книги из ГПНТБ / Рачинский, В. В. Курс основ атомной техники в сельском хозяйстве учебное пособие

ионе натрия), или 35S (метка в сульфат-ионе), приготовляют меченый сульфат натрия. Иногда используют неизотопные инди­ каторы. Так, для получения меченого хлористого натрия в со­ став соли вводят 1311. При этом имеется в виду, что иод явля­ ется близким химическим аналогом хлора. Равномерно перемешивая, приготовленную соль вводят в исследуемый почвогрунт.

При лабораторных, модельных исследованиях почву с мече­ ной солью переносят в стеклянную трубку или лоток, затем засоленный почвогрунт промывают чистой водой и при помощи счетчиков прослеживают динамику вымывания из него меченой соли.

Используют и другой способ приготовления почвогрунта, засоленного меченой солью. Если почвогрунт содержит много солей, то его перемешивают с раствором радиоактивного инди­ катора (с минимальным количеством носителя или без носи­ теля), высушивают и загружают в колонку или лоток. После этого промывают. При промывании вследствие растворения и вымывания меченой соли вдоль колонки распространяется вол­ на вымывания меченой соли и постепенно формируется стацио­ нарный фронт вымывания.

В полевых условиях методика изучения вымывания меченых солей будет такой же, как и методика изучения движения ме­ ченой воды. После введения в почву меченой соли и промывки при помощи взятия проб почвогрунта или радиометрическим зондированием определяют распределение меченой соли по координатному методу.

Так как промывку засоленных почв производят на мелио­ рируемых землях, которые имеют дренажную систему, ход рассоление засоленного почвогрунта контролируют, регистрируя активность меченой соли в составе воды, выходящей через дре­ нажи. Такая методика напоминает методику получения выход­ ных кривых распределения вещества на выходе сорбционной колонки.

§3. РАДИАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ

ИПЛОТНОСТИ ПОЧВОГРУНТОВ

Определение влажности и плотности почвогрунтов — одна из основных задач почвенно-мелиоративных исследований и изыс­ каний. Знание этих величин необходимо при оценке водно-физи­ ческих свойств почвогрунтов, расчетах технологических режимов

орошения, проектирования гидротехнических устройств и соору­ жений.

Существующие методы определения влажности и плотности почв (термостатно-весовые, электрические и др.) или очень тру­ доемки и мало производительны, или область применения их весьма ограничена.

210

Радиационные методы, которые основаны на использовании явлений взаимодействия излучений с веществом, имеют ряд важных преимуществ. Не уступая по точности обычным мето­ дам, они характеризуются высокой производительностью, про­ стотой и допускают в случае необходимости автоматизацию измерений.

В практике почвенно-мелиоративных исследований в послед­ ние годы получили распространение методы, основанные на использовании нейтронного и у-излучений.

Определение влажности почвогрунтов нейтронным методом.

В гл. 3 были изложены необходимые сведения о взаимодействии нейтронов с веществом. При прохождении потока нейтронов через среду происходит рассеяние (главным образом упругое) нейтронов на ядрах атомов, в результате чего нейтроны, теряя энергию, замедляются и захватываются ядрами. Чем меньше масса ядер (соответственно меньше массовые числа), тем эф­ фективнее замедление нейтронов. Наибольшим замедляющим действием обладают ядра атомов водорода.

В сухих почвогрунтах, не содержащих водорода, длина за­ медления нейтронов имеет порядок 25—35 см, тогда как длина замедления в воде составляет около 8 см. Увлажнение почвогрунта резко уменьшает длину замедления. Чем больше влаж­ ность почвогрунта, тем меньше радиус сферы замедления нейтронов и тем соответственно больше концентрация медлен­ ных нейтронов в этой сфере (число нейтронов в единице объе­ ма). Распределение концентрации медленных нейтронов вокруг нейтронного источника, помещенного в водородсодержащую среду, неравномерно: на некотором расстоянии от источника она достигает максимума, а затем постепенно убывает приближен­ но по экспоненциальному закону.

