專利名稱：：鋰6玻璃閃爍體式中子土壤水分儀高效探頭的制作方法
技術領域：
：本實用新型涉及鋰6玻璃閃爍體式中子土壤水分儀探頭的一種設計方法，可用于地下數(shù)十米內(nèi)土壤內(nèi)的非飽和水分的非取樣式快速精確測量，較傳統(tǒng)設計可提高測量效率50%，屬土壤物理范疇。
背景技術：
：在農(nóng)業(yè)，林業(yè)，水文，氣象等諸多領域，都希望快速準確地知道土壤含水量。因此發(fā)展出許多種土壤含水量的測量方法，如電阻法，電容法，電磁波法等等，但大多需要挖坑埋設傳感器，或取樣回實驗室測量，這一方面破壞了土壤的原有結(jié)構(gòu)，無法還原土壤原來的質(zhì)地及土壤水分原有的運動條件，使測量的結(jié)果產(chǎn)生誤差，測量條件也受到土壤自身差異的影響，所挖的埋坑也不可能太深，對3米以上的深層測量就無能為力了。另外需要許多個不同的探頭同時工作，探頭自身的差異也會使測量的最終結(jié)果產(chǎn)生相當大的不一致性，儀器要長期埋設在地下的土壤中，水氣，地下水分的酸、堿、鹽分也會使探頭的許多部件腐蝕損壞而使測量產(chǎn)生許多測量誤差，一般都不能進行長達數(shù)十年的長期觀測，并保證測量的精確度保持不變。而土壤含水量的測量正是一種多測點、大量測量數(shù)據(jù)綜合統(tǒng)計的結(jié)果，少量點的測量數(shù)據(jù)無法代表整體大田里的土壤含水量情況，快速、大量、精確地采集到土壤含水量的數(shù)據(jù)，才能較準確地知道土壤的真實含水量情況，才能對灌溉、氣象預測、作物生長狀態(tài)評估等有一個正確的結(jié)論。中子減速原理測量土壤含水量稱為中子法測水，它的測量原理是，同位素中子源會自動持續(xù)不斷地發(fā)出高能的快中子，當這些快中子與它周圍的介質(zhì)的相遇時，就會發(fā)生碰撞而降低能量而減速，由普通物理學的動量守恒定律可知，如運動著的乒乓球碰到一個鐵球時，該乒乓球僅運動方向改變而速度變化很小，即能量損失很少；但運動著的乒乓球碰到一個靜止的乒乓球時，它會使靜止的乒乓球向前運動而自己卻停了下來，即能量損失很大。氫原子的質(zhì)量和中子十分接近，所以一個高速運動的快中子和氫原子發(fā)生彈性碰撞時，它的能量急劇下降，平均十多次碰撞就減速變成能量很小的熱中子。在中子水分儀前端，裝有一個同位素中子源，它能不斷地發(fā)射出快中子，當土壤中的含氫量(即含水量)較大時，快中子很快被慢化成熱中子，這些熱中子猶如云霧一般緊緊圍繞在中子源的周圍如土壤含水量較小時，中子被碰撞的機會少，能運動到稍遠的地方去，這樣中子云的密度就較稀疏，反之亦然。在中子源的附近，裝有一個熱中子探測器，它能測出進入其體積內(nèi)的熱中子，這樣熱中子計數(shù)和土壤含水量之間就存在一種確定的關系，通過標定，我們就能由熱中子計數(shù)算出土壤含水量。中子土壤水分儀測量時不用取樣，只要將探頭通過測量導管放到所需的測量深度，導管底部是完全密封的，地下水及雨水是不會進入到導管中去的，快中子穿過導管壁進入土壤，損失了能量的熱中子又穿過導管壁被探測器測量到，半分鐘左右就能得到該土壤層的含水量值，快速精確，采用適合的中子源和探測器，測量效率可在數(shù)十年內(nèi)不會有可察覺的變化，適宜作長期測量使用，測深不限，可直讀含水量值。所有測量數(shù)據(jù)來自同一個測量探頭，而該探頭的測量效率在數(shù)十年中是不會變化的，這就避免了多個傳感器的不一致性造成的系統(tǒng)誤差?！吨凶铀钟嫛穭⑹タ?，原子能出版社，1992?！吨凶游锢怼穭⑹タ?，原子能出版社，1986?！吨凶釉醇捌鋺谩吩瑵h容，科學出版社，1978。