Результат интеллектуальной деятельности: Буксируемый подводный гамма-зонд

Изобретение относится к техническим средствам исследования шельфовых зон океанов и морей, в частности, разработке подводных гамма зондов, оснащенных измерительной аппаратурой, и может быть использовано для осуществления непрерывной сьемки придонных и подповерхностных вод, в том числе: для поиска и мониторинга выходов субмаринных грунтовых вод; разведки минеральных ресурсов на поверхности шельфа, в первую очередь россыпей тяжелых минералов в частных случаях как полупрямой метод поиска месторождений нефти и газа; литологического картирования поверхности донных осадков; исследования радиоактивных загрязнений.

В наземной геологоразведочной практике различные виды гамма-сьемок и гамма-опробирование основаны на измерении интенсивности гамма-поля, создаваемого горными породами и радиоактивными рудами. При этом для высокой производительности измерений используют различные виды транспорта (самолет, вертолет, автомобиль и т.д.) обеспечивающие экспрессное получение информации о содержании радиоактивных элементов в больших объемах горных пород на земной поверхности.

В тоже время данные методы не получили широкого применения в геологических изысканиях субаквальных областей рек, озер и морей, по причине больших технических сложностей, возникающих перед специалистами из-за изменения свойств среды измерения, вносящих значительный вклад в точность и эффективность проводимых измерений.

На сегодняшний день известны буксируемые конструкции гамма-зонда для исследования дна и придонного слоя воды (http://forum.rhbz.org/topic.php?forum=2&topic=326; Костоглодов В.В. «Морская гамма-спектрометрическая съемка», стр. 67-73, Москва, 1979). Такие зонды представляют собой либо герметичную капсулу-контейнер в виде цилиндра с обтекателем, в которой на амортизаторах размещается блок детектирования, например, гамма-зонд типа "Волокуша". Капсула, подсоединенная к кабель-тросу, буксируется непосредственно по дну без специальных несущих и стабилизирующих ее относительно поверхности осадков устройств. Корпус не только придает обтекаемую форму, но также предохраняет системы аппарата от внешних повреждений и предотвращает от возможных зацепов под водой, т.е. повышает безопасность подводного плавания.

Значительно лучшей проходимостью на сложных участках морского дна обладают гамма-зонды с буксируемыми устройствами в виде цилиндра или шара диаметром до 1 м, внутри которых на оси подвешивается контейнер блока детектирования. При этом контейнер, на котором навешен груз, остается ориентированным вертикально, так что сцинтилляционный кристалл постоянно обращен к поверхности грунта. Шаровидные гамма-зонды могут преодолевать препятствия, сравнимые по размерам, с диаметром шара (http://forum.rhbz.org/topic.php?forum=2&topic=326).

Известен Гамма-зонд с буксируемым устройством в виде пары салазок, соединенных между собой с помощью шарниров. Передние салазки, утяжеленные грузами, выполняют роль заглубителя и амортизатора, предохраняющего вторые салазки, несущие контейнер с блоком детектирования, от ударов, а также от отрыва со дна при рывках кабель-троса. Подобные буксируемые устройства обеспечивают очень хорошую стабилизацию блока детектирования (http://forum.rhbz.org/topic.php?forum=2&topic=326).

Большим недостатком буксируемых непосредственно по дну гамма-зондов является их низкая производительность (буксировка проводится на низких скоростях из-за опасности обрыва и скачков), недостаточной универсальности (данные зонды пригодны только для донных исследований), большого риска обрыва зонда при встрече с ненанесенными на карту «утопленниками» антропогенного происхождения (суда и их имущество, трактора, кабеля и т.д), особенно в местах активной деятельности человека, а так же сильных вибраций негативно влияющих на измерительное оборудование и быстрого износа корпуса буксируемого тела за счет трения о донный грунт. Данные обстоятельства заставляют приподнимать от дна буксируемое тело и искать пути улучшения эффективности регистрации гамма-спектра за счет новых конструкционных идей и материалов, а также применения дополнительных датчиков для получения комплексной оценки среды и как результат исключение некоторых «артефактов», связанных со спецификой гидросферы.

Наиболее близким к заявляемому, является гамма-зонд для использования в океанах, озерах, устьях и речных отложениях, описанный в п. США №5050525. Данный зонд для подводного исследования гамма-излучения, приспособлен для буксировки на буксирном тросе вдоль дна водоема. Подводный объект, содержит цилиндрический корпус с носовым водонепроницаемым конусом, снабженным соединителем для буксирного троса. Носовой конус герметично закрывает один конец корпуса, а торцевая заглушка закрывает противоположный конец конуса. В нижней половине корпуса расположен по меньшей мере, один груз из материала высокой плотности, как правило, из свинца, причем этот груз содержит полость, в котором установлена аппаратура, и отверстие. Груз поддерживает ориентацию зонда таким образом, чтобы отверстие было обращено вниз и детектор излучения обнаруживал излучение с нижней поверхности корпуса.

