Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ современного состояния вопроса 13
1.1. Классификация месторождений руд металлов. Объекты поиска дистанционными методами 13
1.2. Физические поля, характеризующие возможность дистанционного поиска руд металлов 16
1.2.1. Электромагнитное излучение 16
1.2.2. Магнитное поле 18
1.2.3. Гравитационное поле 18
1.2.4. Потоки элементарных частиц 19
1.3. Методы дистанционного зондирования Земли для поиска руд металлов 19
1.3.1. Методы, основанные на регистрации электромагнитного излучения 20
1.3.1.1. Аэрофотосъемка 20
1.3.1.2. Активная микроволновая рефлектометрия 20
1.3.1.3. Съемка с помощью электронно-оптических систем 21
1.3.1.4. Тепловая съемка 22
1.3.1.5. Электроразведка 24
1.3.2. Аэромагниторазведка 25
1.3.3. Аэрогравиразведка 27
1.3.4. Методы, основанные на регистрации потоков элементарных частиц 28
1.3.4.1. Аэрогамма-съемка 28
1.3.4.2. Пассивная ядерная спектроскопия 32
1.3.5. Комплексирование геофизических методов 35
1.4. Выбор направления исследований и постановка задачи 36
1.5. Выводы к Главе 1 37
ГЛАВА 2. Разработка активного метода дистанционного зондирования земли для поиска металлических руд с использованием потоков элементарных частиц 39
2.1. Выбор источника зондирующего излучения 39
2.1.1. Требования к выбору источника зондирующего излучения 39
2.1.2. Высокоэнергетические нейтронные источники 40
2.1.3. Высокоэнергетические протонные источники 42
2.2. Выбор типов регистрируемых элементарных частиц 45
2.2.1. Требования к выбору регистрируемых элементарных частиц 45
2.2.2. Анализ типов элементарных частиц 46
2.2.2.1. Гамма-кванты .- 47
2.2.2.2. Лептоны 47
2.2.2.3. Адроны 48
2.2.3. Анализ реакций, приводящих к образованию вторичных элементарных частиц 49
2.2.3.1. Реакции с образованием гамма-квантов 49
2.2.3.2. Реакции с образованием лептонов 51
2.2.3.3. Реакции с образованием адронов 51
2.2.4. Заключение по выбору типов регистрируемых элементарных частиц 53
2.3. Выбор режима облучения и времени регистрации частиц 53
2.3.1. Цель выбора режима облучения и времени регистрации частиц...53
2.3.2. Анализ временных интервалов гамма-квантов и нейтронов, образуемых протонным пучком 54
2.3.2.1. Интервал мгновенных гамма-квантов и нейтронов 54
2.3.2.2. Интервал мгновенно-задержанных гамма-квантов 54
2.3.2.3. Переходный интервал от мгновенно-задержанных гамма-квантов к запаздывающим гамма-квантам 54
2.3.2.4. Интервал запаздывающих гамма-квантов и нейтронов 55
2.3.3. Выбор временных интервалов регистрации гамма-квантов и нейтронов 55
2.3.4. Выбор режима облучения протонным пучком 57
2.3.5. Учет космического фона гамма-квантов и нейтронов 58
2.4. Метод дистанционного зондирования Земли в целях поиска металлических руд с использованием потоков элементарных частиц 60
2.4.1. Суть метода 60
2.4.2. Обработка и дешифрирование получаемых методом данных 60
2.4.3. Схемы практической реализации предложенного метода 63
2.4.3.1. Вариант схемы реализации предложенного метода с расположением детекторов на борту летательного аппарата 63
2.4.3.2. Вариант схемы реализации предложенного метода с выносными детекторами 65
2.5. Выводы к Главе 2 66
ГЛАВА 3. Вычислительные эксперименты по апробации активного метода дистанционного зондирования земли, основанного на использовании потоков частиц, для поиска металлических руд 68
3.1. Методика вычислительных экспериментов 68
3.1.1. Общие положения 68
3.1.2. Выбор типов месторождений металлических руд для проведения вычислительных экспериментов 70
3.1.3. Получение гамма-отклика от различных типов месторождений металлических руд 70
3.1.4. Преобразование энергетических спектров гамма-квантов с учетом характеристик реальных физических детекторов 71
3.1.5. Сопоставление результатов вычислительных экспериментов для различных типов месторождений 73
3.1.6. Оценки радиационной нагрузки, создаваемой протонным пучком 73
3.1.6.1. Особенности оценки радиационной нагрузки .73
3.1.6.2. Методика оценки мгновенной радиационной нагрузки 74
3.1.6.3. Методика оценки спадающей со временем радиационной нагрузки 76
3.2. Особенности численного моделирования методом Монте-Карло.с использованием программного пакета GEANT4 76
3.2.1. Проведенные изменения в коде программы 77
