中子土壤水分仪应用与介绍

一．简介

    CS830智能中子土壤水分仪是集多种高技术于一体的野外土壤含水量测量仪器。测量时只要将探头放入预先埋设好的导管内，半分钟左右就能得到一个土壤层的含水量值。整个测量过程不用取样，精确、快速、测深不限、不受水分物理状态(如冰冻)的影响。该仪器主要用于田间土壤水分测量，观察水分分层分布情况及动态变化，作物的需水量研究，节水灌溉指导。严寒地区冻土水分测量，及某些部门的长期土壤水分资料积累等方面，也可用于其他物料的水分测量。

仪器内部采用单片计算机系统，直接显示含水量值，所有计算贮存自动完成，可根据被测量的土壤状况输入10条多项式标定曲线供计算用，并可随意调用。测量的结果可显示或打印出来，并可和微机联机通讯。

本仪器经国家卫生防疫部门检测，放射防护符合国家标准，可确保使用者的身体健康。

二．主要技术指标

1．测水范围：0～100(%)θ(容积含水量θ)。

2．测量精确度：小于1 (%)θ(和烘干法比较).

3．测量灵敏度：土壤水分每变化1(%)θ，相应的计数变化>600脉冲／分钟。

4．测量深度：地表面至埋置的导管深度。

5．放射防护：符合国家《放射防护规定》GB8703标准.

6．中  子  源：30mCi(1.1Gbq)241镅—铍同位素中子源，中子发射率为6.9×104n／s，三层不锈钢氩弧焊封装.

7．数据与贮存：可存2000个水分测量值，40个曲线方程系数，即10条三项式曲线。在掉电的情况下这些数据可保存8年.

8．耗    电：整机电流小于100毫安，一次满额充电可连续使用40小时。

9．工作环境：温度－20℃～＋45℃，湿度<90％.

10．体积重量：17×17×38cm；6.8Kg

三．基本原理   

   在物理学上，通常以能量的大小替中子分类，习惯上分别将106、103、10-2左右电子伏特的中子称为快中子，慢中子，和热中子，能量大的中子其运动速率也大。在中子水分仪zui前端，一个中子源不断发出快中子，快中子有一个特点，当它和氢原子核碰撞时，损失的能量zui大，很快就被慢化成热中子，这就象普通物理学实验中，当一个质量小的球与一个质量大的球相碰撞时，小球只是改变方向而速率并无多大变化，只有当两球的质量相等时，运动的球会把静止的球撞得向前滚去，而自己却停了下来。氢原子是所有原子中质量zui小的，和中子质量zui接近，因此当快中子和氢原子相碰时，能量损失比其他原子要大得多。

   探头中的中子源不断地放射出快中子，使得中子源附近的土壤中一直存在着快中子减速成为热中子，热中子在土壤中扩散，被土壤吸收的过程。从整体上看，中子源周围的土壤中总是裹着一团中心密集，边缘稀疏的热中子，这团热中子称作热中子云球在快中子慢化过程中，氢原子有着特别重要的作用，一方面它们每次碰撞时损失的能量比别的元素大得多，另一方面氢原子与中子的作用截面也较大，也就是说相碰的机会也较多，所以当把中于源放入土壤中，若土壤中含氢量大，中子就慢化得快，中子源周围形成的”热中子云球”的半径就小，热中子密度也就大，反之，热中子密度就较小。中子源旁有一块体积确定的热中子探测器，它能将进入探测器的热中子转换成光电信号并通过电子线路将其个数记录下来，这样土壤中含氢量大，仪器记录到的计数就多。我们知道每一个水分子含有二个氢原子，而土壤中的氢大部分来自水中，这样热中子计数和土壤含水量之间就存在着一种确定的关系，我们在标定中通过回归的方法找出这种关系，就能计算出含水量。为了适应土壤的多样性和复杂性，我们采用了三项式方程，这样无论两者的关系如何变化，都能很好地拟合。

四．主要部件简介

1．探头

①中子源：中子水分仪使用30mCi(1．1Gbq)241镅—铍三层不锈钢封装柱状同位素中子源，它们平均能量是5MeV左右，中子发射率为6.9×104n／s，半衰期为433年，所以在十多年的使用期内中子发射率基本不会变化。

②锂玻璃探测器：其外形象一块圆形玻璃，用硅脂粘合在光电倍增管前端，每当热中子和探测器中锂发生核反应时，便会产生很弱的闪光，它对热中子的探测效率很高，不易损坏而且寿命极长。

③光电倍增管：光电倍增管是光电转换器件，探测器接受到热中子并发出闪光时，光子会在光阴极上打出一些电子，这些电子在光电倍增管内经过多级放大，便输出一个个脉冲信号，zui后被电子线路接收记录。光电倍增管外壳是由玻璃制造，所以要注意防止猛烈震动而受到损坏。

2．标准防护容器：

    它是由含氢量很高的复合聚乙烯材料制成，*个作用是快中子经过它时大部分已被慢化和吸收了，容器外的剂量率低于国家允许标准，使用者可放心地提着仪器到野外去测量，保证了使用者的身体健康。容器的第二个作用是做标准计数，如果外界原因(温度影响等)使测量计数率减小或增加，那么标准计数率也会以相同的比率变化，其计数率比应不受外界因素影响，采用计数率比可减小系统误差，提高测量的准确性。