1智能中子土壤水分儀使用說明一．簡介智能中子土壤水分儀是集多種高技術于一體的野外土壤含水量測量儀器。測量時只要將探頭放入預先埋設好的導管內，半分鐘左右就能得到不受水分物理狀態(如冰凍)的影響。該儀器主要用于田間土壤水分測量，觀看水分分層分布狀況及動態變化，作物的需水量爭論，節水澆灌指導。嚴寒地區凍土水分測量，及某些部門的長期土壤水分資料積存等方面，也可用于其他物料的水分測量。儀器內部承受單片計算機系統，直接顯示含水量值，全部計算貯存自動完成，可依據被測量的土壤狀況輸入10條多項式標定曲線供計算用，并可任憑調用。測量的結果可顯示或打印出來，并可和微機聯機通訊。本儀器經國家衛生防疫部門檢測，放射防護符合國家標準，可確保使用者的身體安康。二．主要技術指標測水范圍：0～100(%)θ(容積含水量θ)。測量準確度：小于1(%)θ(和烘干法比較).測量靈敏度：土壤水分每變化1(%)θ，相應的計數變化>600脈沖／分鐘。測量深度：地外表至埋置的導管深度。放射防護：符合國家《放射防護規定》GB8703標準.中子源：30mCi(1.1Gbq)241镅—鈹同位素中子源，中子放射率為6.9×104n／s，三層不銹鋼氬弧焊封裝.數據與貯存：可存2023個水分測量值，40個曲線方程系數，即10條8年.耗 電整機電流小于100毫安一次滿額充電可連續使用40小時。9．工作環境：溫度－20℃～＋45℃，濕度<90％10．體積重量：17×17×38cm；6.8Kg三．根本原理106103、10-2左右電子伏特的中子稱為快中子，慢中子，和熱中子，能量大的中子其運動速率也大。在中子水分儀最前端，一個中子源不斷發出快中子，快中子有一個特點，當它和氫原子核碰撞時，損失的能量最大，很快就被慢化成熱中子，這就象一般物理學試驗中，當一個質量小的球與一個質量大的球相碰撞時，小球只是轉變方向而速率并無多大變化，只有當兩球的質量相等時，運動的球會把靜止的球撞得向前滾去，而自己卻停了下來。氫原子是全部原子中質量最小的，和中子質量最接近，因此當快中子和氫原子相碰時，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，使得中子源四周的土壤中始終從整體上看，中子源四周的土壤中總是裹著一團中心密集，邊緣稀疏的熱2中子，這團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，也就是說相碰的時機也較多，所以當把中于源放入土壤中，假設土壤中含氫量大，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，它能將進入探測器的熱中子轉換成光電信號并通過電子線路將其個數記錄下來，這樣土壤中含氫量大，儀器記錄到的計數就多。我們知道每一個水分子含有二個氫原子，而土壤中的氫大局部來自水中，這樣熱中子計數和土壤含水量之間就存在著一種確定的關系，我們在標定中通過回歸的方法找出這種關系，就能計算出含水量。為了適應土壤的多樣性和簡潔性，我們承受了三項式方程，這樣無論兩者的關系如何變化，都能很好地擬合。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，中子放射率為6.9×104n433每當熱中子和探測器中鋰發生核反響時，便會產生很弱的閃光，它對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換器件，探測器承受到熱中子并發出閃光時，光子會在光陰極上打出一些電子，這些電子在光電倍增管內經過多級放大，便輸出一個個脈沖信號，最終被電子線路接收記錄。