鋰6玻璃閃爍體是固體型探測器，它具有測量效率高，層分辨率好，使用期限極長，不易損壞等特點，是中子土壤水分儀較理想的傳感器，但是同位素中子源會伴生大量低能伽瑪射線，并且測量計數(shù)與土壤含水量之間存在著最佳線性距離，即中子源和探測器間要隔開一定的距離，所測量到的熱中子計數(shù)和土壤含水量之間才是近似的線性關系，才能通過簡單的線性方程計算出土壤含水量。在計算機技術不發(fā)達的年代，由于單片機性能的限制，所謂的智能儀器也只能進行一些較簡單的計算，因此比較強調(diào)傳感器兩參數(shù)間的線性關系，否則編程和操作將存在很多困難，為了顧及測量響應的線性要求及降低中子源伴隨的珈瑪射線的影響，必須將中子源和鋰6玻璃閃爍體探測器相互離開6厘米左右，這樣雖然測量的線性較好，但測量的效率卻大大下降了，為了達到較快的測量速度，只能加大中子源的強度，這就增加了防護容器的體積和重量，并在放射源的管理上增加了難度?！吨凶油寥浪钟嫛方K省農(nóng)科院理化室，土壤，1978.2。《我國中子水分計及其應用》劉圣康，核技術，1982.6。中子源是一種放射源，會不斷地發(fā)射出對人體有害的射線，為了保證操作者的身體健康，必須用特種的高含氫材料和中子吸收元素混合物，將這些射線減小能量并吸收掉，最終使操作者所受到射線輻照劑量低于國家所規(guī)定的劑量標準以下。要做到這點一般有兩種方案減小中子源強度和增加防護體的厚度，后者會大大增加整機的體積和重量，使運輸和使用帶來極大的不便。
實用新型內(nèi)容本實用新型可解決鋰6玻璃閃爍體探測器測量響應線性及測量效率的矛盾，其結(jié)果是在保持相同測量效率的前提下，減小放射源的強度，減輕儀器的體積和重量，使儀器更具有實用性。按本實用新型設計制造的中子土壤水分儀，將放射源減小到原來的一半時，仍達到原設計相同的測量效率和測量的精確度。同位素中子源所發(fā)出的高能量中子，與測量介質(zhì)中元素發(fā)生碰撞減速，因此在被測量介質(zhì)中，存在著一個以中子源為中心，中間密集、邊緣稀疏的熱中子云球，如果將鋰6玻璃閃爍體盡量靠近中子源，就能測量到更多的熱中子計數(shù)，但同時會引起低能珈瑪射線使本底計數(shù)增加和測量的非線性問題，本實用新型所采用的方案是—種鋰6玻璃閃爍體式中子土壤水分儀高效探頭，包括外殼l，外殼1內(nèi)設有中子源3、鋰-6玻璃閃爍體探測器4，光電倍增管5設置在鋰-6玻璃閃爍體探測器4與前置放大電路6之間，外殼l上設有電纜接頭7和電纜線，其中，所說的中子源放置在鉛盒2中，鋰-6玻璃閃爍體探測器4距中子源1厘米。本實用新型探頭將探測器與中子源的相隔距離拉近到1厘米左右，中子源用壁厚0.5厘米的鉛盒完全包住，以屏蔽同位素中子源伴生的低能伽瑪射線，由于中子源和探測器的距離已縮到最短，就能最大限度地測量到熱中子的計數(shù)，即提高了測量的效率，而中子源和探測器因縮短距離而引起的的非線性問題，通過把原來的線性回歸改為多項式回歸的方法解決，由于計算機和單片機技術的發(fā)展及數(shù)據(jù)處理軟件的普及，使這種計算變得十分普及，這樣就能在同位素中子源減小到原來一半的情況下，保持原有的測量效率，測量精度和準確度。中子水分儀所測到的只是熱中子計數(shù)，但這個計數(shù)對應的精確的土壤含水量究竟是多少，必須要通過標定才能知道，標定就是給某一測量器具刻劃上計量刻度。如溫度計的標定是把一根空白的溫度計放在冰水中，確定出oc°，放入沸水中，確定出100C°點，然后再把兩點之間均勻地分成ioo等份，這樣就可以用它去測量未知的溫度了。