Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Автоматизированная система сбора и обработки информации с радиометрических установок для определения потоков вещества в океане

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Автоматизированная система сбора и обработки информации с радиометрических установок для определения потоков вещества в океане"

I ч

л-.. О

С- 3

со

АКАДЕМИЯ НАУК РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ИНСТИТУТ ОКЕАНОЛОГИИ им. II.П.ШИРШОВА

На правах рукописи УДК 551.46.08

СЕРЫХ ВИКТОР ЯКОВЛЕВИЧ

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА СБОРА И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ С РАДИОМЕТРИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТОКОВ ВЕЩЕСТВА В ОКЕАНЕ

(Специальность 11.00.08 - Океанология)

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-1997

Работа выполнена в Институте океанологии им.П.И.Ширшова РАН

Научные руководители: доктор технических наук, профессор Л.Л.Утяков

доктор геолого-минералогических наук В.М.Купцов

Официальные оппоненты: доктор технических наук Е.В.Вержбицкий

кандидат физико-математических наук Е.А.Отливанчик

Ведущая организация: Институт водных проблем РАН

Защита состоится 1997 г в ^^ часов

на заседании Специализированного совета К.002.86.02 по присуждению ученой степени кандидата наук при Институте океанологии им.П.П.Ширшова РАН (127218, Москва, ул.Красикова, 23)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института океанологии им.П.П.Ширшова РАН.

Автореферат разослан " 9 " С ТЛс/з£ 1997 г.

Ученый секретарь Специализированного совета .

к.г.н. С.Г. Панфилова ^^ С

Ч-

/ I

7/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность. Методы низкофонового радиометрического анализа нашли широкое применение в океанологии при решении широкого круга проблем, важнейшими из которых ¡шляются: 1)изучение потоков и скоростей переноса вещества через основные геохимические барьеры; 2)онределение возраста и скоростей накопления осадков для реконструкции условий накопления в прошлые эпохи; 3)экологические исследования, связанные с изучением распределения, механизма переноса и захоронения на дне техногенных радиоактивных элементов, поступающих в океан при испытаниях яддшого оружия и при работе ядерных энергетических установок.

К настоящему времени разработаны методы химического выделения нескольких десятков естественно-радиоактивных, космогенных и техногенных элементов и достаточно эффективные радиометрические установки, позволяющие измерять низкие уровни активности этих изотопов. Комплекс этих установок включает: полупроводниковые альфа- и сцинтилляционные гамма-спектрометры, низкофоновые бета-счетчики с тонкими пленками пластического сцинтиллятора в качестве детектора, жидкостные бета-счетчики, эманационные детекторы. Успешное использование этих установок наталкивается на серьезные трудности с их эксплуатацией. Увеличение чувствительности достигается наиболее эффективно за счет увеличения времени измерений, которые целесообразно проводить круглосуточно, в этом режиме обеспечивается и наибольшая стабильность работы аппаратуры.

Увеличение производительности наиболее реально достигается за счет увеличения количества установок. Поэтому автоматизация измерений является практически единственным реальным путем эффективного внедрения радиометрических методов в практику лабораторных и экспедиционных исследований.

Цель работы состоит в разработке, создании, практическом опробывании и широком внедрении специализированной информационно-измерительной микропроцессорной системы сбора и обработки информации с комплекса радиометрических установок для определения массовых определений содержания естественно-радиоактивных, космогенных и техногенных изотопов в экспедиционных условиях на научно-исследовательских судах и в условиях стационарных лабораторий. Система должна обладать высокой надежностью, высокой помехоустойчивостью, низкой стоимостью, малым энергопотреблением, простотой обслуживания, иметь малые габариты и вес.

Основные задачи.решаемые в работе: -предварительный анализ основных выходных параметров радиометрических установок;

-проведение анализа состояния и тенденций развития современной элементной базы и принципов структурной организации;

-исследование путей сокращения числа функциональных связей и аппаратурных затрат;

-повышение помехоустойчивости комплекса;

-анализ возможностей и разработка новых способов снижения энергопотребления модулей для системы сбора данных с радиометрических установок; -разработка интерфейса для обмена информацией с персональным компьютером; -практическое опробывание системы в условиях стационарной лаборатории и ввод в эксплуатацию в экспедициях на научно-исследовательских судах.

