RU2760711C1

RU2760711C1 - Towed underwater gamma probe

Info

Publication number: RU2760711C1
Application number: RU2021110724A
Authority: RU
Inventors: Александр Николаевич Чаркин; Тимофей Александрович Гуленко; Елена Игоревна Ярощук; Марат Аскарович Дуйсекулов; Сергей Юрьевич Алышев
Priority date: 2021-04-15
Filing date: 2021-04-15
Publication date: 2021-11-29

Abstract

FIELD: oceans and seas studying means.

SUBSTANCE: invention relates to technical means for studying the shelf zones of the oceans and seas, in particular the development of underwater gamma probes equipped with measuring equipment. The probe is made in the form of a sealed cigar-shaped underwater vehicle equipped with steering horizontal surfaces, a stabilizer and a cable-cable fastening system mounted on the axis of rotation of the steering surfaces. A frame with a block of equipment is installed inside the hull, at the end of which a gamma spectrometer is located in the aft part of the hull, made of radio-transparent. The probe is equipped with an orientation and navigation system and contains a set of hydrological sensors.

EFFECT: possibility of continuous measurement of parameters of gamma radiation of the surrounding marine environment both along the vertical profile and along the horizontal, near-bottom profile for the study of bottom sediments.

1 cl, 2 dwg

Description

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.The invention relates to technical means for studying the shelf zones of the oceans and seas, in particular, the development of underwater gamma probes equipped with measuring equipment, and can be used for continuous recording of bottom and subsurface waters, including: for searching and monitoring outlets of submarine groundwater; prospecting for mineral resources on the shelf surface, primarily placers of heavy minerals in particular cases as a semi-direct method for prospecting oil and gas deposits; lithological mapping of the surface of bottom sediments; research of radioactive contamination.

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.In land exploration practice, various types of gamma surveys and gamma sampling are based on measuring the intensity of the gamma field generated by rocks and radioactive ores. At the same time, for high performance measurements, various types of transport (airplane, helicopter, automobile, etc.) are used, which provide express receipt of information about the content of radioactive elements in large volumes of rocks on the earth's surface.

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.At the same time, these methods have not been widely used in geological surveys of subaqueous areas of rivers, lakes and seas, due to the great technical difficulties that arise in front of specialists due to changes in the properties of the measurement medium, which significantly contribute to the accuracy and efficiency of measurements.

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.To date, towed structures of a gamma probe for studying the bottom and bottom layer of water are known (http://forum.rhbz.org/topic.php?forum=2&topic=326; Kostoglodov V.V. "Marine gamma spectrometric survey", p. 67-73, Moscow, 1979). Such probes are either a sealed container-container in the form of a cylinder with a fairing, in which a detecting unit is placed on shock absorbers, for example, a Volokusha-type gamma probe. The capsule, connected to the cable-rope, is towed directly along the bottom without special devices that support and stabilize it relative to the surface of the precipitation. The body not only gives a streamlined shape, but also protects the apparatus systems from external damage and prevents possible snagging under water, i.e. increases the safety of scuba diving.

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).Gamma probes with towed devices in the form of a cylinder or a sphere with a diameter of up to 1 m, inside which the container of the detecting unit is suspended on the axis, have much better passability on difficult areas of the seabed. In this case, the container on which the load is suspended remains oriented vertically, so that the scintillation crystal is constantly facing the ground surface. Ball gamma probes can overcome obstacles comparable in size to the diameter of the ball (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).Known gamma probe with a towed device in the form of a pair of sleds, interconnected by hinges. The front skids, weighted with weights, act as a deepener and shock absorber, protecting the second skids carrying the container with the detection unit from impacts, as well as from being pulled off the bottom when the cable rope jerks. Such towed devices provide very good stabilization of the detecting unit (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.A big drawback of gamma probes towed directly along the bottom is their low productivity (towing is carried out at low speeds due to the danger of breakage and jumps), lack of versatility (these probes are suitable only for bottom surveys), a high risk of the probe breaking when encountering unmapped “Drowned” of anthropogenic origin (ships and their property, tractors, cables, etc.), especially in places of active human activity, as well as strong vibrations negatively affecting the measuring equipment and rapid wear of the body of the towed body due to friction against the bottom soil. These circumstances force us to raise the towed body from the bottom and look for ways to improve the efficiency of registration of the gamma spectrum due to new design ideas and materials, as well as the use of additional sensors to obtain a comprehensive assessment of the environment and, as a result, the elimination of some "artifacts" associated with the specifics of the hydrosphere.

