова
В данной работе представлено комплексное исследование динамической ядерной поляризации Оверхаузера в растворах нитроксильного радикала TANO при высокочастотном насыщении перехода электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) в параллельной геометрии (вектор СВЧ-поля параллелен статическому магнитному полю) в полях до 0,1 мТл. Для проведения экспериментов потребовалась специальная методика циклического поляризационного воздействия, которая подробно описана. Показано, что полученные результаты не могут быть объяснены в рамках стандартных теоретических подходов, учитывающих магнитную релаксацию электрона, обусловленную изотропным сверхтонким взаимодействием NO-группы. Предложено оригинальное описание эффекта, основанное на учете анизотропного сверхтонкого взаимодействия, модулируемого вращательной диффузией NO-фрагмента. Разработанный теоретический подход позволяет определить суммарный вклад изотропного и анизотропного взаимодействий и изучать процесс вращательной диффузии, что закладывает фундаментальную основу для нового метода исследования молекулярной диффузии с использованием спиновых меток.
А.В. Сергеев, А.Ю. Денисов, Е.Д. Нархов, А.Л. Федоров, В.А. Сапунов
В статье рассматривается влияние цилиндрических экранирующих оболочек на однородность магнитного поля, создаваемого катушечными источниками, используемыми в измерениях индукции в слабых полях. Были проведены расчеты для корректировки параметров таких источников с целью повышения однородности поля экранированной системы.
В.А. Ушаков, А.Ю. Денисов, А.В. Сергеев, Е.Д. Нархов, В.А. Сапунов
Представлено аппаратно-программное решение для исследования и управления амплитудно-временными характеристиками сигнала ядерной прецессии рабочего вещества в датчиках оверхаузеровских магнитометров POS-1. Описаны этапы разработки: техническое задание на стенд, аппаратная реализация устройства, его общая функциональная структура и программные модули. Приведены отдельные результаты испытаний, подтверждающие эффективность и точность работы созданного стенда.
Е.Д. Нархов, А.А. Широков, А.В. Сергеев, А.Л. Федоров, Д.Н. Милюков, В.А. Сапунов, А.Ю. Денисов, С.Е. Киселёв, В.В. Савельев, Л.А. Муравьёв, А.Н. Иваненко
В статье рассматриваются вопросы дистанционного определения пространственного положения заглубленных трубопроводов с помощью магнитной съемки. Данный метод является экономичным и не оказывает воздействия на окружающую среду. Для достижения требуемой точности определения положения трубопроводов предлагается использовать полноградиентную многоканальную магнитную систему, состоящую из четырех оверхаузеровских магнитометров SeaPOS, совмещенных с приемником высокоточной дифференциальной навигационной системы. Такая конфигурация системы позволяет точно определять в пространстве положение локальных магнитных аномалий, создаваемых трубопроводами, и исключает необходимость учета временной составляющей магнитного поля Земли (что особенно важно для Арктики) за счет работы с пространственными градиентами поля. Рассматриваются проблемы теории метода и методики съемки, предложены и реализованы алгоритмы обработки данных с целью решения задачи высокоточного картирования локальных магнитных аномалий, создаваемых трубопроводами, и решения обратной задачи магнитометрии путем определения положения и мощности источников этих аномалий.
В.А. Сапунов, А.Ю. Денисов, Д.В. Савельев, А.А. Соловьев, С.Ю. Хомутов, П.Б. Бородин, Е.Д. Нархов, А.В. Сергеев, А.А. Широков
Представлены результаты работ по созданию абсолютного векторного протонного магнитометра POS-4, использующего метод переключения подмагничивающих полей. Высокие метрологические характеристики прибора — абсолютная точность и долговременная стабильность — позволили применять его как в магнитных обсерваториях, так и для задач сопровождения направленного бурения нефтегазовых скважин. Рассмотрены основные источники погрешностей измерений и обобщен многолетний опыт эксплуатации и испытаний магнитометра на обсерваториях ART(пгт. Арти) и PARATUNKA(с. Паратунка).
А.В. Сергеев, Е.Д. Нархов, А.Н. Иваненко, Ю.В. Брусиловский, Д.Н. Милюков, А.Ю. Денисов, В.А. Сапунов
Мы протестировали систему полноградиентного магнитометра с двумя ортогонально ориентированными оверхаузеровскими датчиками и GPS-приемником на мелководье. Наши исследования показывают, что это перспективный прототип магнитометрического измерительного комплекса, предназначенного для высокоточного 3D-обнаружения и изучения подводных искусственных объектов. С помощью такой системы и существующего набора методик и программного обеспечения мы можем надежно картировать и идентифицировать аномалии, создаваемые такими объектами, решая задачу определения их местоположения с точностью в пределах долей метра.
Е.Д. Нархов, Л.А. Муравьев, А.В. Сергеев, А.Л. Федоров, А.Ю. Денисов, А.А. Широков, В.А. Сапунов
Повышение чувствительности и разрешающей способности геофизических приборов значительно увеличивает эффективность неразрушающих методов исследования для стандартных геологических задач и позволяет проводить новые эксперименты. Мы предлагаем использовать современные высокочувствительные скалярные магнитометры для идентификации и изучения геологических и искусственных низкоконтрастных объектов в магнитном поле. В статье представлены результаты применения современного ядерно-прецессионного магнитометра POS на основе процессорного оверхаузеровского датчика. Прибор разработан и производится Лабораторией Квантовой магнитометрии Уральского федерального университета (г. Екатеринбург, Россия). Проведенные в лаборатории и обсерваториях эксперименты позволили определить абсолютную точность прибора в 0,5 нТл и чувствительность 0,02 нТл, а также подтвердить его работоспособность в условиях больших градиентов магнитного поля. Такая чувствительность достаточна для обнаружения изменений магнитного поля, вызванных, например, тектономагнитными, сейсмомагнитными, пьезомагнитными эффектами и электрокинетическими явлениями в геологической среде. Мы провели полевые эксперименты по сравнению метрологических характеристик магнитометров POS с аналогичными приборами компаний Scintrex и Geometrics. Результаты подтверждают высокую стабильность измерений при долгосрочных наблюдениях за изменением магнитного поля, обусловленным геодинамическими процессами. Мы испытывали приборы POS в различных геофизических приложениях, включая поиски и разведку полезных ископаемых (россыпное и рудное золото, углеводороды, кимберлиты); выявление ферромагнитных объектов в покровных отложениях; картирование археологических памятников. Наш последний опыт пополняет этот список магнитной съемкой для инспекции трубопроводов. Кроме того, обсуждается применение нового абсолютного трехкомпонентного магнитометра POS-4, основанного на методе коммутации подмагничивающего поля. Прибор прошел испытания на нескольких геомагнитных обсерваториях сети INTERMAGNET. Благодаря высокой абсолютной точности и стабильности, существует хорошая перспектива внедрения этих магнитометров на пунктах наблюдений за вековым ходом геомагнитного поля и в автономных магнитных обсерваториях.