Однако, такая конструкция имеет ограниченные исследовательские возможности измерения гамма -излучения в водной толще, так как не способна перемещается по вертикали водной толщи в заданном диапазоне. Кроме того, данный зонд не дает полной информации о состояния и параметрах процесса буксировки и физико-химических свойств воды вокруг буксируемого тела. Между тем, специалисты Геологической службы Британии называли именно мультисенсорный принцип конструкции буксируемого устройства, будущим развитием современной подводной гамма-спектрометрии (Jones D.G., «Development and application of marine gamma-ray measurements: a review», Journal of Environmental Radioactivity, №53 Page 329, 2001).

Таким образом стоит техническая проблема расширения ассортимента буксируемых гамма-зондов в мультисенсорном исполнении с возможностью непрерывного (на ходу судна) измерения параметров гамма-излучения окружающей морской среды как по вертикальному профилю, так и по горизонтальному, придонному профилю для исследования донных отложений.

Проблема решается буксируемым подводным гамма-зондом, несущей конструкцией которого является подводный аппарат в виде герметичного корпуса сигаровидной формы, снабженного системой крепления кабель-троса на верхней части корпуса, носовой крышкой, блоком гидрологических датчиков, включающих датчик глубины, давления, температуры, солености и растворенного кислорода на нижней поверхности корпуса, а также рулевыми горизонтальными поверхностями, установленными с возможностью изменения угла атаки в носовой части корпуса, снабженной негерметичным обтекателем, и Х-образным стабилизатором расположенном в кормовой части, при этом внутри корпуса установлена с возможностью перемещения рама блока аппаратуры с жестко закрепленными на ней гамма-спектрометром, расположенном на конце рамы в кормовой части корпуса, выполненной из радиопрозрачного конструкционного полимера, компьютером, системой ориентации и навигации, модемом и преобразователем напряжения.

На Фиг. 1 схематично приведена конструкция заявляемого зонда, а на фиг.2 изображен один из возможных вариантов общего вида зонда.

Фиг. 1 - вид слева, где 1 - корпус, 2 - носовая крышка, 3 - задняя крышка, 4 - рама, 5 - система крепления кабель троса, 6 - блок крепления гидрологических датчиков, 7 - обтекатель, 8 - горизонтальные рулевые поверхности, 9 - стабилизатор, 10 - гамма-спектрометр, 11 - компьютер, 12 - модем, 13 - система ориентации и навигации 14 - преобразователь напряжения.

Предложенная конструкция гамма зонда представляет собой подводный буксируемый аппарат, управляемый в режиме реального времени с расположенного на борту сопровождающего судна пульта управления с помощью сигнала, передающегося по кабель тросу через узел ввода, расположенный на носовой крышке 2. Компьютер 11 снабжен программами управлений гамма- спектрометром 10, системами ориентации и навигации 13, сбора гидрологических данных 6, включающей датчики температуры, солености, растворенного кислорода, глубины установленных в блоке 6.

Конструкция зонда обеспечивает непрерывную гамма съемку не только общего гамма фона, но и отдельных радионуклидов Ra(U), Bi(Ra), Ac(Th), Ti(Th) и K, Cs в подповерхностных водах, а так же по поверхности донных осадков при максимально близкой к ним буксировке, при скоростях судна от 2 до 8 миль в час, а также работу в одной плоскости при волнении моря до 4 баллов (только в режиме вертикального сканирования), что делает аппарат практически всепогодным устройством и позволяет проводить измерения даже в штормовую погоду и тем самым экономить фрахт плавсредства. Использование аппарата в разных погодных условиях проверено в результате практических испытаний, проведенных в рейсе НИС «Академик Опарин» в Авачинском заливе и Чаунской губе.

Для улучшения стабильности буксировки было показано, что целесообразно точку крепления кабель - троса на системе 5 установить на оси вращения рулевых горизонтальных поверхностей 8.

