JP2005227199A

JP2005227199A - ホウ素濃度の計測方法およびこれを利用する計測装置

Info

Publication number: JP2005227199A
Application number: JP2004037855A
Authority: JP
Inventors: Shinji Yasuike; 慎治安池; Hisashi Shimogaki; 久下垣
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2004-02-16
Filing date: 2004-02-16
Publication date: 2005-08-25

Abstract

【課題】水と空気を含む土壌中のホウ素濃度を計測するのに適したホウ素濃度の計測方法およびこれを利用する計測装置を提供する。
【解決手段】測定対象土壌２に対して空洞共振器９内のマイクロ波を漏洩させて共振マイクロ波の減衰量を求めて測定対象土壌２中の含水量を測定する空洞共振器水分計１０と、測定対象土壌２に対して速中性子３を放出する中性子線源４と、速中性子３が測定対象土壌２中で変換されて成る熱中性子５の数を計測する熱中性子検出器６と、空洞共振器水分計１０によって求めた含水量に基づいて測定対象土壌２にホウ素が含まれていないと仮定した場合に熱中性子検出器６によって計測されるであろう熱中性子の数を推定し、この推定値と熱中性子検出器６による実測値とに基づいて測定対象土壌２に含有されるホウ素の濃度を求めるホウ素濃度算出手段７とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明はホウ素濃度の計測方法およびこれを利用する計測装置に関する。さらに詳しくは、本発明は、土壌中に含まれるホウ素の濃度の計測方法およびこれを利用する計測装置に関する。

近年、土壌や水質汚染に関わる環境基準等にホウ素が追加されている。法的規制に対応するためには土壌や、その他廃棄物中のホウ素濃度を計測する必要がある。迅速にホウ素を計測する方法として、特開２００２−３５０３６９号公報に開示されたものがある。この方法は、図７に示すように、測定対象の水中１０１に中性子線源１０２から速中性子１０３を放出し、速中性子１０３が水中で変換されて成る熱中性子１０４の数を熱中性子検出器１０５により計測して、その計測結果から水中１０１のホウ素の濃度を求めるものである。

即ち、ホウ素の熱中性子吸収断面積は他の元素に比べて桁違いに大きい。このため、水中１０１にホウ素が存在すると、水中１０１の水素原子によって速中性子１０３から減速された熱中性子１０４がホウ素によって吸収され、その分だけ熱中性子１０４の数が減る。吸収される熱中性子１０４の数はホウ素の濃度に比例するので、計測した熱中性子１０４の数に基づいて水中１０２のホウ素濃度を求めることができる。この方法では、ホウ素濃度を迅速に求めることができる。

特開２００２−３５０３６９号公報

しかしながら、上述のホウ素濃度の計測方法は、水中１０２のホウ素濃度を対象にした計測には適しているが、水と空気を一定量含んだ土壌中のホウ素濃度を対象にした計測には適していない。つまり、土壌によって又はその土壌の部分によって含まれる水分量は異なっており、水分量の多寡が熱中性子１０４の計数値に影響を与えるため、ホウ素濃度の計測を困難にしていた。

本発明は、水と空気を含む土壌中のホウ素濃度を計測するのに適したホウ素濃度の計測方法およびこれを利用する計測装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、請求項１記載のホウ素濃度の計測方法は、測定対象土壌に対して空洞共振器内のマイクロ波を漏洩させて共振マイクロ波の減衰量を求め、この減衰量に基づいて測定対象土壌中の含水量を求める含水量測定工程と、測定対象土壌に対して中性子線源から速中性子を放出し、この速中性子が測定対象土壌中で変換されて成る熱中性子の数を熱中性子検出器により実際に計測する中性子計測工程と、含水量測定工程で求めた含水量に基づいて測定対象土壌にホウ素が含まれていないと仮定した場合に熱中性子検出器によって計測されるであろう熱中性子の数を推定し、この推定値と熱中性子検出器による実測値とに基づいて測定対象土壌に含有されるホウ素の濃度を求めるホウ素濃度算出工程とを備えるものである。

含水量測定工程では測定対象土壌中の含水量を求める。水分を含んだ測定対象土壌中に空洞共振器からマイクロ波を漏洩させると、測定対象土壌中の含水量に応じてマイクロ波の共振状態が変化し、しかもその変化量は含水量に対応することから、その共振ピークあるいは最大共振周波数の変動値に基づいて測定対象土壌中の含水量を求めることができる。

