专利名称：：锂6玻璃闪烁体式中子土壤水分仪高效探头的制作方法
技术领域：
：本实用新型涉及锂6玻璃闪烁体式中子土壤水分仪探头的一种设计方法，可用于地下数十米内土壤内的非饱和水分的非取样式快速精确测量，较传统设计可提高测量效率50%，属土壤物理范畴。
背景技术：
：在农业，林业，水文，气象等诸多领域，都希望快速准确地知道土壤含水量。因此发展出许多种土壤含水量的测量方法，如电阻法，电容法，电磁波法等等，但大多需要挖坑埋设传感器，或取样回实验室测量，这一方面破坏了土壤的原有结构，无法还原土壤原来的质地及土壤水分原有的运动条件，使测量的结果产生误差，测量条件也受到土壤自身差异的影响，所挖的埋坑也不可能太深，对3米以上的深层测量就无能为力了。另外需要许多个不同的探头同时工作，探头自身的差异也会使测量的最终结果产生相当大的不一致性，仪器要长期埋设在地下的土壤中，水气，地下水分的酸、碱、盐分也会使探头的许多部件腐蚀损坏而使测量产生许多测量误差，一般都不能进行长达数十年的长期观测，并保证测量的精确度保持不变。而土壤含水量的测量正是一种多测点、大量测量数据综合统计的结果，少量点的测量数据无法代表整体大田里的土壤含水量情况，快速、大量、精确地采集到土壤含水量的数据，才能较准确地知道土壤的真实含水量情况，才能对灌溉、气象预测、作物生长状态评估等有一个正确的结论。中子减速原理测量土壤含水量称为中子法测水，它的测量原理是，同位素中子源会自动持续不断地发出高能的快中子，当这些快中子与它周围的介质的相遇时，就会发生碰撞而降低能量而减速，由普通物理学的动量守恒定律可知，如运动着的乒乓球碰到一个铁球时，该乒乓球仅运动方向改变而速度变化很小，即能量损失很少；但运动着的乒乓球碰到一个静止的乒乓球时，它会使静止的乒乓球向前运动而自己却停了下来，即能量损失很大。氢原子的质量和中子十分接近，所以一个高速运动的快中子和氢原子发生弹性碰撞时，它的能量急剧下降，平均十多次碰撞就减速变成能量很小的热中子。在中子水分仪前端，装有一个同位素中子源，它能不断地发射出快中子，当土壤中的含氢量(即含水量)较大时，快中子很快被慢化成热中子，这些热中子犹如云雾一般紧紧围绕在中子源的周围如土壤含水量较小时，中子被碰撞的机会少，能运动到稍远的地方去，这样中子云的密度就较稀疏，反之亦然。在中子源的附近，装有一个热中子探测器，它能测出进入其体积内的热中子，这样热中子计数和土壤含水量之间就存在一种确定的关系，通过标定，我们就能由热中子计数算出土壤含水量。中子土壤水分仪测量时不用取样，只要将探头通过测量导管放到所需的测量深度，导管底部是完全密封的，地下水及雨水是不会进入到导管中去的，快中子穿过导管壁进入土壤，损失了能量的热中子又穿过导管壁被探测器测量到，半分钟左右就能得到该土壤层的含水量值，快速精确，采用适合的中子源和探测器，测量效率可在数十年内不会有可察觉的变化，适宜作长期测量使用，测深不限，可直读含水量值。所有测量数据来自同一个测量探头，而该探头的测量效率在数十年中是不会变化的，这就避免了多个传感器的不一致性造成的系统误差。《中子水分计》刘圣康，原子能出版社，1992。《中子物理》刘圣康，原子能出版社，1986。《中子源及其应用》袁汉容，科学出版社，1978。锂6玻璃闪烁体是固体型探测器，它具有测量效率高，层分辨率好，使用期限极长，不易损坏等特点，是中子土壤水分仪较理想的传感器，但是同位素中子源会伴生大量低能伽玛射线，并且测量计数与土壤含水量之间存在着最佳线性距离，即中子源和探测器间要隔开一定的距离，所测量到的热中子计数和土壤含水量之间才是近似的线性关系，才能通过简单的线性方程计算出土壤含水量。在计算机技术不发达的年代，由于单片机性能的限制，所谓的智能仪器也只能进行一些较简单的计算，因此比较强调传感器两参数间的线性关系，否则编程和操作将存在很多困难，为了顾及测量响应的线性要求及降低中子源伴随的珈玛射线的影响，必须将中子源和锂6玻璃闪烁体探测器相互离开6厘米左右，这样虽然测量的线性较好，但测量的效率却大大下降了，为了达到较快的测量速度，只能加大中子源的强度，这就增加了防护容器的体积和重量，并在放射源的管理上增加了难度。《中子土壤水分计》江苏省农科院理化室，土壤，1978.2。《我国中子水分计及其应用》刘圣康，核技术，1982.6。中子源是一种放射源，会不断地发射出对人体有害的射线，为了保证操作者的身体健康，必须用特种的高含氢材料和中子吸收元素混合物，将这些射线减小能量并吸收掉，最终使操作者所受到射线辐照剂量低于国家所规定的剂量标准以下。要做到这点一般有两种方案减小中子源强度和增加防护体的厚度，后者会大大增加整机的体积和重量，使运输和使用带来极大的不便。
