Файл: Рачинский, В. В. Курс основ атомной техники в сельском хозяйстве учебное пособие.pdf

где г — радиус расстояния от источника; т — среднее время жиз­

влажности пересекаются (рис. 7.15)— инверсия зависимости сп от влажности W.

2. Чем 'больше влажность почвогрунта, тем резче ход кривой

Чем больше концентрация медленных нейтронов, тем больше актов захвата медленных нейтронов в единице объема среды и тем больше поток захватного у-излучения (изомерные переходы ядер, захвативших нейтроны, реакция типа п, у).

Отсюда вытекает следующий вывод: если регистрировать какими-либо детекторами концентрацию медленных нейтронов или поток захватного у-излучения, то по показаниям детектора можно определить влажность почвогрунта. При этом необходимо предварительно получить калибровочную кривую зависимости показаний детектора от влажности почвогрунта.

Если влажность почвогрунта определяют по концентрации медленных нейтронов, то такой метод сокращенно называется

Для измерения влажности почвогрунтов нейтронным мето­ дом применяют специальный зонд, который вводят в почву при глубинных измерениях или помещают на поверхности почвы при поверхностных измерениях (рис. 7.16). Зонд состоит из источника быстрых нейтронов и детектора медленных нейтронов (п — п-метод) или детектора у-излучения (п — у-метод).

Как уже отмечалось, вокруг источника быстрых нейтронов в среде, замедляющей нейтроны, образуется определенное распре­ деление медленных, тепловых нейтронов. Точное значение радиу­ са сферы, распределения медленных нейтронов указать невоз­ можно, так как эта сфера простирается асимптотически на бесконечность. Поэтому за распределение нейтронов условно принимают такую сферическую область вокруг источника ней­ тронов, внутри которой будет находиться 95% всех медленных

212

Рис. 7.15. Концентрация медленных ней­ тронов как функция расстояния от ис­ точника нейтронов, помещенного в лочвогрунты с различной влажностью. Ин­

версия зависимости от влажности

Wt>!Fo.

а

Рис. 7.16. Схема зонда для глубинного (а) и по­ верхностного (б) измерения влажности почвы нейтронным методом:

для реальных сред представляет собой очень сложную задачу, и практически он осуществлен только для простейших систем. Поэтому исследование концентрации медленных нейтронов во­ круг данного источника осуществляют экспериментально. На основе такого исследования определяют оптимальные условия расположения источника и детектора.

Пространственная разрешающая способность нейтронного метода измерения влажности почвогрунтов по порядку величи­ ны определяется размерами сферы влияния. Радиус сферы влияния различен для почвогрунтов с разной влажностью. При­

213

ближенно радиус сферы влияния обратно пропорционален корню кубическому из влажности:

(7-75)

где Л — эмпирическая константа; Wo— объемная влажность почвогрунтов, об. %. Радиус сферы влияния для обычно встречаю­ щихся почвогрунтов и диапазонов влажности составляет поряд­ ка 10— 100 см. Отсюда вытекает, что разрешающая способность нейтронного метода не очень высока. Этим методом можно определять среднюю влажность почвогрунта в сфере порядка нескольких десятков сантиметров.

В качестве источников нейтронов для зондов используют ам-

индикаторы (активация элементов с большим эффектным сече­ нием захвата, например родия, серебра, индия), газоразрядные (га, а)-счетчики (регистрация а-частиц, образующихся в реакции типа я, а), сцинтилляционные детекторы (введение в состав сцинтиллятора элементов, дающих с нейтронами реакцию ти­ па га, а, например бора).

Выше отмечалось, что при га — у-методе определения влаж­ ности регистрируют не концентрацию медленных нейтронов, а захватное у-излучение, генерируемое медленными нейтронами в процессе прохождения через среду. Поток захватного у-из- лучения можно искусственно усилить введением в среду дополнительного элемента, интенсивно захватывающего ней­ троны и генерирующего вследствие этого захватное у-излучение. Например, если окружить счетчик, регистрирующий у-излуче­ ние, кадмиевым экраном (на n3Cd происходит резонансный захват нейтронов), то поток захватного у-излучения резко усиливается вследствие образования у-фотонов‘ при захвате нейтронов U3Cd.

Для каждого зонда нужна калибровочная кривая, выра­ жающая зависимость показания детектора от влажности. Калибровку нейтронного влагомера производят снятием пока­ заний детектора при введении зонда в-почвогрунт с известной влажностью.

Обычно почвогрунт с известной влажностью имитируют каким-либо материалом (песком, торфом, опилками, парафи­ ном, плексигласом и др.) с заданным содержанием воды (или водорода).

Форма калибровочной кривой может быть различной в за­ висимости от геометрии источника, детектора, их взаимного расположения и других факторов. Как правило, добиваются

214

такой конструкции зонда, при которой калибровочная кривая линейна (или почти линейна). На рис. 7.17 в качестве примера показана калибровочная кривая для одного из нейтронных влагомеров серийного производства.

Определение плотности почвогрунтов у-методом. Как уже отмечалось (см. § 4 гл. 1), ослабление потока узкого пучка моноэнергетического у-йзлучения происходит по экспонен­ циальному закону

ность потока у-излучения после прохождения слоя вещества толщиной х; р — линейный коэффициент ослабления у-излуче-

ния.

Закон ослабления у-излучения можно записать и в другой

объема почвогрунта в его естественном сложении.

Обозначим искомую плотность твердой фазы почвогрунта рт, а соответствующий массовый коэффициент ослабления у-излу- чения для твердой фазы почвогрунта — рт. Тогда согласно (7.77) получим

215

Однако в реальных условиях в порах почвогрунта содер­ жится вода, для которой массовый коэффициент ослабления ц' ф р'. В этом случае ослабление потока у-излучения проис­

ходит как за счет твердой фазы почвогрунта, так и за счет воды. Поэтому

где р ' — объемная масса распределенной в порах почвогрунта

воды, т. е. масса воды в единице объема почвогрунта. Из (7.79) следует

Итак, если известна весовая влажность почвогрунта, то сог­ ласно (7.80) объемная масса твердой фазы почвогрунта (плот­ ность почвогрунта) определяется по формуле

(i* ;+ ii> B)*

Из формулы (7.79) можно получить также расчетную формулу для определения плотности твердой фазы почвогрунта рт для случая, когда известна объемная влажность почвы. Ее можно определить, например, нейтронным влагомером. В формуле (7.79) рв'х численно равна массе воды, содержащейся в парал­ лелепипеде длиной х и основанием в единицу площади (масса в расчете на единицу площади, например, в граммах на квадрат­ ный сантиметр). Тогда объем этой воды равен рв'х/рв, где рв — истинная плотность воды как жидкой фазы. Так как объем рассматриваемого параллелепипеда численно равен х, то объем­ ная влажность почвы

Рт*

С достаточной для практических целей погрешностью можно принять рв= 1 г/см3.

Массовый коэффициент ослабления у-излучения для боль­ шинства суглинистых почвогрунтов (с содержанием железа ме­

216