[实用新型]锂6玻璃闪烁体式中子土壤水分仪高效探头

说明书

技术领域

本实用新型涉及锂6玻璃闪烁体式中子土壤水分仪探头的一种设计方法，可用于地下数十米内土壤内的非饱和水分的非取样式快速精确测量，较传统设计可提高测量效率50％，属土壤物理范畴。

背景技术

在农业，林业，水文，气象等诸多领域，都希望快速准确地知道土壤含水量。因此发展出许多种土壤含水量的测量方法，如电阻法，电容法，电磁波法等等，但大多需要挖坑埋设传感器，或取样回实验室测量，这一方面破坏了土壤的原有结构，无法还原土壤原来的质地及土壤水分原有的运动条件，使测量的结果产生误差，测量条件也受到土壤自身差异的影响，所挖的埋坑也不可能太深，对3米以上的深层测量就无能为力了。另外需要许多个不同的探头同时工作，探头自身的差异也会使测量的最终结果产生相当大的不一致性，仪器要长期埋设在地下的土壤中，水气，地下水分的酸、碱、盐分也会使探头的许多部件腐蚀损坏而使测量产生许多测量误差，一般都不能进行长达数十年的长期观测，并保证测量的精确度保持不变。而土壤含水量的测量正是一种多测点、大量测量数据综合统计的结果，少量点的测量数据无法代表整体大田里的土壤含水量情况，快速、大量、精确地采集到土壤含水量的数据，才能较准确地知道土壤的真实含水量情况，才能对灌溉、气象预测、作物生长状态评估等有一个正确的结论。中子减速原理测量土壤含水量称为中子法测水，它的测量原理是，同位素中子源会自动持续不断地发出高能的快中子，当这些快中子与它周围的介质的相遇时，就会发生碰撞而降低能量而减速，由普通物理学的动量守恒定律可知，如运动着的乒乓球碰到一个铁球时，该乒乓球仅运动方向改变而速度变化很小，即能量损失很少；但运动着的乒乓球碰到一个静止的乒乓球时，它会使静止的乒乓球向前运动而自己却停了下来，即能量损失很大。氢原子的质量和中子十分接近，所以一个高速运动的快中子和氢原子发生弹性碰撞时，它的能量急剧下降，平均十多次碰撞就减速变成能量很小的热中子。在中子水分仪前端，装有一个同位素中子源，它能不断地发射出快中子，当土壤中的含氢量(即含水量)较大时，快中子很快被慢化成热中子，这些热中子犹如云雾一般紧紧围绕在中子源的周围：如土壤含水量较小时，中子被碰撞的机会少，能运动到稍远的地方去，这样中子云的密度就较稀疏，反之亦然。在中子源的附近，装有一个热中子探测器，它能测出进入其体积内的热中子，这样热中子计数和土壤含水量之间就存在一种确定的关系，通过标定，我们就能由热中子计数算出土壤含水量。中子土壤水分仪测量时不用取样，只要将探头通过测量导管放到所需的测量深度，导管底部是完全密封的，地下水及雨水是不会进入到导管中去的，快中子穿过导管壁进入土壤，损失了能量的热中子又穿过导管壁被探测器测量到，半分钟左右就能得到该土壤层的含水量值，快速精确，采用适合的中子源和探测器，测量效率可在数十年内不会有可察觉的变化，适宜作长期测量使用，测深不限，可直读含水量值。所有测量数据来自同一个测量探头，而该探头的测量效率在数十年中是不会变化的，这就避免了多个传感器的不一致性造成的系统误差。《中子水分计》刘圣康，原子能出版社，1992。《中子物理》刘圣康，原子能出版社，1986。《中子源及其应用》袁汉容，科学出版社，1978。

锂6玻璃闪烁体是固体型探测器，它具有测量效率高，层分辨率好，使用期限极长，不易损坏等特点，是中子土壤水分仪较理想的传感器，但是同位素中子源会伴生大量低能伽玛射线，并且测量计数与土壤含水量之间存在着最佳线性距离，即中子源和探测器间要隔开一定的距离，所测量到的热中子计数和土壤含水量之间才是近似的线性关系，才能通过简单的线性方程计算出土壤含水量。

在计算机技术不发达的年代，由于单片机性能的限制，所谓的智能仪器也只能进行一些较简单的计算，因此比较强调传感器两参数间的线性关系，否则编程和操作将存在很多困难，为了顾及测量响应的线性要求及降低中子源伴随的珈玛射线的影响，必须将中子源和锂6玻璃闪烁体探测器相互离开6厘米左右，这样虽然测量的线性较好，但测量的效率却大大下降了，为了达到较快的测量速度，只能加大中子源的强度，这就增加了防护容器的体积和重量，并在放射源的管理上增加了难度。《中子土壤水分计》江苏省农科院理化室，土壤，1978.2。《我国中子水分计及其应用》刘圣康，核技术，1982.6。