直接透過方式による表面型中性子水分計の応答特性

鳥取 大砂 丘 研報,(Bull.Sand Dune Res, Inst,Tottori Univ.)17119-24, 1978.

直接透過方式 による表面型 中性子水分計の応答特性

野

村 安

治

*・

井 上 光

弘

*・

古 谷 和 生

**

Characteristics of a Surface―

Type NeutrOn Moisture Meter

for each Different Source Position

Yasuii NoMuRAす

Mitsuhiro INOUE*and Kazuo FuRUYA**

*Lα

bοTα ιο″y6げ fTT'gCιテοtt α独 ザDTα,欧影g9ETDs才■99T,2g, FαcaJιyげ AgT'C,どと,″ 9.

**Ⅳ

,ss9ιs,COηs,ど施免ι Cο

Summary

For the purposc of agricultural utilization of a surface moistureァ density gauge, it is useful for the measurement of soil moisture content to extend the method not only as the backscatter method but also as the direct transnlission method and the air―

gap method used for the meas―

urement of density up to this tilne.

This paper describes the experilnental demonstration of the relation

existing bet、veen the count ratio and the volumetric soil moisture content

for different source positions. The new method proposed in this study

is to sone extent a combination and a development of existing radiation techniques, The characteristics of the direct trans■ ssion method, lvhich

is to make measurements at the surfacc of the thermal neutrOn flux

produced by a fast neutron source introduced into the soil at different depths, are sho、vn to the homogeneous or heterOgeneous distribution of soil moisture content.

The detection at the soil surface of the thermal neutron flux created by a fast neutron source introduced into the soil at different depths is presented as a nelv neutron method to deterH ne the soil moisture con― tent.

the fOl10wing characteristics of a surface― type neutron moisture meter became evident after having a discussion about the experilnental results.

1) From the results obtained on homogeneous and heterOgeneous media

in the moisture range of more than 7% by volume, the direct trans― ■lission method with 5 cm, 10 cm and 15 cm source position has higher sensitivity than the backscatter method on conditiOn that the source *農学部農業水利学研究室

is situated at the sOユ I surface.

2) When the gauge is in poor contact with the ground, the direct trans― ■lission method lvith the source position of 10cm has nO effect on the

responsc on the gauge of the soil surface rOughness as much as the

backscatter methOd.

3) It can be seen that there is a peak of the response in the presence of an air―gap above any soil moisture content in connection with the source depth.

4) In the casc of heterogeneous soil moisture distribution,even if the dry sand layer exists on the surface as in the actual sand dune field, it is recognized that the direct trans■ lission method with the source position of 10 cm or 15cm has a higher sensitivity in spite of the in― fluence of the dry sand layer.

Therefore, in ali cases where the gauge is in poor contact

、vith the ground, it is the source position or the source depth which is the main causc of the influence on the count ratio. The surface― type moisture― density gauge used in this study would apparently also have useful char― acteristics, that is, the direct trans■lission method lvith the source position of 10 cm Or 15cm belo、 v the sOil surface.

1.ま

え が き 従来の表面型水分計 は

,後

方散乱方式 によって浅 層 の土壊水分 を測定 す るため に使 用 されて いる。本 研究 においては

,表

面型水分密度計 によって

,密

度 測定 に使用 され る直接透過方式 やエ アギ ャ ップ方式 による土壊水分 の測定 を試み

,中

性子水分計の測 定 法 を拡張 しよ うとす るもので あ る。 ここで は

,表

面型水分計 に関 して

,線

源 の上 中ヘ の挿入位置 の変化 に対 する測 器の応答(カウン ト比) と土壊水分 (体積含水量)と の関係 を実験 的 に求 め, さらに異 なった土壊水分の層 が存在す る場 合 につ い て検討 を行 った。 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 えてい る。中性子線源 は,241Am―Be, 50 mCi,ガンマ線源 は,13,cs,8.l mCiで