3.2.1.1. Корректировка модели реакции деления вещества 77
3.2.1.2. Корректировка библиотек данных по гамма-квантам, образующимся от реакции захвата тепловых нейтронов 79
3.2.2. Алгоритм проведения вычислительных экспериментов с помощью программного пакета GEANT4 79
3.3. Результаты вычислительных экспериментов 80
3.3.1. Вычислительный эксперимент по поиску месторождения минерала магнетита 80
3.3.1.1. Исходные данные для проведения вычислительного эксперимента 80
3.3.1.2. Результаты вычислительного эксперимента по поиску месторождения минерала магнетита 81
3.3.2. Вычислительный эксперимент по поиску месторождения минерала боксита 83
3.3.2.1. Исходные данные для вычислительного эксперимента 83
3.3.2.2. Результаты вычислительного эксперимента по поиску месторождения минерала боксита 85
3.3.3. Результаты учета характеристик реальных физических детекторов... 89
3.3.3.1. Выбор типа детектора 89
3.3.3.2. Энергетические спектры гамма-квантов месторождений магнетита и боксита, полученные с помощью модели сцинтилляционного детектора BGO 91
3.3.4. Сопоставление результатов вычислительных экспериментов по дистанционному поиску простых (магнетит) и сложных (боксит) минералов 96
3.3.5. Результаты оценки радиационной нагрузки, создаваемой протонным пучком 99
3.3.5.1. Мгновенная радиационная нагрузка 99
3.3.5.2. Радиационная нагрузка, обусловленная распадом нестабильных изотопов 104
3.4. Выводы к Главе 3 105
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования для подтверждения возможности дистанционного обнаружения естественных радиоактивных руд с использованием потоков частиц 108
4.1. Цели эксперимента 108
4.2. Методика проведения экспериментальных исследований 109
4.2.1. Общие положения 109
4.2.2. Схема проведения экспериментов 113
4.2.3. Детектор нейтронов BF3 114
4.3. Результаты экспериментов 115
4.3.1. Кривые спада нейтронной активности 115
4.3.2. Анализ результатов экспериментов 116
4.4. Моделирование облучения свинцовой мишени высокоэнергетическими протонами 117
4.4.1. Исходные данные для моделирования 117
4.4.2. Результаты моделирования облучения свинцовой мишени высокоэнергетическими протонами 119
4.5. Сопоставление результатов физических и вычислительных экспериментов 121
4.5.1. Методика сопоставления результатов физических и вычислительных экспериментов 121
4.5.2. Результаты сопоставления данных, полученных в ходе физических и вычислительных экспериментов 122
4.6. Выводы к Главе 4 124
Заключение 126
Список литературы 128
- Методы дистанционного зондирования Земли для поиска руд металлов
- Обработка и дешифрирование получаемых методом данных
- Результаты вычислительного эксперимента по поиску месторождения минерала боксита
- Результаты моделирования облучения свинцовой мишени высокоэнергетическими протонами
Введение к работе
В настоящее время при аэрокосмических исследованиях Земли используются, в основном, изображения, получаемые в ультрафиолетовом, видимом, инфракрасном и радиодиапазонах спектра электромагнитных волн. При этом мало используются методы, основанные на регистрации потоков частиц. Изображения, формируемые путем регистрации элементарных частиц, несут информацию об элементарном составе снимаемых поверхностей и поэтому могут быть использованы при решении ряда задач в областях геологии, экологии и др. Вместе с этим, в настоящее время не существует универсальных аэрокосмических методов, например, позволяющих определять типы руд в широком диапазоне содержащихся в них химических элементов. В связи с этим, необходима разработка новых методов дистанционного зондирования Земли, позволяющих выявить элементарный состав исследуемой руды, что и определяет актуальность данной работы.
В настоящей диссертационной работе объектами исследования являются процессы получения и дешифрирования изображений, формируемых при облучении геологических объектов высокоэнергетическим протонным пучком. В качестве предметов исследования выбраны информативные характеристики изображений, формируемых сигналами-откликами при облучении высокоэнергетическим протонным пучком металлических руд, процессы прохождения частиц через атмосферу, а также технические средства для проведения аэрокосмических исследований Земли.
