Станция для дистанционного мониторинга подводной радиационной обстановки

Полезная модель относится к системам, предназначенным для радиационного контроля и мониторинга подводных потенциально опасных объектов (ППОО). Задачей полезной модели является осуществление дистанционного контроля и мониторинга ППОО. Станция состоит из подводного модуля, размещаемого на дне моря, и надводного модуля, размещаемого на судне-обеспечителе. Подводный модуль состоит из подводного гамма-спектрометра, электронного блока формирования и обработки сигналов и гидроакустической приемно-излучающей антенны. Надводный модуль состоит из гидроакустической приемно-излучающей антенны, блока формирования и обработки сигналов, терминала оператора, выполненного на базе ПЭВМ. В подводную часть станции могут быть дополнительно введены гидроакустический маяк-ответчик, устройство всплытия или всплывающий радиобуй, механически соединенные с подводным модулем. Заявленная полезная модель может быть использована для контроля и мониторинга ППОО, в том числе затонувших атомных подводных лодок, судов с АЭУ. Целесообразно устанавливать подводные модули на судах, перевозящих радиоактивные вещества, т.к. они могут потерпеть аварию, а оперативный подъем с больших глубин затруднителен. Технические результаты от использования полезной модели: - возможность управления и контроля режимами работы подводного гамма-спектрометра в зависимости от дистанционного анализа зарегистрированной информации о радиационной обстановке; - возможность периодического (с произвольными интервалами) снятия показаний и изменения рабочих характеристик гамма-спектрометра без поднятия его со дна моря.

Полезная модель относится к области радиационного контроля и мониторинга объектов и может быть использована для обеспечения информации о радиационной обстановке в районе расположения подводных потенциально опасных объектов (ППОО), в том числе при нарушении защитных средств на ППОО.

Станции (или комплексы) контроля радиационной остановки обычно состоят из двух основных частей: детектора физического поля источника радиоактивного излучения и устройства управления и контроля этим детектором. Контролируют активность объектов путем измерения спектрального состава зафиксированного излучения. В числе контролируемых физических полей основное внимание уделяют гамма-излучению, поэтому детекторы и в целом станции называют гамма-спектрометрами, имея в виду, по умолчанию, что управление работой гамма-спектрометра и обработка информации от него осуществляется программно-ориентированными средствами.

Гамма-спектрометр состоит из чувствительного элемента и электронной схемы, которая преобразует энергию гамма-квантов в электрическую, производит обработку сигнала и формирует информационные массивы, содержащие данные о радиационной обстановке и служебные данные (время экспозиции, даты и др.) [1]. Если имеется связь гамма-спектрометра с устройством управления и контроля, информация передается в реальном масштабе времени. При отсутствии возможности непосредственной связи информация запоминается в буфере гамма-спектрометра и хранится, пока не поступит команда на ее передачу.

Известны гамма-спектрометры (станции радиационного контроля), используемые для мониторинга экологической безопасности [2], контроля и мониторинга объектов, использующих радиоактивные материалы [3]. Все эти гамма-спектрометры (станции) успешно выполняют свои функции, но не могут быть использованы для контроля радиоактивных объектов, находящихся на дне Океана. К подводным гамма-спектрометрам предъявляются специфические требования, которым не отвечают указанные выше устройства:

- регистрация гамма-излучения должна осуществляться в водной среде;

- контроль радиоактивного излучения ведется на больших глубинах.

Известны подводные гамма-спектрометры [4, 5], которые принципиально способны контролировать радиационную обстановку подводных объектов. При работе гамма-спектрометры размещают внутри или вблизи обследуемого объекта, а регистрация осуществляется средствами, также располагаемыми в непосредственной близости от ППОО.

Наиболее близким по техническим и функциональным характеристикам к предлагаемому устройству является подводный гамма-спектрометр, описание которого и принцип работы представлены в [6]. Такой гамма-спектрометр успешно использовался для контроля и мониторинга аварийных атомных подводных лодок [7].