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.Closest to the claimed, is a gamma probe for use in oceans, lakes, estuaries and river sediments, described in US No. 5050525. This probe for underwater research of gamma radiation is adapted for towing along the bottom of the reservoir on a tow line. The underwater object contains a cylindrical body with a nasal watertight cone equipped with a connector for a towing cable. The nose cone seals one end of the body and the end cap closes the opposite end of the cone. In the lower half of the housing is located at least one weight of high density material, usually lead, and this weight contains a cavity in which the apparatus is installed and an opening. The weight maintains the orientation of the probe so that the hole is facing downward and the radiation detector detects radiation from the lower surface of the housing.

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).However, such a design has limited research capabilities for measuring gamma radiation in the water column, since it is not capable of moving along the vertical water column in a given range. In addition, this probe does not provide complete information about the state and parameters of the towing process and the physicochemical properties of the water around the towed body. Meanwhile, experts from the British Geological Survey called the multisensor principle of the towed device design the future development of modern underwater gamma-ray spectrometry (Jones DG, "Development and application of marine gamma-ray measurements: a review", Journal of Environmental Radioactivity, No. 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.Thus, there is a technical problem of expanding the range of towed gamma probes in a multisensor design with the possibility of continuous (while the vessel is moving) measuring the parameters of gamma radiation of the surrounding marine environment both along the vertical profile and along the horizontal, bottom profile for studying bottom sediments.

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.The problem is solved by a towed underwater gamma probe, the supporting structure of which is an underwater vehicle in the form of a sealed cigar-shaped body, equipped with a cable-rope fastening system on the upper part of the body, a nose cover, a block of hydrological sensors, including a sensor for depth, pressure, temperature, salinity and dissolved oxygen on the lower surface of the hull, as well as steering horizontal surfaces installed with the ability to change the angle of attack in the bow of the hull, equipped with a leaky fairing, and an X-shaped stabilizer located in the aft, while inside the hull the frame of the equipment unit is mounted with the ability to move with a rigid fixed on it with a gamma spectrometer, located at the end of the frame in the aft part of the hull, made of a radio-transparent structural polymer, a computer, an orientation and navigation system, a modem and a voltage converter.

На Фиг. 1 схематично приведена конструкция заявляемого зонда, а на фиг.2 изображен один из возможных вариантов общего вида зонда.FIG. 1 schematically shows the design of the inventive probe, and figure 2 shows one of the possible options for the general view of the probe.

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.FIG. 1 - left view, where 1 - body, 2 - nose cover, 3 - rear cover, 4 - frame, 5 - cable cable fastening system, 6 - hydrological sensors fastening unit, 7 - fairing, 8 - horizontal steering surfaces, 9 - stabilizer, 10 - gamma spectrometer, 11 - computer, 12 - modem, 13 - orientation and navigation system 14 - voltage converter.

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.The proposed design of the gamma probe is an underwater towed vehicle controlled in real time from the control panel located on board the accompanying vessel using a signal transmitted via a cable cable through the input node located on the nose cover 2. Computer 11 is equipped with control programs for the gamma spectrometer 10 , orientation and navigation systems 13, collection of hydrological data 6, including temperature, salinity, dissolved oxygen, depth sensors installed in block 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.The design of the probe provides a continuous gamma survey not only of the general gamma background, but also of individual radionuclides Ra (U), Bi (Ra), Ac (Th), Ti (Th) and K, Cs in subsurface waters, as well as on the surface of bottom sediments with towing as close as possible to them, at vessel speeds from 2 to 8 miles per hour, as well as work in the same plane with sea roughness up to 4 points (only in vertical scanning mode), which makes the device an almost all-weather device and allows measurements even in stormy weather and thus save the freight of the boat. The use of the apparatus in different weather conditions was verified as a result of practical tests carried out on the cruise of the R / V Akademik Oparin in Avacha Bay and Chaunskaya Bay.