中子儀的標定也類似，但它的參照標準值是烘干法測量出的土壤含水量，在目前數(shù)十種測量方法中，烘干稱重法都是唯一的標準參照方法，所有其它測量方法的測量精度都是與它相比較而言的，即從欲測物的總體中取出一塊樣本，稱出它的濕重，然后將樣品放入105C°的烘箱中烘4個小時，取出后再稱出干重，將蒸發(fā)掉的水分比上干土重，就能計算出它的重量含水量，這個含水量量值就是我們認定的含水量標準值。但由于這個方法需要取樣，會破壞土壤的原來的狀況，操作時間長，計算的程序繁瑣，因此才發(fā)明出各種各樣的測量方法，但它們的參照標準依然是烘干法。我們將中子儀探頭放入某一層土壤中，測量出一個計數(shù)值，隨即在導管四周用土鉆取出這層土壤的土樣，用標準的烘干法測出土壤含水量，這樣就得到一對數(shù)值，再選擇不同含量的土壤繼續(xù)測量取樣，我們就能得到若干組數(shù)值，通過數(shù)學上的回歸計算，得到回歸方程。在實際測量中只是測出熱中子計數(shù)值，再由回歸方程算出含水量，但實際測量中，熱中子計數(shù)和土壤含水量量間的關系并不是良好的線性關系，這樣在用線性回歸方程計算含水量時，出現(xiàn)有些范圍高于實際值，有些范圍低于實際值的所謂系統(tǒng)誤差，這就使測量的精確度受到限制，當按本實用新型方案設計時，由于探測器和中子源的間距已縮到最短，實際含水量和熱中子計數(shù)間的非線性現(xiàn)象更加明顯一些，因此我們將原來的線性方程(一次項方程)Y(體積含水量)二aX(熱中子計數(shù))+b改變成3次項方程，即Y=a^+bf+c^+d這樣回歸方程就由直線變成了曲線，它能跟隨著實際測量的結(jié)果而變化，使得它的相關系數(shù)提高，減小了測量的系統(tǒng)誤差，提高了測量的精確度，甚至要高于原設計方案中線性方程計算出的精確度。由于計算機技術的發(fā)展，這種二次回歸計算變得十分的容易，將一組測量值通過計算軟件，算出a、b、c、d四個值，輸入中子水分儀中，當這臺儀器測量到一個熱中子計數(shù)值時，中子水分儀中的單片計算機就會自動換算出含水量并顯示出來，目前的中子水分儀可以貯存這樣的曲線10條以上，供在不同的土壤中選用。按本實用新型設計制作的中子土壤水分儀，較原設計方法，可在保持原測量精確度的條件下，使放射性同位素中子源的強度減小一半，防護容器及整機的重量減少到原來的三分之一，體積減小一半，中子源的費用減少三分之一，由于中子源強度減小，使放射性管理的等級降低，運輸、貯存、廢源處理的難度也降低，另外儀器的體積重量的減小，使用操作也更方便。圖1是本實用新型探頭結(jié)構(gòu)示意圖其中1-外殼，2-鉛盒，3-中子源，4-探測器，5-光電倍增管，6-前置放大電路，7_接頭，8-電纜線圖2是熱中子計數(shù)與土壤含水量關系圖圖3是熱中子計數(shù)與土壤體積含水量線性回歸關系圖圖4是熱中子計數(shù)與土壤體積含水量3次回歸關系圖具體實施方式本實用新型的設計圖如圖1所示l為合金鋁質(zhì)外殼，因為鋁的中子吸收截面較小，機械強度大，抗腐蝕，是宜合的使用材料。2、是鉛制源盒，鉛盒的厚度要在5毫米以上，它將中子源伴生的低能珈瑪射線禁錮在盒內(nèi)，減小多個小脈沖在電路中疊加產(chǎn)生誤計數(shù)。4、為鋰-6玻璃閃爍體探測器，它能將射入探測器內(nèi)的熱中子轉(zhuǎn)變成光信號，再由5光電倍增管轉(zhuǎn)換成電信號，然后由計數(shù)電路記錄下來。6是電路的前置放大電路，它由鋁外殼作電子屏蔽，直接靠近光電倍增管，能減小耦合電容的影響，提高整個電路的信噪比。7為探頭與測量儀器間的電纜接頭。8是電纜線。