Ядра химических элементов, входящих в состав большин­ ства почвогрунтов (Al, Si, Са и др.) имеют примерно один и тот же порядок эффективных сечений захвата медленных нейтро­ нов. Большие сечения захвата медленных нейтронов имеют элементы В, Li, Cl, Мп и другие, сравнительно редко входящие в состав почвогрунтов. Если такие элементы в состав исследуе­ мых почвогрунтов не входят, то вариация химического состава почвогрунтов не оказывает существенного влияния на концент­ рацию медленных нейтронов. Согласно теоретическим расчетам, вокруг точечного источника быстрых нейтронов мощностью с [нейтрон/сек], помещенного во влажный почвогрунт, создается следующее распределение медленных нейтронов:

Ч

211

где г — радиус расстояния от источника; т — среднее время жиз­

влажности пересекаются (рис. 7.15)— инверсия зависимости сп от влажности W.

2. Чем 'больше влажность почвогрунта, тем резче ход кривой

Чем больше концентрация медленных нейтронов, тем больше актов захвата медленных нейтронов в единице объема среды и тем больше поток захватного у-излучения (изомерные переходы ядер, захвативших нейтроны, реакция типа п, у).

Отсюда вытекает следующий вывод: если регистрировать какими-либо детекторами концентрацию медленных нейтронов или поток захватного у-излучения, то по показаниям детектора можно определить влажность почвогрунта. При этом необходимо предварительно получить калибровочную кривую зависимости показаний детектора от влажности почвогрунта.

Если влажность почвогрунта определяют по концентрации медленных нейтронов, то такой метод сокращенно называется

Для измерения влажности почвогрунтов нейтронным мето­ дом применяют специальный зонд, который вводят в почву при глубинных измерениях или помещают на поверхности почвы при поверхностных измерениях (рис. 7.16). Зонд состоит из источника быстрых нейтронов и детектора медленных нейтронов (п — п-метод) или детектора у-излучения (п — у-метод).

Как уже отмечалось, вокруг источника быстрых нейтронов в среде, замедляющей нейтроны, образуется определенное распре­ деление медленных, тепловых нейтронов. Точное значение радиу­ са сферы, распределения медленных нейтронов указать невоз­ можно, так как эта сфера простирается асимптотически на бесконечность. Поэтому за распределение нейтронов условно принимают такую сферическую область вокруг источника ней­ тронов, внутри которой будет находиться 95% всех медленных

212

Рис. 7.15. Концентрация медленных ней­ тронов как функция расстояния от ис­ точника нейтронов, помещенного в лочвогрунты с различной влажностью. Ин­

версия зависимости от влажности

Wt>!Fo.

а

Рис. 7.16. Схема зонда для глубинного (а) и по­ верхностного (б) измерения влажности почвы нейтронным методом:

для реальных сред представляет собой очень сложную задачу, и практически он осуществлен только для простейших систем. Поэтому исследование концентрации медленных нейтронов во­ круг данного источника осуществляют экспериментально. На основе такого исследования определяют оптимальные условия расположения источника и детектора.

Пространственная разрешающая способность нейтронного метода измерения влажности почвогрунтов по порядку величи­ ны определяется размерами сферы влияния. Радиус сферы влияния различен для почвогрунтов с разной влажностью. При­

213

ближенно радиус сферы влияния обратно пропорционален корню кубическому из влажности:

(7-75)

где Л — эмпирическая константа; Wo— объемная влажность почвогрунтов, об. %. Радиус сферы влияния для обычно встречаю­ щихся почвогрунтов и диапазонов влажности составляет поряд­ ка 10— 100 см. Отсюда вытекает, что разрешающая способность нейтронного метода не очень высока. Этим методом можно определять среднюю влажность почвогрунта в сфере порядка нескольких десятков сантиметров.

В качестве источников нейтронов для зондов используют ам-

индикаторы (активация элементов с большим эффектным сече­ нием захвата, например родия, серебра, индия), газоразрядные (га, а)-счетчики (регистрация а-частиц, образующихся в реакции типа я, а), сцинтилляционные детекторы (введение в состав сцинтиллятора элементов, дающих с нейтронами реакцию ти­ па га, а, например бора).

