А.Е. Бахур, А.В. Стародубов, Т.М. Овсянникова, А.В. Гулынин, В.В. Коротков 
ФГБУ "ВИМС", Москва, Россия, lab@u238.ru

 А.Е. Bakhur, А.V. Starodubov, T.M. Ovsyannikova, А.V. Gulynin, V.V. KorotkovFSBI "VIМS", Moscow, Russia 

Дан анализ основных направлений развития аэро-гамма-спектрометрического метода с использованием компактных неохлаждаемых детекторов высокого разрешения на БПЛА, а также наземных радиоизотопно-геохимических методов. Показаны опыт использования и перспективы применения этих направлений при поисковых геологоразведочных работах и при радиоэкологических исследованиях.

This article provides the analysis of the key trends in development of airborne gamma-ray spectrometer surveying with small UAV-acquired high resolution uncooled detectors as well as terrestrial methods of radioisotopic geochemistry, with examples of their current and prospective application in geological prospecting and radioecological studies.

 

Идея о возможности обнаружения месторождений урана с высоты полета легких самолетов положила в 1946 г. начало развитию метода аэрогаммасъемки (АГС).

Техническая реализация метода осуществлялась под научным руководством академика Д.И. Щербакова и профессора В.И. Баранова. Экспериментальные исследования проводились над искусственными радиоактивными источниками и месторождениями Кураминского хребта (Тянь-Шань) с приборами ЯГ-1 и ЯГ-2, разработанными в 1946–1947 гг. конструкторами ВИМСа А.Л. 

Якубовичем и М.Б. Гольдфарбом. Было установлено развитие гамма-полей, уверенно регистрируемых на высотах до 150–300 м над эталонными объектами. На базе

ВИМСа было организовано обучение кадров аэропоисковых партий экспедиций Первого Главного геологоразведочного управления (ПГГУ). 

В 1949 г. впервые метод был применен для целей радиоэкологического мониторинга во время испытаний первой советской атомной бомбы. Непосредственное участие в этих работах обернулось лучевой болезнью для одного из основоположников аэрогамма-поисков, сотрудника ВИМСа А.Л. Якубовича (впоследствии – доктор технических наук, профессор, заслуженный геолог России, заслуженный изобретатель РСФСР (1987), лауреат премии Совета Министров СССР) [1]. 

Типичные объемы используемых детекторов на основе кристаллов NaI(Tl) составляли от 8 до 75 л. Примеры современных пилотируемых летательных аппаратов– носителей аэро-гамма-спектрометрической аппара-туры и аэрокомплексов для осуществления многокомпонентной геофизической съемки, представлены на рисунках 1а, б. Для целей радиоэкологии используют сборки из комбинированных сцинтилляционных и полупро водниковых детекторов, обладающие повышенной разрешающей способностью [2].

В качестве носителей аэрогеофизических станций в СССР на первых этапах применялись самолеты и вертолеты Ан-2, Ил-14, Ми-1, Ми-2, Ми-4, Ми-8. В дальнейшем стали применять Ан-26, Ан-30, Ми-8Т, Ка-26 и другие.  

К 2005 г. примерно 98% территории РФ были покрыты аэро-гамма-съемкой различных масштабов [3].  

В настоящее время бурное развитие беспилотной авиации и миниатюризация электронных компонентов дали толчок к размещению гамма-радиометрической и спектрометрической аппаратуры на компактных беспилотных летательных аппаратах (БПЛА). Изначально

БПЛА предполагалось использовать для разведки и мониторинга радиационной обстановки при чрезвычайных происшествиях на объектах использования ядерной энергии, для минимизации облучения задействованного персонала. После радиационной аварии на объекте Токаймура (1999) в Японии был создан дозиметрический комплекс на базе беспилотного вертолета RMAX (Yamaha) [4]. На 2008 г. эксплуатировалось более 2000 RMAX. При массе БПЛА 94 кг полезная нагрузка составляет 10 кг, при продолжительности полета от 60 до 90 минут. 

Испытания БПЛА проводились на высоте 3 м от дневной поверхности, при скорости 7 км/ч. Залеты эталонной площади позволили уверенно обнаружить радиоактивную аномалию, роль которой выполняли мешки калийных удобрений. Четко фиксировалась разница между уровнями природного фона над сушей и водной поверхностью.  