Научная новизна работы заключается в следующем: -предложен новый способ построения измерительно-управляющих комплексов, основанный на использовании принципа программно-импульсного питания, применение данного решения при реализации системы сбора данных с радиометрических установок обеспечило снижение энергопотребления на два порядка;

-на основании анализа выходных параметров радиометрических установок, технико-экономических параметров электронных модулей предложена оригинальная структура многосчетчиковой системы, позволившая существенно (в 16 раз) сократить количество счетных триггеров, снизив в соответствующее число раз аппаратурные затраты;

-предложены схемные решения основных компонентов системы сбора, обеспечившие высокую помехоустойчивость, высокую емкость системы памяти, низкую себестоимость;

-разработана система сопряжения с персональным компьютером; -предложена и отработана методика проведения измерений;

-эффективность работы системы продемонстрирована ее успешным использованием в девяти экспедициях Института океанологии им. П.П.Ширшова РАН и эксплуатацией в условиях стационарной лаборатории в течении восьми лет.

Практическая значимость. Разработанный комплекс автоматизированного сбора информации с радиометрических установок внедрен в практику экспедиционных исследований и успешно использовался в экспедициях на научно-исследовательских судах Института океанологии им.П.П.Ширшова РАН:

"Дмитрий Менделеев", "Витязь", "Академик Мстислав Келдыш" в самых отдаленных частях океана от Арктики до Антарктики, круглосуточно, нередко в самых суровых условиях погоды. Комплекс в ходе исследований постоянно совершенствовался, в результате создана надежная и удобная система, необходимая для современных исследований в океане. Изотопные методы используются для решения широкого круга проблем, связанных с переносом вещества в океане, палеоклиматическими реконструкциями, исследованиями современного рудообразования в рифтовых зонах.

Вклад автора. На основе детального и тщательного анализа выходных параметров комплекса радиометрических установок автором сформулированы основные требования к системе сбора и предварительной обработки информации, обоснована структурная схема, разработаны отдельные узлы, произведена отладка. Практическое опробывание системы успешно проведено автором непосредственно в трех экспедициях, для шести экспедиций на основе поставленных задач применительно к конкретным условиям проведена настройка и отладка аппаратуры, позволившие успешно выполнить эти задачи. На протяжении восьми лет практически постоянной эксплуатации системы проводилась модернизация установки и улучшение ее выходных параметров.

Материалы для исследований. Па автоматизированной системе сбора информации проводились определения содержания естественно-радиоактивных, космогенных и техногенных изотопов в образцах воздушной и водной взвеси, атмосферном воздухе, водах океана, донных отложениях в девяти экспедициях Института океанологии им.П.П.Ширшова РАН: 1986 г.-12-й рейс нис "Академик Мстислав Келдыш", продолжительность экспедиции 4,5 месяца; 1988 г.-15-й рейс нис "Академик Мстислав Келдыш", продолжительность экспедиции 4 месяца; 1989 г.-18-й рейс нис "Академик Мстислав Келдыш", продолжительность экспедиции 3 месяца; 1989 г.- 24-й рейс нис "Профессор Штокман", продолжительность экспедиции 2 месяца; 1990 г.- 20-й рейс нис "Академик Мстислав Келдыш", продолжительность экспедиции 3,5 месяца; 1990 г.-21-й рейс нис "Академик Мстислав Келдыш", продолжительность экспедиции 3,5 месяца; 1990 г.-20-й рейс нис "Витязь", продолжительность рейса 4 месяца; 1991 г. рейс нис"Яков Смирницкий", продолжительность экспедиции 2 месяца; 1993г. 49-й рейс нис "Дмитрий Менделеев", продолжительность экспедиции 2 месяца.

Апробация работы и публикации по теме диссертации.Отдельные разделы диссертации докладывались на Всесоюзной школе по автоматизации научных исследований в 1987 г., на Всесоюзной школе по техническим средствам и методам освоения океанов и морей в 1987 г., на Восьмой Всесоюзной школе по геологии

океанов и морей в 1988 г. По теме диссертации опубликовано 11 работ , в том числе два авторских свидетельства на изобретения.

Структура диссертации.Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 208 наименований, в том числе 72 наименования из иностранных изданий.

Автор приносит благодарность своим руководителям Утякову JI.JI. и Купцову В.М. за постановку задачи и постоянное внимание к работе; Амбросимову А.К. за ценные методологические замечания, Василевскому А.К.- за ценные советы в процессе реализации работы; Приходченко Ю.И.- за большую практическую помощь по монтажу и наладке системы сбора; Шашкову H.JL- за ценные практические советы, Осечинскому С.И.- за значительный вклад в реализацию программного обеспечения.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность работы, определены цели и задачи исследований, научная новизна, практическая значимость работы.

