表面型 中性子水分計 の校正曲線 につ いて
野 村 安
治
*
・ 井 上 光
弘
*
・ 四ケ所 四男美
**
CalibratiOn Curve Of a Surface―
Type
Neutron WIoisture Meter
Yasuii NoMuRA「
Mitsuhiro INOUE*and Shomi SHIKASHO料
*Lα
bο Tαιο″ヶ げ rTTテ
=α
ιJoη αηJ DTα,tttI=θ EηgJηθθT,η
=, Facaιとυ げ/1gT'c,どι,Tθ. **Labο ″ctοTy οチLα材 ―DTαJ側 =ぞ arlJ R9cね開 αι,οη,IttcvJι♂or l=万c"どι “ T9j κyvdん,1/2JυθTsどι歩
Summary
ln Order tO make the most efficient usc of a neutron moisture meter, it is necessary to previously obtain the cahbration curve of the meter
for the soil in an actual field.
This paper describes a prOcess of deternlination on the sphere of
ilnportance of the neutron moisture meter in vertical and horizontal
directions, Thereafter, a method of making a calibration curve of a
surface―type neutron moisture meter is sho、 vn. The originality of this
paper lies in the experilnental demonstration of the calibration curve
which relates the count ratio of a surface―
type neutron moisture meter
with the volumetric soil moisture content for different source positions. In order tO deter■ line the sphere of inportance of scattering neutrons,
an attempt was made to exanline the response on a surface― type neutron moisture meter due to a paraffin mass in vertical and horizOntal direc― tions. As a result, the volume of the sphere of importance is assumed to be a sphere approxiinately, and the radius of the sphere of impor―
tance is obtained as the function of the volumetric sOil moisture content. Calibration curves of a surface― type neutron moisture heter fOr dune―
sand
、vere made under the constant soil moisture profile by the back―scatter method and the direct trans■
ssion method. The results from
these experilnents 、vere shown in Table l. It appears evident that the
direct trans■lission method under the 10cm or the 15cm source pOsition
had higher sensitivity and slightly less standard error of estilnate than
the backscatter method. *農学部農業水利学研究室
野 村 安 治
1.ま
え が き 砂地 は,上
壌 の透 水性 が大 きく保留水分量 が少 な いため に,農
業的利用 に対 して は効率 の高 い水利用 が要求 される。効率的 な水管理 を行 うためには,カ