Модифицированный вариант RMAX G1 был использован для разведки радиационной обстановки во время аварии на АЭС Фукусима (2011) [5]. Он был укомплектован гамма-спектрометром ARMS на основе трех детекторов LaBr3:Ce размерами 38 x 38 мм (рис. 1в). Как видно из приведенного в публикации [5] энергетического спектра, полученного на высоте 100 м, энергетического разрешения в 2,8% (661 кэВ) оказалось достаточно для уверенного разделения пиков ¹³⁷Cs и ¹³⁴Cs. 
 

Рис. 1. Современные пилотируемые и беспилотные АГС] комплексы: а –пилотируемый вертолетный комп] лекс HUMMINGBIRD (McPHAR, Канада) для осуществления АГС (детектор объемом 16,8 л или 4,2 л),аэромагнитной и электромагнитной съемок [16]; б – пилотируемый вертолет с АГС] комплексом на основе детекторов большого объема (показаны стрелками) (National Security Technologies, США) [17]; в – беспилотный вертолет (AUH), модель RMAX G1 (Yamaha Motor Co., Ltd, Shizuoka, Japan) с гамма]спектрометром ARMS [4]; г – мультикоптер (UAV) c гамма]спектрометрическим комплексом на основе CZT детектора объемом 1 см3 (University of Bristol, Великобритания) [10]

 

Исходящая информация от измерительной аппаратуры передавалась на наземную станцию по радиоканалу через ретранслятор и отображалась на карте в реальном

времени, аэрогаммасъемка выполнялась в автоматическом режиме по заложенной программе. Авторы [5] приводят карты уровня радиоактивного загрязнения

местности, построенные по результатам аэрогаммасъемки пилотируемым и беспилотным летательными аппаратами (рис. 2). 

Большинство полетов БПЛА выполнялось со скоростью 29 км/ч на высоте 80 м над землей, как компромисс между обеспечением безопасности полета и воспроизводимостью данных. Расстояние между параллельными галсами было выбрано также 80 м. Пилотируемый вертолет Bell-430 проводил съемку с высоты 300 м над землей с шагом 1,85 км гамма-спектрометром с детекторами большого объема [6]. 

На представленных картах видна значительно лучшая детальность съемки БПЛА, обеспеченная такими эксплуатационными преимуществами АГС-комплекса как густая сеть маршрутов и высокое разрешение спектрометра.

Благодаря своей дешевизне и широким возможностям к адаптации под различные нужды, беспилотные аппараты на мультикоптерных платформах нашли свое применение и для аэрогаммасъемки.  

На Украине аэро-гамма-спектрометрический комплекс на базе x8 мультикоптерного БПЛА успешно применялся для поиска и оконтуривания скрытых захоронений радиоактивных отходов в зоне отчуждения ЧАЭС [7]. Гамма-спектрометр построен на базе пяти синхронно работающих блоков NaI(Tl) 63 x 63 мм. Общий вес спектрометра составляет 7,5 кг. Полеты выполнялись на высоте 30 м со скоростью 18 км/ч параллельными галсами с интервалами 100 м.  

Аппарат с более совершенным оборудованием использовался специалистами из Великобритании для радиоэкологических исследований (рис. 1г). На x6–x8

мультикоптерный БПЛА массой 7 кг и грузоподъемностью 5 кг был установлен гамма-спектрометр GR-1 Kromek (Великобритания) и лидар Acuity AR2500, позволяющий с высокой точностью определять высоту полета. Спектрометр GR-1 Kromek [8] имеет массу 60 г, мощность четверть ватта, основан на CZT-детекторе (теллурид кадмия) размерами 10 x 10 x 10 мм и энергетическим разрешением 2–2,5% по линии 661 кэВ (рис. 3). Все

данные с частотой 10 Гц сохраняются в энергонезависимую бортовую память и передаются на базовую станцию в реальном времени. На рисунке 4 представлены

примеры спектров естественных и техногенных радионуклидов, полученные при помощи этого спектрометра. Его разрешающая способность позволяет однозначно определять природу радиоактивных аномалий, оценивая соотношения между специфичными радионуклидами.  