その原理を図３に基づいて説明する。いま、測定前（土壌挿入前）の共振周波数が曲線Ａであり、その共振ピーク値がＶ１ボルト、その最大共振周波数がｆ１ヘルツであったとする。また、測定中（土壌挿入後）の共振周波数が曲線Ｂであり、その共振ピーク値がＶ２ボルト、その最大共振周波数がｆ２ヘルツであったとする。共振周波数のシフト量Ｖｔ（＝ｆ１−ｆ２）、共振ピーク電圧の減衰量Ｖ０（＝Ｖ１−Ｖ２）と試料（測定対象土壌）の秤量ｄ_ｐ（ｇ／ｍ^２）、含水量ｄ_ｗ（ｇ／ｍ^２）との関係は、数式１、数式２によって表される。
（数１）
Ｖｔ＝ａｄ_ｐ＋ｂｄ_ｗ
（数２）
Ｖ０＝ｅｄ_ｗ＋ｆｄ_ｐ
ここで、ａ、ｂ、ｅ、ｆは比例定数で、ｂｄ_ｗはａｄ_ｐよりも比較的小さく、ｆｄ_ｐはｅｄ_ｗよりも比較的小さい。

共振ピーク電圧の減衰量に基づいて試料の含水量を求めることはできるが、この場合にはより高精度の測定には不十分である。つまり、共振ピーク電圧の減衰は含水量だけではなく試料の秤量によっても減衰する。また、共振周波数のシフトは試料の秤量だけではなく含水量によって共振周波数がシフトする。
つまり、共振器内では空気とは異なった誘電率をもつ物質と水分とによるマイクロ波の電力損失（吸収）とＬＣ発振と考えられる共振器の電気容量（Ｃ）の変化による周波数シフトが起こる。物質と水分とによるマイクロ波の電力損失は、一般に数式３によって表される。
（数３）
Ｗ＝ωＡｄ_ｗＥ^２ε０εｗtanδｗ＋ωＡｄ_ｐＥ^２ε０εｐtanδｐ

数式３は、εｗ''ｄ_ｗ＋εｐ''ｄ_ｐに比例する。ここで、ω（＝２πｆ）はマイクロ波角周波数で、tanδｐ＝εｐ''／εｐ'とtanδｗ＝εｗ''／εｗ'で、Ｅはその電場振幅で、Ａは試料面積である。これは、数式２に対応する。なぜなら、マイクロ波検出のための検波器はその出力電圧が検出すべきマイクロ波入力電力にほぼ比例するからである。また、周波数シフトΔｆはＬＣ発振と考えられる共振器の電気容量（Ｃ）の変化ΔＣによるもので、数式４によって与えられる。
（数４）
Δｆ＝ｆ−ｆ１｛１／２π（ＬＣ）^１／２｝−［１／２π｛Ｌ（Ｃ＋ΔＣ）｝^１／２］＝ｆΔＣ／２Ｃ
この電気容量の変化量ΔＣは共振器の構造によってｄ_ｐ、ｄ_ｗとの関係が異なるが、第一次近似では、数式５と考えられる。
（数５）
Δｆ〜（εｐ−１）ｄ_ｐ＋（εｗ−１）ｄ_ｗ

数式５は数式１に対応する。なぜなら、マイクロ波共振器は電圧制御により同調するので、マイクロ波周波数はほぼチューニング電圧に比例するからである。

数式１、数式２で実測と一致させるのに不十分なときは、Lorentz-Lorentzの式から予想できるように、また、検波器はその出力電圧が検出すべきマイクロ波入力電力に完全に比例しなかったり、マイクロ波発振器はマイクロ波周波数がチューニング電圧に完全に比例しなかったりするので、実測に一致させるには、数式６、数式７のように試料の秤量と含水量との積の項（クロス項）が必要である。数式６、数式７はｄ_ｐやｄ_ｗに対して解析的に解ける。

（数６）
Ｖｔ＝ａｄ_ｐ＋ｂｄ_ｗ＋ｃｄ_ｐｄ_ｗ
（数７）
Ｖ０＝ｅｄ_ｗ＋ｆｄ_ｐ＋ｇｄ_ｐｄ_ｗ

水分パーセントｍｐ＝１００ｄ_ｗ／（ｄ_ｐ＋ｄ_ｗ）（％）を変化させたときの直線の傾きは、各秤量に対して一定ではなく秤量の変化とともに傾斜も変化している。

数式６、数式７はｄ_ｐやｄ_ｗに対して、数式８、数式９のように解析的に解ける。
（数８）
ｍ＝（ｇＶｔ＋ｆｂ−ｃＶ０−ａｅ）／２（ａｇ−ｆｃ）
（数９）
ｎ＝（ｂＶ０−ｅＶｔ）／（ａｇ−ｆｃ）
したがって、数式１０、数式１１となる。
（数１０）
ｄ_ｐ＝ｍ−（ｍ^２−ｎ）^１／２
（数１１）
ｄ_ｗ＝（Ｖ０−ｆｄ_ｐ）／（ｅ＋ｇｄ_ｐ）
つまり、共振ピーク電圧の減衰量Ｖ０と共振周波数のシフト量Ｖｔを測定すれば、予め実測しておいた定数ａ、ｂ、ｃ、ｅ、ｆ、ｇから、一意的に試料の秤量と含水量とが求められる。このようにして求めた含水量の計測値は測定対象土壌中のホウ素による影響を受けていない。