ンガイ下 における砂地 圃場 の土壌水分移動 を的確 に 把握 す ることが必要で,特
に砂 地 において は,根
群 域 (浅層)の
上壌水分変化 を明 らかにす るこ とが重 要で ある。 しか し,従
来 の上壌水分測 定法 で は,上
壌 断面 の水分分布 を短時 間 に測定 す るこ とが困難 で ある。 そ こで表面型 中性子水分計 を導入 して迅速 な 土壊水分 の測定 を試み た。 中性子法 は,測
定精度 の個 人誤差 がほ とん どな く, 測定時 間 が短 いため に多地 点測 定 も可能 で あ り,非
破壊測定 で あるため に同一個 所の繰 返 し測定 も出来 る。 また,そ
の結果がただ ちに得 られ るとい う特徴 をもってい る。 しか しなが ら,中
性子水分計の出力 (計数率)と含水量 との関係 は,様
々 な因子 に支配 され る事 か ら,こ
れを理論 的 に求 めることは一般的 では ない。 そこで あ らか じめ,含
水量 が既 知 の供 試 土壌 を用 いて計数 の応答 を校正 してお き,現
場 にお ける計器 の出 力か ら含水量 を知 るのが, RI計
器の 一般 的 な使用法で ある。 したが って,RI計
器の使 井 上 光 弘 ・ 四ケ所 四男美 用 にあたっては,校
正 曲線 の作成 が非常 に重要 な事 で あ る。。 本研究 は,低
水分状 態 にあ る′鳥取砂丘 圃場 の表層 (根群域)の
土壌 水分挙動 を把握 す るため に,後
方 散乱方式 と直接透過 方式 を有 す る表面型水分密度 計 の農 業面 における効果的利用 をね らい とす るもので あ る。 ここでは計器 の鉛 直 方 向 と水平 方 向の影響圏 に関す る実験 か ら有感 容積 を推定 し,鳥
取 砂丘砂 を 対 象 と した表面型 中性子水分 計 の校正 曲線 を作成 し, さ らに後方散乱方式 と直接透過方式 の優劣 を検討 し た。2.表
面型水分 密度計 使用 した測 器 は,TROXLER社
製 の表面型水分 密度計 (2401型)で
中性子 水分 計 とガ ンマ線密度計 との両機能 を備 えるとともに,従
来 の表面型測 器 と 異 な り後方散乱方式 のみで は な く,直
接透過 方式 お よびエ アギ ャ ップ方式 によ る測 定 が可能 で ある。 ま た,プ
ローブ部 とスケー ラ部 とが同一測 器内 に組込 まれているので,測
器 の移動 が容 易で 多地点 の測定 が短時 間 に出来 る有利 な点 がある。大 きさは,23× 38×23cm高 で,重
量 は,18.2 kgで あ る。使 用線源 は,50mCiの 241Am―
Be(中
性子線 源)と 8.lmCiの137cs
(ガンマ線源
)で
ある。 検 出器 は, 2個
のBF3比
例 計数管 と3個のGM計
数管 が使 用 され,そ
れぞれ熱 中性子束 とガ ンマ線 を検 出 し,電
光板 には計数率 がradioactive
タイマ ーで 自動 的 に表示 され る。放射性線源 は
,三
重 にステ ンレス鋼 で シール され,線
源棒 の底部 に取 付 け られて お り,線
源棒 を挿入 す るこ とによって測 器底面 よ り0,5,10,15,20,25,30 cmの
位置 で 測定で きる。測 定 された計数率 は,淑1定の前後 にお ける標 準体 の計数率 の平均値 で除 し,そ
れぞれの測 定個所 にお ける計数率比(カウ ン ト比)CRと
して整 理 した。3.実
験 方 法(1)影
響 圏の決定RI計
器 は,機
種 (散乱型 か透過型 か),計
器の幾 何学的条件 (線源 と検 出器間の距離,検
出器 の長 さ と配置状況),使
用 す る ラジオ・アイソ トープ の線 質 特性 によって計器固有の作用範 囲 が定 まって お り, この範 囲 は測定器の有感容積 と呼 ばれている。 これ よ り小 さい容積 の供 試体 を用 いて校正 した場合 には,RI計
器 の特性上,
カ タヨリを生 じ誤差 の原 因 にな る。 した がって,計
器 の校正 を行 うと きは,こ
の事 を考慮 して計器の測定影響範 囲 よ りも十分 に大 きい 供試体 を用 い るべ きで あ る。 そこで,表
面型 中性子 水分計 の影響 圏 を知 るため に実験 を行 った。 この種 の実験 に, しば しば採用 され る物 質で,水
素原子 が 豊富 で,均
質 かつ安定 した物 質 と して,パ
