В
вулканологии используется много разнообразных приборов. Некоторые из
них очень сложные, и изготавливаются на больших предприятиях и стоят
очень дорого. А некоторые просты и их можно сделать своими руками в
условиях учебной лаборатории или гаража.
Кстати о гараже. Знаменитая фирма Hewlett Packard начиналась в
небольшом гараже. Он кстати до сих пор сохранился. Начальный
капитал составлял всего $538, а первым офисом компании был обыкновенный
гараж в Пало-Альто (Калифорния). |
A wide variety of instruments are used in volcanology.
Some are highly complex, manufactured at large facilities, and very
expensive. Others are simple and can be built by hand in a teaching
laboratory or a garage.
Speaking of garages, the famous company Hewlett-Packard
got its start in a small garage—which, incidentally, still stands
today. The initial capital was just $538, and the company's first
office was an ordinary garage in Palo Alto, California.
|
Так что, у Вас
есть большие шансы создать свое собственное направление. Для этого
нужны только руки и голова.
|
So, you have a great chance of creating your own niche.
All you need for that is a pair of hands and a head on your shoulders.
|
Ну во-первых, а
зачем вообще нужен подводный радиозонд, и причем тут радиация.
Вулканические кратерные озера представляют собой идеальное место,
что бы заглянуть к вулкану как можно ближе. Но эту возможность
вулкан строго охраняет, создав серъезное препятствие в виде жидкости в
озере очень высокой кислоты, практически как электролит в аккумуляторе
вашего автомобиля, и довольно часто и еще имеющей температуру более 100
градусов Цельсия. В таких условиях работа электронного
оборудования подвержена серьъзным трудностям.
|
First of all, why is an underwater radiosonde needed in
the first place, and what does radiation have to do with it?
Volcanic crater lakes offer an ideal vantage point for
getting as close as possible to a volcano. However, the volcano
fiercely guards this opportunity by creating a formidable obstacle: the
lake water is highly acidic—much like the electrolyte in your car
battery—and often exceeds 100 degrees Celsius in temperature. Operating
electronic equipment under such conditions presents serious challenges.
|
Наряду с
уровнем радиации ученым необходима информация о температуре на дне
вулканического озера, содержании газа радона, уровня кислотности
и множества других параметров. Ведь дно вулканического озера
непосредственно соприкасается с выходом различных газов из вулкана.
|
In addition to radiation levels, scientists require
information on the temperature at the bottom of the volcanic lake,
radon gas content, acidity levels, and a host of other parameters.
After all, the lakebed is in direct contact with various gases escaping
from the volcano.
|
Почему есть
смысл начинать деятельность в этом направлении с измерения гамма фона
на дне озера? В этом случае имеется простое техническое решение.
А уже после отработки измерения гамма фона, можно добавлят к радиозонду
дополнительные датчики.
|
Why does it make sense to begin work in this area by
measuring the gamma background at the bottom of the lake? In this case,
there is a simple technical solution available. Once the gamma
background measurement process has been refined, additional sensors can
be added to the radiosonde.
|
Такой радиозонд
крайне необходим для опасных для жизни исследователя
вулканических озер, где даже находится на берегу озера опасно для
жизни.
Подводный радиозонд должен передавать информацию беспроводным методом
(радиоволны, электромагнитная связ, аккустическая связь) на приемное
устройство распологаемое на берегу или вдали от берега для
безопасности.
Такой радиозонд должен иметь простое дешевое устройство, так как
практически - это одноразовый прибор, подобно метеорологическому
радиозонду, который запускается в атмосферу и он летит в направлении
ветра.
|
Such a radiosonde is essential for investigating
volcanic lakes that pose a threat to the researcher's life—situations
where even standing on the shore is dangerous.
The underwater radiosonde must transmit data wirelessly
(via radio waves, electromagnetic signals, or acoustic communication)
to a receiver located on the shore or at a safe distance away from it.