В первой главе кратко рассмотрены основные задачи, решаемые с помощью естественно -радиоактивных , космогенных и техногенных изотопов при изучении переноса вещества через основные геохимические барьеры Мирового океана. Сформулированы основные требования, предъявляемые к измерительной аппаратуре.

Концентрации природных естественно-радиоактивных и космогенных изотопов низки, основным параметром низкофоновых установок является минимально измеряемая активность изотопа, выражение для которой имеет вид:

A™, =(l / <У + 2-д/ЛГСФ) •/)/£•/?■/, где

S- относительная погрешность определения активности, М(Ф)-актишгость фона установки, F-эффективность регистрации излучений, t -суммарное время измерения образца и фона.

Наиболее чувствительны установки, имеющие высокую эффективность регистрации и низкий фон. Снижение фона обычно сопряжено с использованием тяжелой защиты и использованием сверхчистых материалов для изготовления детекторов . Значительное увеличение чувствительности может быть достигнуто за счет увеличения времени измерения, поэтому целесообразно проводить

измерения в непрерывном круглосуточном режиме. Увеличение

производительности достигается и за счет увеличения количества непрерывно работающих низкофоновых установок.

Другим не менее важным параметром низкофоновых установок является надежность получения результатов. Случайные наводки или нестабильность работы установок могут исказить результаты измерений, поэтому целесообразно фиксировать отсчеты за достаточно короткие промежутки времени ( обычно 3-15 минут) с последующей обработкой , полученной .за полное время измерения статистической совокупности, с целью выявления отклонения от нормального закона распределения .

Проверка гипотезы о нормальности распределения проводится по критерию %2 и расчеты, связанные с этим, достаточно трудоемки. Поэтому целесообразно проводить сбор информации и предварительную ее обработку на специально разработанной системе сбора.

Контроль стабильности детектора основан на проверке соответствия распределения числа импульсов в подинтервалах, фиксируемых системой сбора информации нормальному распределению. Для оценки существенности отклонения регистрируемых отсчетов от нормального распределения наиболее удобно пользоваться критерием

Таким образом проведение измерений в непрерывном круглосуточном режиме, сравнительно большое количество установок, необходимость автоматического контроля за стабильностью работы требуют разработки системы сбора и обработки информации, основные параметры которой определяются количеством установок (каналов), объемом информации в каналах в режимах счета эталонов, фона и образцов и параметрами выходных импульсов с детекторов излучения.

Наиболее эффективными детекторами радиоизлучения являются в настоящее время сцинтилляционные счетчики. Они обладают высокой эффективностью регистрации, удобны и надежны в эксплуатации, могут работать в спектральном режиме, имеют высокое временное разрешение.

Сцинтилляционные гамма-спектрометры. Основным преимуществом сцинтилляционных гамма-спектрометров является возможность детектирования крайне низких уровнен активности без радиохимического выделения препаратов, это обеспечивает высокую экспрессность метода. Измерения проводятся в 6-ти энергетических каналах в пяти режимах, определяемых особенностями решения практических задач:

1.Определение активности изотопов 228Ас, 208В1, 214БИ, ""К, 137Сб в валовой пробе без радиохимического выделения. При этом решаются следующие задачи: а)определение скорости седиментации донных отложений (иониевый, ионий-ториевый методы); б) изучение генетического состава донных отложений по величинам отношений ТЬ/К, ТЬ/и, К/Л; в) изучение распределения техногенного изотопа 'з'Ся при решении экологических проблем.

2,Определение изотопов радия и их короткоживущих продуктов распада 214В1, 228Ас, 214В1, 208В1. Изотопы используются для определения возраста рудных отложений в срединно-океанических хребтах, измерения проводятся после предварительного радиохимического выделения изотопов радия. 3.Определение концентрации '"Се после предварительного радиохимического выделения, чувствительность этого варианта значительно выше, чем по п.1. 4,Определение концентрации "'Со после предварительного радиохимического выделенния.

5.0пределение концентрации 7Ве после предварительного радиохимического выделения из донных осадков и больших объемов океанических вод.

Комплекс гамма-спектрометрических установок содержит кристаллические детекторы На1(Т1) с колодцами трех размеров: 2 детектора 0 80 х 80 с колодцами 0 30x45, 4 детектора 0 100x100 с колодцами 0 45x60 и два детектора с колодцами 0 70x100. Для снижения фона от космического излучения и гамма-излучения окружающих предметов используется защита из 5 см сверхчистого свинца к 10 см обыкновенного современного свинца. Детекторы изготовлены из материалов, содержащих минимальные количества излучающих изотопов.