,検

出器 は2個の

BF3比

例 計数管 と 3個 の

GM計

数管 が使 用 されてい る。放射性線源 は

,線

源棒 の底部 に取付 け られて お り

,測

器底 面 よ り5cm間 隔で30cm深 さまで 測定で きる。 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。挿入型 中性子水分計 は, プローブ部 に放射性線源 と増幅器

,検

出器 が組込 ま れて い るが

,本

測 器 は

,表

面型測 器で あ り

,線

源棒 を地 中 に挿入 して も増幅器 や検 出器 は地上 に存在 す るため

_,挿

入型 中性子水分計 とは応答特性 が異 なる。 Fig。

1は

,測

定方式 を示 した もので

,後

方散乱方 式 (Bαcん scαををθ″η9ιん

0')は ,

線 源 と検 出器 の両 方 を地表面 に密着 させ る場 合で

,速

中性子源 の近 く に生ず る熱 中性子束 を測定す るもので ある。直接透 過方式 (DJT?ctとTαηsttdd'οη切?ιんOJ)は

,線

源棒 を土壌 中 に挿入 し地 表面 にある検 出器 で熱 中性子束 を測定す る方法 である。エアギャップ方式 (ステT―gα_ρ η9ιんοJ)は

,測

器 の底 面 と浪」定す る媒体 との間 にエ アギ ャップを設 けて測 定す る方法で

,土

壌 表面の粗

傘 ″仲羽揺

(a)Backscatter (b)Direct translnission (c)Air― gap

Fig.1. WIcasurement modes of a surface― type

直接透過方式 による表面型中性子水分計の応答特性 度の影響 を少 な くす ることがで きる。

2,実

験方法 と結果

(1)均

質土壊 に対 す る測 器 の応答 均 質 な媒体 と して砂丘砂 を用 いた。す なわ ち

,均

一 な土壊水分分布 を得 るため に

,乾

いた砂 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 を計測容器 (100X100× 100 cm) に10cmご との土層 となるよ うに充填 し

,ラ

ンマ ーで しめ固め を行 った。 土壊 表面 か ら

5,10,15,20,25,30,40cm深

さ の土層 に対 して

,そ

れぞれ5点で定容積採土 を行 い, 体積 含水量 を求 めた。土壊水分分布 は均一 で

,土

壊 水分量 が深 さに伴 ってほぼ一 定 に保 たれて いたので, 均 質 な媒体 の体積含水量 は全試料 の算術 平均 によっ て求 めた。 1599/。 12.379

H.6%

108%

a.870 8.2% 667。 5,8% 519/。 Source poSition (cm)[s]

Fig。2. Response on the gauge for each source

position in homogencous soil 、vith

different moisture contents.

表面型 中性子水分計 による計数値 は

,直

接透過方 式や後 方散乱方式 によって3回

, 4分

計測 を行 い計 数率 を求 め

,こ

の値 を標準体 の計数率 で 除 して

,カ

ウ ン ト比で整理 した。 カウ ン ト比

CRと

線源挿入位 置Sとの関係 を

,異

なった体積合水量 θの均 質土壌 に対 して示 した もの が,Fig。

2で

測 器の応答 を示 す もので ある。 この結 果 か ら

,体

積 含水量 が約

8%か

ら

16%の

範 囲で は, 線源位置10cmの直接透過方 式 が後 方散乱 方式 によ る 測 器 の応答 よ り高 いこ とがわか る。 均 質土壊 と空 気 とい う媒体 に対 して熱 中性子束 を 評価 す る場 合 には

,次

の よ うに考察 され る。。 す な わ ち

,線

源 が約25cmよ りも深 い と きには

,こ

の実験 範 囲で は中性子束 は対称形 とみ なせ る。 そ して線源

O

θ=100 防) A θ =34.30 □ θ=15,93

0

θ

=1234

A θ =10,77 田 θ

=8.19

0θ =657

A θ = 3.20 戸

5 10 15 20 25

Source position (cm)[s]

Fig.3. Response on the gauge for each source position in homogencous soil and 、vater.