ラフ ィン 体 を使 用 した。媒体 土壊 と して砂丘砂 を用 い後方散 乱方式 によって鉛直方 向 あるいは水平方 向 に対す る パ ラフ ィン体 の影響 による測 器の応答 を測定 した。 鉛 直方 向の影響 圏の実験 方法 と して は,100×100 ×100cmの 鉄製 タンクの底部 中央 に20.0×35,6 cm2, 高 さ6.4 cm,重 量 4,097gの パ ラフ ィン体 を設置 し, その上 に所定 の水分量 の砂 を5 cm間隔 に充填 し,そ
のつ どラ ンマーで均― に突 き固め,計
数率 を測定 し た。水平 方向の影響 圏の実験 方法 と しては,前
述 の タンクに所定 の体積含水量 の砂 を充填 し,パ
ラフ ィ ン体 をタンクの側面 に設置 した。 さらに,タ
ンク内 の上壌 表面 に置 いた測器 を移動 す ることによって, パ ラフ ィン体 と線源 までの水平距離 と計数率 との関 係 を求 めた。(2)校
正 曲線 の作成 砂丘砂 を供 試土壊 と し,均
一 な土壊水分分布 を得 るため に乾 燥砂 にスプ レーで水 を供給 しなが ら ミキ サ ーで混合 し,所
定 の体積含水量 になった砂 を10cm ごとの上層厚 となるよ うに充填 し,ラ
ンマ ーで突 き 固 めた。土壊 表面 か ら5,10,15,20,25,30,40
cmの 深 さの土層 に対 して,そ
れぞれの深 さで5点, 定容積採上 を行 い,体
積含水量 を求 め た。 その結 果, 土壊水分分布 は均―で,土
壌水分量 は深 さに対 して, ほぼ一定 に保 たれていたので,体
積 含水量 は全 試料 の算術 平均 によって求 めた。 さらに,既
知 の均一初 期水 分量 に, タンクの底著Iから給水 して飩和水分量 を計測 し,校
正曲線 を作成 した。計数率 の測 定時 間 は,標
準偏差 を 1,25%以 下 にす るため,少
な くとも 6,500カ ウ ン ト以上 を計数 で きる時 間 と した。 また, 測定 回数 は3回と し,そ
の平均計数 率 を用 いた。4.結
果 および考察(1)影
響 圏の半径 体 積 含 水 量 θに対 す る計数率比CRと土 層 の厚 さ Zと の関係 を鉛 直方向の影響圏 に関す る実験結果 か ら示 した もの が,Fig。2およびFig.3であ る。 土層 の厚 さが増加す るにつ れて,計
数率比 は それぞれの 体 積含水量 に対 して減少 してい る。 これ らの結 果 か ら影響 圏の半径 は,25cm前後 で ある と考 え られ る。 い ま, 計数率比CRの
減衰曲線 が, 体積 含水量 θ と土層 の厚 さZとの関数 によ り表 わ され るもの とす レ 0 5 10 15 20 2530 35 40 50 60 70 80 Sol thickness(cm)[ZlFig.2. Count ratio variation duc to a paraffin mass with the soil thickness for each soil moisture content.
露 ０ ］ 確 将 隣 ， Ｆ ３ ｏ Ｏ θ=1,6310/O) θ=4061/。) θ=8,131●/。 ) θ=■ 351°/9)
θ = 2.68 θ=5,91 θ = 9,68 野 村 安 治 井 上 光 弘 ・ 四ケ所 四男美 ［∝ 〇 ］ ｏ お “ Ｈ ゛Ｆ 戸 。 Ｏ よい と考 え られ る。
(2)校
正 曲 線 表層近 くの上壊水分測定 のため に,後
方散乱方式 と直接透過方式 による校正 曲線 を2%≦
θ≦16%の
上IIX水分範 囲 において示 した もの が,Fig.4で
あ る。 図中 において, BSは
後方散乱方式,TMは
直接透 過 方式 によ る測 定 を表 わ し,添
字 は土壊 表面 よ り挿 入 した線源 の深 さを示 す もので あ る。点線 は,工
場 において校正 された後 方散乱方式 による校正 曲線 で あ り,砂
丘砂 による校正曲線 と比 べ る と計数率比 が 小 さ くなってい る。 Table lは,体
積含水量 が2%≦
θ≦16%,2%≦
θ≦35%に
対 す る各測 定方式 に対 す る回帰線,相
関 係数 な らび に標準誤差 を示 した もので あ るか。 0 10 20 30 40 So■ thickness(cm)Fig.3. Count ratio variation due to mass llrith the soil thickness soil moisture content.