Методы исследований, применяемые в настоящей работе, базируются на методе статистических испытаний Монте-Карло, математических методах преобразований спектров и на методах физического моделирования.
Цель работы заключается в разработке активного метода дистанционного зондирования с использованием потоков ускоренных протонов для проведения аэрокосмических исследований Земли.
В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:
– теоретическое обоснование активного метода дистанционного зондирования Земли с использованием потоков элементарных частиц в целях поиска металлических руд;
– разработка алгоритмов обработки и дешифрирования данных, полученных с помощью предложенного метода;
– разработка способов практической реализации предложенного метода;
– проведение вычислительных экспериментов для тестирования предложенного метода;
– проведение физических экспериментов для доказательства возможности практической реализации предложенного метода.
Научные положения, выносимые на защиту:
– метод дистанционного зондирования Земли, основанный на облучении исследуемых объектов высокоэнергетическими протонами, регистрации и анализе формируемых сигналов-откликов в целях поиска руд и пути его практической реализации;
– алгоритмы обработки и дешифрирования данных, полученных с помощью предложенного метода дистанционного зондирования Земли с использованием потоков частиц;
– методика проведения вычислительных экспериментов, основанная на методе статистических испытаний Монте-Карло, для обоснования возможности реализации метода дистанционного зондирования Земли с использованием потоков частиц в целях поиска руд;
– результаты вычислительных экспериментов по поиску руд путем облучения исследуемого объекта ускоренными протонами на примере поиска металлических руд;
– результаты экспериментов по физическому моделированию метода дистанционного зондирования Земли в целях поиска месторождений радиоактивных руд путем облучения высокоэнергетическими протонами массивной свинцовой мишени и регистрации ответных сигналов-откликов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
– разработан новый активный метод дистанционного зондирования Земли в целях поиска руд, основанный на облучении исследуемых геологических объектов высокоэнергетическими протонами с последующей регистрацией эмиссий гамма-квантов и нейтронов;
– разработаны алгоритмы обработки и дешифрирования данных, полученных с помощью предложенного метода дистанционного зондирования Земли с использованием потоков частиц, позволяющие выявить наличие различных химических элементов в рудах, в том числе радиоактивных;
– разработаны пути практической реализации активного метода дистанционного зондирования Земли в целях поиска руд, в основе которых лежит зондирование геологических пород протонным пучком ускорителя, расположенного на борту летательного аппарата, а также последующая регистрация сигналов-откликов детекторами, установленными на этом летательном аппарате или спущенными с него на трос-кабеле или штанге;
– разработаны методики проведения вычислительных и физических экспериментов для подтверждения реализуемости предложенного активного метода дистанционного зондирования Земли в целях поиска руд, основанные на методе статистических испытаний Монте-Карло, а также на проведении ядерно-физических измерений на ускорительном комплексе;
– получен набор данных по взаимодействию высокоэнергетического протонного пучка с веществами различных металлических руд, а также с радиоактивным веществом – 238U, включая сигналы-отклики в виде энергетических спектров и изображений интенсивностей излучения гамма-квантов, а также зависимости от времени выходов запаздывающих нейтронов из облученной мишени.
Научная ценность работы заключается в разработке принципиально нового метода дистанционного зондирования Земли в целях поиска руд, в основе которого лежит использование активных принципов зондирования с применением потоков ускоренных высокоэнергетических протонов.
Практическая значимость работы. Результаты диссертационной работы имеют практическое значение для аэрокосмических исследований Земли на больших площадях, в частности в целях поиска месторождений полезных ископаемых, в том числе руд и радиоактивных элементов. Результаты работы могут быть применены не только для дистанционного зондирования Земли, но и для исследования других космических тел.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием апробированных и хорошо себя зарекомендовавших методов научных исследований и отсутствием противоречий с известными общепризнанными научными результатами. Кроме того, достоверность результатов диссертационной работы подтверждается хорошим согласованием данных, полученных в ходе математического моделирования и физического эксперимента.
Личный вклад автора. Разработанные метод дистанционного зондирования Земли в целях поиска руд, алгоритмы обработки и дешифрирования данных, полученных с помощью него, пути его практической реализации, а также методика проверки его работоспособности и полученные результаты вычислительных экспериментов принадлежат автору данной работы. Автор также принимал непосредственное участие в постановке физических экспериментов, обработке и анализе данных, полученных в ходе их проведения.