Заявляемый зонд позволяет работать в разных заданных системой управления сопровождающего судна сканирующих режимах. В первом случае зондирование ведется в максимальной близости ко дну для поиска выходов субмаринных грунтовых вод, имеющих отличную соленость, температуру, содержание растворенного кислорода и высокую активность радионуклидов, относительно фоновых морских или озерных, речных вод (Povinec P., et. al., «Monitoring of submarine groundwater discharge along the Donnalucata coast in the south-eastern Sicily using underwater gamma-ray spectrometry», Continental Shelf Research, Volume 26, Issue 7, Pages 874-884, 2006), при этом мультисенсорный принцип позволяет максимально эффективно выделить сигнал именно грунтовых вод. Например, высокая гамма-активность может быть обусловлена не только выходом грунтовых вод, но и сигналом тяжелых минералов в донных осадках (Jones D.G., «Development and application of marine gamma-ray measurements: a review», Journal of Environmental Radioactivity, №53 Page 323, 2001), но использование дополнительных параметров, таких как соленость, температура и растворенный кислород полностью решает эту проблему, так как данные параметры в грунтовых водах в большинстве случаях отличаются от фоновых значений исследуемой среды (Перельман А.И., «Геохимия природных вод», Издательство «Наука», Москва, 150 с., 1982). Данный режим (придонное зондирование) и мультисенсорный принцип так же может быть эффективно использован и для литологического картирования донных осадков, так как известно, что разные литологические фракции могут иметь разную активность радионуклидов (Duval J.S., «Radioactivity method», Geophysics, Vol. 45, Page 1692, 1980). Как и в случае с поисковыми работами на предмет наличия грунтовых вод мультисенсорный принцип может исключить ошибочные наложения сигнала придонных вод на донные осадки имеющих по разным причинам (антропогенным или естественным) высокую активность радионуклидов. Высокая активность некоторых радионуклидов лежит в основе использования режима придонной гамма-спектрометрии при поиске минеральных ресурсов шельфа. Например, высокая активность Ra(U) характерна для ураноносных фосфатов Кельтского моря (Jones, D.G., Miller, J.Μ., & Roberts, P.D., «Α seabed radiometric survey of Haig Fras», Proceedings of the Geologists' Association, Vol. 99, Pages 193-203, 1988).

Во втором режиме вертикального профилирования (погружение-всплытие) возможно исследование водной толщи на предмет содержания антропогенных радионуклидов, в первую очередь ¹³⁷Cs, причем в представленном режиме, в отличие от предыдущего опыта применения подводной гамма-спектрометрии (Thornton В., et. al., «Continuous measurement of radionuclide distribution off Fukushima using a towed sea-bed gamma ray spectrometer», Deep-Sea Research I, Vol. 79, Pages 10-19, 2013), поиски цезия возможны в различных водных массах и течениях, так как аппарат сканирует всю толщу по вертикали, а дополнительные параметры солености, температуры и растворенного кислорода гарантированно определят с какой именно водной массой связанна высокая активность радионуклида. Кроме того, данный режим подходит для исследования эстуарных областей, так как речная вода сильно контрастирует с морской по температуре, солености, растворенному кислороду и содержанию взвеси. В свою очередь взвесь так же является источником естественной, а иногда и антропогенной гамма-активности и по этой причине, так же эффективно будет выделяться гамма-спектрометром в составе всего комплекса. В частности, калий склонен к сорбированною на высокодисперсных частицах взвеси (Яровая О.В. и др., «Растворенные и взвешенные вещества в водных системах», РХТУ им. Д.И. Менделеева, Москва, стр. 40, 2014 г.) и имея свою собственную высокоэнергетическую линию хорошо виден на гамма-спектре.

Система управления положением рулевых горизонтальных поверхностей 8 (крылья), выполненная, например, с использованием сервоприводов, которая также, как и разъемы для подключения гидрологических датчиков блока 6 и кабель троса расположены на носовой крышке 2, закрытой обтекателем 7 для защиты от внешних воздействий и стабилизации потока воды (Фиг. 2).

В качестве гамма - спектрометра возможно установление любого спектрометра сцинтелитивного типа, марка которого подбирается в зависимости от задачи исследования, например, Гамма-1C-NB1-04.

Аппаратура зонда, установленная на раме 4 совместно с датчиком глубины (эхолота), расположенном в блоке 6 гидрологических датчиков, позволяют отслеживать положение и пространственную ориентацию зонда в процессе буксировки, а компьютер 11 обеспечивает сбор и запись получаемых данных, а так же управляет положением аппарата по глубине: преобразователь напряжения (13) - обеспечивает питание всех датчиков и устройств, модем (12) - передачу данных в режиме реального времени на пульт управления, ориентацию и навигацию (14) обеспечивает стандартная система из гироскопа и акселерометров.

Корпус аппарата 1, а также передняя крышка 2 могут быть изготовлены из металла, например, нержавеющей стали. Обтекатели 7, 6 лопасти стабилизатора 9 и рулей 8, а также задняя радиопрозрачная крышка 3 из полиамида ПА-6, поликарбоната или ABC-пластика. Применение полимерных материалов в конструкции крышки детектора позволяет уменьшит кратность ослабления гамма-излучения более чем в 7 раз, по сравнению со сталью при одинаковых размерах толщены стенки (Грибков О.И. и др., «Сборник таблиц и справочных материалов по оценке обстановки в ЧС», Методические указания, МИИТ, Москва, стр. 16, 2005 г).