Устройство-прототип построено по традиционной схеме и состоит из детектора гамма-излучения (подводный гамма-спектрометр) и вычислительного устройства. Гамма-спектрометр размещался [6, 7] в непосредственной близости от источника радиоактивного излучения, вычислительное устройство - на борту обеспечивающего судна (обитаемого подводного аппарата). Устройство-прототип может работать в автономном или непрерывном режиме. При работе в автономном режиме размещенный на ППОО гамма-спектрометр производит измерения в соответствии с программой, которая устанавливается перед погружением с помощью бортового вычислительно устройства. После окончания цикла исследований в автономном режиме гамма-спектрометр подымается на борт судна и хранимая информация обрабатывается бортовьм вычислительным устройством.

Работа гамма-спектрометра в непрерывном режиме осуществляется при небольшом расстоянии между установленным на объекте гамма-спектрометром и судном-обеспечителем (до 50 м [6]). Гамма-спектрометр и бортовое устройство должны быть соединены кабелем. Режим измерений, характеристики гамма-спектрометра задаются командами с судна-обеспечителя (подводного аппарата); информация передается и принимается по соединительному кабелю.

Устройство-прототип имеет недостатки:

- невозможность дистанционного снятия информации, регистрируемой гамма-спектрометром;

- практическая невозможность длительного (месяцы и годы) мониторинга с контролем через короткие интервалы времени без подъема гамма-спектрометра;

- невозможность оперативного управления режимами работы и характеристиками измерения гамма-спектрометра (изменение экспозиции, интервалы между экспозициями, контрольные функции и др.);

- необходимость использования подводных аппаратов (на больших глубинах) или водолазов (на малых глубинах, если позволяет радиационная обстановка) для извлечения гамма-спектрометра при его работе в автономном режиме.

Задачей заявляемой Полезной модели является осуществление дистанционного контроля и мониторинга ППОО.

Техническими результатами предлагаемого устройства являются:

- возможность управления и контроля режимами работы подводного гамма-спектрометра в зависимости от дистанционного анализа зарегистрированной информации о радиационной обстановке;

- возможность периодического (с произвольными интервалами) снятия показаний и изменения рабочих характеристик гамма-спектрометра без поднятия его со дна моря.

Для достижения заявляемого технического результата в станцию для дистанционного мониторинга подводной радиационной обстановки, содержащую подводный модуль, включающий гамма-спектрометр и источник электропитания, и надводный модуль, включающий терминал оператора с функциональным программным обеспечением управления, обработки и регистрации, установленный на судне-обеспечителе, введены новые признаки, а именно: в подводный модуль введены последовательно соединенные первый блок формирования и обработки сигналов и первая гидроакустическая приемно-излучающая антенна, при этом первый блок формирования и обработки сигналов соединен с гамма-спектрометром, в надводный модуль введены последовательно соединенные вторая гидроакустическая приемно-излучающая антенна и второй блок формирования и обработки сигналов, при этом второй блок формирования и обработки сигналов соединен с терминалом оператора.

Для дистанционного снятия показаний мониторинга ППОО через определенное время после установки подводного модуля на дне моря судно-обеспечитель должно выйти на дистанцию связи с подводным модулем. Для удобства привода судна-обеспечителя в заявляемое устройство может быть введен гидроакустический маяк-ответчик, механически соединенный с подводным модулем. Предполагается, что судно-обеспечитель имеет штатную аппаратуру привода на гидроакустический маяк-ответчик [12].

Всплытие подводного модуля по окончании цикла обследования ППОО или по другим причинам может быть осуществлено с помощью устройства обеспечения всплытия, которое управляется дистанционно или работает по заданной программе и механически соединено с подводным модулем.

