Конструкции гамма-зондов для непрерывной подводной гамма-съемки

Информация из книги "Морская гамма-спектрометрическая съемка". В данном материале представлены не только отечественные зонды, но и зарубежные. Будет исключение.

Конструкции гамма-зондов для непрерывной подводной гамма-съемки
Условия окружающей среды и характер строения поля естественного гамма-излучения в придонном слое воды предъявляют следующие основные требования к конструкции контейнера блока детектирования и буксируемого донного устройства — гамма-зонда.

1. Герметичность контейнера, содержащего блок детектирования. Контейнер должен выдерживать давление воды без нарушения герметичности при работе на максимально возможных глубинах (для зоны шельфа 200-300 м).

2. Вибростойкость и ударопрочность конструкции. При буксировке по дну на пути гамма-зонда могут встречаться поля гравия, гальки, большие валуны и т. д.

3. Сцинтилляционный счетчик и электронные узлы блока детектирования должны быть хорошо амортизированы в контейнере. Особое внимание обращается на амортизацию сцинтилляционного кристалла.

4. Конструкция донного устройства должна обеспечивать постоянный и надежный его контакт с грунтом при буксировке со скоростью 3-5 узлов.

5. При буксировке гамма-зонда не должна нарушаться "геометрия измерения", т. е. расстояние между сцинтилляционным кристаллом и поверхностью осадков должно быть постоянным.

6. Форма, размеры и конструкция буксируемого донного устройства должны обеспечивать минимальную вероятность зацепления гамма-зонда за подводные препятствия (валуны, водоросли и т.д.)

7. На случай обрыва кабель-троса должно быть предусмотрено:

а) наличие всплывающего буй-маркера для облегчения поисков гамма-зонда на дне; б) специальный сальниковый ввод кабель-троса, который бы предотвращал попадание воды по оборванному кабелю в контейнер блока детектирования.

Сразу нужно отметить, что ни одна из конструкций морских гамма- зондов для НПГС, созданных на момент написания книги, не удовлетворяет полностью требованиям 4—6.

Наиболее простой по конструкции гамма-зонд представляет собой герметичную капсулу-контейнер в виде цилиндра с обтекателем, в которой на амортизаторах размещается блок детектирования На рис. 1 показан общий вид подобного гамма-зонда типа "Волокуша". Капсула, подсоединенная к кабель-тросу, буксируется непосредственно по дну без специальных несущих и стабилизирующих ее относительно поверхности осадков устройств. При этом возможны неконтролируемые изменения геометрии измерения за счет погружения гамма-зонда в рыхлый грунт (например, илистые осадки), а также подвсплытия капсулы при рывках и недостаточной длине кабель-троса. Одиночные удары капсулы о препятствия хорошо ослабляются амортизаторами, на которых закреплен датчик. Однако часто повторяющиеся сильные столкновения, наблюдающиеся на участках дна с выходами скальных пород, морен и т.д., могут привести к механическим повреждениям блока детектирования. Наблюдались, например, случаи, когда раскалывался сцинтилляционный кристалл, выходил из строя ФЭУ, а также отказывали электронные узлы блока детектирования. Не редки случаи обрыва капсул в результате зацепления за валуны и другие препятствия, на дне.

Бови и его сотрудники (Bowie, Clayton) несколько модернизировали конструкцию гамма-зонда-капсулы. Их гамма-зонд представляет собой длинную (25-30 м.) гибкую трубу из армированной резины или поливинилхлорида, к концу которой присоединена цилиндрическая капсула-контейнер из нержавеющей стали (рис. 2). Диаметр трубы равен диаметру контейнера блока детектирования. Кабель-трос крепится к свободному концу трубы и проходит внутри ее к контейнеру. При буксировке по дну такой гамма-зонд ("Угорь" огибает встречающиеся препятствия, что значительно смягчает силу ударов капсулы и, по мнению Бови, уменьшает вероятность зацепления и обрыва гамма-зонда.

Постоянство геометрии измерения - очень важное условие для правильной интерпретации результатов гамма-съемки. Чтобы стабилизировать положение датчика гамма-излучения над поверхностью грунта, применяются специальные буксируемые устройства. Кроме стабилизации детектора, они защищают контейнер датчика от прямых ударов о препятствия. Форма и конструкция буксируемых устройств выбираются таким образом, чтобы свести к минимуму возможность зацепления гамма-зонда. .

