08.08.2017
14.07.2017
06.07.2017
19.06.2017
19.06.2017
19.06.2017
15.06.2017
12.06.2017
12.06.2017
16.05.2017
Использование излучений для определения плотности почв
 07.02.2013

Излучения высоких энергий нашли применение при исследовании некоторых физических свойств почвы, в частности ее влажности и плотности. По сравнению с традиционными методами радиоизотопные методы характеризуются рядом преимуществ:
1) небольшое время для анализа (экспресс-методы) и получение результата непосредственно в полевых условиях;
2) возможность наблюдать за изменением влажности и плотности почв, не нарушая ее естественного сложения и состава;
3) получение усредненных показателей для большого объема почвы (не менее 10 л), что позволяет более точно оценить запасы влаги, например, в корнеобитаемом слое почвы;
4) возможность организации мониторинга за этими показателями.
Плотность почвы обычно измеряют при помощи ослабления потока или рассеяния у-лучей, влажность - нейтронным методом, хотя иногда и у-скопическим методом.
Использование ионизирующих излучений для определения плотности почв. Ослабление интенсивности потока у-излучения при прохождении через вещество подчиняется экспоненциальной зависимости:

Использование излучений для определения плотности почв

где Io - плотность потока входящего пучка фотонов; I - плотность потока выходящего пучка фотонов; μ - массовый коэффициент ослабления; р - плотность просвечиваемого объекта; l - толщина просвечиваемого объекта.
Массовые коэффициенты ослабления фотонного излучения приблизительно одинаковы для различных почв и грунтов и не зависят от их химического состава, при условии что почвы состоят из химических элементов с порядковыми номерами 2-40. Отклонения от этой закономерности наблюдают для почв, содержащих много водорода (органическое вещество; вода). Так, массовые коэффициенты поглощения у-излучения 60Со составляют для почв 0,057 см2/г; для воды - 0,063 см2/г; для у-излучения 137Сs, соответственно, 0,075 см2/г и 0,087 см2/г. Из этого следует, что на измерение плотности почв гаммаскопическим методом большое влияние будет оказывать содержание в почве воды, а ослабление фотонного излучения будет складываться из рассеяния лучей твердой фазой почвы и воды с соответствующими массовыми коэффициентами поглощения
Использование излучений для определения плотности почв

где μ'п - массовый коэффициент ослабления твердой фазой почвы; рп - плотность твердой сухой фазы почвы; μ'р - массовый коэффициент ослабления у-излучения для воды; рв - плотность воды.
Умножив и разделив все члены показателя степени формулы (10.2) на рп получим:
Использование излучений для определения плотности почв

а учитывая, что рв/рп = W - массовая влажность почвы
Использование излучений для определения плотности почв

Определение плотности почв проводят при помощи двух параллельных скважин (рис. 10.13а). В одну из них вводят источник с узко коллимированным пучком у-излучения, в другую на ту же глубину - счетчик. Перед определением в почве измеряют скорость счета без поглощающего почвенного слоя, т. е. в воздухе на том же расстоянии. Плотность почвы вычисляют по формуле (10.5). Ослабление потока фотонов корректируют с учетом вклада рассеянного излучения в значение скорости счета. Возможен вариант с использованием одной скважины (рис. 10.13б).
Использование излучений для определения плотности почв

Неудобство метода заключается в необходимости измерения влажности почвы перед определением плотности.
Определение влажности почв нейтронным влагомером. Нейтронный метод определения влажности почв основан на эффекте замедления быстрых нейтронов с энергиями несколько сотен кэВ. Самым эффективным замедлителем быстрых нейтронов является водород почвенной влаги (табл. 10.6). Регистрируемая интенсивность потока медленных нейтронов будет пропорциональна влажности почвы.
Использование излучений для определения плотности почв

Однако в почве не только водород, но и другие элементы, особенно легкие, способны замедлять нейтроны. Потеря энергии нейтронами при столкновениях для разных элементов характеризуются средней логарифмической потерей энергии нейтронов ε
Использование излучений для определения плотности почв

где Кi - энергия до соударения; Ei+1 - энергия после соударения.
В табл. 10.6 приведены некоторые нейтронные показатели для химических элементов, представляющих основную массу большинства почв. Это обстоятельство должно быть учтено при калибровке нейтронного влагомера.
Между количеством атомов водорода почвенной воды и скоростью счета медленных нейтронов существует линейная зависимость
Использование излучений для определения плотности почв

