Ловим гамма-кванты дроном

Спектрометр имеет энергетическое разрешение около 7,5%, энергетический диапазон от 30 кэВ до 3 МэВ и весит всего 2,6 кг. Комплекс «Геоскан 401 Гамма» способен вести полет даже на предельно малой высоте, от нескольких метров, как в равнинной местности, так и в более сложных ландшафтных условиях.

Как рассказал «Стимулу» заместитель руководителя геофизического отдела ГК «Геоскан» Дмитрий Гоглев, разработкой прибора специалисты компании занимались с 2019 года. Работа в этом направлении была продиктована тем, что все имеющиеся образцы спектрометров не подходили под массо-габаритные характеристики квадрокоптеров «Геоскан 401». Либо это были слишком маленькие бытовые приборы, не способные решить геологоразведочные задачи, либо слишком большие промышленные для выполнения съемок с пилотируемой техники. Потребность же в таком приборе в компании нарастала из-за значительного количества геологоразведочных работ, в которых необходимо применять не только серийный магнитометр Geoshark, но и гамма-спектрометр. На тестовых работах испытывали различные варианты кристаллов (NaI(T); CsI(T); BGO). Сейчас компания имеет в своем распоряжении все типы сцинтилляционных детекторов и использует их исходя из поставленных задач, поскольку каждый из них имеет свои плюсы и минусы.

Что измеряет гамма-спектрометр

«Гамма-спектрометр — это прибор, выявляющий количество гамма-квантов в среде и их энергии, — пояснил Дмитрий Гоглев. — Это необходимо для определения нуклида, испускающего эти гамма-кванты. Получив эту информацию, можно понять вещественный состав пород на интересующем нас участке».

Радиоактивное излучение исходит от горных пород благодаря их естественной радиоактивности, которая обусловлена присутствием в них радиоактивных элементов. Разные виды пород излучают гамма-кванты различных энергий, по этому параметру их и определяют.

Естественная радиоактивность состоит из альфа-, бета-, гамма-, нейтронных и других излучений. Альфа-излучение представляет собой поток положительно заряженных частиц (ядер атомов гелия), энергия которых на длине пути около 10 см в воздухе и долей миллиметров в породе тратится на ионизацию и нагревание окружающей среды, поэтому проникающая способность у них очень мала.

Бета-излучение — это поток электронов и позитронов, энергия которых тратится на ионизацию и возбуждение атомов окружающей среды. В результате они рассеиваются (это приводит к ослаблению их интенсивности) и поглощаются (теряют свою энергию) на длине пути в 100 раз большей, чем альфа-излучение.

Гамма-кванты представляют собой поток электромагнитного излучения очень высокой частоты. Они тоже рассеиваются и поглощаются окружающей средой, но благодаря своей электрической нейтральности отличаются еще более высокой проникающей способностью (сотни метров в воздухе и до метра в горных породах).

Уникальный прибор

«Наш прибор относится к сцинтилляторному типу гамма-спектрометров, они состоят из сцинтиллятора и фотоэлектронного умножителя. Сцинтилляторы — вещества, излучающие свет при поглощении ионизирующего излучения. В сцинтилляторе под действием электронов, которые покидают пределы электронных оболочек благодаря энергии гамма-квантов, возникает кратковременная вспышка света — сцинтилляция, преобразуемая в фотоэлектронном умножителе в электрический импульс. Амплитуда импульса пропорциональна энергии гамма-кванта», — рассказал Дмитрий Гоглев.

По его словам, в первую очередь гамма-спектрометрия используется в геологоразведке, но новый гамма-спектрометр нашел применение и в городской жизни — для экологического мониторинга. К примеру, выполняя полеты на ежедневной основе в городской черте, можно получать информацию о радиационном фоне в различных районах города в любое время.

«Уникальность разработки в том, что комплекс универсален, — поясняет Дмитрий Гоглев. — К нему можно подключить камеру, лидар, магнитометр либо любое другое дополнительное оборудование. Комплект программного обеспечения поможет справиться с управлением БПЛА, а также с обработкой всевозможной информации с различных полезных нагрузок. К примеру, программа QMCenter/Spectrometer сразу после полета выводит на экран компьютера интерполированную карту общего радиационного фона и энергии гамма-квантов в любой точке измерений. Это позволяет не только иметь оперативные данные, но и скорректировать направление дальнейших поисков прямо в поле».

Полеты на минимальной высоте

Для формирования наиболее точной картины работы выполняются в два этапа. На первом по заданным профилям ведется площадная съемка, во время которой запись производится интервалами длительностью одна секунда. Комплекс записывает показатели активности и энергии гамма-квантов, отмечая их координаты. На основе этих данных строится карта общего радиационного фона и — при необходимости — карта содержания отдельных элементов, обычно это уран, калий, торий. Определяются также участки с наибольшим излучением, представляющие интерес для исследователей.

Чтобы уточнить интенсивность энергий гамма-квантов в этих отдельных перспективных точках, на втором этапе работ беспилотник зависает над каждой из них на 10–15 минут. В результате формируется полная информация о количестве тех или иных квантов и их энергиях как на всей площади съемки, так и на отдельных ее участках.

«Комплекс “Геоскан 401 Гамма” выполняет полеты до 35 минут. За это время с учетом детального огибания рельефа квадрокоптер может преодолеть до 18 погонных километров профилей. Стоит учитывать, как и в других геофизических методах, что гамма-спектрометрия должна быть выполнена на минимально возможной высоте, так как рассеивание гамма-квантов с высотой увеличивается и полезной информации становится меньше. Поэтому ГК “Геоскан” использует собственную методику выполнения съемки, вычисляя перед геофизическими полетами на минимальной высоте истинный рельеф. Опыт компании в проведении аэрофотосъемочных работ позволяет получать до ста квадратных километров рельефа за сутки, эту работу выполняет бригада из двух человек. Тем самым мы не только добиваемся безопасности для оборудования, но и повышаем качество получаемых результатов», — рассказал Дмитрий Гоглев.

Характеристики «Геоскан 401 Гамма» и специальная технология съемки позволяют использовать комплекс для составления геологических карт крупных малоизученных территорий, поиска рудного сырья, нефти и газа, при радиоэкологическом мониторинге.

Комплекс уже применялся на нескольких объектах в России. Основными задачами для него было, в частности, геологическое картирование, выявление не вскрытых эрозией интрузивных тел различного состава, выделение и прослеживание рудоконтролирующих структур. В результате были получены карты содержания урана, калия и тория. По словам Дмитрия Гоглева, в 2021 году запланировано несколько работ с комплексом на больших площадях в России и Республике Казахстан. Для этих целей ГК «Геоскан» обучает специалистов, а также изготавливает большое количество приборов для возможности параллельного выполнения полетов на различных геологических участках.