一方、中性子計測工程では、測定対象土壌中の熱中性子数を測定する。熱中性子の数は、測定対象土壌中の含水量とホウ素濃度を反映したものとなる。つまり、中性子線源（例えば^２５２Ｃｆ）から放出された速中性子（数ＭｅＶ）は、周辺媒体を構成する原子核に衝突し、その結果、中性子はあらゆる方向にランダムに散乱される。衝突ごとに中性子は運動エネルギーの一部を失って減速し、その減速は中性子の運動エネルギーが散乱物質中の原子の平均運動エネルギー（０．０２５ｅＶ）に達するまで続けられる。この平均運動エネルギーに達した中性子が熱中性子と呼ばれる。そして、速中性子から熱中性子を作り出す能力、換言すると減速能は表１に示すように水素が他の原子より遥かに大きい。よって、速中性子から熱中性子に変換される単位時間あたりの数は、周辺媒体中の主に水素原子の密度によって支配される。

また、周辺媒体中にホウ素原子が存在すると、発生した熱中性子の一部がホウ素原子に吸収されてしまう。その一方で、表１に示すようにホウ素原子の熱中性子の吸収断面積は他の原子に比べて桁違いに大きいことから、ホウ素以外の原子が媒体中に存在しても熱中性子が吸収されてしまうことは殆どない。

このため、測定対象土壌中に速中性子を放出し、熱中性子検出器によって熱中性子の数をカウントすることで、熱中性子検出器による実測値として測定対象土壌中の含水量とホウ素濃度を反映した値を得ることができる。

含水量測定工程で求めた含水量は測定対象土壌中のホウ素による影響を受けていないことから、この計測値に基づいて、測定対象土壌にホウ素が含まれていないと仮定した場合における熱中性子検出器の計数値を推定することができる。この推定値と中性子計測工程での実測値との差は測定対象土壌中のホウ素濃度を反映した値である。したがって、ホウ素濃度算出工程では、この推定値と中性子計測工程での実測値とに基づいて測定対象土壌中のホウ素濃度を算出する。

含水量測定工程と中性子計測工程ではリアルタイムの測定が可能である。このため、測定対象土壌中のホウ素濃度をリアルタイムで計測することができる。

また、請求項２記載のホウ素濃度の計測方法は、測定対象土壌中の含水量を求める計測器と中性子線源と熱中性子検出器とをケーシング内に収容すると共に、測定対象土壌にボーリング孔を設けて当該ボーリング孔内にケーシングを挿入し、駆動手段によってボーリング孔内でケーシングを移動させて測定対象土壌の深さ方向のホウ素濃度分布を計測するものである。

測定対象土壌中の含水量を求める計測器と中性子線源と熱中性子検出器とをケーシング内に収容することで、これらを一体化してプローブとすることができる。駆動手段によってケーシングをボーリング孔内で移動させることで、測定を行う深さを変えることができる。

また、請求項３記載のホウ素濃度の計測方法は、測定対象土壌中の含水量を求める計測器と中性子線源と熱中性子検出器とをケーシング内に収容すると共に、測定対象土壌にボーリング孔を設けて当該ボーリング孔内にケーシングを挿入し、ケーシングの外周面に設けた膨張手段を膨張させて測定対象土壌中の含水量を求める計測器のマイクロ波漏洩口を測定対象土壌に押し付けながら計測を行うものである。

測定対象土壌中の含水量を求める計測器と中性子線源と熱中性子検出器とをケーシング内に収容することで、これらを一体化してプローブとすることができる。ボーリング孔内にケーシングを降ろして測定位置まで移動させた後、膨張手段を膨張させると、測定対象土壌中の含水量を求める計測器のマイクロ波漏洩口が測定対象土壌即ちボーリング孔の壁面に押し付けられるので、マイクロ波漏洩口と土壌との間の隙間の発生を抑えることができる。

さらに、請求項４記載のホウ素濃度の計測装置は、測定対象土壌に対して空洞共振器内のマイクロ波を漏洩させて共振マイクロ波の減衰量を求めて測定対象土壌中の含水量を測定する空洞共振器水分計と、測定対象土壌に対して速中性子を放出する中性子線源と、速中性子が測定対象土壌中で変換されて成る熱中性子の数を計測する熱中性子検出器と、空洞共振器水分計によって求めた含水量に基づいて測定対象土壌にホウ素が含まれていないと仮定した場合に熱中性子検出器によって計測されるであろう熱中性子の数を推定し、この推定値と熱中性子検出器による実測値とに基づいて測定対象土壌に含有されるホウ素の濃度を求めるホウ素濃度算出手段とを備えるものである。したがって、請求項１記載のホウ素濃度の計測方法の実施に適した装置が提供される。