光電倍增管外殼是由玻璃制造，所以要留意防止猛烈震驚而受到損壞。2．標準防護容器：它是由含氫量很高的復合聚乙烯材料制成，第一個作用是快中子經過它時大局部已被慢化和吸取了，容器外的劑量率低于國家允許標準，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安康。容器的第二個作用是做標準計數，假設外界緣由(溫度影響等)使測量計數率減小或增加，那么標準計數率也會以一樣的比率變化，其計數率比應不受外界因素影響，承受計數率比可減小系統誤差，提高測量的準確性。3．主機面板各鍵功能。主機面板共有21個鍵，現將其功能簡述如下：①0～9數字鍵、小數點鍵、正負號鍵:P，按數字鍵選擇曲線方程。②復位鍵:用于整機恢復初態，這時提示HELLO。③監控鍵:在監控態時提示PP，它是各種狀態的出入口。當欲從一種狀態變成另一種狀態，必需通過監控鍵來轉換。3④標定鍵:在標定態可查看和修改曲線方程系數。⑤測量鍵:測量態，提示輸入測量次數、測量管號、測量深度并進展測量。⑥重復鍵:在重復態時將做無限重復計數。⑦清零鍵:將全部水分值存貯單元變為零，其他系數不變，連按兩次有效。⑧顯示鍵:提示輸入管號，深號，然后顯示測量得到的水分值。⑨打印鍵:提示輸入打印機類型代號和打印范圍，然后將測量值打印輸出。⑩完畢鍵:關機前按完畢鍵能使全部的信息牢靠地保存。其他部件功能：①主機后蓋板有一圓蓋，旋開后可看到三個器件：五位開關：每一位開關都標有數碼，其中5是積分微分開關(請參看第七章ON1是自檢測量開關，ON2、3、4是自檢信號選擇開關，分別撥到ON位置時，輸出9764，4880、2440標準信號供檢查修理時使用。指針式電位器：調整閾值用，和微分開關協作使用可信號進展微分分析。高壓電位器：用于光電倍增管高壓調整。②主機側板插頭：其中15孔端口供打印輸出用、9孔端口供微機通訊用。另一個是充電插孔，充電時間應把握在10至15小時之間，當主機和容器分別時，充電器可作為主機電源使用。③上蓋板按鈕：上蓋板有一按鈕，用于電池電壓顯示，另一個也是充電插孔。④電纜接頭：主機和探頭之間用電纜相聯，留意不能帶電插拔，接頭要旋緊。⑤容器正上方裝有探頭鎖定裝置，側向扳動可翻開鎖定裝置讓探頭進入導管。容器下的墊板用腳一踩即可脫落。當需要主機和容器分別時，可翻開上蓋板，垂直上拔即可取下主機，這時可拿到辦公室去打印或將數據輸給計算機。主機的電池插頭在其底部的右下方，安裝主機時留意對準插好。五．測量步驟與實例測量可歸納為以下幾個主要步驟：(*表示可選擇使用步驟)①開機*輸入曲線方程系數，一次輸入后即自動貯存，以后不必再輸。*清零：依據狀況打算是否去除上次測量的結果o②測標準計數：將探頭置于容器內測標準計數，一般半天一次即可。③測量計數：將探頭置于欲測深度進展測量，之后自動計算，顯示并存貯在相應的存貯器單元。④關機⑤顯示或打印出測量的結果標定操作實例：操作鍵 顯示· 注 釋 開關HELL0 開啟電源，儀器處在初態。監控 ****** 顯示上次測量的標準計數。監控 PP 進入監控態。4標定 A00 提示將顯示第0條曲線的0次項系數。標定 **.** 顯示原輸入值。-29.34 -29.34 輸入的系數值，如不修改直接再按標定鍵，標定 A01 提示將顯示第0條曲線的1次項系數。標定 ***.**．¨ 顯示原輸入值***.**。這樣可輸入10條曲線的共40個系數，留意輸入值要準確到小數點后二位，否則可能會影響到計算精度。如承受直線方程，只要將2次項以上的系數置為0即可。由于技術緣由，再次顯示系數時負號不再消滅，使用者應記好。