基于宇宙射线缪子的土壤含水率监测

作     者：姜山 刘国睿 刘军涛 李晓鹏 钱湘萍 付治强 王宝祥 刘志毅 Jiang Shan;Liu Guorui;Liu Juntao;Li Xiaopeng;Qian Xiangping;Fu Zhiqiang;Wang Baoxiang;Liu Zhiyi

作者机构：兰州大学核科学与技术学院兰州730000 中国科学院南京土壤研究所南京210008 生态环境部核与辐射安全中心北京100082 

出 版 物：《农业工程学报》 (Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering)

年 卷 期：2022年第38卷第6期

页      面：330-336页

核心收录：

学科分类：082703[工学-核技术及应用] 0707[理学-海洋科学] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 0903[农学-农业资源与环境] 0804[工学-仪器科学与技术] 0827[工学-核科学与技术] 0714[理学-统计学（可授理学、经济学学位）] 0704[理学-天文学] 0701[理学-数学] 0702[理学-物理学] 

基　　金：国家自然科学基金资助项目(11975115) 

主　　题：土壤 水分 宇宙射线缪子 蒙特卡罗方法 FLUKA 

摘      要：为了丰富土壤含水率的测量手段,拓展宇宙射线缪子技术在农业工程领域的应用,该研究提出了利用宇宙射线缪子监测土壤含水率的方法,即通过放置在土壤中的缪子探测器测得的宇宙射线缪子计数来反推出土壤含水率。利用蒙特卡罗程序FLUKA对不同含水率的土壤建模并进行数值模拟,得出土壤含水率的探测分辨率,进一步得到最佳的缪子探测器放置深度。结果表明,探测半径与探测器放置深度相关,将探测器放置在地表下方80 cm深度处时,探测半径为6.2 m,此时当探测时长为2 h时,对土壤含水率的探测分辨率可以达到0.1 cm^(3)/cm^(3);当探测时长达到8 h时,探测分辨率可以达到0.05 cm^(3)/cm^(3)。相较于60、70、80、100、110、120 cm等不同深度,探测器放置在地表下方90 cm处时,在相同探测时长条件下,土壤含水率的探测分辨精度最高,达到0.038 cm^(3)/cm^(3)。验证试验结果表明,缪子计数值的变化可以反映出待测物质质量厚度的较小变化。相较于传统的点测量方法和宇宙射线中子法,该方法的探测范围适中(探测半径为6~8 m),且测量结果不易受土壤密度之外的因素影响,可以作为其他监测技术的重要补充,具有广阔的应用前景。