Данная конструкторская особенность имеет большую актуальность для гамма-зондов, не буксируемых непосредственно по дну, так как наличие дополнительного экрана между гамма-детектором и водой в виде стального корпуса существенно ослабляет гамма-излучение.

Регистрация показателей при движении зонда в двух сканирующих режимах, по горизонтали вдоль дна и вертикали водной толщи решается следующим образом. В обоих случаях глубина погружения аппарата регулируется рулевыми поверхностями 8, которые могут отклоняться на 45° относительно среднего положения. Стабилизатор 9 в виде четырех Х-образных плоскостей, расположенных в кормовой части корпуса, обеспечивает стабильное положение аппарата по направлению движения судна. Для реализации мультисенсорного принципа на нижней части корпуса установлен блок гидрологических датчиков, включая датчики глубины (эхолот), давления, температуры, солености и растворенного кислорода.

Датчики закрыты специальным блоком-чехлом 6 от внешних воздействий, который обеспечивает достаточное промывание сенсоров водой, чтобы избежать ошибок в измерениях, связанных с застоем воды внутри датчиков.

Управление движением пассивных аппаратов при реализации первого режима осуществляется изменением параметров движения судна (курса, скорости), а также длиной вытравленного кабель-троса. Для управления рулями 8, после того как аппарат занял необходимый средний эшелон движения в толще воды, оператором судна сопровождения в программе управления аппаратом вычислительно-управляющего модуля задается диапазон глубин, при которых рулевые поверхности 8 начинают отклонятся в зависимости от глубины погружения, получаемой с датчика давления, в результате движение зонда в толще воды начинает напоминать синусоиду, при этом, в дальнейшем нет необходимости изменения параметров движения зонда путем вытравливания кабель-троса, все перемещения регулируются изменением угла атаки рулевых поверхностей 8. Данный режим можно так же охарактеризовать как погружение-всплытие. Измерения при данном режиме производятся непрерывно и таким образом достигается эффект вертикального профилирования водной толщи. Частота измерений гидрологических параметров составляет два измерения в секунду. Гамма-спектр может набираться от нескольких секунд, до нескольких десятков минут. При данном режиме, невозможно раздельное определение U и Th в связи с нарушением их векового равновесия в морской и пресной воде с дочерними радионуклидами (Титаева Н.А., «Ядерная геохимия», Издательство Московского университета, стр. 125-127, Москва, 2000 г.), имеющими высокоэнергетические линии спектра. В то же время, возможно измерение в воде ¹³⁷Cs (0.662 МэВ) и ⁴⁰K (1.46 МэВ), имеющих собственные высокоэнергетические линии.

При реализации второго режима, после заглубления зонда в придонный горизонт водной толщи при постоянстве скорости и курса судна, оператором в программе управления аппаратом вычислительно-управляющего модуля задается удерживание постоянного расстояния от дна (например, полметра) и с помощью эхолота идет постоянный мониторинг данного параметра. По мере уменьшения или увеличения расстояния до дна, программа отправляет команду на систему управления крыльями (8), которая меняют угол атаки рулевых поверхностей и тем самым заглубляет, либо поднимает аппарат. Таким образом подводный аппарата начинает огибать рельеф дна. В результате, гамма-спектрометр проводит измерения активности радионуклидов в придонном слое и донных осадках на постоянном расстоянии от них, что исключает появление погрешностей, связанных с разным удалением гамма-детектора от измеряемого объекта. В виду гораздо более высокого содержания радионуклидов в донных осадках по сравнению с водной средой, получаемый гамма-спектр будет характерен именно для донных осадков при условии, что гамма-зонд не буксируется выше одного метра от дна. Например, активность ⁴⁰K в морской воде в среднем составляет 11-18 Бк/л (Бадрутдинов Р.С., и др., «Радиоактивность экосистем: учебное пособие», Казан. ун-т, стр. 22-23, Казань, 2017 г.), в почвах или донных отложениях 420 Бк/кг (UNSCEAR., U. Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation. Sources and Effects of Ionizing Radiation. Report to the General Assembly, Annex A & В 1, 20-141, 2000), то есть практически в 30 раз больше. В то же время, при толщине слоя воды между донными осадками и гамма-детектором в 70 сантиметров, при энергии ⁴⁰K в 1.46 МэВ, кратность ослабления гамма-излучения увеличивается до 10, на 1.2 метрах до 100 («Таблица физических величин», Под редакцией акад. Кикоива И.А., Атомиздат, стр. 965-966, Москва, 1976 г.), что делает невозможным измерения гамма-излучения изотопов с энергией <1.5 МэВ на расстоянии более 1 метра от дна.

Опытный образец заявляемого зонда был испытан в рабочем рейсе во всех режимах работы и в различных погодных условиях. Были измерены спектры гамма-излучения на протяжении более чем 500 миль по ходу судна и полностью подтвердил заложенные в него характеристики.