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на следующих научно-технических конференциях:
– конференция студентов, аспирантов и молодых ученых Московского государственного университета геодезии и картографии (МИИГАиК), г. Москва, 2008;
– научная сессия Московского инженерно-физического института, г. Москва, 2009;
– международная научно-техническая конференция, посвященная 230-летию основания МИИГАиК, г. Москва, 2009;
– международная научно-техническая конференция «Аэрокосмические технологии в нефтегазовом комплексе» РГУ Нефти и газа им. И.М. Губкина, г. Москва, 2009.
Публикации. Основное содержание диссертации приведено в 4 печатных работах, 3 из которых опубликованы в журналах, входящих в перечень ведущих периодических изданий ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 133 страницы.
Методы дистанционного зондирования Земли для поиска руд металлов
Электронно-оптические системы, аналогично фототехнике, регистрируют излучение от объектов в видимом и инфракрасном диапазонах электромагнитного спектра. Особенность же электронно-оптических систем заключается в том, что далее они преобразуют зарегистрированное излучение в электрический сигнал, который можно усилить, подвергнуть различным обработкам, а также передать дистанционно. В качестве приемников регистрируемого электромагнитного излучения используются квантовые и тепловые приемники [20].
Изображения, полученные с помощью электронно-оптических систем, обычно-легко интерпретируются, так как они выполнены в различимом человеческим глазом спектре. Поскольку принцип действия электронно-оптических систем во многом схож с фотографированием, то и изображения, полученные ими, применяются1 в тех же областях, что и фотографии- [20] .
В качестве основных преимуществ электронно-оптических систем следует отметить их возможность накапливать и передавать по радиоканалу большие массивы информации, а также более высокую чувствительность используемых приемников по сравнению с чувствительностью фотоматериалов.
Недостатками электронно-оптических систем являются меньшая разрешающая способность, сильные геометрические искажения, а также более высокая стоимость по сравнению с фотоаппаратами [20, 35].
Дистанционная тепловая съемка представлена радиотепловой и инфракрасной съемками. В данных видах съемки регистрируются области электромагнитного излучения, характеризующие температуру и оптические свойства объектов. Температура объектов определяется внутренними и внешними источниками тепла, а также тепловыми свойствами объектов [22, 45]. Тепловые свойства горных пород определяют следующие параметры: теплопроводность, теплоемкость, температуропроводность, тепловая инерция [45].
Теплопроводность характеризует способность сред передавать тепло. Теплопроводность горных пород зависит от минерального состава, структуры, текстуры, плотности, пористости, влажности, а также температуры. Важно заметить, что состав магматических, метаморфических и осадочных пород сильно не влияет на их теплопроводность. Коэффициент теплопроводности выражается в Вт/(м-град) [45].
Теплоемкостью горных пород объясняется их способность поглощать тепловую энергию. Она отличается сравнительным постоянством и возрастает с увеличением водонасыщенности. Единица измерения теплоемкости — Дж/(кг-град) [45]. Температуропроводность, измеряемая в м /с, характеризует скорость изменения температур при поглощении или отдаче тепла [45]. Тепловая инерция пород, имеющая размерность Дж/(м -с -град), является одной из обобщенных тепловых характеристик земной поверхности. Она характеризует суточный ход температур разных ландшафтов,и горных пород [45]. Оптические свойства пород - альбедо, характеризующее отражательные свойства поверхности (в %), коэффициент яркости, т.е. отношение яркости поверхности в рассматриваемом направлении к яркости белой идеально рассеивающей поверхности, и другие свойства — играют основную роль при инфракрасной съемке [45].
Перечисленные тепловые и оптические свойства горных пород определяют лабораторными методами. Знание данных свойств необходимо при интерпретации аномалий на полученных снимках дистанционной тепловой съемки. Результаты обработки снимков радиотепловой и инфракрасной съемки в некоторых случаях позволяют определить наличие в исследуемой области тех или иных видов металлических руд [45].
В дистанционных радиотепловых и инфракрасных съемках применяют тепловизоры, работающие в тех или иных участках спектра длин электромагнитных волн от микрометрового до миллиметрового диапазона. Фоточувствительным элементом тепловизора являются особые кристаллы, чувствительные к электромагнитному излучению определенных длин волн. Измеренные излучения преобразуются в электрические сигналы, которые затем усиливаются и трансформируются в изображение на экране тепловизора или на фотопленке [45].
Ценным преимуществом радиотепловых и инфракрасных съемок является возможность их проведения в темноте, а при соответствующем выборе длин волн практически при любой погоде [45].
