بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش، یک سامانه رطوبتسنج بر اساس پراکندگی نوترون طراحی و ساخته شد. این مدل شامل یک چشمهی نوترونی آزمایشگاهی و دو آشکارساز نوترون از نوع BF3 میباشد.اساساً، در این مدل، نوترونهای کند شده، بازگشتی و شمارش شده به وسیلهی دو شمارنده به میزان رطوبت نمونهی خاک مرتبط میشوند. پیکربندی سامانه رطوبتسنج شامل هندسهی چشمهی تابشی و موقعیت آشکارسازها نسبت به چشمه با استفاده از کد مونت کارلو MCNPX بهینهسازی گردید.
سپس یک سری اندازهگیریهایی با نمونه خاک ساخته شده از %40 خاک رس و %60 ماسهبادی با درصدهای مختلفی از آب انجام شد. با توجه به مشخصات مکانیک نمونهی خاک و عناصر تشکیلدهندهی آن، رطوبت مؤثر خاک در %25 تعیین شد. در هر دو اندازهگیری تجربی و شبیهسازی با کد MCNPX ثابت شده که حضور شمارندهی ثانویه نوترون، اندازهگیری رطوبت را بهبود میبخشد. نتایج نهایی نشاندهندهی کارایی سیستم پیشنهادی میباشد.
مقدمه
خصوصیات و ویژگیهای خاک، فرایندهایی که در آن صورت میپذیرد و نقش بیبدیل خاک در طبیعت و سیستمهای محیطی، باعث گردیده که فاکتور مهم رطوبت خاک دارای اهمیت فراوانی باشد. هر چند رطوبت خاک درصد ناچیزی از مقدار آب موجود در جهان را تشکیل میدهد اماتقریباً تمامی فرایندهای اتفاق افتاده در خاک را کنترل میکند .[1] درصد رطوبت به عنوان یکی از واژههای مهم در کشاورزی مورد استفاده قرار میگیرد. تعیین میزان رطوبت موجود در خاک، از موضوعهای مهم کشاورزی، احداث سدها و سازههای مربوط به آنها، بزرگراهها و فرودگاهها و ... است.
روشهای مختلفی برای تعیین رطوبت خاک وجود دارند که پرکاربردترین و دقیقترین آنها روش وزنی است .[2] یکی دیگر از روشها انعکاسسنج زمانی [3] و از روشهای غیرمستقیم برای تعیین رطوبت خاک، استفاده از روش پراکندگی بازگشتی نوترون بر اساس تشخیص نوترونهای حرارتی است که روشی کارا، سریع، تکرارپذیر و غیرمخرب و با دقت بالا می باشد 5] و.[4 مواد و روشها - الف - بررسی عملکرد سامانه رطوبتسنج طراحی سامانه رطوبتسنج مدل سطحی بر اساس کد MCNPX، ابتدا با استفاده از یک آشکارساز حرارتی BF3 و چشمه نقطهای شبیهسازی شد.
خاک مخصوص [6] را با درصدهای مختلف آب مخلوط نموده، در این حالت تعداد بیشتری از نوترونهای کند شده وارد آشکارساز میشوند. نوترونهای با انرژی کمتر از 1 keV پس از ورود به خاک مخلوط با %5 آب به ناحیه انرژی کمتر از 10 eV میرسند این ناحیه انرژی میتواند در آشکارساز BF3 منجر به شمارش شود مطابق شکل . - 1 - با افزایش درصد رطوبت، باعث رشد نرخ واکنش α - ، - n در آشکارساز حرارتی با شماره واکنش 107 در کد MCNPX میگردد که به عنوان خروجی مناسب در نظر گرفته میشود. این موضوع ناشی از افزایش مشارکت نوترونهای کند در شار ورودی به آشکارساز است که با تالی F4 و بازهبندی انرژی مشخص شده است.