Установки радиоуглеродного датирования донных отложений. Радиоуглеродный метод датирования является основным инструментальным методом изучения позднечетвертичных осадков. Комплекс состоит из 6 двухканальных жидкостных счетчиков, использующих два низкошумящих фотоумножителя ФЭУ-85, включенных на совпадения для дискриминации шумовых импульсов, так как энергетический спектр бета-излучения 14С захватывает энергетическую область шумов ФЭУ. Оптимальный режим измерения обеспечивается выбором порогов дискриминации , обеспечивающих оптимальное значение величины показателя качества гУ/ ЩГ, где По счет эталона, Пф-активность фона. При оптимальной величине показателя качества достигается минимальная ошибка измерения. Защита детекторов от космического излучения и излучения окружающих предметов состоит из 2,5 см прослоя ртути и 10 см обыкновенного свинца в лабораторных условиях и 5 см прослоя железа в условиях экспедиции.

Низкофоновые бета-счетчики используются для измерения бета-активности 1грепаратов 908г, 210РЬ и 234ТЬ после радиохимического выделения этих изотопов из исследуемых проб. На счетчиках можно измерять и активности изотопов '"Ся и 60Со, которые обычно традиционно измеряют на гамма-спектрометрах.

Корпуса детекторов изготавливались из чистого алюминия марки АМГ. Бета-излучение регистрируется тонкой пленкой пластического сцинтиллятиора, толщина пленки (0,3 мм) выбиралась из условия достижения оптимальной чувствительности. Для снижения фона радиоактивных примесей стекла ФЭУ-85 между ним и детектором помещался световод из органисческого стекла. Для поглощения альфа-частиц детектор отделялся от анализируемого препарата фильтром из сверхчистого алюминия . Для снижения фона использовалась защита из 10 см прослоя обыкновенного свинца и 5 см сверхчистого свинца, использовалась и активная защита- счетчик бета излучения помещался в колодец детектора Иа1(Т1), включенного на антисовпадения. Вся система обеспечивала снижение фона в 10 раз, при этом активная защита (антисовпадения) снижала фон в 3 раза. Площадь активной части детектора 10 см2.

Эманаиионные измерения. Природный радиоактивный газ 22:Кп нашел широкое применение в океанологии при решении широкого круга проблем, основными из

1^АТЛТ1 т »V гт Т-» ггт/-ч т*/"» 1Т • ли 1 Оршл лсллси 11>Ла

1)изучение переноса газов через границу атмосфера-поверхностные воды по распределению 22;Кп в верхнем фотическом слое поверхностных вод;

2) изучение переноса газов через границу придонные воды-донные отложения по распределению избыточного радона в придонных горизонтах или по распределению дефицита радона по отношению к его материнскому изотопу 226Иа в поверхностных слоях осадков;

3)поиск гидротермальных систем на океаническом дне по распределению радона в придонных горизонтах;

4)изучсние распределения воздушных масс континентального происхождения в океане.

Регистрация активности радона проводилась на двух счетчиках, для каждого из которых использовались по две камеры. Минимальноизмеряемая активность, которую можно определить на установках определяется 5 факторами: а)степенью извлечения радона из анализируемой пробы; б)степеныо поглощения радона активированным углем; в)полнотой перевода радона в эманационную камеру;г) эффективностью регистрации радона камерами; д)фоном эманационных камер.

Последние два фактора полностью определяются режимом работы сцинтилляционного счетчика и загрязненностью камер радиоактивными примесями. Для слабоаклгвных проб величину порога чувствительности можно повысить за счет увеличения времени измерения образца и фона. Чувствительность можно повысить и за счет увеличения времени экстракции. Наиболее реальный путь увеличения чувствительности-использование большого объема воды и подбор эманационных камер с минимальным значением фона.

Счетчик альфа-частиц. Детектор альфа-частиц использовался для определения концентрации радона в атмосфере по его альфа-излучающим продуктам распада. Атмосферный воздух прокачивался со скоростью 60 л/мин через аналитический аэрозольный фильтр АФА-РСП площадью 10 см2 в течение 30 минут. Продукты распада регистрировались полупроводниковым детектором ДКПС площадью 5 см2. Сигналы детектора усиливались усилителем-экспандером "Клест" и после формирования поступали на регистрирующее устройство . Фон детектора составлял 1 распад за три часа измерений, порог чувствительности за три часа измерений 0,006 Бк/ м3, что значительно ниже минимальных содержаний радона в пелагических частях океанов. Методика проста, удобна и позволяет проводить массовые определения концентрации радона на всех участках океана.

