智能中子土壤水分仪使用说明.doc

智能中子土壤水分仪使用说明一简介 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：0100(%)(容积含水量)。2测量精确度：小于1 (%)(和烘干法比较).3测量灵敏度：土壤水分每变化1(%)，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6.9104ns，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2045，湿度90.10体积重量：171738cm；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。在中子水分仪最前端，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，损失的能量最大，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最小的，和中子质量最接近，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探头中子源：中子水分仪使用30mCi(11Gbq)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6.9104ns，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。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。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，最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，第一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。3主机面板各键功能。主机面板共有21个键，现将其功能简述如下：09数字键、小数点键、正负号键:用于数据输入和应答仪器的提示。，在测量态时，当出平均值提示符P，按数字键选择曲线方程。复位键:用于整机恢复初态，这时提示HELLO。监控键:在监控态时提示PP，它是各种状态的出入口。当欲从一种状态变成另一种状态，必须通过监控键来转换。 标定键:在标定态可查看和修改曲线方程系数。测量键:在初态按测量进入标准态，测量标准计数，在监控态按测量进入测量态，提示输入测量次数、测量管号、测量深度并进行测量。重复键: 在重复态时将做无限重复计数。 清零键:将所有水分值存贮单元变为零，其他系数不变，连按两次有效。显示键:提示输入管号，深号，然后显示测量得到的水分值。打印键:提示输入打印机类型代号和打印范围，然后将测量值打印输出。结束键:关机前按结束键能使所有的信息可靠地保存。4其他部件功能：主机后盖板有一圆盖，旋开后可看到三个器件： a五位开关：每一位开关都标有数码，其中5是积分微分开关(请参看第七章)，在ON位置时是微分测量。1是自检测量开关，ON时是测量。2、3、4是自检信号选择开关，分别拨到ON位置时，输出9764，4880、2440标准信号供检查修理时使用。 b指针式电位器：调节阈值用，和微分开关配合使用可信号进行微分分析。 c高压电位器：用于光电倍增管高压调节。主机侧板插头：其中15孔端口供打印输出用、9孔端口供微机通讯用。另一个是充电插孔，充电时间应控制在10至15小时之间，当主机和容器分离时，充电器可作为主机电源使用。上盖板按钮：上盖板有一按钮，用于电池电压显示，另一个也是充电插孔。 电缆接头：主机和探头之间用电缆相联，注意不能带电插拔，接头要旋紧。容器正上方装有探头锁定装置，侧向扳动可打开锁定装置让探头进入导管。容器下的垫板用脚一踩即可脱落。当需要主机和容器分离时，可打开上盖板，垂直上拔即可取下主机，这时可拿到办公室去打印或将数据输给计算机。主机的电池插头在其底部的右下方，安装主机时注意对准插好。五测量步骤与实例1测量可归纳为以下几个主要步骤：(*表示可选择使用步骤)开机*输入曲线方程系数，一次输入后即自动贮存，以后不必再输。*清零：根据情况决定是否清除上次测量的结果o测标准计数：将探头置于容器内测标准计数，一般半天一次即可。测量计数：将探头置于欲测深度进行测量，之后自动计算，显示并存贮在相应的存贮器单元。