由圖1可以看出，中子源是緊靠著探測器的，中間僅隔著一層鉛屏蔽蓋，所以能將熱中子的探測效率提高到最大，因此在保持儀器精度不變的條件下，中子源的強度能減小到最小，放射源小，屏蔽層的厚度就能減小，因此儀器的體積和重量都可以有較大程度的減小。具體的標定方法是，在測管的30厘米處同樣深度的地方取5個以上的土樣，然后將中子水分儀的探頭放在同樣的深度測量出它的熱中子計數(shù)，這些土樣用烘干法測量出它們的標準含水量值，再用數(shù)據(jù)統(tǒng)計的方法剔除粗差，得到一組土壤含水量的數(shù)學期望值，并得到這組數(shù)據(jù)的樣本標準差，使之在95%的置信區(qū)間的誤差不大于中子水分儀預定誤差的1/4，以確保作為比對標準的精確度。如達不到這一要求，則應增加樣本數(shù)量或另擇測量點重新上述工作。取得一組數(shù)據(jù)后，即在附近另鉆孔埋管，依照先前的方法，測量出其余的測點，如含水量低，可適量灌水增加含水量。其原則是各點要有合適的梯度，從低含水量直到飽和含水量，一般要有5組以上的點才行。下面的數(shù)據(jù)是某次田間標定的實測數(shù)據(jù)熱中子計數(shù)與土壤含水量標定數(shù)據(jù)表<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>[0025]根據(jù)該組數(shù)據(jù)所繪出的圖形圖2所示。圖3是熱中子計數(shù)與土壤體積含水量線性回歸關系圖，其線性回歸及線性方程式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>相關系數(shù)R2=0.9665。圖4熱中子計數(shù)與土壤體積含水量3次回歸關系圖，其多項式方程為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>，其相關系數(shù)R2=0.9962864065，可以看到，用多項式方程處理的準確度較線性方程處理要有較大的改善，相關系數(shù)也有所提高。權利要求一種鋰6玻璃閃爍體式中子土壤水分儀高效探頭，包括外殼(1)，外殼(1)內(nèi)設有中子源(3)、鋰-6玻璃閃爍體探測器(4)，光電倍增管(5)設置在鋰-6玻璃閃爍體探測器(4)與前置放大電路(6)之間，外殼(1)上設有電纜接頭(7)和電纜線，其特征在于，中子源放置在鉛盒(2)中，鋰-6玻璃閃爍體探測器(4)距中子源1厘米。2.根據(jù)權利要求1所述的鋰6玻璃閃爍體式中子土壤水分儀高效探頭，其特征在于，外殼(l)為合金鋁質(zhì)外殼。3.根據(jù)權利要求1所述的鋰6玻璃閃爍體式中子土壤水分儀高效探頭，其特征在于，所述鉛盒的厚度要為0.5厘米。專利摘要本實用新型涉及土壤物理領域，具體涉及一種鋰6玻璃閃爍體式中子土壤水分儀高效探頭。該探頭包括外殼、中子源、鋰-6玻璃閃爍體探測器、光電倍增管、前置放大電路、電纜接頭和電纜線，其中，所述的中子源放置在是鉛盒中，鋰-6玻璃閃爍體探測器設置在距中子源1厘米處。本實用新型的中子土壤水分儀，采用了三次回歸曲線替代了原來的線性回歸方程，使測量的精確度提高，在傳統(tǒng)設計相比，使放射性同位素中子源的強度減小一半，防護容器及整機的重量減少到原來的三分之一，體積減小一半，中子源的費用減少三分之一，由于中子源強度減小，使放射性管理的等級降低，運輸、貯存、廢源處理的難度也降低，另外儀器的體積重量的減小，使用操作也更方便。文檔編號G01N23/09GK201518007SQ20092025658公開日2010年6月30日申請日期2009年11月12日優(yōu)先權日2009年11月12日發(fā)明者唐玉新,林家彬,薄海豹,韋金河,黃萬喜申請人:江蘇省農(nóng)業(yè)科學院