標準計數操作實例：，按復位鍵，儀器回到初態，這時將探頭放置在防護容器中，下墊聚乙烯墊板，測量地點最好每次都一樣，并且1米內含氫物質(植物，水等)盡量要少，這樣不會因環境因素影響到標準計數。具體操作步驟如下：操作鍵 顯示 注 釋 復位HELLO 使儀器處在初態。測量 ***** 顯示上次的標準計數。測量 PL01 進入測量狀態，顯示的數是10秒一次的測量次數，可改寫。20 PL20 20次，然后取其平均值。測量 ***** 每10秒顯示一個計數自動測20次。P***** 顯示20次的平均值。監控 PP 進入監控狀態，這時標準計數已自動存入，供計算計數率比用。如認為這次測量結果不抱負，可直接按測量鍵再測。測量計數操作實例：用腳輕輕踩住墊板使之和儀器分開，將儀器放在導管上，翻開線夾將探頭順著導管放至欲測深度，這時即可進展測量了。具體操作步驟如下：操作鍵 顯示 注 釋PP 儀器處在監控態。測量 HE01 請輸入測量次數，每次10秒，4～6次。HE04 4次重復。測量 LL01 請輸入管號，最大值為99。LL05 5根管。測量 EE01 請輸入深度號，最大值為20。3 EE03 3個深度。測量 ***** 10秒一次測4次。P***** 顯示4次測量的平均值。50 **.** 按0鍵則按第0條曲線方程計算水0~910條曲線可供隨時選擇。將探頭放至另一深度，重復上述步驟，直至完成測量。測量深度烙記在電纜線上，可用線夾在任意深度定位，也可在電纜線上固定假設干個定位夾，使用定位夾便捷準確，常在測深確定的狀況下承受。線夾內側夾線用，外側和定位夾協作用。為了使電纜線上的深度標記和實際深度全都，我們規定導管露出地面的高度為10厘米，這時電纜線上指示的深度就是實測的深度，如不全都，應留意增減其差值。每一根管測完以后，將探頭拉回容器，這時如聽到”咔嗒”一聲，說明探頭已自動鎖好，可轉移至其他測管去測量。顯示操作實例：操作鍵 顯示 注 釋 監控PP 進入監控態。顯示 LL01 請輸入管號。5 LL05 5根管。顯示 HH01 請輸入深度號。3 HH03 欲查看第3個深度。顯示 **** 顯示 HH04 將顯示下一深度含水量值。打印操作實例：操作鍵 顯示 注 釋 監控PP 進入監控態。打印 123 提問用40行，80行，100行哪種打印機?2 LL01 80行打印機，又問從哪一管起打?5 LL05 5根管起打。打印 HH01 問從第幾深度起打?10HH10 從第10個深度起打?打印 LL99問打至哪根管止?10 LL10 打至第10根管止。打印 HH20 問打至哪個深度止?15HH15 15個深度止。打印 PHL 打印開頭。留意打印是一組組輸出的，如80行打印輸出是10個一組。由于打印機多種多樣，如不能正常打印，請按說明書上的地址和我們聯系。六．導管的埋設與儀器的標定測量首先要埋管，埋管地點的選擇很重要，由于我們是要通過一根或?埋管的地點應具有代表性，能較好地反映出總體的狀況。鉆孔可用麻花式取土鉆或筒式取土鉆〔洛陽鏟，土鉆外徑應比鋁管略大，盡量使孔垂直。鉆孔時還應留意上下土層的容重，質地是否全都，如差異明顯，應記住界面深度，.6中子水分儀測量到的主要是熱中子計數，計數值的大小和土壤含量成正比，但測量到的某一計數值到底對應的含水量是多少，由于土壤狀況的多樣性和簡潔性，很難從理論上推導出兩者的準確關系，因此需要通過烘干法進展標定，得出一組兩者關系的對應點，然后求出回歸方程，這樣就(測量計數)求出另一個未知量(土壤含水量)。烘干法是中子測水的參照標準，中子測水的準確度依靠于烘干法的準確度，這里我們只介紹較為常用的田間標定，信任使用者能舉一反三，結合自己的實際狀況制造出更好的標定方法。