Дистанционная тепловая съемка способна дифференцировать лишь объекты с различными тепловыми и оптическими свойствами. Многие металлы, а следовательно и их руды, имеют схожие тепловые и оптические свойства. Например, теплоемкости титана, хрома, железа и никеля варьируются соответственно в диапазонах 0,46-0,59; 0,43-0,48; 0,42-0,54 и 0,43— 0,50 Дж/(кг-град) [45]. Поэтому распознавать с высокой точностью различные виды металлических руд по результатам дистанционной- тепловой съемки не представляется возможным.
Метод аэроэлектроразведки основан на измерении магнитной компоненты искусственного переменного гармонического электромагнитного поля, создаваемого с помощью разного рода генераторов синусоидального напряжения, подключаемых к гальваническим заземлителям или индуктивным не-заземленным контурам [4, 22, 45]. В силу электромагнитных свойств исследуемых горных пород параметры созданного электромагнитного поля изменяются. Измеряемые параметры поля позволяют определить удельное электрическое сопротивление горных пород, а также проводящие свойства объектов разнообразной геологической природы (например, рудных тел) [4, 22, 45]. Например, одна из разновидностей метода аэроэлектроразведки с использованием заземленного кабеля предполагает измерение следующих параметров электромагнитного поля заземленного кабеля: модуля горизонтальной составляющей вектора напряженности магнитного поля Н , и фазового сдвига составляющей НУ относительно фазы тока в кабеле сру [4, 22, 45].
Обработка и дешифрирование получаемых методом данных
В предложенном активном методе дистанционного зондирования Земли для регистрации излучения используются детекторы, которые преобразовывают его в электронные сигналы, которые, в свою очередь, можно выделить, усилить и подвергнуть различным обработкам. Последняя процедура позволяет выбирать форму представления полученных с помощью данного метода массивов данных. Излучение гамма-квантов; зарегистрированное от одного облучения протонным пучком исследуемого объекта, может быть представлено в виде графика энергетического спектра гамма-квантов. Однако при проведении дистанционного зондирования территории, например, по набору параллельных траекторий, обеспечивающих ее сканирование протонным пучком без пропусков и разрывов, возможно и целесообразно представлять полученные данные в виде изображений интенсивностей излучения гамма-квантов поверхностью облученной территории для различных узких интервалов энергий этих частиц.
Каждое такое изображение будет характеризовать распределение в облученной поверхности того химического элемента, чей основной энергетический пик излучения гамма-квантов окажется в выбранном для данного изображения узком энергетическом интервале.
Изображения формируются пикселями, каждый из которых посредством цвета отображает интенсивность излучения гамма-квантов одной облученной протонами областью в конкретном узком энергетическом диапазоне. Привязка к пространственным координатам получаемых данных от каждой зондируемой области для формирования изображений может быть выполне-на с помощью глобальной системы позиционирования (GPS) [35].
Таким образом, необходимо получать в результате обработки полученных данных количество изображений, равное числу химических элементов, чьи распределения требуется определить на поверхности исследуемой территории.
Примером описанного выше представления данных в виде изображения служит рис. 1.4 (см. Главу 1), на котором распределение FeO в поверхностном слое Луны фактически представляет собой распределение интенсивностей ключевых энергетических гамма-линий железа и кислорода. В обоих случаях представления данных (графики энергетических спектров или изображения интенсивности излучения) энергия гамма-квантов и интенсивность их излучения являются надежными дешифровочными признаками для определения мест концентраций различных химических элементов вшсследуемых объектах.
Данные ПОІ регистрации» нейтронного излучения также целесообразно представлять в виде изображений-его интенсивности, аналогичных описанным; выше изображениям; для? излучения гамма-квантов. Отличие: будет заключаться в том, что в данном случае пиксели отображают интегральную интенсивность излучения нейтронов по всем энергиям. При этом данная интенсивность является дешифровочным признаком для определения мест концентраций радиоактивных веществ на исследуемой территории.
Пространственное разрешение изображений, формируемых элементарными частицами, будет, в основном, определяться высотой, с которой проводится зондирование протонным пучком. Как будет показано в Главе 3 на основании результатов вычислительных экспериментов, для высоты зондирования 100 м разрешение составляет величину не хуже нескольких метров.
По изображениям, формируемым инициированными протонным пучком излучениями гамма-квантов и нейтронов, возможно определение границ концентраций различных химических элементов на поверхности исследуемой территории, что, в частности, позволяет проводить поиск нерадиоактивных и радиоактивных металлических руд. Следует заметить, что по данным изображениям сложно оценить объем месторождения руды, поскольку они не позволяют определить глубину ее залегания ввиду того, что излучение, инициированное протонным пучком, достигает поверхности с глубин не бо-лее 100 г/см" [67], что для руд с плотностями, например, 5—10 г/см составит соответственно не более 10—20 см.
