种地吧！宇宙射线都来帮你了

提起粒子物理，你首先想到的是深埋地下足以环绕一座小城一周的粒子加速器，还是暗物质、暗能量这类宇宙奥秘？是不是很难和农田、种地联系起来？

宇宙射线和农业能产生怎样的关联？（左图：京都大学；右图：veer图库）

其实，除了深奥的前沿课题，粒子物理不仅在医疗诊断、工业探伤等领域都发挥着巨大的作用，还在农业技术中有应用场景——研究人员正在尝试借助宇宙高能粒子流指示土壤含水量，以此来制定科学的土地灌溉方案，保证农作物的健康生长。

不是太小，就是太广

土地的含水量怎么会和宇宙射线搭上关系呢？让我们先从传统的土地湿度检测方法说起。

一种常用的检测仪器是电容式土壤水分传感器。顾名思义，这种仪器将湿度与电容联系在一起，而电容是电子元件的一个参数，与一种叫“相对介电常数”的物理量有关。

土壤的主要成分中，水的相对介电常数约为80，而其他物质的相对介电常数在3～7左右，大大低于水的值。因此，土壤的相对介电常数主要由水的占比决定，水含量的细微变化就能引起土壤整体介电特性的改变。这种改变反映在电容值的波动上，根据测得的数值差异，传感器就能计算出土里具体含有多少水。

一种土壤湿度计（图片来源：SimpleGardenLife）

然而，这种传感器能够探测的范围非常小，在广袤的农田上，它能“罩”的地盘小得像一个点。为了获得全面的土地湿度数据，需要广撒网式设置传感器，成本太高。而且要把一个个小小的感应器埋在土里，耕种时须得小心翼翼，难以施展开手脚。

有没有其他方法可以测量更大范围的土地湿度？格局打开，不要局限在地面上。我们知道，一切具有温度的物体都在发射电磁波。水分可以影响土壤本身发射的微波强度，也会影响它反射其他微波（如主动发射的检测波束）或可见光的能力。大气层外的卫星接收这些电磁波信号后分析波段，就能推演出对应的土壤湿度。

正是借助接收电磁波的方法，卫星遥感技术能够在远距离、无接触条件下实现平原山地的旱情预警、江河流域的水文分析，因而广泛应用于环境监测等场景中。然而，对于小面积的土地，卫星遥感探测的范围太广，难以实现湿度的精准测量。

卫星遥感技术绘制土壤湿度地图（图片来源：NASA/JPL-Caltech）

宇宙射线，来自远方的窃窃私语

有没有一种技术可以填补这两种手段之间在尺度上的空白？格局再打开，让我们把目光投向深邃的宇宙。

地球上的我们每时每刻都沐浴在看不见摸不着的粒子“雨”中。来自宇宙深处的高能射线持续轰击着地球，与大气层中的各种元素碰撞后产生次级粒子，如μ介子和中子。

射入地球的宇宙射线与大气分子碰撞，产生大量游离粒子和电磁辐射（图片来源：University of Chichago）

一些射向地球的中子的飞行速度非常快，能量可以达到1 MeV（M是兆，一兆等于10的6次方；eV是电子伏特，是表示粒子能量的单位），被称为快中子。这些中子进入土壤后，与大部分物质都不发生反应，最后被反弹出去，但唯独和氢原子之间会发生碰撞，导致能量减小、速度降低，这个过程叫做中子慢化。

核裂变反应中的中子慢化过程（图片来源：Energy Education）

让我们把中子和氢原子想象成宇宙台球桌上的一些台球。中子球不知被谁捅了一竿子，以极高的速度向着氢原子核飞来。无辜的氢原子核们正跳广场舞（分子热运动），中子球突然闯入，横冲直撞，将自己的动能传递给周围的氢原子核。经过频繁的碰撞后，整个体系达到了平衡状态，中子转变为能量仅剩0.025eV的热中子（与周围介质处于热平衡状态的中子，又称慢中子），留在了氢原子的广场舞队列中。

