劉什敏

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雙能γ射線穿透法測定土壤密度和水含量的蒙特卡羅模擬

劉什敏

(伊犁師范學(xué)院 物理學(xué)院, 新疆 伊寧, 835000)

本文采用蒙特卡羅程序模擬得到241Am、137Cs發(fā)出的能量分別為60 keV和662 keV的γ射線對干土和水的質(zhì)量衰減系數(shù), 從而標(biāo)定土壤密度、水含量與兩種射線的透射率的函數(shù)表達(dá)式. 模擬檢測表明, 由該表達(dá)式測量同種干土制備的土壤樣品的土壤密度和水含量精確度較高, 可滿足實(shí)際測量要求.

蒙特卡羅;土壤密度;水含量;雙能γ射線

土壤密度和水含量的快速準(zhǔn)確測定對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要作用. 利用γ射線衰減方法測量土壤的濕容度是由Bernhard和Chasek在1953年創(chuàng)立的, 以后很快被用于土壤干容重和土壤含水量變化的測量. 原則上利用γ射線衰減法測含水量可以避免常規(guī)方法的大部分限制, 明顯地具有分辨率高、快速、方便等優(yōu)點(diǎn), 因此它很快發(fā)展成為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測量含水量的重要手段, 還有人發(fā)展到田間應(yīng)用.241Am和137Cs都是長半衰期放射性核素, 半衰期分別為433 a和30 a, 分別放射60和662 keV的γ射線, 容易屏蔽和準(zhǔn)直, 使用較為安全和方便. 將這兩個(gè)源置于同一鉛屏蔽容器內(nèi), 經(jīng)準(zhǔn)直器準(zhǔn)直射出60和662 keV的γ射線窄束, 照射土壤樣品, 由兩種γ 射線穿透率的測定可快速而準(zhǔn)確地測定土壤密度和水含量. 這種方法稱為雙能γ射線穿透法. 本文論述了這種方法的基本原理, 應(yīng)用蒙特卡羅模擬標(biāo)定了土壤密度、水含量與兩種射線穿透率的數(shù)學(xué)表達(dá)式. 通過模擬同種土壤不同水含量樣品模型表明, 本方法測定土壤密度和水含量能較好地滿足實(shí)際需要.

1 原理和方法

γ射線垂直穿透物質(zhì)時(shí), 呈指數(shù)規(guī)律衰減, 穿透率為:

= (/0) = exp(-m). (1)

這里0和分別為入射和穿出物質(zhì)的γ射線計(jì)數(shù),m(cm2/g)為質(zhì)量衰減系數(shù),(g/cm3)為密度,(cm)為物質(zhì)厚度. 單能241Am 60 keV γ射線準(zhǔn)直后垂直照射厚度為(cm)的潮濕土壤, 穿透率為:

Am= (/0)Am= exp[(-μAm+μAm)], (2)

(g/cm3)為水含量. 同樣, 單能137Cs 662 keVγ射線照射時(shí), 穿透率為:

Cs= (/0)Cs= exp[(-μCs+μCs)]. (3)

由式(2)、(3)得:s=lnCs-lnAm, (4)

通過蒙特卡羅模擬, 可得到干土和水對兩種射線的質(zhì)量衰減系數(shù), 從而得到、、、的值. 用同種干土制成形狀(10 cm×10 cm)土壤樣品, 滲入已知量的水, 從而制備了一系列已知干土密度和水含量的標(biāo)準(zhǔn)樣品模型, 通過蒙特卡羅模擬得到兩射線的穿透率, 由式(4)和(5)可得土壤密度和水含量, 并與實(shí)際值進(jìn)行對比, 檢測雙能γ射線穿透法測量土壤樣品的密度和水含量的可靠性.

2 模擬計(jì)算

2.1 標(biāo)定系數(shù)a、b、c、d

不同地區(qū)干土的組成元素和密度不同, 本文參考中國黃土的平均化學(xué)成分[1], 采用的干土密度為1.3 g/cm3,O、Si、Al、Ca、Fe、Mg、K、Na、C質(zhì)量百分比之比為0.512 0:0.279 1:0.062 9:0.055 6:0.029 2:0.0141: 0.018 7: 0.013 3: 0.015 1. 采用MCNP-4C程序進(jìn)行模擬, 放射源分別采用241Am和137Cs發(fā)出的60和662 keV γ射線垂直照射, 用1計(jì)數(shù)卡紀(jì)錄穿過1, 2, 3,…,10 cm厚的干土和水層前后的計(jì)數(shù)0,, , 得穿透率= (/0). 由式(1), ln(1/)與成正比, 斜率為μ, 模擬結(jié)果如圖1. 通過直線擬合, 得其斜率, 即得干土和水對兩種射線的質(zhì)量衰減系數(shù):μAm= 0.291 cm2/g,μAm= 0.204 cm2/g,μCs= 0.076 9 cm2/g,μCs= 0.085 6 cm2/g,. 從而得到形狀(10 cm×10 cm)土壤樣品:= 2.212 g/cm3,= 0.928 g/cm3,=-3.155 g/cm3,=-0.834 g/cm3.

圖1 ln(1/T)隨厚度的變化曲線

2.2 模擬測量

通過蒙特卡羅模擬測量, 從而檢測雙能γ射線穿透法的可行性. 如圖2, 將10 cm×10 cm土壤樣品作為待測物置于兩準(zhǔn)直器中間. 通過蒙特卡羅模擬得到兩種射線的穿透率, 由式(4)和(5)可得干土密度和水含量. 如表1為模擬測量得到的干土密度和水含量與實(shí)際值的對比, 可看出模擬測量結(jié)果與實(shí)際值相差很小.

圖2 模擬裝置

表1 雙能γ射線穿透法測量值與實(shí)際值對比

3 結(jié)論

通過模擬測量可以看出, 雙能γ射線穿透法測量土壤樣品的密度和水含量測量精度很高, 此方法是可行的.

[1] 吳明清, 文啟忠. 中國黃土的平均化學(xué)成分: 上部大陸地殼的一種典型代表[J]. 巖相古地理, 1995, 15(2): 127-136.

[2] Corer J C, Peterson S F, WatatMA. Measurement of attenuation of137Cs and241Am γ rays for soil density and water content de- terminations[J]. Soil Sci Soc Amer Proc, 1971, 35: 215.

Monte Carlo simulation of soil density and water content by attenuation of dual energy γ Ray

LIU Sen-min

(Department of Physics, Yili Normal University, Yili 835000, China )

Mass attenuation coefficients of water and dry soil can be got relative to 60 keV and 662 keV emitted in241Am and137Cs by the Monte Carlo simulation, thus the function expressions in correlation between soil density, water content and penetration rates is demarcated. Simulation tests show that, the soil density and water content of soil samples prepared by the same dry soil is measured precisely, and can meet the practical measurement requirements.

Monte Carlo; soil density; water content; dual γ ray

10.3969/j.issn.1672-6146.2012.03.007

O 571.323

1672-6146(2012)03-0022-02

2012-02-08

劉什敏(1982-), 女, 講師, 研究生, 研究方向: 核技術(shù)與MCNP模擬. E-mail: lsm@ylsy.edu.cn

(責(zé)任編校:劉剛毅)