れ ば
,次
の指 数 曲線 で近 似 で きる。 CR(θ,Z)一 CR(θ ,Z) ≡ C言 CR(θ,0)一 CR(θ ,Z)C言 =al(θ)expl― αl(θ)ZI十
a2(θ)eXpl― α2(θ)ZI ・…・・(1)
ここで
, CRは
, パ ラフ ィ ン体 がない 場合の計数率比 ,al(θ ),a2(θ ),αl(θ), α2(θ)は定
の体積含水量 に対す る実験 係数 で あ る。 影響 圏 は,全
中性子 フ ラ ックスの95%
が含 まれ る中性子源 の まわ りの体積 とし 麹 ５０ □ a paraffin for each て定義 されるか ら, 0∫ Rcヽ dz O∫ ∞CidZ=ε
・… …・。(2) なる式 で, ε=0.95を満足 す るRの
値 を 影響 圏の半径 とす る と,後
方散乱方式 に 対 して 1.63%≦ θ≦11.35%で
は,R=希
…H勧
なる実験 式で表 わ された。 同様 な方法 によ る水平方 向の影響 圏の 半径 は,体
積合水量4.19%,7.22%に
対 して,そ
れぞれ約27cm,約20cmで あ り, 鉛直方向の影響 圏 の半径 を推定 する(3)式 による値 と比較 す ると,影
響 圏の半径 は 回転 ダ円体 よ りもむ しろ球体 と仮 定 してO BS (S=O Cm)
△TM5 (S=5 cm)
□ TM 10 (S=10cm) ●TM15(S=15cm)
▲TM20(S=20cm)
――――Factory cahbration 0 5 10 15Volumetric soil moisture content(%)[例
Fig.4. Calibration curves for dune―sand of a surface― type neutron moisture meter by the backscatter method and the direct transmission method for different source pOsitions. 研 ］ 目 ０ 一 ゛ いの ｏ 盛 Ｏ ｏ ﹁ ● ｏ 切 療 ｏ Ｓ ︻ 二 ［∝ ｏ ］ Ｒ ヽ ︻ ど Ｊ ｏ Ｏ
これ らの結果 によると
,体
積合水量 が2%≦
θ≦16%の
範 囲 につ いて は, TM20を
除 くBS,TM5,
TM10, TM 15に
つ いて, また2%≦
θ≦35%に
お いてはBSお
よびTM5で
は直線 回帰 が認 め られ る。 その他 においては,体
積含水量 は直線 と指数 曲線 を 加 えた形 の回帰 曲線 で表 わ しうる。 いず れの場 合 に おいて も相 関係数 は,0.998以
上 で あ る。体積含水 量 が2%≦
θ≦16%に
おいて,直
線透過 の10cm(T
M10)は
,BS,TM5,T M15に
比 べ,体
積 含水 量 θの変化 に対 す る計数 率比CRの
変化 が大 きく, Fig。4か
ら明 らか に,校
正 曲線 の コウ配 が急 で あ り 感度 がよい こ とがわか る。後 方散乱方式(BS)は
, 上壊 表面 と測 器底 面 との接触 面 の影響 で直接透過方 式(TM)よ
りも測 定誤差 が生 じ, さ らに,直
接透 過方式 によ り測定 した方 が,後
方散乱方式 で測定 す るよ りも感度 がよ く,標
準誤差 も小 さい。 この測 器 において は, BSよ
りもTM10や
TM 15で測定す る の が,均
一土壌 水分分布 の場 合 には有利 で あ る。 Table l, Statistical sumlnary of calibration curves in different methods fordune―sand.
5,あ
と が き 砂丘 地 の表層 の土壊 水分測 定法 と して,後
方散乱 方式 と直接透過方式 の両機能 をもつ表面型水分密度 計 を使 用 して,均
一土壌水分分布 の もとで この測 器 の影響圏 および校正曲線 を作成 し,線
源挿入深 と計 数率比 を求 め,測
定方式 の優 劣 を検討 した。 その結 果,直
接透過方式 が表層 の上壌 水分挙動 を把 握す る 方法 と して有 力で あ るこ とが明 らか となった。 今後,現
地 圃場 にお ける測 定 を継 続 し,測
器の応 答特性 につ いて,ま た密度 と土壊 水分量 との関連 に つ いて研 究 を続行す る。 なる,こ
の研究 の一部 は,昭
和49年 度,昭
和52年 度文部 省科 学研 究 費の補助 によるもので ある。 参 考 文 献1
土 質工学会.1974.土
工管理 とラジオアイソ ト ープーー 表面型密度計・水分計の取 扱 い手引 き十二 p.48--58.2. S HIRAZI,G.A.,and M.IsoBE 1976. Calibration of neutrOn probe in sOme selected Ha、 wa an sons
Soil Sci. 122:165-170,
MOisture
range ヽIethod Calibration curves
Correlation coefficient Standard error of estimate 2≦θ≦ 16 BS TM5 TM10 TM15 TM20 θ