На рис. 3 приведена схема гамма-зонда 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.

Увеличением площади полозьев салазок можно уменьшить удельное давление на грунт до такой величины, что при буксировке гамма-зонд не будет практически проваливаться даже на илистых осадках. Основной недостаток буксируемого устройства типа "Салазки” — довольно высокая вероятность зацепления.

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. На рис. 4 приведена фотография такого гамма-зонда. Во время буксировки цилиндр (или шар) катится по дну, вращаясь вокруг неподвижной оси.

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. Так, например, рассчитано, что гамма-зонд, показанный на рисунке 4, при диаметре 75 см. может свободно перекатываться через камни диаметром 30-60 см.

Гамма-зонд типа «Шар», показанный на рисунке 5, был испытан в морских условиях и применялся и применялся для проведения НПГС институтом океанологии до 1973 года.

Это устройство хорошо работает при измерениях на плотных грунтах (пески, алевриты) и обладает достаточно высокой проходимостью. За несколько сезонов работы был лишь один случай сильного зацепления гамма-зонда на участке морского дна с большим количеством крупных моренных валунов. При буксировке на мягких грунтах (илистые осадки) стальные трубки, из которых сварен шар, погружаются в грунт. Это приводит к уменьшению расстояния между сцинтилляционным кристаллом и поверхностью осадков (т. е. к нарушению геометрии измерения). Кроме того, во время качения шара по илистым грунтам происходит сильное взмучивание осадков прямо перед детектором гамма-излучения. Детектор оказывается в облаке взвеси, которое сильно искажает первоначальное поле гамма-излучения. В результате получаемая информация не соответствует предполагаемым условиям измерения. Точный учет всех искажающих факторов и внесение поправок в результаты измерений практически трудно осуществимы.

Транспортируемое донное устройство "Салазки" (рис. 6), разработанное и испытанное после 1973 г. в ИОАН, обеспечивает почти неизменную геометрию измерения даже на илистых грунтах.

Для изучения влияния взмучивания илов на показания морского радиометра, работающего с гамма-зондом "Салазки", был проведен следующий опыт. Выбран небольшой участок морского дна, где поверхностные осадки по всей площади представлены однородными жидкими илами. Предварительной гамма-съемкой было установлено, что в пределах всего участка значение суммарной характеристики поля гамма-излучения практически неизменно. Затем через выбранный участок был выполнен контрольный радиометрический профиль при скорости буксировки гамма-зонда 4 узла. Средняя скорость счета импульсов оставалась постоянной (в пределах ошибки измерения вдоль всего профиля). После этого строго по тому же профилю проведена повторная гамма-съемка, но скорость буксировки несколько раз плавно изменялась от 0 до 5 узлов. Результаты этих измерений представлены на рис. 7.

Как видно из сопоставления графиков изменения показаний радиометра и скорости буксировки "Салазок", детектор гамма-излучения попадает в облако взвеси, создаваемое передними салазками-заглубителем при скорости судна примерно 1 — 2 узла. Показания радиометра при стоянке судна и при движении со скоростью более или равно 3 узла практически совпадают. На основании этого опыта впоследствии при работе с гамма-зондом "Салазки" результаты гамма-съемки на илистых грунтах считались правильными, если скорость буксировки превышала 3 узла и поддерживалась приблизительно постоянной в течение всего измерения по профилю.

Итак, из рассмотренных конструкций гамма-зондов ни одна полностью не удовлетворяет всем отмеченным требованиям. Для гамма-съемки на плотных грунтах, когда существует большая вероятность зацепления гамма-зонда, лучшей оказывается конструкция шаровидного буксируемого устройства. Если гамма-съемка проводится на участках дна с илистыми осадками или же с изменяющимися типами донных осадков (например, от песков и алевро-песков к илам), то предпочтительнее применение гамма-зондов с буксируемым устройством типа "Салазки”. При этом необходимо принимать специальные меры, чтобы не допустить зацепления и обрыва гамма-зонда.