در نهایت سامانه رطوبتسنج، متشکل از یک محفظه مکعب شکل سرباز به ابعاد 50×50×35 cm3 از جنس آهن به ضخامت 2 mm و سه محل نگهداری چشمه و آشکارسازهای حرارتی BF3 در زیر محفظه مکعب با هندسه استوانهای به ضخامت 2 mm از جنس آهن طراحی گردید مطابق شکل - 3 - به فرمی که استوانهها روی ریلی بهطور متحرک قرار گرفتهاند و به راحتی میتوان مکان چشمه و آشکارسازها را تغییر داد.
شکل :3 سامانه رطوبتسنج با چشمه نوترونی و آشکارسازها با رسم منحنی واسنجی نسبت شمارش برحسب میزان رطوبت، میتوان معادله کالیبراسیون را به ازای هر ضخامتی برای لایههای سطحی خاک مرطوب بهدست آورد .[7] بهطور مثال، برای ضخامت 23/3 cm خاک مرطوب مطابق شکلهای - 4 - و - 5 - معادلات کالیبراسیون برای آشکارسازهای نزدیک و دور مطابق روابط - 1 - و - 2 - بهدست آمدند. در حالت بهینه رابطهی بین میزان نرخ شمارش و محتوای رطوبتی باید خطی باشد. با افزایش ضخامت مخلوط خاک، میزان رطوبت افزایش یافته و نمودار به حالت خطی نزدیکتر میشود که این به معنای کاهش خطای اندازهگیری رطوبت خاک است.
- ب - مطالعات تجربی
آمادهسازی و شکلگیری نمونه خاک، یکی از بخشهای اصلی پژوهش بوده که انواع خاکها مورد مطالعه قرار گرفت و در نهایت نمونه خاک خشک - ترکیب 40 درصد رس و60 درصد ماسهبادی - آماده شده به وزن 83/72 Kg درون سامانه رطوبتسنج ریخته شد. ارتفاع نمونه خاک خشک درون سامانه به 19/7 cm رسید. دو آشکارساز حرارتی BF3 در یک طرف چشمهی نوترونی 241Am-Be با اکتیویته 10میلیکوری، قسمت تحتانی سامانه با فاصلههای معین نزدیک و دور 14 cm - و - 28 cm از چشمه قرار داده شدند. شکل - 6 - نشاندهندهی سامانه رطوبتسنج ساخته شده است.
ثبت نتایج شمارش آشکارسازها، در زمانهای 15 S تا 300 S برای هر تغییر درصد رطوبت خاک تا سه مرتبه انجام گردید. یعنی به خاک در هر مرحلهی انجام آزمایش %5 آب - به صورت درصد وزنی - اضافه شد. مشاهده میگردد که با اضافه شدن آب به نمونه خاک در هر مرحله، شمارش آشکارسازها افزایش مییابند. اضافه شدن آب به خاک، تا اشباع کامل خاک انجام شد. با انتشار نوترونهای سریع از چشمهی نوترونی 241Am-Be و ورود آنها به خاک، سه حالت ممکن است اتفاق بیفتد.
-1 جذب نوترونها توسط هسته اتم
-2 پراکندگی نوترونها
-3 واپاشی نوترون
پراکندگی نوترونها در نتیجهی برخورد کشسان و غیرکشسان نوترونها با اتمهای خاک است. این برخوردها باعث میشوند تا نوترونهای سریع که دارای انرژی بیش از 2 MeV هستند، کند شده و انرژی آنها به کمتر از0/025 eV کاهش یابد. در برخورد کشسان هر چه هستهی هدف سبکتر باشد نوترون مقدار بیشتری انرژی از دست میدهد. اتم هیدروژن به نحو مؤثری انرژی نوترون را کاهش میدهد، زیرا سبکترین هستهی هدف و جرمی تقریباً برابر با جرم نوترون دارد. آب دارای مقدار زیادی هیدروژن است و در نتیجه به خوبی نوترونها را کند میکند. شمارش نوترونهای حرارتی، ارتباطی مستقیم با میزان هیدروژن و در نتیجه با میزان رطوبت موجود در خاک دارد.