Результаты аэро-гамма-съемки, полученные при помощи мультикоптера (2,5 м над поверхностью) и наземной гамма съемки (1 м над поверхностью) (рис. 5),  
 

Рис. 2. Результаты применения беспилотного и пилотируемого аппаратов в аварийной зоне АЭС Фукуси] ма: а – сеть полетов БПЛА (белые линии – ЛЭП); б, в – карты изолиний интегральной МЭД гамма] излучения (мкЗв/ч) на уровне 1 м над землей, полученные при помощи БПЛА и пилотируемого вер] толета Bell]430 [5]
 

Рис. 3. Устанавливаемый на БПЛА гамма]спектрометр GR]1 Kromek (Великобритания) и его основные характеристики [8]

 

Рис. 4. Примеры гамма]спектров, полученных на аэрогамма]спектрометре GR]1 Kromek: а – над гранитным массивом (238U и дочерние продукты распада) [9]; б – над зоной загрязненной аварийными выбросами АЭС Фукусима (134Cs и 137Cs) [10]

 

Рис. 5. Карты радиоактивности, построенные по результатам аэрогаммасъемки спектрометром GR]1 Kromek на высоте 2,5 м (а), и пешеходной гамма]съемки (б) [9]

 

Рис. 6. Результаты гамма]спектрометрической съемки зоны влияния уранодобывающих предприятий в районе Конуэла (Великобритания), полученные с использованием системы на базе 8Х мультикоптера и гамма]спектрометра GR]1 [11]
 

проведенные одним и тем же спектрометром GR-1Kromek, указывают на высокую сходимость данных. На эталонной площадке в качестве источника использовали два образца слюдистого гранита общей активностью 90 Бк (I) и 170 Бк (II) [9]. 

Мультикоптерный БПЛА в качестве платформы для аэро-гамма-спектрометрической аппаратуры имеет ряд преимуществ: способность выполнять полеты на высоте менее 5 м со скоростью порядка 3,5 км/ч, автоматизированные процедуры взлета, съемки и посадки, возможность детализации выявленных аномалий методом зависания над ними или приземления для набора спектров, способность осуществлять съемку вертикальных поверхностей за счет использованием гиростабилизированного подвеса спектрометра, что широко использовалось при обследовании зоны загрязнения на АЭС Фукусима [10].  

Опубликованных результатов непосредственного применения АГС-БПЛА в целях поисков месторождений радиоактивных руд пока не найдено. В качестве аналога поисковой площади для разведки радиоактивных руд могут быть представлены данные об обследовании радиоэкологического наследия рудника Южный Террас, расположенного в Великобритании (рис. 6) [11]. Этот рудник служил источником высококачественной урановой и радиевой руды с 1870 по 1930 гг. Аэрогаммасъемка проводилась на высоте от 5 до 15 м, на скорости 5,5 км/ч.  

Технологии, лежащие в основе мультикоптеров (аккумуляторы, навигационные системы, бортовое оборудование) стремительно развиваются. Например, мультикоптерный БПЛА, снабженный водородно-воздушными топливными элементами разработки ИПХФ РАН, в испытаний под открытым небом находился в воздухе более 3 ч [12].  

Появились высокоразрешающие гамма-спектрометры весом до 100 г, компактные фотоэлектронные умножители на основе полупроводниковых светочувствительных матриц [13], обладающие низким энергопотреблением, и механической прочностью по сравнению с традиционными ламповыми ФЭУ.  

Недостаток эффективности регистрации кристаллов малого объема компенсируется малыми высотами полета БПЛА – до 1,5 м, малыми скоростями – до 3,5 км/ч, густой сетью опробования – до 1,5 м между профилями.  

Кроме того, миниатюризации подвергается и другое оборудование, обычно используемое для геофизической многокомпонентной съемки: магнитометры (БКДМ ООО "Геоскан", РФ; GEM Systems, Канада) [14], гравиметры массой до 100 г, созданные по технологии MEMS [15].  

Таким образом, развитие и совершенствование компактных гамма-спектрометров с неохлаждаемыми высокоразрешающими детекторами и применения легких

БПЛА для аэрогаммасъемки открывает широкие перспективы для использования в радиоэкологии, радиационном мониторинге загрязненных территорий и зон влияния предприятий ядерно-топливного цикла, геологоразведочных поисковых работах на радиоактивное сырье (уран, редкие и редкоземельные элементы и др.).  