Для работы на небольших глубинах (до 500-600 м), подводный модуль может быть укомплектован всплывающим радиобуем, механически соединенным с подводным модулем. При всплытии радиобуй начинает работать по командам извне или по заданной программе. Кабель-трос, соединяющий буй с подводным модулем используется для поднятия модуля на борт судна-обеспечителя.

Сущность предлагаемого устройства поясняется фиг.1, где представлены основные элементы устройства и их связи.

Заявляемое устройство состоит из двух модулей: подводного и надводного, обмен информацией между ними осуществляется через водную среду.

Подводный модуль 1 имеет в своем составе последовательно соединенные гамма-спектрометр 2, первый блок формирования и обработки 3 и первую гидроакустическую приемно-излучающую антенну 4.

Надводный модуль 5 состоит из последовательно соединенных второй гидроакустической приемно-излучающей антенны 6, второго блока формирования и обработки 7, терминала оператора 8.

На фиг.1 не показаны гидроакустический маяк-ответчик, устройство, предназначенное для всплытия подводного модуля, и радиобуй. Эти устройства механически соединены с подводным модулем, а устройство всплытия и радиобуй еще связаны с подводным модулем электрически.

Блоки, входящие в заявляемое устройство, известны. Так, устройство гамма-спектрометра описано в [1]. Конструкции гидроакустических приемно-излучающих антенн и методы их расчета изложены в [8]. Блоки формирования и обработки представляют собой аппаратно-программные средства, описанные в [8], а алгоритмы формирования и обработки сигналов, передаваемых по гидроакустическому каналу, представлены, в частности, в книге [9]. Терминал оператора - это ПЭВМ с функциональным программным обеспечением. Устройства, предназначенные для всплытия подводного модуля, а также радиобуи, представлены изобретениями [10, II]. Сведения по гидроакустическим маякам-ответчикам, а также технические характеристики известных производителей изложены в книге [12]; предполагается, что судно-обеспечитель имеет аппаратуру для работы с маяками-ответчиками, поэтому такая штатная бортовая система не входит в заявляемое устройство.

Подводный модуль в целом представляет собой жесткую механическую конструкцию. Основные блоки подводного модуля - это гамма-спектрометр 2, гермоконтейнер, в котором размещается первый блок формирования и обработки 3, а также источник электропитания, и первая гидроакустическая приемно-излучающая антенна 4. Антенна устанавливается на наружной части гермоконтейнера, также к гермоконтейнеру крепится гамма-спектрометр. Гамма-спектрометр, гермоконтейнер и антенна соединяются кабелями. Принципиально источник электропитания может быть общим у гамма-спектрометра и электронного блока.

Гидроакустический маяк-ответчик целесообразно выполнить в виде отдельной конструкции, с собственным источником электропитания. Маяк-ответчик механически соединен с подводным модулем для удобства установки.

Устройство обеспечения всплытия должно представлять собой отдельную конструкцию, имеющую автономное электропитание, механически связанную с другими частями подводного модуля. Электрически устройство обеспечения всплытия соединяется кабелем с гермоконтейнером. Аналогичная механическая и электрическая связь должна быть и у всплывающего радиобуя.

Если заявляемая станция укомплектована маяком-ответчиком, а также устройством всплытия (или радиобуем), все эти устройства и подводный модуль должны быть соединены в единую конструкцию для погружения на дно моря.

Надводный модуль, аппаратура которого размещается на судне-носителе, целесообразно выполнить из трех отдельных частей. Вторая гидроакустическая приемно-излучающая антенна 6 выпускается на кабель-тросе при работе с подводным модулем, в походном положении она может быть отсоединена от электронной аппаратуры. Второй блок формирования и обработки 7, терминал оператора 8 - это типовые блочные конструкции, соединенные проводами; к блоку формирования и обработки 7 через разъем при работе с подводным модулем подсоединяется вторая гидроакустическая антенна 6.

Работа устройства разделяется на 3 этапа: 1-ый этап - установка подводного модуля; 2-ой этап - собственно контроль (мониторинг) ППОО; 3-ий этап - поднятие подводного модуля.