Для всех вышеперечисленных детекторов рассмотрены формы импульсов и основные загрузки по каналам, определяющие в значительной степени параметры измерительной системы.

Во второй главе обоснована конструкция системы сбора и обработки информации и описаны функциональные особенности отдельных составных частей.

Режим работы установок и основные требования к системе сбора и обработки информации.

Как уже указывалось выше, основными параметрами, характеризующими успешную работу радиометрических установок, являются порог чувствительности и стабильность работы.

Порог чувствительности обеспечивает возможность измерения низких уровней активности природных изотопов. В значительной степени требуемый порог обеспечивается конструкционными особенностями детекторов и прежде всего эффективностью регистрации, определяемой правильным выбором детектора и низким фоном, достигаемым за счет использования чистых материалов и массивной защиты. Не менее важным фактором повышения чувствительности является увеличение времени измерения.

Увеличение времени измерения ужесточает требования к стабильности работы установок. Нестабильность обуславливается различными причинами, которые наиболее просто систематизируются во временной шкале.

1) Нестабильность , связанная с переходными процессами после включения аппаратуры, при круглосуточном функционировании не играет существенной роли. Обычно измерения начинаются через 8-10 часов после включения установок, за этот временной интервал устанавливается температурный режим и параметры установок.

2) Медленные, плавные изменения параметров установки происходят с течением времени вследствие "старения" отдельных деталей и узлов, источников питания. Эти изменения трудно отслеживаются в течение суточных измерений, обычно они проявляются в течение нескольких дней или даже недель. Контроль за стабильностью осуществляется при циклическом измерении, когда • эти измерения проводятся в последовательности: эталон-фон-образец-эталон ... Измерения между двумя эталонами составляют цикл, по результатам измерений в цикле и рассчитывается активность образца, а контроль стабильности проводится по результатам эталонирования, которое следует проводить с точностью не менее 1%. В пределах этой точности мы можем отслеживать медленные плавные изменения параметров установок.

3) Кратковременные изменения параметров могут быть вызваны различными причинами (спонтанные изменения параметров установок, кратковременные изменения параметров внешней среды (влажности, температуры и т.д.), электрические наводки по сети, вызванные подключением мощных потребителей энергии, сбои по сети питания. Для выявления нестабильностей подобного рода измерения следует проводить в последовательных коротких интервалах с последующей статической обработкой полученной совокупности измерений. Наводки по электрической сети наиболее эффективно отсекаются при измерениях фона, когда набор информации в интервалах минимален. Изменения параметров среды эффективнее отслеживаются при измерениях эталона, когда статистическая погрешность в интервалах минимальна.

Нестабильности, связанные с электрическими сетями успешно могут быть устранены использованием автономного питания от аккумуляторных батарей, но в этом случае для непрерывных круглосуточных измерений становится актуальным конструирование мало потребляющей аппаратуры и соответственно системы сбора информации.

Основные требования, предъявляемые к системе сбора и обработки информации определяется: 1)параметрами системы радиометрических установок (прежде всего их количеством, активностью измеряемых препаратов, фона и эталона, режимом

измерений); 2)высокой помехоустойчивостью; 3) постоянным контролем стабильности работы установок.

Вышеперечисленным требованиям удовлетворяет система сбора информации со следующими параметрами:

1)общее количество детекторов 15-20,

2)подинтервал регистрации 1-1000 сек,

3)проведение статистической обработки совокупности отсчетов в подинтервалах для установления соответствия распределения нормальному закону,

4)возможность независимой регистрации для 3-4 групп детекторов, отличающихся режимом измерений,

5)низкое энергопотребление для использования в качестве источника питания аккумуляторных батарей.

Вышеперечисленным требованиям удовлетворяет система, состоящая из трех независимых 8-канальных микропроцессорных контроллеров, обслуживаемых единым блоком задания параметров и считывания информации. Полное количество детекторов, с которых регистрируется информация, составляет 24, независимо можно проводить измерения для 3-х групп детекторов, соответственно по 8 каналов в каждой группе.

Основными компонентами системы являются: интерфейс-порт ввода, обеспечивающий сопряжение радиометрической аппаратуры с устройствами накопления и обработки данных; микропроцессорный контроллер, осуществляющий функции распределения, накопления и предварительной обработки информации; внешнего устройства, осуществляющего взаимодействие оператора с системой.

Детально рассмотрены схемы отдельных узлов системы, принципиальные решения конструкции порта ввода , минимизации энергопотребления, функциональных связей.

В третьей главе рассмотрены некоторые результаты, полученные с помощью системы сбора и обработки информации.