The device should be simple and inexpensive, as it is
essentially a disposable instrument—much like a meteorological
radiosonde launched into the atmosphere to drift with the wind.
|
В нашем случае,
мы опускаем радиозонд на дно озера, или с помощью лодки, если озеро
безопасно, или с помощью квадрокоптера или беспилотного
радиоуправляемого катера, если озеро опасно для жизни. И радиозонд
передает информацию со дна озера, пока не закончится ресурс
электрических батарей (источников питания) несколько месяцев.
|
In our case, we lower the radiosonde to the
lakebed—either using a boat, if the lake is safe, or via a quadcopter
or an unmanned radio-controlled boat, if the lake poses a danger to
life. The radiosonde then transmits data from the lakebed until its
batteries (power sources) run out, a process that takes several months.
|
Основная часть
подводного радиозонда - это корпус. Корпус должен выдерживать
давление в 10 - 20 атмосфер в зависимости от глубины озера.
Лучшее решение - это изготавливать корпус конкретно для нужной глубины.
Материал корпуса также должен выдерживать высокий уровень кислотности
жидкости озера.
Собственно говоря, время жизни подводного радиозонда определяется
временем работы источников электропитания. И отсюда можно определять
время жизни корпуса.
|
The main component of the underwater radiosonde is its
housing. The housing must withstand a pressure of 10 to 20 atmospheres,
depending on the lake's depth. The best approach is to manufacture the
housing specifically for the required depth. The housing material must
also be able to withstand the high acidity of the lake water.
Essentially, the operational lifespan of the underwater
radiosonde is determined by the service life of its power sources; the
lifespan of the housing can be established based on this.
|
| Например, если
использовать два литиевых
высокотемпературных элемента включенных параллельно ёмкостью 28
Ампер часов, то при среднем токе потребления электронной частью прибора
в 25 мА время непрерывной работы работы составит 3 месяца. Здесь
есть перспектива увеличения длительности время работы, за счет
использования различных дополнительных источников получения
электроэнергии. Т.е. корпус должен иметь время жизни около полугода. В
качестве материала можно использовать капролон, который легко
обрабатывается, и имеет низкую цену. |
For example, if two high-temperature lithium cells with
a capacity of 28 Ah are connected in parallel, the device will operate
continuously for three months given an average current consumption of
25 mA by its electronic components. There is potential to extend this
operating time by incorporating various auxiliary power sources;
essentially, the housing needs to have a service life of approximately
six months. Caprolon is a suitable material choice, as it is
inexpensive and easy to machine.
|
Форма корпуса -
цилиндр. Данная форма позволяет выдерживать значительное давление.
|
The body is cylindrical in shape. This shape allows it
to withstand significant pressure.
|
| Корпус
подводного радиозонда. |
|
|
Для
погружения на 100 метров не требуется избыточно тяжелый титановый
корпус. Оптимальным решением становится использование композитного или
полимерного прочного корпуса с внешней защитой.
- Конструкция:
Цилиндрический корпус из PTFE
(тефлона) или PVDF,
усиленный внутренним силовым каркасом из высокотемпературного
углеволокна. При толщине стенок всего 8–10 мм такой цилиндр легко
выдержит 11 атм.
- Герметизация:
Одинарные или двойные уплотнительные кольца из Viton
(FKM). При 100 °C этот материал сохраняет
полную эластичность и химическую стойкость к кислотам десятилетиями.
|
A heavy, solid titanium housing is not required for
diving to a depth of 100 meters. The optimal solution is a durable
composite or polymer housing with external protection.
* Construction: A cylindrical housing made
of PTFE (Teflon) or PVDF, reinforced with an internal structural
framework of high-temperature carbon fiber. With a wall thickness of
just 8–10 mm, such a cylinder easily withstands 11 atm.
* Sealing: Single or double Viton (FKM)
O-rings. At 100°C, this material retains full elasticity and chemical
resistance to acids for decades.
|
- Высокотемпературная
электроника : Использование компонентов
индустриального класса (Automotive
/ Industrial Grade), сертифицированных для
работы до +125 °C. В этом случае сложная система охлаждения не
требуется.
|
High-temperature electronics: Use of industrial-grade
(Automotive/Industrial Grade) components certified for operation up to
+125°C. In this case, a complex cooling system is not required.
|
| Сапфировое окно. |
|
<>Особенности
радиационного детектора при 100 °C
- Выбор
сенсора: Используется
высокотемпературный счетчик Гейгера, работающий при
температуре +100 градусов Цельсия.