Очевидны преимущества таких систем, обусловленные возможностью комплексирования методов аэрогеофизической съемки, проведения как детальной съемки участков, так и одновременной заверкой аномалий в соответствии с заложенной программой исследований. Уже сейчас технологии аэрогаммасъемки БПЛА позволяют им конкурировать с традиционными пилотируемыми летательными аппаратами и пешеходной гаммасъемкой при поисковых геологоразведочных работах.  

По нашему мнению, необходимо развивать это крайне перспективное направление в России, с созданием современных систем аэрогеофизических съемок, установленных на компактные автономные БПЛА, формировать адекватное современным реалиям законодательство по использованию БПЛА.  

Несмотря на очевидные ограничения по доступности сведений о современных технологиях радиоизотопно-геохимических исследований в электронных источниках, связанными с коммерческими соображениями авторов или правообладателей, можно сделать вывод об активном развитии и совершенствовании этих методов с целью повышения достоверности локального прогноза уранового оруденения на основе использования высокочувствительных низкофоновых радиометрических и спектрометрических систем, новых изотопных параметров и соотношений между ними, создания научно-методических основ интерпретации радиоизотопных данных.  

Анализ имеющихся данных показывает, что для решения поставленных задач в области полевых радиоизотопно-геохимических технологий наиболее перспективны определения активностей изотопов ЕРН и анализизотопных отношений

²³⁴U/²³⁸U, ²³⁰Th/²³⁴U, ²²⁶Ra/²³⁰Th,

²³⁰Th/²³⁸U, ²²⁶Ra/²³⁸U, ²⁰⁶Pb/²³⁸U, ²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb, ²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb,

²⁰⁶Pb/²³⁸U, ²¹⁰Po^/210Pb

 

Для опробования рекомендуются использовать почвы, растительность, природные воды.

Перспективно использование технологий экстракции подвижных форм элементов из почвенных проб, например метода подвижных ионов металлов (MMI), разработанного в Национальном университете Австралии. Технология MMI разрабатывалась с 1990 г. в Австралии и полностью была реализована в Технологическом парке г. Перт (Австралия) с образованием Центра геохимических исследований. В настоящее время технология в достаточной степени развилась и усовершенствовалась, правами на ее реализацию обладает компания "Wamtech Pty. Ltd." (Австралия). Наименования процедур MMI от пробоподготовки до интерпретации результатов ("Mobile MetalIon Process", "Mobile MetalIon Analysis" и "Mobile MetalIon Technology") зарегистрированы в качестве товарного знака компанией "Wamtech Pty. Ltd".  

Весьма перспективен и изотопно-почвенный метод (ИПМ), разработанный и постоянно совершенствуемый в ФГУП "ВИМС" (г. Москва).  

Рекомендуется комплексировать как сами радиоизотопные методы, например, модификации ИПМ с получением отношений 210Po/210Pb и 234U/238U в почвенных вытяжках, так и радиоизотопию с методами определения элементного состава (определение элементов-индикаторов: Mo, Se и др.) и геофизическими технологиями. 

Среди геохимических методов, которые применяются за рубежом, рекомендуются определение следовых элементов (U, B, Pb, Ni, Co, Cu, As и др) в керне горных пород, растительности, в торфяных отложениях, почвах и донных отложениях, измерения радона в почвах и скважинных водах ("Cameco Corporation", "AREVA Resources Canada Inc.", Канада). Рекомендуется комплексирование радиоизотопно-геохимических методов с аэро- и наземной спектрорадиометрической съемкой с использованием портативных полевых гамма-спектрометры с высокоразрешающими детекторами компаний "АМЕТЕК Inc.", "eV-Products Inc.", "Thermo Fisher Scientific Inc."

(США), "Terraplus Inc.", "RadComm Systems" (Канада), а также с методами структурной геофизики – VLF-зондированием проводимости пород (установление зон разломов), электромагнитной разведкой ("INPUT" – аэросъемка, "Deep EM", "TURAM" и др.), гравиразведкой, сейсмометрией, скважинными методами. 

Радиоизотопные исследования должны обеспечиваться современным уровнем аппаратурных разработок – использованием высокочувствительных низкофоновых радиометрических и спектрометрических комплексов, жидкостных сцинтилляционных счетчиков и др. – "АМЕТЕК Inc.", "Canberra Industries Inc.", "PerkinElmer Inc.", "Ordela Inc" (США), "BERTHOLD TECHNOLOGIES GmbH & Co" (Германия).  

