The gamma-ray background at the bottom of a volcanic lake is determined primarily by rock composition, hydrothermal activity, and water properties.

Volcanic lakes are unique hydrogeological systems in which endogenous (internal Earth) processes directly influence the radiation environment.

• Кислые породы (граниты, риолиты, дациты) содержат повышенные концентрации естественных радионуклидов: урана-238, тория-232 и калия-40.
• Основные и ультраосновные породы (базальты) имеют минимальный уровень радиоактивности.
• Текстура дна (пепел, пемза, застывшая лава) влияет на удельную активность осадочных отложений.

Composition of underlying volcanic rocks

    *   Felsic rocks (granites, rhyolites, dacites) contain elevated concentrations of naturally occurring radionuclides: uranium-238, thorium-232, and potassium-40.

    *   Mafic and ultramafic rocks (basalts) exhibit minimal radioactivity levels.

    *   Substrate texture (ash, pumice, solidified lava) influences the specific activity of sedimentary deposits.

# Discharge of hydrothermal fluids (springs)

    * Deep-seated gases and hot waters transport dissolved radioactive gases (radon: Rn-222 and Rn-220) and their decay products to the lake floor.

    * Subaqueous fumaroles and thermal springs enrich bottom sediments with heavy metal salts, including radium (Ra-226).

• На дне вулканических озер часто образуются специфические осадки: сульфиды, оксиды железа и марганца, глинистые минералы.
• Эти осадки работают как природная губка. Они активно сорбируют (осаждают на себе) радиоактивные элементы из озерной воды.

Geochemical Barrier and Sorption

    * Distinctive sediments—such as sulfides, iron and manganese oxides, and clay minerals—often form on the beds of volcanic lakes.

    * These sediments act like a natural sponge, actively sorbing (precipitating onto themselves) radioactive elements from the lake water.

• Сама вода эффективно поглощает гамма-излучение.
• Находясь на дне, радиометр фиксирует излучение только от самих донных грунтов и придонного слоя воды. Космическое излучение и фон от берегов на глубине полностью отсекаются.

Shielding effect of the water column

    *   Water itself effectively absorbs gamma radiation.

    *   When positioned on the seabed, the radiometer detects radiation originating only from the bottom sediments and the near-bottom water layer. At depth, cosmic radiation and background radiation from the shore are completely blocked out.

• Многие вулканические озера (кратерные) имеют экстремально высокую кислотность из-за примеси серной и соляной кислот.
• В кислой среде уран и радий могут переходить в растворимую форму и вымываться, снижая фон дна. При нейтрализации среды (pH повышается) они, наоборот, резко выпадают в осадок.

Chemical composition and acidity (pH) of the water

    * Many volcanic (crater) lakes exhibit extremely high acidity due to the presence of sulfuric and hydrochloric acids.

    * In an acidic environment, uranium and radium can convert into soluble forms and leach out, thereby lowering the background radiation level of the lakebed. Conversely, as the environment neutralizes (pH rises), they rapidly precipitate out of the solution.

Using high-temperature Gamma-12 counters is an excellent engineering choice for a volcanic lake. These gas-discharge sensors are specifically designed for the harsh conditions of industrial well logging. They operate reliably at temperatures up to +150°C–+200°C and under vibration—conditions where standard SBM-20 or SBM-19 counters would simply fail due to the degradation of the quenching gas.

However, designing an immersion sensor based on them requires strict adherence to specific electrical and design parameters.

• Высокое рабочее напряжение: Рекомендуемое рабочее напряжение составляет 900 В (для сравнения, у СБМ-20 — 400 В). Высоковольтный инвертор вашего блока питания должен стабильно выдавать 900 В под нагрузкой.
• Протяженность плато: Составляет не менее 150 В (диапазон стабильной работы от 850 до 1000 В). Небольшие просадки напряжения из-за нагрева компонентов схемы не сорвут измерения.
• Высокая чувствительность: Чувствительность по 137Cs составляет 184–250 имп/мкР, что значительно выше, чем у стандартных «бытовых» трубок. Это частично компенсирует поглощение гамма-квантов водой.
  