实用新型内容本实用新型可解决锂6玻璃闪烁体探测器测量响应线性及测量效率的矛盾，其结果是在保持相同测量效率的前提下，减小放射源的强度，减轻仪器的体积和重量，使仪器更具有实用性。按本实用新型设计制造的中子土壤水分仪，将放射源减小到原来的一半时，仍达到原设计相同的测量效率和测量的精确度。同位素中子源所发出的高能量中子，与测量介质中元素发生碰撞减速，因此在被测量介质中，存在着一个以中子源为中心，中间密集、边缘稀疏的热中子云球，如果将锂6玻璃闪烁体尽量靠近中子源，就能测量到更多的热中子计数，但同时会引起低能珈玛射线使本底计数增加和测量的非线性问题，本实用新型所采用的方案是—种锂6玻璃闪烁体式中子土壤水分仪高效探头，包括外壳l，外壳1内设有中子源3、锂-6玻璃闪烁体探测器4，光电倍增管5设置在锂-6玻璃闪烁体探测器4与前置放大电路6之间，外壳l上设有电缆接头7和电缆线，其中，所说的中子源放置在铅盒2中，锂-6玻璃闪烁体探测器4距中子源1厘米。本实用新型探头将探测器与中子源的相隔距离拉近到1厘米左右，中子源用壁厚0.5厘米的铅盒完全包住，以屏蔽同位素中子源伴生的低能伽玛射线，由于中子源和探测器的距离已縮到最短，就能最大限度地测量到热中子的计数，即提高了测量的效率，而中子源和探测器因縮短距离而引起的的非线性问题，通过把原来的线性回归改为多项式回归的方法解决，由于计算机和单片机技术的发展及数据处理软件的普及，使这种计算变得十分普及，这样就能在同位素中子源减小到原来一半的情况下，保持原有的测量效率，测量精度和准确度。中子水分仪所测到的只是热中子计数，但这个计数对应的精确的土壤含水量究竟是多少，必须要通过标定才能知道，标定就是给某一测量器具刻划上计量刻度。如温度计的标定是把一根空白的温度计放在冰水中，确定出oc°，放入沸水中，确定出100C°点，然后再把两点之间均匀地分成ioo等份，这样就可以用它去测量未知的温度了。中子仪的标定也类似，但它的参照标准值是烘干法测量出的土壤含水量，在目前数十种测量方法中，烘干称重法都是唯一的标准参照方法，所有其它测量方法的测量精度都是与它相比较而言的，即从欲测物的总体中取出一块样本，称出它的湿重，然后将样品放入105C°的烘箱中烘4个小时，取出后再称出干重，将蒸发掉的水分比上干土重，就能计算出它的重量含水量，这个含水量量值就是我们认定的含水量标准值。但由于这个方法需要取样，会破坏土壤的原来的状况，操作时间长，计算的程序繁琐，因此才发明出各种各样的测量方法，但它们的参照标准依然是烘干法。我们将中子仪探头放入某一层土壤中，测量出一个计数值，随即在导管四周用土钻取出这层土壤的土样，用标准的烘干法测出土壤含水量，这样就得到一对数值，再选择不同含量的土壤继续测量取样，我们就能得到若干组数值，通过数学上的回归计算，得到回归方程。在实际测量中只是测出热中子计数值，再由回归方程算出含水量，但实际测量中，热中子计数和土壤含水量量间的关系并不是良好的线性关系，这样在用线性回归方程计算含水量时，出现有些范围高于实际值，有些范围低于实际值的所谓系统误差，这就使测量的精确度受到限制，当按本实用新型方案设计时，由于探测器和中子源的间距已縮到最短，实际含水量和热中子计数间的非线性现象更加明显一些，因此我们将原来的线性方程(一次项方程)Y(体积含水量)二aX(热中子计数)+b改变成3次项方程，即Y=a^+bf+c^+d这样回归方程就由直线变成了曲线，它能跟随着实际测量的结果而变化，使得它的相关系数提高，减小了测量的系统误差，提高了测量的精确度，甚至要高于原设计方案中线性方程计算出的精确度。由于计算机技术的发展，这种二次回归计算变得十分的容易，将一组测量值通过计算软件，算出a、b、c、d四个值，输入中子水分仪中，当这台仪器测量到一个热中子计数值时，中子水分仪中的单片计算机就会自动换算出含水量并显示出来，目前的中子水分仪可以贮存这样的曲线10条以上，供在不同的土壤中选用。按本实用新型设计制作的中子土壤水分仪，较原设计方法，可在保持原测量精确度的条件下，使放射性同位素中子源的强度减小一半，防护容器及整机的重量减少到原来的三分之一，体积减小一半，中子源的费用减少三分之一，由于中子源强度减小，使放射性管理的等级降低，运输、贮存、废源处理的难度也降低，另外仪器的体积重量的减小，使用操作也更方便。