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宇宙射线快中子土壤水分监测系统

作者: 天诺基业时间:2022.07.07

系统简介以及原理

宇宙射线快中子土壤水分监测系统,是一种可以通过检测土壤中和土壤正上方空气中快速移动的中子来测量含水量的装置,可以立即提供至少20公顷区域的检测结果,而不会干扰土壤和土壤所含相互关联的生物和结构的巨大网络。中科院南京土壤研究所、兰州大学与北京天诺基业科技有限公司联合研发的宇宙射线快中子土壤水分监测系统实现了100%国产化,探测效率高、统计性好、土壤水分测量动态灵敏度高,具有多种数据实时传输手段,可以在无电、无网络条件下稳定运行。能够适用干旱、潮湿、低温、高温等条件。测量系统配套有多种响应数据库与校正算法,操作灵活方便 ,使CRN更好地应用在土壤水分含量监测工作中,为管理土壤含水量开辟了新窗口。

宇宙射线快中子土壤水分监测方法(CRN),填补了传统点测量和遥感测量之间的空缺。在生态环境中,土壤水分也是生态环境资源交换的重要节点。宇宙射线中子法利用宇宙射线快中子作为放射源,由于氢(H)原子对中子极大的反应截面,即慢化过的中子数与土壤水分呈负相关。通过记录被慢化的氢原子数量就可以反演出土壤水分。

仪器技术指标

系统供电:10-16VDC;探头供电:9-16VDC;

系统功耗:不高于6030mA@12V;探头功耗:5mA@12V ;采集间隔可选;

数据存储: 数据采集器可选(大于1G) ;

数据接口:支持RS232、R485、USB等 ;

测量范围:最大测量范围不少于直径 700 米,最大测量深度不小于 70 厘米 ;

水分测量范围:0~饱和;不确定性:0~4%;

支持多传感器扩展,包括但不限于气压、湿度、温度、降雨等;

支持4G、5G、北斗数据传输模块;

提供数据采集与显示软件、配套土壤水分反演与校正算法。

 

 Ⅰ. 宇宙射线中子法的原理

Ⅰ. 宇宙射线中子法的原理
宇宙射线中子能谱
 
CRN方法的原理
CRN方法的原理

中子质量与氢的质量相当,在中子入射土壤中,与其他元素发生反应较少,以非弹性散射为主要物理过程。而氢元素与中子相互作用主要以弹性散射为主,氢元素的反应截面大,平均对数能降最大。

氢是慢化中子的主要元素,而地表与地下的最大氢库为土壤水分,故测量中子慢化数量,即可反应土壤水分的多寡,两者呈负相关关系。

 

Ⅲ. CRN法响应规律与影响因素

仪器探测半径关系
仪器探测半径关系
 
探测计数随空气湿度和土壤水分的变化
仪器计数的响应关系(左)仪器探测深度关系(右)

 

 Ⅱ. CRN系统组成

 
仪器总设计图(左)电子学示意图(右)
仪器总设计图(左)电子学示意图(右)

 

仪器100%国产化;CRN系统选择He-3探测器气体;设备主要包括:探测器、慢化材料、供电电源、单道主放与前放、采集模块、数据采集与处理软件等。

 

 

Ⅳ. 验证试验与推广应用 

定量控制灌溉验证仪器响应特征

推广案例:中国科学封丘国家试验站,中国科学院鹰潭红壤国家试验站,中国科学院海伦国家试验站,有3个国家级试点。