На 1-ом этапе гамма-спектрометр 2 и подводный модуль 1 в целом программируются на работу в начальном положении, вводятся начальные (исходные) данные, производится зарядка автономного источника (источников) электропитания подводного модуля. Если заявляемое устройство укомплектовано гидроакустическим маяком-ответчиком, устройством всплытия (радиобуем), источники электропитания этих устройств также заряжаются. Вся конструкция собирается и устанавливается в контролируемый участок акватории, выполняется контрольный сеанс связи надводного и подводного модулей. По окончании установки, если не требуется снимать текущие показания контроля радиационной обстановки, аппаратура, находящаяся на дне, переходит в «спящий» режим, характеризующийся минимальным энергопотреблением.

Второй этап по продолжительности определяется задачами и методикой контроля (мониторинга) ППОО. Если вместе с подводным модулем на дне установлен гидроакустический маяк-ответчик, с судна-обеспечителя, используя бортовую аппаратуру связи с гидроакустическим маяком-ответчиком, устанавливают контакт с маяком-ответчиком, выходят к месту погружения подводного модуля и устанавливают с ним контакт. При отсутствии маяка-ответчика выход к месту установки подводного модуля может осуществляться с помощью системы GPS или с помощью других, известных, навигационных средств.

После выхода на «цель» в терминале оператора 8 формируют управляющий сигнал, который подают на вход второго блока формирования и обработки 7. В этом блоке выполняется преобразование сигнала в вид, оптимальный для передачи по гидроакустическому каналу. Сформированный таким образом сигнал излучается второй гидроакустической приемно-излучающей антенной 6. После распространения через водную среду сигнал принимается первой гидроакустической приемно-излучающей антенной 4, декодируется первым блоком формирования и обработки 2, где формируется сигнал вывода гамма-спектрометра 1 из «спящего» режима. В первом блоке формирования и обработки 2 формируется сигнал готовности, который через антенну 4 передается на надводный модуль 5. Сигнал принимается антенной 6, преобразуется в блоке 7 и поступает на монитор терминала оператора 8.

По указанной выше схеме с судна-обеспечителя (надводный модуль) осуществляют изменения режима работы гамма-спектрометра, в том числе перевод из автономного режима в непрерывный, запрашивают и фиксируют информацию о радиоактивной обстановке. При мониторинге судно-обеспечитель периодически снимает необходимую информацию о радиоактивной обстановке в месте контроля. Обеспечение выхода судна с надводным модулем к месту установки подводного модуля осуществляется с помощью аппаратуры гидроакустического маяка-ответчика или других навигационных средств. Принципиально судно-обеспечитель с надводным модулем может осуществлять мониторинг нескольких ППОО, на которых установлены подводные модули.

Третий этап связан с окончанием работ по контролю (мониторингу) ППОО или с необходимостью перезарядки источника питания, замены вышедшего из строя подводного модуля. Если отработавший подводный модуль оставляют на дне, третий этап отсутствует. В противном случае необходимо поднять подводный модуль на борт судна-обеспечителя. Эта операция осуществляется с помощью подводных аппаратов [7] (водолазов), если отсутствует устройство всплытия (всплывающий радиобуй).

Если станция укомплектована устройством всплытия (не показано на фиг.1), для его активации с надводного модуля 5 посылают сигналы управления, которые принимаются подводным модулем 1, где в блоке 2 вырабатывается решение о приведении в действие устройства всплытия. Для удобства проведения работ в сравнительно мелководном районе подводный модуль заявляемого устройства может быть укомплектован всплывающим радиобуем (не показан на фиг.1). По заранее установленной программе или по командам с судна-обеспечителя буй выпускается на поверхность. Буй должен быть соединен тросом с подводным модулем, с помощью троса подводный модуль поднимают на судно-обеспечитель.

