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中子土壤水分儀應(yīng)用與介紹
一．簡介
CS830智能中子土壤水分儀是集多種高技術(shù)于一體的野外土壤含水量測量儀器。測量時(shí)只要將探頭放入預(yù)先埋設(shè)好的導(dǎo)管內(nèi)，半分鐘左右就能得到一個(gè)土壤層的含水量值。整個(gè)測量過程不用取樣，、快速、測深不限、不受水分物理狀態(tài)(如冰凍)的影響。該儀器主要用于田間土壤水分測量，觀察水分分層分布情況及動(dòng)態(tài)變化，作物的需水量研究，節(jié)水灌溉指導(dǎo)。嚴(yán)寒地區(qū)凍土水分測量，及某些部門的長期土壤水分資料積累等方面，也可用于其他物料的水分測量。
儀器內(nèi)部采用單片計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，直接顯示含水量值，所有計(jì)算貯存自動(dòng)完成，可根據(jù)被測量的土壤狀況輸入10條多項(xiàng)式標(biāo)定曲線供計(jì)算用，并可隨意調(diào)用。測量的結(jié)果可顯示或打印出來，并可和微機(jī)聯(lián)機(jī)通訊。
本儀器經(jīng)國家衛(wèi)生防疫部門檢測，放射防護(hù)符合國家標(biāo)準(zhǔn)，可確保使用者的身體健康。
二．主要技術(shù)指標(biāo)
1．測水范圍：0～100(%)θ(容積含水量θ)。
2．測量度：小于1 (%)θ(和烘干法比較).
3．測量靈敏度：土壤水分每變化1(%)θ，相應(yīng)的計(jì)數(shù)變化>600脈沖／分鐘。
4．測量深度：地表面至埋置的導(dǎo)管深度。
5．放射防護(hù)：符合國家《放射防護(hù)規(guī)定》GB8703標(biāo)準(zhǔn).
6．中 子 源：30mCi(1.1Gbq)241镅—鈹同位素中子源，中子發(fā)射率為6.9×104n／s，三層不銹鋼氬弧焊封裝.
7．?dāng)?shù)據(jù)與貯存：可存2000個(gè)水分測量值，40個(gè)曲線方程系數(shù)，即10條三項(xiàng)式曲線。在掉電的情況下這些數(shù)據(jù)可保存8年.
8．耗 電：整機(jī)電流小于100毫安，一次滿額充電可連續(xù)使用40小時(shí)。
9．工作環(huán)境：溫度－20℃～＋45℃，濕度<90％.
10．體積重量：17×17×38cm；6.8Kg
三．基本原理
在物理學(xué)上，通常以能量的大小替中子分類，習(xí)慣上分別將106、103、10-2左右電子伏特的中子稱為快中子，慢中子，和熱中子，能量大的中子其運(yùn)動(dòng)速率也大。在中子水分儀zui前端，一個(gè)中子源不斷發(fā)出快中子，快中子有一個(gè)特點(diǎn)，當(dāng)它和氫原子核碰撞時(shí)，損失的能量zui大，很快就被慢化成熱中子，這就象普通物理學(xué)實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)一個(gè)質(zhì)量小的球與一個(gè)質(zhì)量大的球相碰撞時(shí)，小球只是改變方向而速率并無多大變化，只有當(dāng)兩球的質(zhì)量相等時(shí)，運(yùn)動(dòng)的球會(huì)把靜止的球撞得向前滾去，而自己卻停了下來。氫原子是所有原子中質(zhì)量zui小的，和中子質(zhì)量zui接近，因此當(dāng)快中子和氫原子相碰時(shí)，能量損失比其他原子要大得多。
探頭中的中子源不斷地放射出快中子，使得中子源附近的土壤中一直存在著快中子減速成為熱中子，熱中子在土壤中擴(kuò)散，被土壤吸收的過程。從整體上看，中子源周圍的土壤中總是裹著一團(tuán)中心密集，邊緣稀疏的熱中子，這團(tuán)熱中子稱作熱中子云球在快中子慢化過程中，氫原子有著特別重要的作用，一方面它們每次碰撞時(shí)損失的能量比別的元素大得多，另一方面氫原子與中子的作用截面也較大，也就是說相碰的機(jī)會(huì)也較多，所以當(dāng)把中于源放入土壤中，若土壤中含氫量大，中子就慢化得快，中子源周圍形成的”熱中子云球”的半徑就小，熱中子密度也就大，反之，熱中子密度就較小。中子源旁有一塊體積確定的熱中子探測器，它能將進(jìn)入探測器的熱中子轉(zhuǎn)換成光電信號(hào)并通過電子線路將其個(gè)數(shù)記錄下來，這樣土壤中含氫量大，儀器記錄到的計(jì)數(shù)就多。我們知道每一個(gè)水分子含有二個(gè)氫原子，而土壤中的氫大部分來自水中，這樣熱中子計(jì)數(shù)和土壤含水量之間就存在著一種確定的關(guān)系，我們在標(biāo)定中通過回歸的方法找出這種關(guān)系，就能計(jì)算出含水量。為了適應(yīng)土壤的多樣性和復(fù)雜性，我們采用了三項(xiàng)式方程，這樣無論兩者的關(guān)系如何變化，都能很好地?cái)M合。
四．主要部件簡介
1．探頭
①中子源：中子水分儀使用30mCi(1．1Gbq)241镅—鈹三層不銹鋼封裝柱狀同位素中子源，它們平均能量是5MeV左右，中子發(fā)射率為6.9×104n／s，半衰期為433年，所以在十多年的使用期內(nèi)中子發(fā)射率基本不會(huì)變化。
②鋰玻璃探測器：其外形象一塊圓形玻璃，用硅脂粘合在光電倍增管前端，每當(dāng)熱中子和探測器中鋰發(fā)生核反應(yīng)時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生很弱的閃光，它對(duì)熱中子的探測效率很高，不易損壞而且壽命極長。
③光電倍增管：光電倍增管是光電轉(zhuǎn)換器件，探測器接受到熱中子并發(fā)出閃光時(shí)，光子會(huì)在光陰極上打出一些電子，這些電子在光電倍增管內(nèi)經(jīng)過多級(jí)放大，便輸出一個(gè)個(gè)脈沖信號(hào)，zui后被電子線路接收記錄。光電倍增管外殼是由玻璃制造，所以要注意防止猛烈震動(dòng)而受到損壞。
2．標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)容器：
它是由含氫量很高的復(fù)合聚乙烯材料制成，*個(gè)作用是快中子經(jīng)過它時(shí)大部分已被慢化和吸收了，容器外的劑量率低于國家允許標(biāo)準(zhǔn)，使用者可放心地提著儀器到野外去測量，保證了使用者的身體健康。容器的第二個(gè)作用是做標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)，如果外界原因(溫度影響等)使測量計(jì)數(shù)率減小或增加，那么標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)率也會(huì)以相同的比率變化，其計(jì)數(shù)率比應(yīng)不受外界因素影響，采用計(jì)數(shù)率比可減小系統(tǒng)誤差，提高測量的準(zhǔn)確性。