- Окно
сканирования: Оптимально использовать
пластину из синтетического
сапфира толщиной 1 мм с напылением
алмазоподобного углерода (DLC). Сапфир выдержит 11 атм, не растворится
в кислоте при 100 °C и пропустит жесткое бета- и гамма-излучение.
Монокристаллический
сапфир сохраняет свою прочность при высоких температурах, имеет
превосходную прозрачность и хорошие теплофизические свойства.
Монокристаллический сапфир химически устойчив к щелочам и кислотам при
температурах вплоть до 1000 °C.
Сапфировые
плоскопараллельные пластины (лейкосапфировые окна) могут использоваться
в агрессивных средах, когда требуется оптическая прозрачность в
диапазоне от видимого до ближнего ИК-спектра.
|
Radiation detector specifications for 100°C operation
* Sensor selection: A high-temperature
Geiger counter capable of operating at +100°C is used.
* Scanning window: The optimal choice is a 1
mm thick synthetic sapphire plate with a diamond-like carbon (DLC)
coating. Sapphire withstands 11 atm of pressure, resists acid
dissolution at 100°C, and allows the transmission of hard beta and
gamma radiation.
Monocrystalline sapphire retains its strength at high
temperatures and exhibits excellent transparency as well as favorable
thermophysical properties. It is chemically resistant to alkalis and
acids at temperatures up to 1000°C.
Plane-parallel sapphire plates (leucosapphire windows)
can be used in harsh environments where optical transparency is
required across the visible to near-infrared spectral range.
|
Вторым по значимости
узлом подводного радиозонда является блок
детектирования. В нашем случае используеться два высокотемпературных
счетчика Гейгера-Мюллера трубчатого типа.
На глубине 100 метров, прямого измерения альфа и бета излучения
произвести невозможно. Можно измерить только гамма излучение.
Почему?
Расстояние которое проходят альфа частицы в воздухе составляет
несколько миллиметров, а в воде практически ноль. |
The second most important component of the underwater
radiosonde is the detection unit. In our case, two high-temperature
Geiger-Müller tube counters are used.
At a depth of 100 meters, it is impossible to directly
measure alpha and beta radiation; only gamma radiation can be measured.
Why? The distance alpha particles travel in air is a few millimeters,
whereas in water it is practically zero.
|
Для измерения
альфа излучения в воздухе на поверхности Земли используются специальные
счетчики, у которых окно сделано из тончайшей пленки, которая позволяет
проникать альфа частицам внутрь счетчика и создавать условия для ее
регистрации. Ни одна из существующих пленок, не сможет выдержать
давление на глубине 100 метров. Таким образом на дне вулканического
озера мы можем произвести замер только гамма фона.
|
To measure alpha radiation in the air at the Earth's
surface, specialized counters are used; these feature a window made of
an ultra-thin film that allows alpha particles to enter the counter and
be detected. No existing film can withstand the pressure at a depth of
100 meters. Consequently, at the bottom of a volcanic lake, we can
measure only the gamma background.
|
| Гамма излучение
обладает хорошей проникающей способностью. Но и оно в
значительной степени может задерживаться стенками корпуса радиозонда.
Для того чтобы исключить эту задержку, можно использовать специальные
окна из сапфира. Сапфир - замечательный материал. Сапфировое окно
толщиной 3 мм практически не ослабляет гамма-излучение и может
выдерживать давление на губине 100 метров в 11 атмосфер. Но в этом
случае целесообразно использовать торцевые гамма счетчики, которые
распологаются практически вплотную к сапфировому окну. |
Gamma radiation has high penetrating power; however, it
can still be significantly attenuated by the walls of the radiosonde
housing. To eliminate this attenuation, special sapphire windows can be
used. Sapphire is an excellent material: a sapphire window 3 mm thick
causes virtually no attenuation of gamma radiation and can withstand
the 11-atmosphere pressure found at a depth of 100 meters. In this
case, however, it is advisable to use end-window gamma counters
positioned almost flush against the sapphire window.
|
Но мы отвлеклись на
некоторые специальные вопросы.
А наша задача изготовить подводный радиозонд в очень экономичном
варианте, это ведь практически одноразовый прибор. Опустили
на дно опасного озеро, он там и работает.
|
But we have digressed into some specialized issues.