Количественные характеристики концентраций химических элементов, например, месторождений металлических руд, могут быть оценены по их границам вт горизонтальной плоскости и интенсивности излучения; определяемыми полученным изображениям.
Значения относительного и абсолютного содержания химических элементов в рудах по полученным изображениям могут быть определены при наличии для этих химических элементов и содержащих их руд специальных, баз данных. Для создания таких баз данных необходимо получить с летательного аппарата изображения интенсивностей излучения-частиц от облученной протонами поверхности территории, выполнить полевое исследование качественных и количественных характеристик состава данной поверхности, а также связать между собой полученные результаты. Данная задача может быть решена также путем вычислительного эксперимента, методика которого описана в Главе 3 настоящей работы.
Ошибка качественного определения химического состава поверхности предложенным методом дистанционного зондирования Земли сводится к минимуму благодаря уникальным наборам энергетических пиков в спектрах излучения гамма-квантов от ядер химических элементов. Процент распознавания месторождений различных металлических руд сильно зависит, во-первых, от процентного содержания металлов в рудах и, во-вторых, от технических параметров используемых детекторов. Как показали результаты вычислительных экспериментов, описанных в Главе 3, данный процент может достигать 100%.
Далее сформулирована схема практической реализации предложенного метода дистанционного зондирования Земли в целях поиска металлических руд с использованием потоков ускоренных протонов. Мобильный ускоритель протонов размещается на борту летательного аппарата, например вертолета (рис. 2.5). Исследуемая-область облучается с высоты порядка 100 м протонами с энергией порядка 250 МэВ, которые способны пройти сотни метров через атмосферу, сохранив значительную часть своей энергии. Облучение проводится одиночными сгустками протонов или с частотой 5 Гц.
Результаты вычислительного эксперимента по поиску месторождения минерала боксита
Из графиков, представленных на рис. 3.5, также видно присутствие большого пика на энергии 511 кэВ, соответствующего паре гамма-квантов, образующейся при аннигиляции позитронов. На всех трех высотах в сериях проведенных вычислительных экспериментов с заполнением облучаемой области бокситом и глиной отчетливо виден высокоэнергетический пик от алюминия - 7,724 МэВ.
Кроме того, как следует из рис. 3.5, для серии расчетов с бокситом на всех высотах хорошо виден набор пиков от железа, содержащегося в боксите: на энергиях 7,631 и 7,645 МэВ (основные пики), а также на энергиях 4,217; 5,920; 6,018 и 7,278 МэВ (дополнительные пики). Эти пики отсутствуют в фоновых спектрах, полученных в сериях расчетов с заполнением облучаемой области известняком либо глиной.
В серии расчетов с заполнением облучаемой области известняком также присутствует пик на энергии 7,724 МэВ, соответствующий алюминию. Однако его высота в 3 и 10 раз меньше высоты этого же пика при наличии боксита или глины соответственно. Наличие пика от алюминия в данном случае объясняется расхождением пучка протонов и попаданием части из них в окружающую глину.
Анализ рис. 3.5 показывает, что во всех сериях вычислительного эксперимента на всех трех высотах проявляются также ярко выраженные энергетические пики кальция - 1,942 и 6,420 МэВ. Высота этих пиков в серии расчетов с известняком приблизительно в 1,5-2 раза больше, чем в сериях расчетов с бокситом и глиной. Это объясняется значительным процентным содержанием кальция в известняке.
Наличие пиков кальция в сериях расчетов с заполнением области II на рис. 3.4 бокситом и глиной, как и в случае пиков алюминия при облучении известняка, обусловлено, в первую очередь, расхождением протонного пучка и попаданием каскадных частиц в окружающие породы известняка. Небольшой вклад в образование данного пика в спектре гамма-квантов вносит также кальций, содержащийся в самом боксите (порядка 2% в массовой доле).
Как видно из графиков, приведенных на рис. 3.5, при попадании центра пучка протонов в глину регистрируемый детектором пик от алюминия по своей высоте приблизительно в 3 раза превосходит пик алюминия, регистрируемый в случае облучения боксита.