图1是本实用新型探头结构示意图其中1-外壳，2-铅盒，3-中子源，4-探测器，5-光电倍增管，6-前置放大电路，7_接头，8-电缆线图2是热中子计数与土壤含水量关系图图3是热中子计数与土壤体积含水量线性回归关系图图4是热中子计数与土壤体积含水量3次回归关系图具体实施方式本实用新型的设计图如图1所示l为合金铝质外壳，因为铝的中子吸收截面较小，机械强度大，抗腐蚀，是宜合的使用材料。2、是铅制源盒，铅盒的厚度要在5毫米以上，它将中子源伴生的低能珈玛射线禁锢在盒内，减小多个小脉冲在电路中叠加产生误计数。4、为锂-6玻璃闪烁体探测器，它能将射入探测器内的热中子转变成光信号，再由5光电倍增管转换成电信号，然后由计数电路记录下来。6是电路的前置放大电路，它由铝外壳作电子屏蔽，直接靠近光电倍增管，能减小耦合电容的影响，提高整个电路的信噪比。7为探头与测量仪器间的电缆接头。8是电缆线。由图1可以看出，中子源是紧靠着探测器的，中间仅隔着一层铅屏蔽盖，所以能将热中子的探测效率提高到最大，因此在保持仪器精度不变的条件下，中子源的强度能减小到最小，放射源小，屏蔽层的厚度就能减小，因此仪器的体积和重量都可以有较大程度的减小。具体的标定方法是，在测管的30厘米处同样深度的地方取5个以上的土样，然后将中子水分仪的探头放在同样的深度测量出它的热中子计数，这些土样用烘干法测量出它们的标准含水量值，再用数据统计的方法剔除粗差，得到一组土壤含水量的数学期望值，并得到这组数据的样本标准差，使之在95%的置信区间的误差不大于中子水分仪预定误差的1/4，以确保作为比对标准的精确度。如达不到这一要求，则应增加样本数量或另择测量点重新上述工作。取得一组数据后，即在附近另钻孔埋管，依照先前的方法，测量出其余的测点，如含水量低，可适量灌水增加含水量。其原则是各点要有合适的梯度，从低含水量直到饱和含水量，一般要有5组以上的点才行。下面的数据是某次田间标定的实测数据热中子计数与土壤含水量标定数据表<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>[0025]根据该组数据所绘出的图形图2所示。图3是热中子计数与土壤体积含水量线性回归关系图，其线性回归及线性方程式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>相关系数R2=0.9665。图4热中子计数与土壤体积含水量3次回归关系图，其多项式方程为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>，其相关系数R2=0.9962864065，可以看到，用多项式方程处理的准确度较线性方程处理要有较大的改善，相关系数也有所提高。权利要求一种锂6玻璃闪烁体式中子土壤水分仪高效探头，包括外壳(1)，外壳(1)内设有中子源(3)、锂-6玻璃闪烁体探测器(4)，光电倍增管(5)设置在锂-6玻璃闪烁体探测器(4)与前置放大电路(6)之间，外壳(1)上设有电缆接头(7)和电缆线，其特征在于，中子源放置在铅盒(2)中，锂-6玻璃闪烁体探测器(4)距中子源1厘米。2.根据权利要求1所述的锂6玻璃闪烁体式中子土壤水分仪高效探头，其特征在于，外壳(l)为合金铝质外壳。3.根据权利要求1所述的锂6玻璃闪烁体式中子土壤水分仪高效探头，其特征在于，所述铅盒的厚度要为0.5厘米。专利摘要本实用新型涉及土壤物理领域，具体涉及一种锂6玻璃闪烁体式中子土壤水分仪高效探头。该探头包括外壳、中子源、锂-6玻璃闪烁体探测器、光电倍增管、前置放大电路、电缆接头和电缆线，其中，所述的中子源放置在是铅盒中，锂-6玻璃闪烁体探测器设置在距中子源1厘米处。本实用新型的中子土壤水分仪，采用了三次回归曲线替代了原来的线性回归方程，使测量的精确度提高，在传统设计相比，使放射性同位素中子源的强度减小一半，防护容器及整机的重量减少到原来的三分之一，体积减小一半，中子源的费用减少三分之一，由于中子源强度减小，使放射性管理的等级降低，运输、贮存、废源处理的难度也降低，另外仪器的体积重量的减小，使用操作也更方便。文档编号G01N23/09GK201518007SQ20092025658公开日2010年6月30日申请日期2009年11月12日优先权日2009年11月12日发明者唐玉新,林家彬,薄海豹,韦金河,黄万喜申请人:江苏省农业科学院