Our task, however, is to produce an underwater
radiosonde—a highly cost-effective version, since it is essentially a
disposable device. You lower it to the bottom of a hazardous lake, and
it simply operates there.
|
Определим
последовательность выполнения этой работы.
Но сначала стоставим список приборов и инструмента, который нам
понадобится, а затем список деталей, из которых мы будем собирать
радиозонд.
|
Let us
determine the sequence of operations for this task. But first, we will
compile a list of the instruments and tools we will need, followed by a
list of the components used to assemble the radiosonde.
|
1. Приборы и
инструмент.
1. Мультиметр, обычно называемый тестером. Прибор с помощью которого мы
можем измерять напряжение, ток, сопротивление. Этот прибор нам
обязательно необходим. Без него мы будем как без рук. В настоящее время
в продаже есть огромный выбор мультиметров. Нам, в принципе подойдет
самый простой.
|
1. Instruments and tools.
1. A multimeter, commonly referred to as a tester. This
is an instrument used to measure voltage, current, and resistance. It
is an essential tool; we would be lost without it. A vast array of
multimeters is available on the market today. In principle, even the
simplest model will suffice for our needs.
|
2. Осциллограф.
Раньше, на заре электроники, радиотехники - это были дорогие
дорогостоящие приборы, Тяжелые, большие. А сейчас, осциллограф такого
же размера как мультиметр, и по цене почти такой же, ну чуть дороже.
Обычно, такие приборы есть в любой лаборатории.
|
2. The oscilloscope. In the
early days of electronics and radio engineering, these were expensive,
bulky, and heavy instruments. Nowadays, however, an oscilloscope is
about the same size as a multimeter—and costs roughly the same, or
perhaps just a little more. Such instruments are standard equipment in
any laboratory. |
3. Паяльник.
Самый популярный инструмент для работы с электронными схемами. В нашем
случае это небольшой паяльник мощностью 40 ватт, он позволяет
паять как микросхемы и транзисторы, так и провода и контакты.
К паяльнику необходим припой. Это сплав олова и свинца, с помощью
расплавления которого и осуществляется соединение проводов, контактов,
выводов.
|
3. Soldering iron. This is the most popular tool for
working with electronic circuits. In this case, we are using a small,
40-watt soldering iron; it allows you to solder everything from
microchips and transistors to wires and contacts.
You also need solder for the soldering iron. This is a
tin-lead alloy that is melted to join wires, contacts, and leads
together.
|
| Припой - припоем, но
необходим еще флюс, с помощью которого
осуществляется качественная пайка. Флюс существует в трех видах: самый
популярный вид - твердый - канифоль, настоящая сосновая. Как видно из
названия - делается канифоль из сосны. Канифоль основа двух остальных
вфидов флюса. Жидкий флюс - это практически расплав канифоли в спирту,
и
флюс-гель, в виде пасты, в состав которой входят не только канифоль и
спирт, но и различные добавки, различные химические соединения. Я
предпочитаю пользоваться чистой канифолью и флюсом-гелем. |
Solder is one thing, but flux is also
essential for high-quality soldering. Flux comes in three forms: the
most popular is the solid type—rosin, specifically genuine pine rosin.
As the name suggests, it is made from pine. Rosin serves as the base
for the other two types of flux. Liquid flux is essentially a solution
of rosin in alcohol, while flux gel is a paste containing not only
rosin and alcohol but also various additives and chemical compounds. I
prefer using pure rosin and flux gel. |
Для обрезания и
зачистки проводов и контактов нам необходимы бокорезы, это такие
маленькие кусачки, маленькие плоскогубцы с длинными губками, для работы
с выводами электронных компонентов, пинцет, скальпель Вот и весь
инструмент, которого достаточно для сборки подводного радиозонда.
|
To cut and strip wires and contacts, we need side
cutters—small wire-cutting pliers—as well as small long-nosed pliers
for working with electronic component leads, tweezers, and a scalpel.
That covers all the tools needed to assemble the underwater radiosonde.
|
С инструментом
разобрались. Если Вы никогда не держали в руках паяльник - не
беда. Когдато Вы не умели управлять машиной.