где N - скорость счета нейтронов, имп/с; k - коэффициент градуировочной прямой; W - влажность почвы, г/см3; Nф - скорость счета при измерениях в абсолютно сухой почве, имп/с.
Линейная зависимость между влажностью почвы и скоростью счета медленных нейтронов сохраняется в пределах значений влажности 0,05-0,50 г/см3, что отражает практически все возможные значения влажности почв. По линейной зависимости строят градуировочный график, либо микропроцессор рассчитывает значения в заданных единицах влажности.
Измерение влажности почв и грунтов осуществляют специальными приборами - нейтронными влагомерами. В качестве источника нейтронов в таких приборах используют ампулированные плутоний-бериллиевые, радий-бериллиевые или полоний-бериллиевые источники с интенсивностью 10в4 - 10в6 нейтрон/с. В этих источниках нейтроны образуются в результате α, n-реакции:
Использование излучений для определения плотности почв

Нейтронный влагомер состоит из зонда, в котором смонтирован источник быстрых нейтронов и счетчик медленных нейтронов. Обычно детектирование медленных нейтронов осуществляется косвенно счетчиком Гейгера-Мюллера по у-излучению, образующемуся в результате у-реакции при взаимодействии медленных нейтронов с материалом стенки счетчика. В качестве такого материала обычно используют 113Cd, для которого вероятность данной реакции достаточно велика и не образуются наведенные радиоактивные продукты (отсутствие остаточной радиоактивности)
Использование излучений для определения плотности почв

В процессе измерений зонд опускают в скважину на требуемую глубину. В современных приборах результат, как правило, высвечивают на табло в цифровом виде единиц влажности. На рис. 10.14 показан общий вид нейтронного влагомера «Электроника» ВНП-1. Влагомер предназначен для оперативных измерений массовой концентрации воды (влажности) песчано-глинистых почвогрунтов в натурных условиях и для наблюдений ее изменений.
Использование излучений для определения плотности почв

Определение суммы плотности и влажности почв методом у-у-кароттажа. В у-у-кароттаже реализуют метод измерения плотности почв в одной скважине или на поверхности почвы по рассеянному почвой у-излучению от источника у-излучения.
Измерительное устройство в данном методе состоит из специального зонда, в котором смонтированы источник у-излучения и счетчику-квантов (см. рис. 10.15). Для предотвращения прямого попадания у-излучения в счетчик последний отделен от источника свинцовой прокладкой разделителем.
Использование излучений для определения плотности почв

Счетчик зонда, помещенного в скважину (как показано на рис. 10.15), регистрирует излучения естественного фона, рассеянное излучение самого зонда и у-излучение, рассеянное окружающей зонд почвой. Скорость счета у-квантов, рассеянных самим зондом, будет практически постоянной. Между тем интенсивность потока у-излучения, рассеянного окружающей средой (почвенной массой и влагой, распределенной в поровом пространстве), будет определяться суммарным содержанием вещества в единице объема, т. е. суммой плотности почвы естественного сложения р, г/см3, и объемной влажности почвы W, г/см3.
Чаще всего при измерениях данным методом используют зонд с относительно мягким источником у-излучения - 137Cs (Е = 0,66 МэВ).
Это позволяет уменьшить массу свинцовой защиты счетчика от у-излучення.
Значение (р + W) определяют по эмпирически полученной калибровочной кривой. Восходящий участок кривой объясняется ростом числа атомов в единице объема среды, окружающей зонд. Нисходящий участок объясняется возрастанием эффекта поглощения рассеянного у-излучения окружающей средой с ростом ее плотности. Положение максимума на кривой в значительной степени определяется конструкцией зонда, в частности расстоянием от источника до счетчика у-излучения. В современных приборах конструкция зонда подбирается таким образом, что нисходящий участок кривой лежит в диапазоне плотностей среды приблизительно 0,8-2,4 г/см3, причем часть графика в этой области имеет линейный характер и полулогарифмическом масштабе (lnN, f(p)), что облегчает пользование графиком. Указанный диапазон плотностей 0,8-2.4 г/см3 вмещает практически все возможные реальные значения сумм (р + W) минеральных почв. Методом у-у-кароттажа удобно проводить измерения одновременно с определением влажности нейтронным влагомером на одной скважине. Конструкции зондов и размеры скважин позволяют это сделать. В этом случае возможно получение значений влажности и плотности почвенной массы естественного сложения за вычетом влажности (по разности).
Некоторые характеристики радиоизотопных приборов для определения плотности и влажности почв отечественною производства представлены в табл. 10.7.
Использование излучений для определения плотности почв