Если подводный модуль не надо поднимать со дна моря, нет необходимости снабжать подводный модуль устройством всплытия или радиобуем.

Таким образом, достигается заявленный технический эффект, состоящий в дистанционном контроле и мониторинге ППОО, а также в дистанционном управлении режимами работы и характеристиками детектора радиоактивного излучения - подводного гамма-спектрометра.

Заявляемое устройством может быть использовано для контроля и мониторинга подводных потенциально опасных объектов, в том числе затонувших атомных подводных лодок, судов с АЭУ. Целесообразно устанавливать подводные модули на судах, перевозящих радиоактивные вещества, т.к. они могут потерпеть аварию, а оперативный подъем с больших глубин затруднителен.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент РФ на полезную модель 65660. Гамма-спектрометр. МПК G01T 1/20. Заявл. 09.02.2007, опубл. 10.08.2007.

2. Патент РФ 2362186. Способ радиоэкологического мониторинга промышленного региона. МПК G01T 1/167. Заявл. 27.12.2007, опубл. 20.07.2009.

3. Патент РФ 2182343. Система дистанционного радиационного контроля состояния объекта. МПК G01 T1/167. Заявл. 29.12.1999, опубл. 10.05.2002.

4. Патент РФ 2298206. Комплекс контроля безопасного состояния ядерной энергетической установки на затонувшем объекте. МПК G01T 1/167. Заявл. 10.10.2005, опубл. 24.04.2007.

5. Степанец О.В. и др. Радиогеохимические исследования особенностей распределения радионуклидов в местах захоронения твердых радиоактивных отходов вблизи архипелага Новая Земля // Геохимия, 2006, 12. С.1315-1324.

6. Черняева A.M. и др. Радиационное обследование атомной подводной лодки «Курск» // Атомная энергия, 2002. Т.93, вып.3. С.236-240 (ПРОТОТИП).

7. Кобылянский В.В. и др. Обследование состояния АПЛ «Комсомолец» - Норвежское море, август 2007 // Морские испытания, 2007, 2. С.4-13.

8. Справочник по гидроакустике. Л.: Судостроение, 1988, гл.8

9. Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. М.: Сов. радио, 1970.

10. Патент РФ 2297939. Автономная позиционная станция с системой всплытия-погружения с кабель-тросом и способ ее применения. МПК В63В 22/06. Заявл. 11.04.2005, опубл. 20.10.2006.

11. Патент РФ на полезную модель 57019. Всплывающий подводный радиобуй. МПК G01S 1/04. Заявл. 25.10.2005, опубл. 27.09.2006.

12. Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. Корабельная гидроакустическая техника. СПб: Наука, 2004. С.123-127, 335-336.

1. Станция для дистанционного мониторинга подводной радиационной обстановки, содержащая подводный модуль, включающий гамма-спектрометр и источник электропитания, и надводный модуль, включающий терминал оператора с функциональным программным обеспечением управления, обработки и регистрации, установленный на судне-обеспечителе, отличающаяся тем, что в подводный модуль введены последовательно соединенные первый блок формирования и обработки сигналов и первая гидроакустическая приемно-излучающая антенна, при этом первый блок формирования и обработки сигналов соединен с гамма-спектрометром, в надводный модуль введены последовательно соединенные вторая гидроакустическая приемно-излучающая антенна и второй блок формирования и обработки сигналов, при этом второй блок формирования и обработки сигналов соединен с терминалом оператора.

2. Станция по п.1, отличающаяся тем, что в нее введен гидроакустический маяк-ответчик, механически соединенный с подводным модулем.

3. Станция по п.1, отличающаяся тем, что в нее введено устройство обеспечения всплытия подводного модуля или его отдельных частей, управляемое программно или дистанционно, механически и электрически соединенное с подводным модулем.

4. Станция по п.1, отличающаяся тем, что в нее введен всплывающий радиобуй, управляемый программно или дистанционно, механически и электрически соединенный с подводным модулем.