Для начала надо найти в интернете или где-либо приобрести книгу, где
рассказывается как правильно подготовить паяльник, выбрать припой, и
паять. Здесь Ваш помощник - только опыт. Начнете собирать схему,
начнете паять и дело пойдет.
|
We’ve covered the tools. If you’ve never held a
soldering iron before, don’t worry—there was a time when you didn’t
know how to drive a car, either.
To get started, find a book online or buy one that
explains how to properly prepare the soldering iron, choose the right
solder, and perform the actual soldering. Experience will be your best
guide here; once you start assembling a circuit and soldering, you’ll
get the hang of it.
|
Будем считать, что
спаять два провода Вы уже научились.
Теперь перейдем к комплектующим, т.е. деталям, из которых состоит
радиозонд. Здесь нашим главным помощником будет Aliexpress.
На али экспресс Вы сможете купить практически все элементы,
компоненты и инструменты.
|
Let’s assume you have already learned how to solder two
wires together.
Now, let’s move on to the components—the parts that make
up the radiosonde. AliExpress will be our main resource here.
You can buy practically all the elements, components,
and tools on AliExpress.
|
| Как мы уже говорили,
главной деталью подводного радиозонда являются сенсоры - датчики, с
помощью которых мы можем измерять те или иные параметры. В нашем
случае, в первом варианте это будут счетчики Гейгера Мюллера. В
дальнейшем можно освоить и другие датчики радиоактивного
излучения - сцинтилляционные блоки, которые состоят из сцитилляторов
NaJ(Tl), и фэу (фотоэлектронный умножитель) или полупроводниковые
датчики. В нашем случае - высокотемпературные счетчики Гейгера Мюллера
- наиболее подходящий вариант, как по простоте, так и по цене. Они
очень подходят для начала работы с радиацией. |
As previously mentioned, the key components of the
underwater radiosonde are the sensors—devices used to measure specific
parameters. In our initial version, we will use Geiger-Müller counters.
Later on, we can incorporate other types of radiation sensors, such as
scintillation units (comprising NaI(Tl) scintillators and
photomultiplier tubes) or semiconductor detectors. For our purposes,
high-temperature Geiger-Müller counters are the most suitable choice,
offering a balance of simplicity and affordability. They are an
excellent starting point for working with radiation.
|
|
|
Будем собирать
подводный радиозонд с использованием счетчиков Гейгера-Мюллера,
как самого дешевого и доступного сенсора (датчика) гамма-излучения.
Выбор у нас довольно широкий. Справа размещена фотография на которой
представлены все доступные счетчики Гейгера-Мюллера. По виду
конструкции их можно разделить на два вида: блинчатые (pan cake) и
трубчатые (hot dog).
У каждого вида есть свои преимущества и недостатки.
Для работы в высокотемпературном вулканическом озере, где температура
может достигать 100 с лишним градусов Цельсия, подходят только
высокотемпературные счетчики Гейгера-Мюллера, например
"Гамма-12". Если температура в озере не превышает +60 градусов Цельсия,
можно использовать любой из счетчиков, представленных на фото.
|
We will be assembling an underwater radiosonde using
Geiger-Müller counters, as they are the most affordable and accessible
gamma-radiation sensors. We have a wide range of options to choose
from. To the right, there is a photograph showing all the available
Geiger-Müller counters. Based on their design, they can be categorized
into two types: "pancake" and "hot dog" (tubular).
Each type has its own advantages and disadvantages.
Only high-temperature Geiger-Müller counters—such as the
"Gamma-12"—are suitable for operation in a high-temperature volcanic
lake where temperatures can exceed 100°C. If the lake temperature does
not exceed +60°C, any of the counters shown in the photo can be used.
|
Рассмотрим следующий
вопрос - как осуществлять измерение гамма-фона наилучшим образом?
Т.е. как разместить счетчик Гейгера-Мюллера, таким образом, чтобы
достичь его наиболее эффективной работы. Другими словами - как
свести к минимуму экранирование счетчика корпусом прибора. Здесь
следует заметить, что, корпус продводного радиозонда выполнен или из
полиамида или капролона, или титана с химическим покрытием. Эти
материалы в значительной степени ослабляют ионизирующее излучение.
Альфа и бета излучение они полностью экранируют. В нашем случае мы
должны регистрировать как жесткое, так и мягкое гамма-излучение.
|
Let us consider the following question: what is the best
way to measure gamma background? That is, how should the Geiger-Müller
counter be positioned to ensure its most effective operation? In other
words, how can the shielding of the counter by the device's housing be
minimized?