3.57。

を表面 に近づ け るにつ れて表面での値 が規則 的 に増 してい く。 ピー ク値 に対応 す る深 さと約25cmの 間で は

,空

気 中 に熱 中性子 が散乱 す る量 の方 が

,中

性子 束 が増加 す る量 よ りも多 く

,ピ

ー クに達す る所で平 衡 とな る。 そ して

,そ

こか ら熱中性子

,速

中性子 の 損失 は頭著 とな り

,中

性子束 は規則 的 に減 少す る。 約

5%以

下 の低水分量 の範囲で は

,直

接透過方式 よ りも線源 が土壊 表面 にあ る後 方散乱方式 による測 定の方 力瀬!器の応答 が大 き くなる。線源 を上 中に挿 入 す るにつ れて測 器 の応答 は少 しずつ減少す ること 力蝙租め られ る。 約

7%以

上 の水分範 囲 において, さらに測 器 の応 答特性 を吟味す るため

_,水

や抱和状態 の砂 を媒体 と して付 け加 えた もの が Fig.3で あ る。 この結果 か ら, 線源 の位置 を変 えて い くと

,異

なった水分量 に対 し Thickness て

,応

答 の ピー クが存在 す るこ とがわか る。 す なわ ち

,水

の場 合 (θ

=100%)に

は3 cm,砂が飽 和状態 に近 い

34%で 5 cm,15%付

近 で は約10cmと な る。 7

%以

上 の水分範 囲で は

,後

方散乱方式 よ りも直接透 過 方式 によ る方 が

,よ

り高 い測 器 の応 答 が得 られ る ことがわかった。

(2)エ

アギ ャ ップ方式 による測 器 の応答 測 器下 の表面効果 の影響

,す

なわ ち

,土

壊 表面 の 粗 さ

,あ

るいは測 器の底面 と土壊 表 面 との間の接触 の良否 によ る応答へ の影響 を検討す るため に

,水

お よび砂丘砂 を媒体 として

,エ

アギ ャ ップ方式 によ る 測 器の応答 を測 定 した。 Fig。

4は

,水

_{面上 のエ アギ ャ ップの厚 さ aを パ ラ} メー ター と してカウン ト比

CRと

線源位置

Sの

関係 を示 した もので ある。エ アギ ャップの厚 さが増 す に つ れて

,測

器 の応答 と線源位 置 との間 に存在 す る応 Source position

O S=O cm

△

S=5 cm

□ S=10 cm

O S=15 cm

▲ S=20 cm

0246

Thickness of air― gap Fig.5。 Response variation

the presencc of an

for cach different

8 10 12

(Cm)[al

on the gauge due to

air―gap above 、vater

source pOsition. of air―gap =O cln =2 cm =4 cm =6 cm 主 8 cm =10 cln =13 cm

0 5 10 15 20 25 30

Source positiOn (cln)[S]

Fig.4. Relation between the count ratio by air― gap method and sOurce position for

different thicknesses of air―gap above

lvater. Ｏ △ □ ● ▲ ■ ｏ ︱ ト ー Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ に Ｉ Ｉ ［ぼ 〇 ］ ｏ 事 に 皆 ゛_Ｆ ● 。 Ｏ ［ 区 Ｏ ］ ｏ 事 、 Ｈ ， _Ｅ 雲 ポ ︶

/

position (cm)[S]

Fig.6. Relation between the count ratio by air― gap method and source position for

different thicknesses of air―gap above

soil at 12.37 percent volumetric lvater

content. 直接透過方式による表面型中性子水分計の応答特性 この こ とは

_,線

源位置 10cmに おける直接透過方式 に よ る土壊水分測 定 が

,測

器底 面 と土壊 表面 との接触 がよ くない場 合 にも

,カ

ウ ン ト比 にほ とん ど影響 を うけない こ とを意味 す る。 体積 含水量 12.37%の 砂 上 にお けるエアギャップ測 定方式 によ るカウ ン ト比 と線源位置 との関係 は