Система сбора и обработки информации использовалась в 9 экспедициях с 1986 по 1993 г.г. и в лабораторных условиях вплоть до настоящего времени и показала высокую эффективность, надежность и удобство в работе.

Задачи, решаемые в рейсах , значительно отличались, отличались и объемы анализируемых материалов для каждого вида радиометрического анализа. Но во всех рейсах регулярно проводились определения концентрации радона в атмосфере и 234ТЪ в поверхностных водах. Вместе с определениями концентрации водной и эоловой взвеси рекзультаты по этим изотопам позволяют' оценивать закономерности распределения эоловой взвеси по акватории океана и потоки

взвешенного вещества из поверхностного слоя океанических вод. Поэтому система сбора и предварительной обработки информации в экспедиционных условиях начинала работать с первых дней рейса, измерения заканчивались лишь по возвращении в порт назначения.

В промежутках между рейсами система сбора и обработки информации успешно эксплуатировалась и в лабораторных условиях и с ее помощью был получен огромный фактический материал по содержанию вышеперечисленных изотопов, рассмотрим лишь несколько наиболее успешных примеров.

Скорости современного накопления осадков на шельфе западной экваториальной Африки у впадения р. Конго. Определения скоростей седиментации донных отложений по распределению 2|0РЬ на шельфе юго-западной Африки являлось составной частью комплексных исследований по изучению распределения речного стока р.Конго на шельфе и континентальном склоне, проведенных в 20 рейсе нис "Витязь" под руководством профессора Е.А.Романкевича. Исследуемый полигон расположен на шельфе в приустьевой части р.Конго и включает часть подводного каньона реки.

Осадки отбирались коробчатыми пробоотборниками и расслаивались на 1 см прослои в пределах верхних 5 см осадка. Для определения фонового содержания 210РЬ отбирался 3-5 см прослой глубже 10 см и из всех отобранных горизонтов проводилось выделение 210РЬ на ионообменной смоле с последующим осаждением сульфата в кислой среде. На измерение поступал препарат сульфата свинца после его двухнедельной выдержки для накопления 210Вь Радиохимический выход определялся по стабильному свинцу, известное количество которого вносилось в пробу перед разложением. Всего было проанализировано 96 проб из 16-ти станций среднее значение скоростей седиментации удалось определить для осадков 11 станций.

Гидротермальный радон в придонных водах рифтовых зон. В процессе гидротермальной деятельности вместе с флюидами в придонные воды поступает большое количество радиоактивного газа радона (222Кп). Период полураспада радона невелик (3,85 дня) и он успевает распасться на сравнительно небольшом удалении от гидротермального источника. Поэтому радон имеет хорошие потенциальные возможности в качестве индикатора гидротермальной деятельности.

Осенью 1986 г. в 12 рейсе нис "Академик Мстислав Келдыш" в рифтовой зоне Хуан-де-Фука было проведено 35 определения концентрации радона. Пробы воды отбирались системой батометров Розетт на интервалах от 5-6 м до 300-500 м от поверхности дна. Частично пробы отбирались и с глубоководных обитаемых

аппаратов типа Пайсис непосредственно на рудных постройках или вблизи выходов флюидов.

В этом же рейсе было выполнено 86 определений концентрации радона и в рифтовой зоне Гуаймас. В центральной части бассейна Гуаймас расположены два узких трога: Южный и Северный, они представляют собой узкие (3-4 км ширины) депрессии, протягивающиеся на 25 км в Южном и 35 км в Северном трогах. Глубина депрессий относительно бортов 100-120 м. Наиболее детально обследован Южный трог, в нем обнаружены холмы, сложенные рудным веществом, из вершины которых в водную толщу поступают гидротермальные растворы ("черные курильщики").

В целом полученные результаты свидетельствуют о том, что радон является эффективным индикатором гидротермальной деятельности, и может успешно использоваться для поисков активных гидротерм на дне океанов. Радиометрические оценки загрязненности в районе гибели атомной подводной лодки "Комсомолец". В апреле 1989 года нис "Академик Мстислав Келдыш" по распоряжению президента АН СССР прекратил плановые научно-исследовательские работы в центральной части Атлантического океана и направился в Норвежское море , в район гибели атомной подводной лодки "Комсомолец". Одной из поставленных задач являлось выявление возможных утечек радиоактивных веществ из реактора и ядерных боеголовок торпед. Как уже указывалось выше порог чувствительности , определяющий минимально измеряемые активности в общем случае зависит от эффективности регистрации излучения, фона радиометрических установок и времени измерения. Необходимость выполнения большого количества анализов за сравнительно короткое время исключали возможность проведения трудоемкого селективного радиохимического выделения изотопов и сильно ограничивали время измерения. В этих условиях наиболее высокую чувствительность обеспечивают низкофоновые сцинтилляционные спектрометры гамма-излучения.