Electrical parameters of the "Gamma-12" (important considerations for circuit design)

    * High operating voltage: The recommended operating voltage is 900 V (for comparison, the SBM-20 operates at 400 V). The high-voltage inverter in your power supply unit must provide a stable 900 V output under load. [, 2]

    * Plateau length: At least 150 V (stable operating range of 850 to 1000 V). Minor voltage drops caused by circuit component heating will not disrupt measurements.

    * High sensitivity: Sensitivity to 137Cs is 184–250 pulses/µR, which is significantly higher than that of standard "consumer-grade" tubes. This partially compensates for the absorption of gamma rays by water.

1. Размещение ВВ-генератора: Источник 900 В нужно размещать внутри донной капсулы, в непосредственной близости от счетчика Гамма-12. Гнать 900 В по мокрому многометровому кабелю с поверхности категорически нельзя — емкость кабеля сгладит все импульсы, а малейшая микротрещина в изоляции приведет к утечке тока.
2. Анодный резистор: Из-за высокого напряжения (900 В) и межэлектродной емкости (5.6–5.9 пФ) номинал анодного резистора (к которому подключается «плюс») должен быть в районе 10–15 МОм (а не 4.7 МОм, как обычно). Применяйте только высокоизвествные стабильные резисторы (например, серии МЛТ-0.5 или специализированные высоковольтные), рассчитанные на напряжение пробоя выше 1 кВ.

Circuit and High-Voltage Section Design Considerations

Since the sensor will operate at the end of a long cable or in a fully enclosed, high-temperature environment, standard "off-the-shelf" circuits found online for the Arinod tube will work.

   1. HV Generator Placement: The 900V source must be located inside the bottom capsule, positioned to the side of the Gamma-12 counter. It is strictly forbidden to transmit 900V from the surface via a long, wet cable; the cable's capacitance smooths out the pulses, and even the slightest micro-crack causes a loss of current.

2. Anode resistor: Due to the high voltage (900 V) and inter-electrode capacitance (5.6–5.9 pF), the value of the anode resistor (to which the positive terminal connects) should be in the range of 10–15 MΩ (rather than the usual 4.7 MΩ). Use only high-quality, stable resistors (such as the MLT-0.5 series or specialized high-voltage types) rated for a breakdown voltage exceeding 1 kV.

• При фоновых значениях вулканического дна (около 0.1–0.2 мкЗв/ч) «Гамма-12» за счет своего объема будет выдавать уверенную и частую статистику импульсов.
• Время счета в одной точке должно быть не менее 60–120 секунд, чтобы нивелировать статистическую погрешность радиоактивного распада. Снимайте среднее значение за минуту.

Calibration and Data Collection

Since a Geiger counter registers only the number of "clicks" (pulses), we need to create a calibration table to convert the data into actual dose rate values ​​(µSv/h or µR/h).

    * At background levels typical of the volcanic seabed (approximately 0.1–0.2 µSv/h), the "Gamma-12" will generate robust and frequent pulse statistics due to its volume.

    * The counting time at each location should be at least 60–120 seconds to minimize the statistical error associated with radioactive decay. Record the average value per minute.

Thus, for the shore-based system, we set the counting interval to 90 seconds. However, provision must be made for adjusting it within the range of 60 to 120 seconds.

The radiosonde transmits radio pulses corresponding to the output pulses of a Geiger counter. Performing this task requires only simple electronics with a minimal number of high-temperature components, which enhances the underwater radiosonde's durability—and, consequently, reduces its cost. This technical approach was used in radiation monitoring equipment during nuclear weapons tests at Bikini Atoll in 1946—nearly 80 years ago. Everything new is just the well-forgotten old!

• От Свинца-214 (214Pb): мягкое гамма-излучение с энергиями 242 кэВ, 295 кэВ и 352 кэВ.
• От Висмута-214 (214Bi): жесткое и проникающее гамма-излучение с энергиями 609 кэВ, 1120 кэВ, 1764 кэВ и выше.
  (Линия 609 кэВ является «визитной карточкой» радона при гамма-спектрометрии).