اندازه گیری رطوبت خاک با استفاده از پرتوهای گاما و شبیه سازی آن به روش مونت کارلو

پرتوهای گاما به طور عمده از طریق سه برهم کنش فوتوالکتریک، کامپتون و تولید زوج، با ماده اندرکنش انجام می دهند که در نهایت منجرب به جذب پرتوهای گاما در ماده می شوند. در این تحقیق از دو روش تضعیف پرتوهای گاما و پس پراکندگی آنها از سطح خاک برای اندازه گیری رطوبت استفاده شده است. میزان تضعیف و پراکندگی پرتوهای گاما در خاک به انرژی آنها، چگالی و ضخامت خاک وابسته است. اگر انرژی پرتوها و ضخامت خاک ثابت بماند تنها عامل موثر در میزان تضعیف و پراکندگی پرتوها، چگالی خاک است و چگالی به مقدار رطوبت موجود در خاک بستگی دارد. پس می توان از روی تضعیف و یا پس پراکندگی پرتوها در خاک، رطوبت آن را اندازه گرفت. کد mcnp-4c کدی چند منظوره است که برای ترابرد الکترون، فوتون و نوترون استفاده می شود. در این کد تمام برهم کنش-های پرتوی گاما با ماده از قبیل پراکندگی های همدوس و ناهمدوس و فرایندهای جذب همگی با استفاده از روش مونت-کارلو شبیه سازی شده است. در این کار ابتدا با شبیه سازی مونت کارلوی آزمایش با کد mcnp-4c حالت بهینه برای سیستم اندازه گیری رطوبت خاک ( برای هر دو روش تضعیف و پس پراکندگی) بدست آورده شد و بعد از آن بر اساس نتایج حاصل از شبیه سازی مونت کارلو اقدام به انجام آزمایشهای مربوطه شد. در اندازه گیری رطوبت به روش تضعیف، ابتدا برای چند انرژی و رطوبت، شبیه سازی های مربوطه انجام شد و بعد از بدست آوردن نتایج مطلوب، شبیه سازی های مشابه ای برای چشمه-های واقعی موجود در آزمایشگاه انجام شد و در نتیجه آن چشمه 60co به عنوان بهترین چشمه برای انجام کار تجربی انتخاب شد و در پایان اثر ظرف خاک در اندازه گیری رطوبت به روش تضعیف بررسی شد. در اندازه گیری به روش پس پراکندگی ابتدا با شبیه سازی سامانه اندازه گیری رطوبت خاک، اقدام به انتخاب چشمه ی 241am به عنوان چشمه ی بهینه شد. در این فرایند کمیتی به نام کنتراست معرفی و مشخص شد که با افزایش رطوبت کنتراست به صورت خطی افزایش می یابد و در نتیجه مشخص شد که می توان از این روش برای اندازه گیری رطوبت خاک استفاده کرد. همچنین فاصله بهینه چشمه و آشکارساز از سطح خاک با استفاده از شبیه سازی مونت کارلو بدست آمد. سپس با استفاده از نتایج حاصل از شبیه سازی آزمایشهای مربوطه انجام شد. در نهایت تطبیق نسبتا خوبی بین نتایج حاصل از شبیه سازی مونت کارلو و نتایج تجربی مشاهده شد. با روش شبیه سازی مونت کارلو با استفاده از کد mcnp-4c توانستیم رطوبت را از مقادیر کم تا مقادیر زیاد به دو روش اندازه بگیریم . در اندازه گیری با روش تضعیف باید مقطع های کوچک از خاک را در نظر گرفت تا بتوان اثر ضریب انباشت را در محاسبات کم کرد. اما در روش اندازه گیری رطوبت به روش پس پراکندگی می توان هر مقطعی از خاک را در نظر گرفت و اندازه گیری را در محل مورد مطالعه انجام داد. چشمه مناسب برای اندازه گیری به روش تضعیف 60co است به علت انرژی بالا و برای اندازه گیری به روش پس پراکندگی 241am می باشد. در محاسبه رطوبت به روش پس پراکندگی پرتوهای گاما به دو روش عمل می کنیم که در روش اول روی قله پراکندگی یگانه انتگرال گیری صورت گرفته و از روی آن کنتراست را بدست می-آوریم به این روش برای منحنی کنتراست بر حسب رطوبت شیب خوبی بدست نیامد ولی اگر روی این قله برازش گائوسی انجام داده و از آن انتگرال گیری شود در این صورت نتیجه مطلوب بدست می آید. اگر چشمه واقعی را به کار برده و نمودار کنتراست بر حسب رطوبت رسم شود این منحنی شیب چندانی ندارد و این به علت پایین بودن سطح قله پراکندگی یگانه در مقابل سطح قله فوتوپیک است. برای رفع این مشکل چشمه برای چشمه یک حفاظ به ضخامت 0.2 cm تعریف می شود و وقتی که آشکارساز روی چشمه و در فاصله 0.6 cm از سطح خاک قرار دارد شیب مناسبی برای نمودار کنتراست برحسب رطوبت بدست می آوریم. آشکارساز واقعی دارای جداره های است که به علت وجود این جداره ها یک فاصله بین بلور آشکارساز و چشمه ایجاد می شود و این باعث کاهش شیب نمودار کنتراست برحسب رطوبت می شود. وجود هوا باعث تضعیف پرتوهای گسیل شده از چشمه و پرتوهای پراکنده شده از خاک می شود و به همین دلیل شیب نمودار کنتراست بر حسب رطوبت افزایش می یابد. در اندازه گیری در آزمایشگاه پارامترهای زیادی دخیل هستند که باید تا حد امکان آن ها را کاهش داد از جمله دقت در انجام آزمایش و ثابت بودن سامانه اندازه گیری در طول آزمایش است. رطوبت به روش تجربی با روش تضعیف نیز با دقت خوبی اندازه گیری شد و کنتراست در تجربه نیز با افزایش رطوبت به طور خطی تغییر می کند.