また、請求項５記載のホウ素濃度の計測装置は、測定対象土壌にボーリング孔を設ける一方、空洞共振器水分計と中性子線源と熱中性子検出器とを収容し、ボーリング孔内に挿入可能なケーシングと、ボーリング孔内でケーシングを移動させる駆動手段とを備えるものである。したがって、請求項２記載のホウ素濃度の計測方法の実施に適した装置が提供される。

また、請求項６記載のホウ素濃度の計測装置は、測定対象土壌にボーリング孔を設ける一方、空洞共振器水分計と中性子線源と熱中性子検出器とを収容し、ボーリング孔内に挿入可能なケーシングと、ケーシングの外周面に設けられてボーリング孔内で膨張し、膨張時にはマイクロ共振器のマイクロ波漏洩口を測定対象土壌側に押し付ける膨張手段とを備えるものである。したがって、請求項３記載のホウ素濃度の計測方法の実施に適した装置が提供される。

しかして、請求項１記載のホウ素濃度の計測方法では、上述のようにしてホウ素濃度を計測するので、水と空気を含む土壌中のホウ素濃度を正確に計測することができる。また、含水量測定工程ではリアルタイムで含水量を測定でき、中性子計測工程ではリアルタイムで熱中性子の数を計測できるので、測定対象土壌中のホウ素濃度をリアルタイムで計測することができる。また、リアルタイムで計測できることから、ホウ素の変動状況を求めることもできる。

また、請求項２記載のホウ素濃度の計測方法では、測定対象土壌中の含水量を求める計測器と中性子線源と熱中性子検出器とを一体化してプローブとし、駆動手段によってボーリング孔内で移動させることで測定を行う深さを変えることができる。このため、測定対象土壌の深さ方向のホウ素濃度分布を計測することができる。また、測定対象土壌にボーリング孔を設けてその中にプローブを挿入して計測を行うようにしているので、土壌試料を測定用容器に詰め替えて計測を行う場合のように測定対象土壌を破壊することがなく、測定対象土壌を非破壊で計測することができる。

さらに、請求項３記載のホウ素濃度の計測方法では、測定対象土壌中の含水量を求める計測器と中性子線源と熱中性子検出器とをケーシング内に収容すると共に、測定対象土壌にボーリング孔を設けて当該ボーリング孔内にケーシングを挿入し、ケーシングの外周面に設けた膨張手段を膨張させて測定対象土壌中の含水量を求める計測器のマイクロ波漏洩口を測定対象土壌に押し付けながら計測を行うようにしているので、マイクロ波漏洩口と土壌との間に隙間が発生するのを抑えることができる。このため、測定対象土壌中の含水量をより正確に測定することができ、したがって、測定対象土壌中のホウ素濃度をより正確に求めることができる。また、測定対象土壌にボーリング孔を設けてその中にプローブを挿入して計測を行うようにしているので、土壌試料を測定用容器に詰め替えて計測を行う場合のように測定対象土壌を破壊することがなく、測定対象土壌を非破壊で計測することができる。

また、請求項４記載のホウ素濃度の計測装置では、請求項１記載のホウ素濃度の計測方法の実施に適した装置を提供することができる。

また、請求項５記載のホウ素濃度の計測装置では、請求項２記載のホウ素濃度の計測方法の実施に適した装置を提供することができる。

さらに、請求項６記載のホウ素濃度の計測装置では、請求項３記載のホウ素濃度の計測方法の実施に適した装置を提供することができる。

以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。

図１及び図２に本発明のホウ素濃度の計測装置の実施形態の一例を示す。このホウ素濃度の計測装置１は、測定対象土壌２に対して空洞共振器９内のマイクロ波を漏洩させて共振マイクロ波の減衰量を求めて測定対象土壌２中の含水量を測定する空洞共振器水分計１０と、測定対象土壌２に対して速中性子３を放出する中性子線源４と、速中性子３が測定対象土壌２中で変換されて成る熱中性子５の数（例えば単位時間あたりの数：計数率）を計測する熱中性子検出器６と、空洞共振器水分計１０によって求めた含水量に基づいて測定対象土壌２にホウ素が含まれていないと仮定した場合に熱中性子検出器６によって計測されるであろう熱中性子の数（例えば計数率）を推定し、この推定値と熱中性子検出器６による実測値とに基づいて測定対象土壌２に含有されるホウ素の濃度を求めるホウ素濃度算出手段７とを備えている。このため、空洞共振器水分計１０によって測定対象土壌２中の含水量を計測すると共に、中性子線源４から速中性子３を放出し、その速中性子３が変換されて成る熱中性子５の数を熱中性子検出器６により計測することによりホウ素濃度を測定できるので、測定対象土壌２の採取及び前処理やＩＣＰ発光分析器による煩雑な検査を不要にして検査の迅速化を図ることができる。また、測定対象土壌２の採取や前処理が不要であると共に熱中性子検出器６を用いた迅速な検査を行うことができるので、測定対象土壌２中の濃度変化の連続監視を実現することができる。