,エ

アギ ャ ップの厚 さをパ ラメー ター と して Fig.6に 示 した。 この結果 か らもエ アギ ャ ップの厚 さが増加す るにつ れて

_,測

器 の応答 はそれぞれの線源位置 に対 して減 少 し

,応

答 の ピー クに対応 す る位 置 が計器 の 底 面 か ら離 れて い く傾 向 が認 め られ る。線源 が土壊 面 よ り約 10cmの 深 さに位置 す る ときは

,エ

アギ ャ ッ プの厚 さaの大 きさに関係 な く応答 の ピー クが生 じ る。

(3)乾

砂 層 の被覆 によ る測 器の応答 砂地 圃場 で は

,

しば しば乾砂層 が上壊 表面 に発達 す るこ とはよ く知 られてい る。異 なった水分 コウ配 をもつ土壊 水分分布 に対 して

,測

器 の測 定上 の特性 を明 らかにす るため

,こ

こで は

,湿

潤土 (体積 含水 量

15.3%)上

に乾砂層 (体積含水量

3.4%)を

被覆 し Thickness of dry sand layer

O d=O cm

△ d=2.5 cm □ d=5.O cm ● d=7.5 cm 冒

₀

0.5 BE O,4 δ Source pOsition (cln)[S]

Fig,7. Response on the gauge due to the presence of a dry sand layer On the soil surface. 答 ピー クの値 が小 さ くな り

,そ

の発生位置 力潮1器底 面 か ら離 れて い くこ とが わか る。③ 印 は

,線

源 が水 面 にあ る場 合の応答 で ある。水面下 の線源深 さが, 3∼ 5 cmのところ に応答 ピー クが生 じてい る。 Fig.5は

_,線

源位 置Sをパ ラメー ター としてカウ ン ト比

CRと

水面上 のエ アギ ャ ップの厚 さ aと の関 係 を示 した もので ある。線源位置O cm, 5 cmに おい ては

,エ

アギ ャ ップの厚 さの増加 に伴 って測 器の応 答 は著 しく低下 して い る。線源位 置15cmの場合 には, 応答 ピー クがエ アギ ャ ップの厚 さ8 cmのと き

,す

な わち

,線

源 を水面下7 cmに挿入 した ときに発生 して いる。 さらに線源位置10cmの と きには

,エ

アギ ャッ プの厚 さが0か ら 5な い し6 cmの間で は

,そ

の厚 さ が変 って もカウ ン ト比 の値 には変化 が見 られない。 Thickness of air―gap

a=O cm

a=2 cln

a=4 cm

a=6 cln a =10 cm Ｏ △ □ ０ ■ /｀

型水分密度計の後方散乱方式よりも直接透過方式を た場合の測器の応答 を測定 した。 その結果として

,線

源位置 Sと カウント比C■ の

_{使用 した方が測器の感度が高いことが明らかになっ} 関係 を乾秒層厚 dを バラメータとして示 したもの本 た。今後

,実

験 を継続するとともに

,種

々の上壌水 分プロフィルに対.し て検討する。 Figi 7で_ある。 乾砂層￨の 厚さ―が増加するに従 って―ュ測器の応答が

なお

,こ

の研究の下部は

,昭

和52年度文部省科学

減少している。それに伴って応答ピーク値も減少し

研究費の補助によるものである。

RI為

脅

こ

云

を

書

書

Я

懲

憂

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星

房

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,肇4手

参

考

文

献

プ 方 式 に よ る測 定 結 果 と類 似 して い る。

1,MOUTOblNPtt R 19韓

Une netllode neutrOnl■

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do mesure de lllumidite des sols en surface.

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Inernati。 lal」 OuFia1 0f Apゎlied Radiation 4nd

271