Для улучшения стабильности буксировки было показано, что целесообразно точку крепления кабель - троса на системе 5 установить на оси вращения рулевых горизонтальных поверхностей 8.To improve the stability of towing, it was shown that it is advisable to mount the cable-cable attachment point on system 5 on the axis of rotation of the steering horizontal surfaces 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).The inventive probe makes it possible to operate in different scanning modes set by the control system of the accompanying vessel. In the first case, sounding is carried out as close as possible to the bottom to search for outlets of submarine groundwater with excellent salinity, temperature, dissolved oxygen content and high activity of radionuclides, relative to background sea or lake, river waters (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), while the multisensory principle maximizes signal isolation it is groundwater. For example, high gamma-ray activity can be caused not only by the outflow of groundwater, but also by the signal of heavy minerals in bottom sediments (Jones DG, "Development and application of marine gamma-ray measurements: a review", Journal of Environmental Radioactivity, No. 53 Page 323, 2001), but the use of additional parameters such as salinity, temperature and dissolved oxygen completely solves this problem, since these parameters in groundwater in most cases differ from the background values of the studied environment (Perelman A.I., “Geochemistry of natural waters ", Publishing house" Science ", Moscow, 150 p., 1982). This mode (bottom sounding) and the multisensor principle can also be effectively used for lithological mapping of bottom sediments, since it is known that different lithological fractions can have different radionuclide activity (Duval JS, "Radioactivity method", Geophysics, Vol. 45, Page 1692, 1980). As in the case of prospecting for the presence of groundwater, the multisensory principle can exclude erroneous superimpositions of the signal of bottom waters on bottom sediments that have, for various reasons (anthropogenic or natural), a high activity of radionuclides. The high activity of some radionuclides underlies the use of the near-bottom gamma-spectrometry regime in the search for mineral resources of the shelf. For example, high Ra (U) activity is characteristic of the uranium-bearing phosphates of the Celtic Sea (Jones, DG, Miller, J.Μ., & Roberts, PD, “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.In the second mode of vertical profiling (immersion-ascent), it is possible to study the water column for the content of anthropogenic radionuclides, primarily ¹³⁷ Cs, and in the presented mode, in contrast to the previous experience of using underwater gamma spectrometry (Thornton V., 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), searches for cesium are possible in various water masses and currents, since the device scans the entire thickness vertically, and additional parameters of salinity, temperature and dissolved oxygen are guaranteed to determine with which water mass the high activity of the radionuclide is associated. In addition, this mode is suitable for studying estuarine areas, since river water strongly contrasts with sea water in temperature, salinity, dissolved oxygen and suspended matter content. In turn, the suspension is also a source of natural and sometimes anthropogenic gamma-activity, and for this reason, it will be just as efficiently emitted by a gamma-spectrometer as part of the entire complex. In particular, potassium is prone to suspended matter sorbed on highly dispersed particles (Yarovaya O. V. et al., "Dissolved and suspended substances in water systems", D.I. Mendeleev University of Chemical Technology, Moscow, p. 40, 2014) and having its own high-energy line is clearly visible on the gamma spectrum.

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).The control system for the position of the steering horizontal surfaces 8 (wings), made, for example, using servo drives, which, like the connectors for connecting the hydrological sensors of unit 6 and the cable cable, are located on the nose cover 2, closed by the fairing 7 for protection from external influences and stabilization flow of water (Fig. 2).

В качестве гамма - спектрометра возможно установление любого спектрометра сцинтелитивного типа, марка которого подбирается в зависимости от задачи исследования, например, Гамма-1C-NB1-04.As a gamma spectrometer, it is possible to install any scintelite type spectrometer, the brand of which is selected depending on the research task, for example, Gamma-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.The sonde equipment installed on the frame 4 together with the depth sensor (echo sounder) located in the hydrological sensor unit 6 makes it possible to track the position and spatial orientation of the sonde during towing, and the computer 11 collects and records the received data, as well as controls the position of the device according to depth: voltage converter (13) - provides power to all sensors and devices, modem (12) - real-time data transmission to the control panel, orientation and navigation (14) is provided by a standard system of gyroscope and accelerometers.

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).The body of the apparatus 1, as well as the front cover 2, can be made of metal, for example, stainless steel. Fairings 7, 6 of the stabilizer blade 9 and rudders 8, as well as the rear radio-transparent cover 3 made of polyamide PA-6, polycarbonate or ABC-plastic. The use of polymeric materials in the construction of the detector cover makes it possible to reduce the rate of attenuation of gamma radiation by more than 7 times, compared to steel with the same dimensions of wall thickness (Gribkov O.I. et al., “Collection of tables and reference materials for assessing the situation in an emergency ", Guidelines, MIIT, Moscow, p. 16, 2005).

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.This design feature is of great relevance for gamma probes that are not towed directly along the bottom, since the presence of an additional screen between the gamma detector and water in the form of a steel case significantly attenuates gamma radiation.

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.The registration of indicators when the probe moves in two scanning modes, horizontally along the bottom and vertical of the water column, is solved as follows. In both cases, the immersion depth of the apparatus is regulated by the steering surfaces 8, which can deviate by 45 ° relative to the middle position. The stabilizer 9 in the form of four X-shaped planes located in the aft part of the hull provides a stable position of the apparatus in the direction of the vessel's movement. To implement the multisensor principle, a block of hydrological sensors is installed on the lower part of the body, including depth (echo sounder), pressure, temperature, salinity and dissolved oxygen sensors.