中性子線源４および熱中性子検出器６としては、中性子水分計１２（ソイルアンドロック社製）を使用している。この中性子水分計１２では、中性子線源４として^２５２Ｃｆ（半減期２．６４年）を使用すると共に、熱中性子検出器６としてＨｅ−３計数管を使用している。熱中性子検出器６は電源装置１１に接続されている。また、熱中性子検出器６の計数データは記録信号出力器１３を介してホウ素濃度算出手段７に供給される。

空洞共振器水分計１０は、空洞共振器９、信号発生器１４、電圧同調マイクロ波発信器１５、アイソレータ１６、検波器１７、波形ピーク保持器１８を備えている。空洞共振器水分計１０は、円筒形の空洞共振器９の電磁波のエネルギーがケーシング８に設けられたスリット形状のマイクロ波漏洩口８ａから漏洩して測定対象土壌２により吸収されることで、共振マイクロ波の共振曲線が変化する性質を利用して測定対象土壌２中の含水量を計測する。共振曲線の変化は、マイクロ波漏洩口８ａとボーリング孔１９の周壁との接触状態に影響されるために、計測時にはマイクロ波漏洩口８ａをボーリング孔１９の周壁に常に密着させる必要がある。このため、空洞共振器水分計１０を収容するケーシング８の外周面のマイクロ波漏洩口８ａとは反対側（裏側）の位置にはパッカー装置（膨張手段）２０が設けられており、計測時にパッカー装置２０にエアーポンプ２１で空気を注入し、マイクロ波漏洩口８ａをボーリング孔１９の周壁に密着させている。なお、ケーシング８の移動時にはパッカー装置２０を収縮させておき、ケーシング８の移動を可能にすると共にスムーズなものにしている。空洞共振器水分計１０の計測データは記録信号出力器１３を介してホウ素濃度算出手段７に供給される。

ケーシング８内に空洞共振器水分計１０と中性子線源４と熱中性子検出器６を収容することで、プローブが形成されている。ケーシング８の外径はボーリング孔１９の直径よりも若干小さくなっており、ボーリング孔１９内においてケーシング８即ちプローブの移動をスムーズなものにしている。

信号発生器１４は電源装置１１に接続されており、信号発生器１４により発生される周期的電圧信号がマイクロ波発信器１５に送られ、対応したマイクロ波が空洞共振器９内で発振される。同時に、空洞共振器９に接続された検波器１７により、内部の透過電力の強度が測定され、透過電力ピーク強度が計測される。このときの透過電力のピーク値（共振ピーク電圧値）は、図３に示すように、測定対象土壌２によるエネルギー損失の大きさにより変化し、測定対象土壌２の含水量が大きく誘電率の大きい状態ではピーク値がより大きく低減する性質を有している。

図４に、共振ピーク電圧の減少率と体積当たりの含水量との関係を示す。共振ピーク電圧の減少率と含水量との間には一定の関係があるので、共振ピーク電圧の減少率に基づいて測定対象土壌２の含水量を求めることができる。そして、含水量と水素原子数との間には一定の関係があり、速中性子３から熱中性子５に減速される数は水素原子数に影響を受けるので、求めた含水量に対応する熱中性子検出器６の計数値を推定することができる。本実施形態では、熱中性子検出器６の計数値を計数比として、即ち基準体計数率（スタンダード試料の計数率）と熱中性子検出器６の単位時間あたりの計数値（計数率）との比（計数率÷基準体計数率）として推定している。

ここで推定した計数比は、測定対象土壌２中にホウ素が含まれていない時の熱中性子検出器６の計数比に相当する。したがって、実際に計測した熱中性子検出器６の計数値に基づく計数比と比較することにより、測定対象土壌２中のホウ素濃度を導出することができる。つまり、計数比は一般にホウ素の存在により低下することから、計数比の含水量特性曲線（図５）は、計数比の低い方向に遷移する。ホウ素は他の元素に比べて熱中性子吸収断面積が圧倒的に大きいので、計数比の含水量特性曲線の遷移量（計数比の減少量）は測定対象土壌２中のホウ素原子によるものであると考えることができる。したがって、含水量特性曲線の遷移量（図５の矢印）に基づいて測定対象土壌２中のホウ素濃度を求めることができる。

