双能γ射线穿透法测定土壤密度和水含量的蒙特卡罗模拟

刘什敏



双能γ射线穿透法测定土壤密度和水含量的蒙特卡罗模拟

刘什敏

(伊犁师范学院 物理学院, 新疆 伊宁, 835000)

本文采用蒙特卡罗程序模拟得到241Am、137Cs发出的能量分别为60 keV和662 keV的γ射线对干土和水的质量衰减系数, 从而标定土壤密度、水含量与两种射线的透射率的函数表达式. 模拟检测表明, 由该表达式测量同种干土制备的土壤样品的土壤密度和水含量精确度较高, 可满足实际测量要求.

蒙特卡罗;土壤密度;水含量;双能γ射线

土壤密度和水含量的快速准确测定对工农业生产具有重要作用. 利用γ射线衰减方法测量土壤的湿容度是由Bernhard和Chasek在1953年创立的, 以后很快被用于土壤干容重和土壤含水量变化的测量. 原则上利用γ射线衰减法测含水量可以避免常规方法的大部分限制, 明显地具有分辨率高、快速、方便等优点, 因此它很快发展成为实验室内测量含水量的重要手段, 还有人发展到田间应用.241Am和137Cs都是长半衰期放射性核素, 半衰期分别为433 a和30 a, 分别放射60和662 keV的γ射线, 容易屏蔽和准直, 使用较为安全和方便. 将这两个源置于同一铅屏蔽容器内, 经准直器准直射出60和662 keV的γ射线窄束, 照射土壤样品, 由两种γ 射线穿透率的测定可快速而准确地测定土壤密度和水含量. 这种方法称为双能γ射线穿透法. 本文论述了这种方法的基本原理, 应用蒙特卡罗模拟标定了土壤密度、水含量与两种射线穿透率的数学表达式. 通过模拟同种土壤不同水含量样品模型表明, 本方法测定土壤密度和水含量能较好地满足实际需要.

1 原理和方法

γ射线垂直穿透物质时, 呈指数规律衰减, 穿透率为:

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

这里0和分别为入射和穿出物质的γ射线计数,m(cm2/g)为质量衰减系数,(g/cm3)为密度,(cm)为物质厚度. 单能241Am 60 keV γ射线准直后垂直照射厚度为(cm)的潮湿土壤, 穿透率为:

Am= (/0)Am= exp[(-µAm+µAm)], (2)

(g/cm3)为水含量. 同样, 单能137Cs 662 keVγ射线照射时, 穿透率为:

Cs= (/0)Cs= exp[(-µCs+µCs)]. (3)

由式(2)、(3)得:s=lnCs-lnAm, (4)

通过蒙特卡罗模拟, 可得到干土和水对两种射线的质量衰减系数, 从而得到、、、的值. 用同种干土制成形状(10 cm×10 cm)土壤样品, 渗入已知量的水, 从而制备了一系列已知干土密度和水含量的标准样品模型, 通过蒙特卡罗模拟得到两射线的穿透率, 由式(4)和(5)可得土壤密度和水含量, 并与实际值进行对比, 检测双能γ射线穿透法测量土壤样品的密度和水含量的可靠性.

2 模拟计算

2.1 标定系数a、b、c、d

不同地区干土的组成元素和密度不同, 本文参考中国黄土的平均化学成分[1], 采用的干土密度为1.3 g/cm3,O、Si、Al、Ca、Fe、Mg、K、Na、C质量百分比之比为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程序进行模拟, 放射源分别采用241Am和137Cs发出的60和662 keV γ射线垂直照射, 用1计数卡纪录穿过1, 2, 3,…,10 cm厚的干土和水层前后的计数0,, , 得穿透率= (/0). 由式(1), ln(1/)与成正比, 斜率为µ, 模拟结果如图1. 通过直线拟合, 得其斜率, 即得干土和水对两种射线的质量衰减系数:µAm= 0.291 cm2/g,µAm= 0.204 cm2/g,µCs= 0.076 9 cm2/g,µCs= 0.085 6 cm2/g,. 从而得到形状(10 cm×10 cm)土壤样品:= 2.212 g/cm3,= 0.928 g/cm3,=-3.155 g/cm3,=-0.834 g/cm3.

图1 ln(1/T)随厚度的变化曲线

2.2 模拟测量

通过蒙特卡罗模拟测量, 从而检测双能γ射线穿透法的可行性. 如图2, 将10 cm×10 cm土壤样品作为待测物置于两准直器中间. 通过蒙特卡罗模拟得到两种射线的穿透率, 由式(4)和(5)可得干土密度和水含量. 如表1为模拟测量得到的干土密度和水含量与实际值的对比, 可看出模拟测量结果与实际值相差很小.

图2 模拟装置

表1 双能γ射线穿透法测量值与实际值对比

3 结论

通过模拟测量可以看出, 双能γ射线穿透法测量土壤样品的密度和水含量测量精度很高, 此方法是可行的.

[1] 吴明清, 文启忠. 中国黄土的平均化学成分: 上部大陆地壳的一种典型代表[J]. 岩相古地理, 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

刘什敏(1982-), 女, 讲师, 研究生, 研究方向: 核技术与MCNP模拟. E-mail: lsm@ylsy.edu.cn

(责任编校:刘刚毅)