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.The sensors are covered with a special block-cover 6 from external influences, which ensures sufficient flushing of the sensors with water to avoid measurement errors associated with water stagnation inside the sensors.

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.The control of the movement of passive vehicles during the implementation of the first mode is carried out by changing the parameters of the ship's movement (course, speed), as well as the length of the etched cable-rope. To control the rudders 8, after the apparatus has occupied the required average level of movement in the water column, the operator of the escort vessel in the control program of the apparatus of the computing and control module sets the depth range at which the steering surfaces 8 begin to deviate depending on the immersion depth obtained from the pressure sensor , as a result, the movement of the probe in the water column begins to resemble a sinusoid, while in the future there is no need to change the parameters of the movement of the probe by etching the cable-rope, all movements are regulated by changing the angle of attack of the steering surfaces 8. This mode can also be characterized as a dive-ascent. Measurements in this mode are performed continuously and thus the effect of vertical profiling of the water column is achieved. The frequency of measurements of hydrological parameters is two measurements per second. The gamma spectrum can be acquired from a few seconds to several tens of minutes. In this mode, it is impossible to separately determine U and Th due to the violation of their secular equilibrium in sea and fresh water with daughter radionuclides (Titaeva N.A., "Nuclear Geochemistry", Moscow University Publishing House, pp. 125-127, Moscow, 2000 g.), which have high-energy spectral lines. At the same time, it is possible to measure ¹³⁷ Cs (0.662 MeV) and ⁴⁰ K (1.46 MeV) in water, which have their own high-energy lines.

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.When the second mode is implemented, after the probe is immersed in the bottom horizon of the water column at a constant speed and course of the vessel, the operator in the control program of the computer control module sets a constant distance from the bottom (for example, half a meter) and the echo sounder continuously monitors this parameter. As the distance to the bottom decreases or increases, the program sends a command to the wing control system (8), which changes the angle of attack of the steering surfaces and thereby deepens or raises the vehicle. Thus, the underwater vehicle begins to bend around the bottom relief. As a result, the gamma spectrometer measures the activity of radionuclides in the bottom layer and bottom sediments at a constant distance from them, which eliminates the appearance of errors associated with different distances of the gamma detector from the measured object. In view of the much higher content of radionuclides in bottom sediments in comparison with the water environment, the resulting gamma spectrum will be typical for bottom sediments, provided that the gamma probe is not towed above one meter from the bottom. For example, the activity of ⁴⁰ K in seawater averages 11-18 Bq / l (Badrutdinov R.S., et al., "Radioactivity of ecosystems: a textbook", Kazan University, pp. 22-23, Kazan, 2017), in soils or bottom sediments 420 Bq / kg (UNSCEAR., U. Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation. Sources and Effects of Ionizing Radiation. Report to the General Assembly, Annex A & B 1, 20 -141, 2000), that is, almost 30 times more. At the same time, when the water layer between the bottom sediments and the gamma detector is 70 centimeters thick, at an energy of ⁴⁰ K at 1.46 MeV, the multiplicity of attenuation of gamma radiation increases to 10, by 1.2 meters to 100 ("Table of physical quantities", Under edited by Academician Kikoiv IA, Atomizdat, pp. 965-966, Moscow, 1976), which makes it impossible to measure gamma radiation of isotopes with energy <1.5 MeV at a distance of more than 1 meter from the bottom.

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.The prototype of the proposed probe was tested on a working flight in all operating modes and in various weather conditions. The spectra of gamma radiation were measured for more than 500 miles along the course of the vessel and fully confirmed the characteristics laid down in it.

Claims

1. A towed underwater gamma probe, consisting of a sealed cigar-shaped body equipped with removable bow and stern covers, a cable-rope attachment system on the upper part of the body, a hydrological sensor unit, including depth, pressure, temperature, salinity and dissolved oxygen sensors on the bottom surface of the hull, as well as steering horizontal surfaces, installed with the ability to change the angle of attack in the bow of the hull, equipped with a leaky fairing, and an X-shaped stabilizer located in the aft, while inside the hull the frame of the equipment block is installed with the ability to move with rigidly fixed on it is a gamma spectrometer, a computer, an orientation and navigation system, a modem and a voltage converter, while the gamma spectrometer is located at the end of the frame in the aft hull, made of a radio-transparent structural polymer.

2. A towed underwater gamma probe according to claim 1, characterized in that the attachment point of the cable-cable of the attachment system is located on the axis of rotation of the steering horizontal surfaces.