Такой результат выглядел бы неестественным, если учитывать только относительную массовую долю изотопов алюминия в боксите и глине. Однако наблюдаемое явление имеет объяснение, вытекающее из рассмотрения физических процессов взаимодействия с веществом поля каскадных частиц, которое формируется протонным пучком. Дело в том, что минерал боксит содержит значительную долю изотопов железа, которые имеют сечение захвата тепловых нейтронов, превосходящее в несколько раз соответствующее сечение для изотопов алюминия. Для железа это сечение составляет порядка 5 барн, в то время как для алюминия — всего 1 барн [62]. Таким образом, атомы железа в боксите как бы «экранируют» атомы алюминия, уменьшая вероятность для последних захватить тепловые нейтроны. В глине же основными «захватчиками» тепловых нейтронов будут атомы алюминия, так как другие ее основные составляющие - кислород и кремний — обладают малым сечением захвата тепловых нейтронов - 0,001 и 0,1 барн соответственно [62]. В связи с этим энергетический пик от алюминия в гамма-спектре имеет меньшую интенсивность при облучении протонами боксита, чем при облучении ими глины, несмотря на большую долю алюминия в составе боксита.
Данный пример показывает, что для принятия решения о присутствии месторождения минерала со сложным элементным составом при наличии неоднородного фона необходимо рассмотрение совокупности нескольких информативных признаков. С учетом проведенного анализа, можно предложить два типа информативных признаков сигналов-откликов для идентификации месторождений боксита на фоне пород известняка и глины при облучении их протонами: 1. Наличие в спектрах гамма-квантов энергетических пиков, характерных для железа. При этом основными характерными пиками для идентификации месторождения боксита следует считать пики на энергиях 7,631 и 7,645 МэВ, высота которых определяется величиной -6-10-10 гамма-квантов на 1 м" площади детектора в расчете па один первичный протон (при высоте расположения, детектора 50 м); 2. Приблизительное равенство отношения высоты энергетического пика для алюминия 7,724 МэВ к высотам пиков для железа на энергиях 7,631 и 7,645 МэВ, составляющего величину 1 при высоте детектирования спектров гамма-квантов, равной 50 м. Данный признак помогает также различать месторождения боксита и месторождения железных руд при наличии глины. Полученные результаты показывают, что даже в случае регистрации детектором энергетических пиков гамма-квантов от алюминия, но при одновременном отсутствии пиков гамма-квантов от железа, бокситовых руд в зоне наблюдения нет. Следует отметить значительное отношение сигнал/шум перечисленных выше ключевых энергетических пиков в спектрах гамма-квантов для боксита, полученных в процессе проведения вычислительных экспериментов. Как видно из спектров, приведенных на рис. 3.5, при всех высотах расположения детектора для основных пиков железа и алюминия оно равно —10. Наиболее эффективными с точки зрения регистрации энергии гамма-квантов являются детекторы на основе неорганических кристаллов [33, 52]. Неорганические кристаллы выполнены из материалов с большим атомным числом и большей плотностью по сравнению с материалами органических сцинтилляционных кристаллов. Благодаря этому гамма-кванты эффективнее поглощаются в объеме неорганического сцинтиллятора, обеспечивая тем самым более высокую эффективность регистрации детектором [52].
Результаты моделирования облучения свинцовой мишени высокоэнергетическими протонами
В табл. 3.2 приведены параметры радиационной стойкости для некоторых типов больших интегральных схем (БИС), используемых в аппаратуре [24]. Как видно из данной таблицы, минимальная величина критического ин-тегрального потока нейтронов (для ЗУПВ с И Л логикой) имеет порядок 10 нейтр./см". Таким образом, БИС, входящие в состав электронной.аппаратуры на борту авиационного средства, с которого ведется облучение геологической области протонным пучком, также обладают запасом радиационной стойкости по интегральному нейтронному излучению. Для серии облучений протонными сгустками вдоль одного маршрута этот запас составляет величину более 4-х порядков. Следовательно, можно также говорить об устойчи- вости БИС к инициированному протонным пучком нейтронному излучению в течение всего срока эксплуатации летательного аппарата.
Проведенные оценки для некоторых электронных компонент летательного аппарата (резисторов и БИС) показали, что они обладают запасом радиационной стойкости относительно нейтронной компоненты излучения, инициированного облучением исследуемой области протонным пучком с борта летательного аппарата, в течение всего срока эксплуатации летательного аппарата. Как было показано ранее, именно нейтронная компонента излучения в данном случае характеризуется наибольшей эквивалентной, а также поглощенной дозами. Это дает возможность делать предположение о надежной работе электроники на борту летательного аппарата в течение всего срока его эксплуатации, учитывая остальные компоненты вызванного протонным пучком излучения.