关机 显示或打印出测量的结果2标定操作实例：操作键 显示 注 释-开关 HELL0 开启电源，仪器处在初态。 监控 * 显示上次测量的标准计数。监控 PP 进入监控态。标定 A00 提示将显示第0条曲线的0次项系数。标定 *.* 显示原输入值。-29.34 -29.34 输入新的系数值，如不修改直接再按标定键，标定 A01 提示将显示第0条曲线的1次项系数。标定 *.* 显示原输入值*.*。 这样可输入10条曲线的共40个系数，注意输入值要精确到小数点后二位，否则可能会影响到计算精度。如采用直线方程，只要将2次项以上的系数置为0即可。由于技术原因，再次显示系数时负号不再出现，使用者应记好。3标准计数操作实例： ， 按复位键，仪器回到初态，这时将探头放置在防护容器中，下垫聚乙烯垫板，测量地点最好每次都相同，并且1米内含氢物质(植物，水等)尽量要少，这样不会因环境因素影响到标准计数。具体操作步骤如下：操作键 显示 注 释-复位 HELLO 使仪器处在初态。测量 * 显示上次的标准计数。测量 PL 01 进入测量状态，显示的数是10秒一次的测量次数，可改写。20 PL 20 测20次，然后取其平均值。测量 * 每10秒显示一个计数，自动测20次。 P* 显示20次的平均值。监控 PP 进入监控状态，这时标准计数已自动存入，供计算计数率比用。如认为这次测量结果不理想，可直接按测量键再测。4测量计数操作实例： 用脚轻轻踩住垫板使之和仪器分开，将仪器放在导管上，打开线夹将探头顺着导管放至欲测深度，这时即可进行测量了。具体操作步骤如下：操作键 显示 注 释- PP 仪器处在监控态。测量 HE 01 请输入测量次数，每次10秒， 一般为46次。4 HE 04 测4次重复。测量 LL 01 请输入管号，最大值为99。5 LL 05 测第5根管。测量 EE 01 请输入深度号，最大值为20。3 EE 03 测第3个深度。测量 * 10秒一次测4次。 P* 显示4次测量的平均值。 0 *.* 按0键则按第0条曲线方程计算 水量并自动贮存，数字键09共有10条曲线可供随时选择。将探头放至另一深度，重复上述步骤，直至完成测量。测量深度烙记在电缆线上，可用线夹在任意深度定位，也可在电缆线上固定若干个定位夹，使用定位夹便捷准确，常在测深确定的情况下采用。线夹内侧夹线用，外侧和定位夹配合用。为了使电缆线上的深度标记和实际深度一致，我们规定导管露出地面的高度为10厘米，这时电缆线上指示的深度就是实测的深度，如不一致，应注意增减其差值。 每一根管测完以后，将探头拉回容器，这时如听到”咔嗒”一声，说明探头已自动锁好，可转移至其他测管去测量。5显示操作实例：操作键 显示 注 释-监控 PP 进入监控态。显示 LL 01 请输入管号。 5 LL 05 欲查看第5根管。显示 HH 01 请输入深度号。3 HH 03 欲查看第3个深度。显示 * 显示贮存的含水量值。显示 HH 04 将显示下一深度含水量值。6打印操作实例：操作键 显示 注 释-监控 PP 进入监控态。打印 123 提问用40行，80行，100行哪种打印机?2 LL 01 用80行打印机，又问从哪一管起打? 5 LL 05 从第5根管起打。打印 HH 01 问从第几深度起打?10 HH 10 从第10个深度起打?打印 LL 99 问打至哪根管止?10 LL 10 打至第10根管止。打印 HH 20 问打至哪个深度止?15 HH 15 打至15个深度止。打印 PHL 打印开始。注意打印是一组组输出的，如80行打印输出是10个一组。由于打印机多种多样，如不能正常打印，请按说明书上的邮编地址和我们联系。六导管的埋设与仪器的标定 测量首先要埋管，埋管地点的选择很重要，因为我们是要通过一根或几根管的测量，推断出一块或一片田某一层总体含水量是多少?埋管的地点应具有代表性，能较好地反映出总体的状况。钻孔可用麻花式取土钻或筒式取土钻（洛阳铲），土钻外径应比铝管略大，尽量使孔垂直。钻孔时还应注意上下土层的容重，质地是否一致，如差异明显，应记住界面深度，以便分别标定，以后测量采用不同的曲线计算，以提高测量的准确性. 中子水分仪测量到的主要是热中子计数，计数值的大小和土壤含量成正比，但测量到的某一计数值究竟对应的含水量是多少，由于土壤状况的多样性和复杂性，很难从理论上推导出两者的准确关系，因此需要通过烘干法进行标定，得出一组两者关系的对应点，然后求出回归方程，这样就可以通过该方程，由一个已知量(测量计数)求出另一个未知量(土壤含水量)。