It should be noted here that the housing of the
underwater radiosonde is made of polyamide, Caprolon, or chemically
coated titanium. These materials significantly attenuate ionizing
radiation; they completely shield against alpha and beta radiation. In
our case, however, we need to detect both hard and soft gamma radiation.
|
|
Естественное
мягкое
гамма-излучение на дне вулканических озер
служит важным индикатором геологических процессов. Вода является
отличным экраном для внешнего космогенного излучения, поэтому
фиксируемый на глубине гамма-фон имеет исключительно земное
происхождение.
Источники
гамма-излучения на дне
- Магматические
газы (Радон-222): Подводные гидротермальные
источники и фумаролы выбрасывают из недр Земли радиоактивный газ радон.
При его распаде образуются дочерние изотопы (свинец-214 и висмут-214),
которые при переходе в стабильное состояние испускают кванты мягкого
гамма-излучения.
- Вулканический
пепел и тефра: Донные осадочные отложения
вулканических озер богаты слоями пепла (тефры). Они содержат повышенную
концентрацию природных радионуклидов — калия-40,
элементов уранового
и ториевого
рядов.
- Гидротермальные
минералы: Горячие подземные флюиды выносят
на дно соли тяжелых металлов. В местах их осаждения (например, около
«черных курильщиков» или подводных гейзеров) формируются минеральные
аномалии с повышенным радиационным фоном.
|
Natural low-energy (soft) gamma radiation at the bottom
of volcanic lakes serves as an important indicator of geological
processes. Water acts as an excellent shield against external
cosmogenic radiation; therefore, the gamma background detected at depth
is of purely terrestrial origin.
Sources of gamma radiation at the lakebed
1. Magmatic gases (Radon-222): Subaqueous hydrothermal
vents and fumaroles release radioactive radon gas from the Earth's
interior. Its decay produces daughter isotopes (lead-214 and
bismuth-214), which emit soft gamma-ray quanta as they transition to a
stable state.
# Volcanic ash and tephra: Bottom sediments in volcanic
lakes are rich in layers of ash (tephra). They contain elevated
concentrations of natural radionuclides—potassium-40 and elements from
the uranium and thorium series.
# Hydrothermal minerals: Hot subsurface fluids transport
heavy metal salts to the seafloor. Mineral anomalies with elevated
background radiation levels form at sites where these salts precipitate
(for example, near "black smokers" or underwater geysers).
<>
>
|
|
Зачем
ученые измеряют гамма-излучение на дне озер
Прогноз
извержений: Резкое увеличение интенсивности
мягкого гамма-излучения (за счет усиленного выделения радона) указывает
на подъем магмы и активизацию вулкана. |
Why scientists measure gamma radiation at the bottom of
lakes.
*
Eruption forecasting: A sharp increase in the intensity of soft gamma
radiation (due to heightened radon emission) indicates magma ascent and
volcanic reactivation.
|
Принцип
действия (измерения) радона.
|
Radon measurement principle.
|
Так как корпус
подводного радиозонда выполнен из капролона или подобного материала, то
происходит ослабление мягкого гамма-излучения при прохождении скозь
стенки корпуса радиозонда.
Для того чтобы избежать неправильных результатов в измерении
гамма-фона, нам нужно конструктивное решение, которое обеспечит доступ
гамма-квантов к счетчику Гейгера-Мюллера без ослабления. Таким
решением, является использование окон из сапфира.
Толщина сапфирового окна для давления 10 атмосфер должна быть не менее1
мм при диаметре окна 30 мм.
|
Since the housing of the underwater radiosonde is made
of Caprolon or a similar material, soft gamma radiation is attenuated
as it passes through the housing walls.
To avoid erroneous gamma background measurements, a
design solution is required that allows gamma quanta to reach the
Geiger-Müller counter without attenuation. The use of sapphire windows
provides such a solution.
For a pressure of 10 atmospheres, the sapphire window
must be at least 1 mm thick, given a window diameter of 30 mm.
|
|
|
| Как
сапфировое окно влияет на регистрацию радиации. |
How a sapphire window affects radiation detection
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|