Выше отмечалось, что при га — у-методе определения влаж­ ности регистрируют не концентрацию медленных нейтронов, а захватное у-излучение, генерируемое медленными нейтронами в процессе прохождения через среду. Поток захватного у-из- лучения можно искусственно усилить введением в среду дополнительного элемента, интенсивно захватывающего ней­ троны и генерирующего вследствие этого захватное у-излучение. Например, если окружить счетчик, регистрирующий у-излуче­ ние, кадмиевым экраном (на n3Cd происходит резонансный захват нейтронов), то поток захватного у-излучения резко усиливается вследствие образования у-фотонов‘ при захвате нейтронов U3Cd.

Для каждого зонда нужна калибровочная кривая, выра­ жающая зависимость показания детектора от влажности. Калибровку нейтронного влагомера производят снятием пока­ заний детектора при введении зонда в-почвогрунт с известной влажностью.

Обычно почвогрунт с известной влажностью имитируют каким-либо материалом (песком, торфом, опилками, парафи­ ном, плексигласом и др.) с заданным содержанием воды (или водорода).

Форма калибровочной кривой может быть различной в за­ висимости от геометрии источника, детектора, их взаимного расположения и других факторов. Как правило, добиваются

214

такой конструкции зонда, при которой калибровочная кривая линейна (или почти линейна). На рис. 7.17 в качестве примера показана калибровочная кривая для одного из нейтронных влагомеров серийного производства.

Определение плотности почвогрунтов у-методом. Как уже отмечалось (см. § 4 гл. 1), ослабление потока узкого пучка моноэнергетического у-йзлучения происходит по экспонен­ циальному закону

ность потока у-излучения после прохождения слоя вещества толщиной х; р — линейный коэффициент ослабления у-излуче-

ния.

Закон ослабления у-излучения можно записать и в другой

объема почвогрунта в его естественном сложении.

Обозначим искомую плотность твердой фазы почвогрунта рт, а соответствующий массовый коэффициент ослабления у-излу- чения для твердой фазы почвогрунта — рт. Тогда согласно (7.77) получим

215

Однако в реальных условиях в порах почвогрунта содер­ жится вода, для которой массовый коэффициент ослабления ц' ф р'. В этом случае ослабление потока у-излучения проис­

ходит как за счет твердой фазы почвогрунта, так и за счет воды. Поэтому

где р ' — объемная масса распределенной в порах почвогрунта

воды, т. е. масса воды в единице объема почвогрунта. Из (7.79) следует

Итак, если известна весовая влажность почвогрунта, то сог­ ласно (7.80) объемная масса твердой фазы почвогрунта (плот­ ность почвогрунта) определяется по формуле

(i* ;+ ii> B)*

Из формулы (7.79) можно получить также расчетную формулу для определения плотности твердой фазы почвогрунта рт для случая, когда известна объемная влажность почвы. Ее можно определить, например, нейтронным влагомером. В формуле (7.79) рв'х численно равна массе воды, содержащейся в парал­ лелепипеде длиной х и основанием в единицу площади (масса в расчете на единицу площади, например, в граммах на квадрат­ ный сантиметр). Тогда объем этой воды равен рв'х/рв, где рв — истинная плотность воды как жидкой фазы. Так как объем рассматриваемого параллелепипеда численно равен х, то объем­ ная влажность почвы

Рт*

С достаточной для практических целей погрешностью можно принять рв= 1 г/см3.

Массовый коэффициент ослабления у-излучения для боль­ шинства суглинистых почвогрунтов (с содержанием железа ме­

216

нее 5%) при энергии у-излучения Ev = 1,25 Мэе (источник 60Со) составляет 0,057 см?/г, а для £%=0,66 Мэе (источник 137Cs) — 0,077 см?/г. Массовые коэффициенты ослабления для воды при

Для получения узкого пучка достаточной плотности потока необходимы изотопный источник у-излучения большой активно­ сти, хорошая система коллимирования и экранирования. Все это делает гамма-установку громоздкой. В лабораторных условиях, в опытах на моделях его можно использовать, например, при изучении деформации почвогрунтов под действием различных факторов.

Для определения плотности почвогрунта на основании закона (7.76) важно, однако, не то, чтобы имелся коллими­ рованный пучок у-излучения, а то, чтобы детектор не регистри­ ровал рассеянные у-фотоны.