Основная, доля спадающего со временем излучения от нестабильных изотопов приходится на излучение гамма-квантов [31]. Согласно результатам. проведенных вычислительных экспериментов, суммарная энергия всех гамма-квантов от нестабильных изотопов, образовавшихся по всему объему геометрии экспериментов от прохождения с высоты 100 м одного протонного сгустка (1012 частиц), составляет 1,89-1011 МэВ. Для сравнения приведем сумму энергий всех мгновенных гамма-квантов, прошедших через площадь идеального детектора 1 м2 на высоте 100 м в вычислительных экспериментах по оценке мгновенной радиационной нагрузки. Значение данной суммы составляет 3,11-Ю10 МэВ.
Таким образом, значение суммарной энергии спадающего по времени гамма-излучения во всем объеме геометрии вычислительного эксперимента менее чем на порядок превышает соответствующее значение суммарной энергии мгновенного гамма-излучения, прошедшего через площадь идеального детектора 1 м2 на высоте 100 м, для одного протонного сгустка. При этом суммарная энергия гамма-квантов от нестабильных изотопов 1,89-10й МэВ распределена по времени от момента запуска протонного сгустка вплоть до 10 лет.
В связи с этим, можно утверждать, что объект (человек или электронное оборудование), попавший в открытое пространство в непосредственной близости с облученным протонным пучком геологическим объектом через некоторое время после облучения, получит дозу излучения, в разы меньшую той, которую бы данный объект получил в момент облучения, находясь на борту летательного аппарата с протонным ускорителем. Это дает возможность в дальнейшем учитывать лишь мгновенную радиационную нагрузку от протонного пучка при рассмотрении вопросов радиационной безопасности, связанных с реализацией активного метода дистанционного зондирования Земли для поиска металлических руд с использованием потоков ускоренных протонов.
В результате проведения вычислительных экспериментов для месторождений магнетита и боксита - примеров месторождений с простым и сложным элементарным составом — путем численного моделирования для высот 0, 50 и 100 м были получены, энергетические спектры гамма-квантов сигналов-откликов от данных месторождений на облучение их протонным пучком, которые продемонстрировали возможность обнаружения руд этих минералов предложенным активным методом дистанционного зондирования, основанным на использовании потоков частиц. 2. Выбран оптимальный тип детектора - на BGO-кристаллах — для регистрации с борта летательного аппарата энергетических спектров гамма-квантов сигналов-откликов месторождений на облучение их протонным пучком. Выбрана модель данного типа детектора гамма-квантов, обладающая максимальными размерами. Предложена геометрия матрицы из 56 детектирующих кристаллов данной модели детектора с площадью порядка 1 м2. 3. С учетом выбранной модели детектора гамма-квантов полученные на высоте 50 м идеальным детектором энергетические спектры гамма-квантов сигналов-откликов для месторождений магнетита и боксита преобразованы в энергетические спектры реального детектора. Анализ последних показал, что уверенное распознавание как магнетита, так и боксита на фоне вмещающих пород возможно по набору характерных пиков элементов железа и алюминия при зондировании месторождений данных минералов протонными сгустками 250 МэВ с количеством частиц не менее 1012. 4. Сравнение результатов вычислительных экспериментов для месторождений магнетита и боксита показало, что меньшие размеры месторождения боксита не приводят к значительному снижению уровня сигнала-отклика гамма-квантов от данного месторождения относительно сигнала-отклика от месторождения магнетита. 5. Установленое пространственное разрешение для изображений, получаемых с помощью метода дистанционного зондирования Земли, основанного на использовании потоков частиц, составляет величину 10 м при зондировании с высоты 100 м. На основании данного значения и результатов вычислительных экспериментов для магнетита получено изображение- поверхности месторождения данного минерала в диапазоне излучения гамма-квантов 7,63-7,64 МэВ. Данное изображение позволяет распознать области концентраций руд, содержащих в данном случае железо. 6. Проведены оценки радиационной нагрузки, создаваемой протонным пучком. Показано, что для обеспечения надежной защиты от мгновенной радиационной нагрузки экипажа летательного аппарата, с которого производится зондирование исследуемой области, требуется оснащение летательного аппарата средствами защиты, прежде всего, от протонного и нейтронного излучений. На примере резисторов и БИС показаны приемлемые уровни мгновенной радиационной нагрузки на электронные компоненты летательного аппарата (запас по допустимой получаемой дозе для нейтронного излучения составил не менее 4-х порядков за один полет). Согласно результатам вычислительного эксперимента, радиационную нагрузку от нестабильных изотопов, спадающую со временем, ввиду ее малой величины можно в дальнейшем не учитывать.