В изотопно-почвенном методе (ИПМ) и его современных модификациях используются оригинальные аттестованные методики определения 210Po и 210Pb, подвижных 
 

Рис. 7. Карта распределения значений комплексного изотопного параметра (КИП) на юго]восточном фланге месторождения Северный Харасан [18]

 

форм изотопов урана 234U и 238U в пробах почв, адаптированные под отечественные и импортные низкофоновые альфа-бета-радиометры и альфа-спектрометры. 

Одним из последних успешных примеров применения комплекса ИПМ являются результаты работ 2013 г. на ю-в фланге месторождения пластово-инфильтрационного типа Сев. Харасан [18]. Оруденение контролируется региональными фронтами зон пластового окисления, протяженность рудных залежей составляет 10-12 км при ширине 200–250 м и глубине залегания до 800 м. Средняя сеть опробования 250 м x 2–3 км. 

Всего на площади отобрано 400 проб, с анализом на ²¹⁰Ро, ²¹⁰Pb, подвижные формы изотопов ²³⁴U и ²³⁸U.

Анализ полученных материалов позволил сделать вывод, что все аномальные ореолы КИП, как протяженные, так и локальные, располагаются на поверхности в пределах рудных аккумуляций, вскрытых скважинами на глубине (рис. 7).  

В результате исследований установлена возможность выявления способом ИПМ глубокозалегающих (до 700 м и более) урановорудных залежей в горизонтах платформенного чехла под мощными перекрывающими толщами.  

ИПМ отчетливо фиксируются ореолы в почвенном слое, проникающие как в результате турбулентной струйной миграции от находящихся на глубине руд тел на поверхность, так и по проницаемым тектоническим зонам вследствие миграции радона. Такая же картина отмечается и по другим рудным объектам региона. 

ИПМ является эффективным методом поисков месторождений урана инфильтрационного генезиса в платформенных отложениях. Метод включен в комплекс поисковых работ АО "Волковгеология" как опережающий наземный способ выявления по ореолам рассеяния глубокозалегающих месторождений и уже используется в проектах поисковых работ на выделенных перспективных площадях. ИПМ предоставляет возможность получения новой специфической информации для прогнозной оценки ураноносности артезианских бассейнов, их частей, блоков и, что наиболее важно, для оценки возможной рудомобилизующей роли конкретных очагов разгрузки подземных вод различных типов. 
 

Литература 

1. Урановой геологии ВИМСа – 70 лет / под ред. проф. Г.А. Машковцева ; сост. С.И. Ануфриева, А.Е. Бахур, Н.Г. Беляевская и др. – М., 2013.

2. Лаборатория радиационного контроля ЛРК]1 МИФИ [Электронный ресурс]. – URL: http://www.radiation.ru/research/AGSC.htm.

3. International Atomic Energy. Agency Radioelement mapping. – Vienna, 2010. – P. 85–86.

4. A remote radiation monitoring system using an autonomous unmanned helicopter for nuclear emergencies / Shin]ichi Okuyama, Tatsuo Torii, Akihiko Suzuki et al. // Journal of Nuclear Science and Technology. – Suppl. 5. – P. 414–416.

5. Aerial radiation monitoring around the Fukushima Dai]ichi nuclear power plant using an unmanned helicopter /Yukihisa Sanada, Tatsuo Torii // Journal of Environmental Radioactivity. – 2015. – [Vol.] 139. – P. 294–299.

6. Results of the sixth airborne monitoring and airborne monitoring out of the 80 km zone of Fukushima Dai]ichi NPP (accessed to Nov. 2013) [Электронный ресурс]. –URL: http://radioactivity.nsr.go.jp/en/contents/7000/6099/view.html.

7. Забулонов Ю.Л., Буртняк В.М., Золкин И.О. Аэрогамма]спектрометрическое обследование в Чернобыльской зоне отчуждения на базе БПЛА типа октокоптер // Вопросы атомной науки и техники. – 2015. – № 5(99).– С. 163–167.

8. Kromek GR1 User Guide [Электронный ресурс]. – URL: http://www.kromek.com/images/GR1_User_Guide.pdf.

9. MacFarlane J.W., Payton O.D., Keatley A.C. Lightweight aerial vehicles for monitoring, assessment and mapping of radiation anomalies // Journal of Environmental Radioactivity. – 2014. – [Vol.] 136. – P. 127–130.