由于土壤的空間變異性，在導管四周同一土層取出的假設干土樣是一個隨機變量，要想得到某一層的水分真值，就應在該層的同一水平面上取多個土樣，然后依據數理統計的方法求出水分真值和誤差，如精度不夠，就必需適當增加土樣數量或另選點，為了保證中子法測水的準確度，通常要求烘干法測量誤差不大于0.5θ(％)。另外，中子法測量的有效體積是一個直徑20厘米左右的球體，垂直方向的水分不同也會影響到標定的精度，所以標定前可用中子儀進展初測，選在一個垂直方向水分變化小的土層進展標定。還有就是標定的范圍要大于測量范圍，如承受多項式回歸，任憑擴展曲線可能會在外延局部引起較大的誤差，如水分變化范圍不夠，可參照步驟3，用人為方法擴大水分范圍。標定時儀器的測量時間應比正常測量延長２－４倍，以減小計數的統計誤差。烘干法常用的單位是重量含水量(W)，而中子法則一般承受容積含水量(θ)(p)相聯系(θ＝Wp),儀器的標定有時是一個較長的過程，使用者并非確定要等到標定好以后才能進展測量，使用者可先使用一個假定的方程，等到標定好以后再進展換算。如以后的數據積存多了，還可對原來的標定曲線進展再次修正。回歸方程計算應通過計算機完成，我們可免費供給有關軟件或代為計算。田間標定的具體步驟可歸納為：認真選點，鉆孔埋管。用中子儀每10厘米一層進展粗測，對標定地點土壤含水量有一個大致的了解。如含水量不夠，可依據狀況進展把握灌水，然后蓋上塑料薄膜防止蒸發和降雨，讓其自然平衡1－３個星期。如含水量太高，可在導管1米遠處挖溝,阻斷側向水分的滲潤，上蓋塑料薄膜防雨，晴天翻開曝曬，以取得低含水量點，凹凸水分之間一般要有5個以上的點，并盡可能使之均勻分布。再粗測選擇垂直方向水分分布較均勻的標定層。測標準計數，然后將探頭放在標定層測測量計數，用計算器算出計數30次以上，測量計數在15次以上。在標定導管四周20厘米范圍內，每個水分值取6～10個土樣，取樣深度和中子儀測量深度全都。土樣稱重，烘干，稱重，計算出含水量和誤差，刪除不抱負的點。得出一組相對應的計數率比和土壤含水量值，用多項式回歸軟件(如EXCEL)3次。將曲線的4個系數輸入儀器用于計算含水量用。7標定導管四周的土壤構造已被破壞，用拔管器將導管拔出，重埋置使用。(以上測量方法僅供用戶參考)在淺層測量時，由于局部中子會逃出地外表而使計數減小，這時測量計數變成了含水量和深度的函數，只要我們將深度固定，在這一深度標定和測為了使深層和淺層測量的精度大致一樣，我們已將深度標記為1，2，3的測量時間按比例延長，請使用者留意。七．數據處理與脈沖分析這并非是儀器不穩定，而是由于放射性物質衰變的屬性打算的，镅的半衰期是433但這也不是雜亂無序的，而是有著其內在的規律性。標準計數的外界條件根本全都，因此常作為儀器工作是否正常的標志，在這里我們將著重介紹標準計數的一些放射性統計規律及數據處理方法。下面是我們某次測量到2010秒的標準計數：86708448838085488440854484208412827983008416838884008308847681888480825083208316x=8399 S=114，在這組數據中，兩個特征值是重要的：1．平均值x，其數學定義為x=∑X／n，說明各計數值的分布趨勢。2S=????????)1(/)(nnXXn,S說明以x為中心各計數值的分散程度。放射性物質的衰聽從泊松分布的，它的一個特別性質是σ＝X，這是理論上導出的測量誤差，這樣當我們知道某一測量計數值時，就馬上知道它的誤差該是多少。如無其他誤差介入，測量得到的S和理論值σ應根本相等。我們測量到的計數較大，因此可以用我們生疏的正態分布來處理，即測量計數的68％會落在一個標準差之內，計數的95.5％會落在兩個標準差之內，(參見圖2)在上面的標準