Осуществить регистрацию только первичных (прямых) у-фо- тонов можно путем использования сцинтилляционных счетчиков

•со схемой амплитудной дискриминации импульсов, обусловлен­ ных попаданием в детектор рассеянных фотонов.

Предположим, что имеется неколлимированный или-частич­ но коллимированный пучок у-излучения и детектор регистрирует все у-фотоны — прямые и рассеянные (комптон-эффект). В этом случае регистрируемая интенсивность излучения при прохожде­ нии им слоя вещества зависит от толщины слоя х более слож­ ным образом:

янного излучения. Теоретический расчет / рас практически невоз­

Для сохранения общности формулы (7.77) учет регистрации рассеянного у-излучения можно осуществить введением пере­

Функция р/(х) также определяется экспериментально для кон­ кретных условий опыта. Значение р '(х) для данных условий на­ зывают эффективными массовыми коэффициентами ослабления у-излучения.

217

Предварительно определяют эффективный массовый ко­ эффициент ослабления \i'(х) = \хЭф' для выбранного расстояния между источником и детектором. Как показали эксперимен­ тальные исследования, эффективные массовые коэффициенты ослабления у-излучения в интервале энергий 0,5— 1,5 Мэе для воды и почвогрунтов практически одинаковы. Поэтому твердую фазу почвогрунта и содержащуюся в ней влагу можно характеризовать одним и тем же значением ц'8ф. Для влажного почвогрунта исходя из (7.79) можно записать

является средней эффективной плотностью почвогрунта (масса твердой и жидкой фаз в единице объема почвогрунта).

одну из них на заданную глубину вводят контейнер-коллима­ тор с у-излучателем, в другую — на ту же глубину счетчик и определяют скорость счета при расположении источника и счет­ чика на заданной глубине. Контейнер-коллиматор обеспечивает лишь частичную коллимацию. Детектор не имеет диафрагм.

218

Поэтому счетчик регистрирует и прямое проходящее, и рассеян­ ное у-излучение. Так рассчитывают величину I в формуле (7.88). / 0 определяют, поднимая источник и счетчик над поверхностью почвы. Величину р'0ф рассчитывают предварительно в стандарт­ ных условиях для почвогрунта с известной плотностью рЭф. Зная 7, h, р/эф и х, искомую эффективную плотность почвогрунта оп­ ределяют исходя из формулы (7.88):

Iх Эф

Часто для данного комплекта прибора (источник, детектор, радиометр) и избранных стандартных условий измерений сни­ мают калибровочную кривую зависимости /=/(рэф ) и по этой калибровочной кривой находят искомую эффективную плот­ ность почвогрунта.

Если известна влажность почвогрунта, то по формуле (7.89) рассчитывают плотность твердой фазы в почвогрунте:

При измерениях следует учитывать, что значения р/Эф, а также калибровочные графики для верхних горизонтов почвы в пределах 0—25 см зависят от глубины горизонтов и лишь при больших глубинах р/Эф не зависят от глубины горизонта. Это связано с неодинаковыми условиями регистрации рассеян­ ных у-фотонов на малых глубинах: часть у-фотонов попадает в воздух, условия рассеяния в котором отличны от условий рас­ сеяния в почвогрунте. Начиная с некоторой глубины влиянием воздуха на рассеяние можно пренебречь. Кроме того, прихо­ дится учитывать и то, что значения р/Эф зависят от плотности почвы. Но для небольших вариаций плотности их можно считать приблизительно постоянными.

Погрешность измерений будет тем меньше, чем ближе усло­ вия измерения в данном пункте обследования к условиям, при которых определялся |/Эф или были получены калибровочные кривые. Определение плотности почвогрунтов можно осущест­ вить не только в горизонтальном направлении, но и в верти­ кальном, как это показано на рис. 7.18. При соблюдении всех условий стандартизации измерений этот метод в полевых ус­ ловиях обеспечивает не меньшую точность, чем другие методы определения плотности почвогрунтов. Но по оперативности он значительно превосходит их, позволяя получать данные сразу на месте измерения с затратой на каждое измерение лишь несколь­ ких минут. Кроме того, этот метод позволяет проводить много­ кратные измерения по одному и тому же слою почвы без нару­ шения его. Метод не имеет ограничения на определение плот­ ности почвогрунтов любого типа.

219