実際には、例えば測定対象土壌２の試料を用いてあらかじめ、熱中性子の計数比と測定対象土壌２中の含水量、ホウ素濃度の関係（図５に示すような含水量特性曲線）を把握してホウ素濃度算出手段７の記憶装置に記憶しておく。そして、ホウ素濃度算出手段７は、記憶した関係に、測定値を当てはめて測定対象土壌２中のホウ素濃度を求める。そして、求めたホウ素濃度を記録装置２２に出力する。

ホウ素濃度算出手段７は記録信号出力器１３に接続されており、記録信号出力器１３を介して熱中性子検出器６と空洞共振器水分計１０の検出データを受け取る。ホウ素濃度算出手段７は、実際には中央処理装置（ＣＰＵ）と、空洞共振器水分計１０や中性子線源４および熱中性子検出器６等をＣＰＵに制御させるプログラムが記憶されたＲＡＭやＲＯＭやハードディスク等の記憶装置と、空洞共振器水分計１０や熱中性子検出器６からの信号を受信すると共に求めたホウ素の濃度を外部に送信する入出力装置とを備えるコンピュータから成るものとしている。

ホウ素濃度算出手段７は、空洞共振器水分計１０の測定結果から、測定対象土壌２にホウ素が含まれていないと仮定した場合に熱中性子検出器６によって計測されるであろう熱中性子の数（本実施形態では計数比）を推定し、この推定値と熱中性子検出器６による実測値（本実施形態では計数比）との関係に照らし合わせてホウ素濃度を求めるようにする。

例えば、図５において、測定した測定対象土壌２にホウ素が含まれていない場合（ホウ素濃度０ｍｇ／Ｌ）の含水量特性曲線が実線で示され、測定対象土壌２中のホウ素濃度が１００ｍｇ／Ｌの場合の含水量特性曲線が破線で示され、測定対象土壌２中のホウ素濃度が２００ｍｇ／Ｌの場合の含水量特性曲線が一点鎖線で示されていたとする。いま、空洞共振器水分計１０によって測定した含水量がＸ１、熱中性子の計数比がＹ１であるとすると、図５上の位置はＰ１点となる。一方、含水量がＸ１であるので、測定対象土壌２にホウ素が含まれていないと仮定した場合の熱中性子の計数比はＹ２であり、図５上の位置はＰ２点となる。このとき、測定対象土壌２中のホウ素によって熱中性子５が吸収され、図５上の位置がＰ２点からＰ１点に変化したと考えられるので、測定対象土壌２中のホウ素濃度はＰ２とＰ１の差（図５中の矢印）によって求められる。図５の例では、ホウ素濃度は約２５０ｍｇ／Ｌである。

ホウ素濃度を求める方式は、使用者が命令を出したときだけ求めるものとしたり、あるいは１〜３分間隔で自動的に計測するものにすることができる。

なお、ケーシング８は鋼またはアルミニウム等の金属製としている。このため、ケーシング８に水素元素が含まれないので、測定結果がケーシング８の影響を受けることを防止できる。これにより、測定対象土壌２以外の水素原子により熱中性子５が増加してしまうことを防いで測定結果を高精度に維持することができる。

本実施形態ではホウ素濃度算出手段７をコンピュータから成るものとしているが、これには限られず記録信号出力器１３からの信号に所定の処理を行ってホウ素の濃度を求めるシーケンサ回路であっても良い。

本実施形態では、ボーリング孔１９内でケーシング８を移動させる駆動手段２３を備えている。駆動手段２３は、例えばケーシング８に接続されたワイヤ２４と、ワイヤ２４を巻き取る巻き取り装置２５より構成されている。巻き取り装置２５は、地上のボーリング孔１９の近傍に設置されており、例えば電動モータによってワイヤ２４を巻き上げてケーシング８を上昇させたり、ワイヤ２４を送り出してケーシング８を下降させたりすることができる。また、巻き取り装置２５は、ワイヤ２４の送り出しに対してブレーキを掛け、ケーシング８を任意の位置に停止させることもできる。

上述した計測装置１を利用して測定対象物２のホウ素濃度を計測する手順を以下に説明する。

測定対象土壌２にボーリング孔１９を形成する。そして、駆動手段２３を設置し、プローブをワイヤ２４によって吊り下げながらボーリング孔１９内に挿入する。

そして、含水量測定工程を行い、空洞共振器水分計１０を使用して測定対象土壌２中の含水量を求める（図６のステップＳ４１）。即ち、測定対象土壌２に対して空洞共振器９内のマイクロ波を漏洩させて共振マイクロ波の減衰量を求め、この減衰量に基づいて測定対象土壌２中の含水量を求める。このとき、パッカー装置２０を膨張させてマイクロ波漏洩口８ａをボーリング孔１９の周壁に押し付けながら、即ち、測定対象土壌２中の含水量を求める計測器（空洞共振器水分計１０）のマイクロ波漏洩口８ａを測定対象土壌２に押し付けながら測定を行う。