Использовались два низкофоновых кристалла Ыа1(Т1) размерами О 100x100 с колодцами О 45x60 мм, в которые помещались измеряемые образцы. Защита спектрометров от мягкого космического излучения и гамма-излучения стен лаборатории состояла из чугунной камеры с толщиной стенок 6,5 см. Измерения проводились в двух энергетических каналах: 137Сз и 60Со. Минимальноизмеряемая активность рассчитывалась по критерию 4 а для времени измерения образца и фона 30 мин, минимальноизмеряемые концентрации для объема воды 0,5 л и 30 г навески пробы донных осадков.

Океанические еойы.Основной вклад в гамма-излучение океанических вод вносит калий, его концентрация в литре морской воды соответствует активности 75 расп/мин, что с учетом эффективности регистрации (по 60Со, имеющему близкую энергию излучения) в два раза ниже порога чувствительности при принятых условиях измерений. Вклад остальных гамма-излучателей ничтожен, так активность радона, имеющего гамма-излучающие продукты распада, не превышает 0,5 расп/(мин-л), даже в придонных водах, в которые радон поступает из осадков.

Для измерения активности океанических вод проба воды объемом 0,5 л упаривалась до влажных солей, этот процесс занимал 6 часов. Выпаренные соли для измерения помещались в кристалл детектора. Измеренные значения активности практически не выходили за уровень 4-х кратной стандартной погрешности, что позволяло оценивать концентрации 137Сз меньшие МО"10 К/л и 60Со - 210-10 К/л. Оценка концентрации проводилась добавлением к измеренному значению 4-х кратной стандартной погрешности, что обеспечивало ее высокую надежность. В целом: полученные оценки меняются в интервале 0,5-2,0 1010 К/л для '"Се и 0,5-2,2-10-10 К/л для 60Со, что практически на два порядка ниже предельно допустимых концентраций. В этих же интервалах находятся оценки для вод, отобранных непосредственно у объекта с глубоководных аппаратов.

Для опробывания методики предварительно были измерены концентрации вышеуказанных изотопов на различных горизонтах фоновой станции 2069, находящейся на достаточном удалении от исследуемого полигона, на этой станции измеренные значения активности также не выходили за пределы 4-х кратной стандартной погрешности. За крайне ограниченное время было выполнено 67 определений концентрации 137Сз и60Со.

Донные отложения. Содержание естественно-радиоактивных элементов в терригенных осадках полигона велико (8-1010"6 г/г 238и, 15-25-10"6 г/г 232Т11, 1-3% К). В измерительных каналах 137Сз и 60Со вклад этих излучателей значителен и превышает погрешность определения в 10-20 раз. На фоновой станции , к сожалению, не удалось отобрать поверхностные осадки, поэтому возможное загрязнение поверхностного слоя мы оценивали по разности в соответствующих каналах для поверхностного слоя и более глубинного. Для осадков, отобранных вблизи изучаемого объекта, оценивалась активность и более глубинных прослоев, так как при падении лодки они могли быть загрязнены, в этом случае вычиталась активность, соответствующая глубинным прослоям осадков, отобранных квадратными пробоотборниками в пределах полигона. Для анализа отбирались

осадки с площади 10 см2, что давало возможность оценивать загрязненность на единицу площади.

,. Сразу же после подъема осадков на борт судна измерялась их активность и вес во влажном состоянии для предварительной оценки степени возможной загрязненности, после измерения осадки высушивались и проводился перерасчет активности на сухое вещество. Сравнение активностей различных прослоев осадков проводилось с учетом их веса. Химический состав значительно меняется по длине колонки, следовательно меняется и содержание естественно-радиоактивных элементов, эти изменения и вносили наиболее существенную погрешность в результаты оценки. При расчетах к полученному значению положительной разности добавлялась 4-х кратная стандартная погрешность.

В целом, как показывают результаты, загрязненность осадков не превышает по "'Се - 2,5 10 12 К/г или 0,1 К/км2, по 60Со - 10" К/г или 0,2 К/км2, что практически на два порядка величины ниже предельных допустимых концентраций. Всего было проанализировано 25 проб донных осадков.