烘干法是中子测水的参照标准，中子测水的准确度依赖于烘干法的准确度，因此，标定的关键是尽可能提高烘干法测量的准确性。标定有许多种方法，这里我们只介绍较为常用的田间标定，相信使用者能举一反三，结合自己的实际情况创造出更好的标定方法。 由于土壤的空间变异性，在导管附近同一土层取出的若干土样是一个随机变量，要想得到某一层的水分真值，就应在该层的同一水平面上取多个土样，然后根据数理统计的方法求出水分真值和误差，如精度不够，就必须适当增加土样数量或另选点，为了保证中子法测水的准确度，通常要求烘干法测量误差不大于0.5()。另外，中子法测量的有效体积是一个直径20厘米左右的球体，垂直方向的水分不同也会影响到标定的精度，所以标定前可用中子仪进行初测，选在一个垂直方向水分变化小的土层进行标定。还有就是标定的范围要大于测量范围，如采用多项式回归，随意扩展曲线可能会在外延部分引起较大的误差，如水分变化范围不够，可参照步骤3，用人为方法扩大水分范围。标定时仪器的测量时间应比正常测量延长倍，以减小计数的统计误差。烘干法常用的单位是重量含水量(W)，而中子法则一般采用容积含水量()。两者通过土壤干容重(p)相联系(Wp),如垂直方向土壤容重变化大，应挖坑测出土壤干容重用于换算。仪器的标定有时是一个较长的过程，使用者并非一定要等到标定好以后才能进行测量，使用者可先使用一个假定的方程，等到标定好以后再进行换算。如以后的数据积累多了，还可对原来的标定曲线进行再次修正。回归方程计算应通过计算机完成，我们可免费提供有关软件或代为计算。田间标定的具体步骤可归纳为：1仔细选点，钻孔埋管。2用中子仪每10厘米一层进行粗测，对标定地点土壤含水量有一个大致的了解。 3如含水量不够，可根据情况进行控制灌水，然后盖上塑料薄膜防止蒸发和降雨，让其自然平衡1个星期。如含水量太高，可在导管1米远处挖沟,阻断侧向水分的渗润，上盖塑料薄膜防雨，晴天打开曝晒，以取得低含水量点，高低水分之间一般要有5个以上的点，并尽可能使之均匀分布。4再粗测选择垂直方向水分分布较均匀的标定层。5测标准计数，然后将探头放在标定层测测量计数，用计算器算出计数率比待用。为了减小计数的统计误差，标定时标准计数一般在30次以上，测量计数在15次以上。6在标定导管四周20厘米范围内，每个水分值取610个土样，取样深度和中子仪测量深度一致。7.土样称重，烘干，称重，计算出含水量和误差，删除不理想的点。8得出一组相对应的计数率比和土壤含水量值，用多项式回归软件(如EXCEL)计算出回归方程。回归方程的最高项次为3次。9将曲线的4个系数输入仪器用于计算含水量用。10.标定导管附近的土壤结构已被破坏，用拔管器将导管拔出，重新埋置使用。(以上测量方法仅供用户参考)在浅层测量时，由于部分中子会逃出地表面而使计数减小，这时测量计数变成了含水量和深度的函数，只要我们将深度固定，在这一深度标定和测量，单使用一根专用标定曲线，就能减小中子逃逸的影响，进行浅层测量。为了使深层和浅层测量的精度大致相同，我们已将深度标记为1，2，3的测量时间按比例延长，请使用者注意。七数据处理与脉冲分析即使在外界条件完全一致的情况下，每次测量到的计数却很少是相同的，这并非是仪器不稳定，而是由于放射性物质衰变的属性决定的，镅的半衰期是433年，但在某一分钟内究竟哪些镅原子发生衰变，则完全是随机的，但这也不是杂乱无序的，而是有着其内在的规律性。标准计数的外界条件基本一致，因此常作为仪器工作是否正常的标志，在这里我们将着重介绍标准计数的一些放射性统计规律及数据处理方法。下面是我们某次测量到的20个10秒的标准计数： 8670 8448 8380 8548 8440 8544 8420 8412 8279 8300 8416 8388 8400 8308 8476 8188 8480 8250 8320 8316=8399 S=114，在这组数据中，两个特征值是重要的：1平均值，其数学定义为=Xn，表明各计数值的分布趋势。2样本标准差，其数学定义为S=, S表明以为中心各计数值的分散程度。放射性物质的衰服 从泊松分布的，它的一个特殊性质是，这是理论上导出的测量误差，这样当我们知道某一测量计数值时，就立即知道它的误差该是多少。如无其他误差介入，测量得到的S和理论值应基本相等。我们测量到的计数较大，因此可以用我们熟悉的正态分布来处理，即测量计数的68会落在一个标准差之内，计数的95.5会落在两个标准差之内，(参见图2)在上面的标准计数