また、中性子計測工程を行い、測定対象土壌２に対して中性子線源４から速中性子３を放出し、この速中性子３が測定対象土壌２中で減速されて成る熱中性子５の数を熱中性子検出器６により実測する（ステップＳ４２）。本実施形態では、熱中性子５の数を計数比のかたちで算出する。なお、実際には、含水量測定工程と中性子計測工程とを同時に行い、測定対象土壌２中の含水量を測定しながら熱中性子５の数を実測する。

次に、ホウ素濃度算出工程を行い、含水量測定工程で求めた含水量に基づいて測定対象土壌２にホウ素が含まれていないと仮定した場合に熱中性子検出器６によって計測されるであろう熱中性子５の数（計数比）を推定し（ステップＳ４３）、この推定値と熱中性子検出器６による実測値（計数比）とに基づいて測定対象土壌２に含有されるホウ素の濃度を求める（ステップＳ４４）。

そして、深さを変えてホウ素濃度の測定を繰り返し行う場合にはステップＳ４５からＳ４６に進み、駆動手段２３を使用してプローブの高さを変える。その後、ステップＳ４１に戻り、上述の計測を繰り返す。このように、高さを変えてホウ素濃度の測定を繰り返し行うことで、深さ方向のホウ素濃度の分布を求めることができる。

一方、目的の深さ範囲の測定が全て終わると、ステップＳ４５の判別結果が肯定（イエス）となり、測定を終了する。

本発明によれば、マイクロ波の共振ピーク電圧の減少率により求められた測定対象土壌２中の含水量と、中性子の計数比を用いることにより、従来測定が不可能であった水と空気を含む土層中のホウ素濃度の深度方向分布を、迅速に計測することができる。また、検水の試料からの分離過程、ＩＣＰ発光分析器による煩雑な検査を不要にして、検査の迅速化かつ簡便化を図ることが出来る。また、本装置は試料を乱すことなく、何度も繰り返し測定可能であるため、測定対象物の濃度変化を連続監視に用いることができ、分析費の低減および省力化を図ることができるのでモニタリングコストの削減にも寄与する。

本実施形態の計測装置１によれば、市販の中性子水分計１２と空洞共振器水分計１０にコンピュータをから成るホウ素濃度算出手段７を接続して形成されているので、汎用品の利用により計測装置１を容易かつ安価に実現することができる。

なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば上述の説明では、駆動手段２３を設けてプローブの高さを変えながら測定を行い、深さ方向のホウ素濃度分布を求めていたが、場合によっては駆動手段２３を省略しても良い。

また、上述の説明では、パッカー装置（膨張手段）２０を設けていたが、場合によってはパッカー装置２０を省略しても良い。

また、上述の説明では、中性子線源４および熱中性子検出器６として中性子水分計１２を使用しているが、これには限られず中性子線源４としては単体の^２５２Ｃｆを使用すると共に熱中性子検出器６としては熱中性子５の数を測定できる放射線計測器を使用するようにしても良い。

測定対象土壌２としての砂層（試料）の中にボーリング孔１９を模した円管を設置し、その中にプローブを挿入して計測を行った。プローブ（ケーシング８）の外径を４７ｍｍ、ボーリング孔１９を模した円管の内径を５０ｍｍとした。空洞共振器９内には約１ＧＨｚ付近の周波数のマイクロ波を発振した。

図３に砂層中の水分によるマイクロ波の共振ピークの変化の様子を示す。図３では、プローブをボーリング孔に挿入する前（曲線Ａ）と後（曲線Ｂ）の様子を示している。プローブをボーリング孔に挿入すると、砂層中の水分によってマイクロ波の共振ピーク値がａからｂに低下した。また、図４は、砂層の含水量と共振ピーク電圧の減少率（（ａ−ｂ）÷ａ×１００％）との関係を示したものである。砂層の含水量が多くなるにつれて共振ピーク電圧の減少率が上昇した。この図４からも明らかなように、共振ピーク電圧の減少率に基づいて砂層の体積あたりの含水量を求めることができることがわかった。

一方、図５は、熱中性子検出器６による熱中性子５の計数比の測定結果と砂層の含水量の関係を示している。砂層の液相中にホウ素が加わると、両者の関係は図中破線、一点鎖線のように計数比が低い曲線へ移行した。

これにより、ホウ素濃度の測定を開始する前に、図５のように、熱中性子５の計数比と測定対象土壌２の含水量とホウ素濃度の関係特性について、あらかじめ校正曲線データを求めておき、ホウ素濃度算出手段７に記憶させておくことで、共振ピーク電圧の減少率から得られる測定対象土壌２の含水量と、ホウ素を含む測定対象土壌２の熱中性子の計数比の測定結果から、測定対象土壌２中のホウ素の濃度を定量することが可能であることがわかった。