Фауна. При тралении на ст.2079 вблизи изучаемого полигона была отловлена рыба, которая была расчленена на 7 функциональных элементов. На ст. 2091 в районе исследуемого объекта из трала были отобраны офиуры. Все перечисленные образцы были высушены и озолены. Как показывают оценки концентрации на сухой вес не превышают 41012 К/г по 137 Сэ и 5,31012 К/г по 60 Со.

Антропогенное вещество. Из трала, отобранного в районе расположения объекта , были выделены фрагменты антропогенного вещества: краска, кусочки органического вещества разного происхождения, общим весом 1,12 г. По результатам радиометрического анализа содержание '"Ся не превышает 2,810-" К/г, 60Со- 4,510-" К/г.

Заключение. Проведенные оценки в 2-х энергетических диапазонах гамма-спектрометра, соответствующих "'Се и «"Со, показали, что в пределах чувствительности радиометрической аппаратуры при заданных условиях измерений в проанализированных пробах загрязнение техногенными элементами отсутствует.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. На основе анализа работы радиометрических установок сформулированы основные требования к системе сбора и обработки информации, учитывающие специфику определения потоков вещества через основные геохимические барьеры

Мирового океана, радиометрические параметры используемых излучателей (тип и энергия излучения, период полураспада).

2. Разработана система интерфейсного устройства -порта ввода, позволившая упростить его конструкцию, значительно увеличить надежность работы и снизить энергопотребление.

3. С учетом низкой загруженности радиометрических детекторов предложена система подачи импульсного питания на основные энергопотребляющие элементы микропроцессорного контроллера, позволившая снизить энергопотребление и использовать режим автономного питания, что значительно увеличило помехоустойчивость системы.

4. Разработаны алгоритмы работы системы, обеспечивающие синхронную работу трех независимых групп детекторов, статистическую обработку полученной совокупности отсчетов с целью проверки стабильности и надежности работы радиометрических детекторов.

Система эксплуатировалась в течение 8 лет в 9 экспедициях Института океанологии им.П.П.Ширшова РАН, а в промежутках между экспедициями в условиях стационарной лаборатории.

Анализ работы выявил высокую надежность, простоту управления, эффективность, возможность выполнения исследований в полном, требуемом задачами рейса объеме.

Основные работы, опубликованные по теме диссертации

1.Гусев Ю.М., Серых В.Я., Шехватов Б.В. Многофункциональное программное устройство для автономных приборов. Океанология, 1977, t.XVII, выи.2, с. 354357.

2. Серых В.Я., Гусев Ю.М., Бродецкий Л.Ф. Цифровой интегратор для автономных океанологических приборов. Рукопись депонирована в ВИНИТИ, N 68-80 от 3.01.1980.

3. Серых В.Я., Бубеничек A.A., Василевский А.К. и др. Аналого-цифровой преобразователь. Авторское свидетельства N 945977, 1981.

4. Палазов A.B., Донев B.C., Серых В.Я. и др. Телеметрична кабелна система. Свидетелство за приоритет. Институт за изобретения и рационализации, София, Болгария, 1984, 7 с.

5.Серых В.Я., Ткач Ю.Г. , Плужников A.B. Измерительный комплекс для изучения ветрового волнения. - Технические средства и методы освоения океанов и морей.

Тезисы докладов Всесоюзной школы .М.: Институт океанологии им.П.П.Ширшова РАН, 1987, с.94.

6.Плужников A.B., Амбросимов А.К., Серых В.Я. Микропроцессорный спектрофотометр. Там же, с79.

7.Плужников A.B., Серых В.Я. Измерительные модули с индуктивной муфтой для систем телеметрии. Там же, 79-80.

8.Глазач0ев Н.К., Купцов В.М., Серых В.Я. и др. Автоматизация геохронологических определений для палеоокеанологических реконструкций. Геология океанов и морей. Тезисы докладов У1П Всесоюзной школы морской геологии. М.: Институт океанологии им.П.П.Ширшова РАН, 1988, т. 1, с. 33.

9.Гордеев В.Ю., Купцов В.М., Серых В.Я. и др. Изучение потоков вещества в океане комплексом радиометрических методов. -Океанология, 1989, т. XXIX, вып.З, с.468-473.

Ю.Василевский А.К., Серых В.Я., Утяков Л.Л. Автоматизированный микропроцессорный комплекс для автономной исследовательской аппаратуры. -Автоматизация научных исследований. Тезисы докладов XXI Всесоюзной школы. Фрунзе, 1987, с.44.

П.Серых В.Я., Утяков Л.Л., Шехватов Б.В. и др. Микро-ЭВМ для сбора информации. Авторское свидетельство N 1274501, 1983.