本発明のホウ素濃度の計測装置の実施形態の一例を示す概略構成図である。プローブの概略構成を示すブロック図である。測定対象土壌中の含水量の増加によるマイクロ波の共振ピークの変化の様子を示すグラフである。測定対象土壌中の体積当たりの含水量と共振ピーク電圧の減少率との関係を示すグラフである。熱中性子の計数比と測定対象土壌中の単位体積当たりの含水量とホウ素濃度の関係を示すグラフである。本発明のホウ素濃度の計測方法の実施形態の一例を示すフローチャートである。従来のホウ素濃度の計測装置の概略構成図である。

符号の説明

１ホウ素濃度の計測装置
２測定対象土壌
３速中性子
４中性子線源
５熱中性子
６熱中性子検出器
７ホウ素濃度算出手段
８ケーシング
８ａマイクロ波漏洩口
９空洞共振器
１０空洞共振器水分計（測定対象土壌中の含水量を求める計測器）
１９ボーリング孔
２０膨張手段
２３駆動手段
Ｓ４１含水量測定工程
Ｓ４２中性子計測工程
Ｓ４３，Ｓ４４ホウ素濃度算出工程

Claims

測定対象土壌に対して空洞共振器内のマイクロ波を漏洩させて共振マイクロ波の減衰量を求め、この減衰量に基づいて前記測定対象土壌中の含水量を求める含水量測定工程と、前記測定対象土壌に対して中性子線源から速中性子を放出し、この速中性子が前記測定対象土壌中で変換されて成る熱中性子の数を熱中性子検出器により実際に計測する中性子計測工程と、前記含水量測定工程で求めた含水量に基づいて前記測定対象土壌にホウ素が含まれていないと仮定した場合に前記熱中性子検出器によって計測されるであろう熱中性子の数を推定し、この推定値と前記熱中性子検出器による実測値とに基づいて前記測定対象土壌に含有されるホウ素の濃度を求めるホウ素濃度算出工程とを備えることを特徴とするホウ素濃度の計測方法。
前記測定対象土壌中の含水量を求める計測器と前記中性子線源と前記熱中性子検出器とをケーシング内に収容すると共に、前記測定対象土壌にボーリング孔を設けて当該ボーリング孔内に前記ケーシングを挿入し、駆動手段によって前記ボーリング孔内で前記ケーシングを移動させて前記測定対象土壌の深さ方向のホウ素濃度分布を計測することを特徴とする請求項１記載のホウ素濃度の計測方法。
前記測定対象土壌中の含水量を求める計測器と前記中性子線源と前記熱中性子検出器とをケーシング内に収容すると共に、前記測定対象土壌にボーリング孔を設けて当該ボーリング孔内に前記ケーシングを挿入し、前記ケーシングの外周面に設けた膨張手段を膨張させて前記測定対象土壌中の含水量を求める計測器のマイクロ波漏洩口を前記測定対象土壌に押し付けながら計測を行うことを特徴とする請求項１又は２記載のホウ素濃度の計測方法。
測定対象土壌に対して空洞共振器内のマイクロ波を漏洩させて共振マイクロ波の減衰量を求めて前記測定対象土壌中の含水量を測定する空洞共振器水分計と、前記測定対象土壌に対して速中性子を放出する中性子線源と、前記速中性子が前記測定対象土壌中で変換されて成る熱中性子の数を計測する熱中性子検出器と、前記空洞共振器水分計によって求めた含水量に基づいて前記測定対象土壌にホウ素が含まれていないと仮定した場合に前記熱中性子検出器によって計測されるであろう熱中性子の数を推定し、この推定値と前記熱中性子検出器による実測値とに基づいて前記測定対象土壌に含有されるホウ素の濃度を求めるホウ素濃度算出手段とを備えることを特徴とするホウ素濃度の計測装置。
前記測定対象土壌にボーリング孔を設ける一方、前記空洞共振器水分計と前記中性子線源と前記熱中性子検出器とを収容し、前記ボーリング孔内に挿入可能なケーシングと、前記ボーリング孔内で前記ケーシングを移動させる駆動手段とを備えることを特徴とする請求項４記載のホウ素濃度の計測装置。
前記測定対象土壌にボーリング孔を設ける一方、前記空洞共振器水分計と前記中性子線源と前記熱中性子検出器とを収容し、前記ボーリング孔内に挿入可能なケーシングと、前記ケーシングの外周面に設けられて前記ボーリング孔内で膨張し、膨張時には前記マイクロ共振器のマイクロ波漏洩口を前記測定対象土壌に押し付ける膨張手段とを備えることを特徴とする請求項４又は５記載のホウ素濃度の計測装置。