中子（红色）与氢原子（蓝色）发生碰撞，动能在粒子之间传递，最终趋于平衡。（图片来源：wiki)

含有两个氢原子的水分子是天然的中子慢化剂，因此土壤含水量越高，慢化和吸收的中子就越多。研究人员利用这一原理，发明了一个听起来有些科幻的装置：宇宙射线土壤湿度感应器。没有遇到水分子的中子飞回空中，感应器通过检测这类中子的数量来估计土壤含水量。

宇宙射线土壤水分测量仪（图片来源：中国科学院哀牢山生态站）

捕捉无影无踪的中子

中子作为微观粒子，小得难以捕捉，本身又不带电，该怎么检测？核工程师表示：这题我会啊！

中子探测是核能领域的常见技术，通常使用氦-3或三氟化硼来截获中子。农学研究人员在此基础上进行了改进，使之更适合农业生产的实际，比如利用含有部分硼同位素硼-10的半导体材料六方氮化硼（h-BN）晶体来捕捉中子。硼-10与遇到的中子发生反应，摇身一变成了锂同位素锂-10，并释放α粒子（也就是氦原子核），其核反应方程式为（n为中子）：

n + 10B → α + 7Li + 2.792MeV

含有同位素锂-6的材料同样可以与中子发生类似反应，因此研究人员也会使用含有锂-6的氟化物用于探测中子：

n + 6Li → α + 3H + 5MeV

这些反应中产生的α粒子带有电荷，能够在一种名为闪烁探测器的装置中激发闪光信号，由光电器件读取并计数。知道了α粒子的数量，也就能从核反应方程式中得知中子的数量，最终用于估算土壤的含水量。

硼-10捕获中子。a.)硼-10原子核捕获中子概率较高。 b.)不稳定的新原子核裂变为其他粒子并产生伽马光子。（图片来源：Baumann et al.,2000)

(a)捕获的中子在闪烁体中激发显著的脉冲电信号（红色椭圆）。蓝色椭圆为μ子。 (b)捕捉中子的核心部件：基于闪烁体的传感器。检测器1中含锂6-氟化物，检测器2为闪烁器。PMTs为光电倍增管。 （图片来源：Gianessi et al., 2024)

通过实验，研究人员发现，那些被弹射出去的中子能飞到平均300米远的地方。有了这项技术，只需要将一个宇宙射线探测器放置在田间地头，对农田上空的中子进行捕捉计数，就可以估计方圆几百米内的土地中含有多少水分。检测器不需要埋入土壤，可以探查的深度就能达到15至50厘米。在田间竖立少数几个这样的感应器，就能获得整片耕种区域的湿度地图——谁能想到看不见摸不着的宇宙射线，竟然有希望成为我们种地的好帮手呢？

安装在试验田中的柱形宇宙射线探测器（左、右）；中央支点灌溉系统（中）（图片来源：谢菲尔德大学）

宇宙射线在田间反射，最终被检测器捕捉。左图为中子能量频谱（图片来源：谢菲尔德大学）

从黄土高原的干旱地区、青藏高原高寒生态圈，到华北平原广袤的农田，借助宇宙射线探测土壤成分的技术在一系列观测研究中都得到了验证。预计未来宇宙射线土壤湿度感应器还能更广泛地应用在更丰富的生态系统的研究中，并逐渐在旱情预报、雪深测量、冻土含冰量估计、卫星观测结果验证和校准、土壤水分建模等领域发挥作用。

参考文献：

[1] 陈书林, 刘元波， 温作民. “卫星遥感反演土壤水分研究综述.” 地球科学进展, 27(11), 2012， p.1192.

[2] Desilets, D., and Zreda, M. “Footprint diameter for a cosmic-ray soil moisture probe: Theory and Monte Carlo simulations.” Water Resources Research.. 49: 3566–3575. 2013. Available at: https://doi.org/10.1002/wrcr.20187

[3] Gianessi, S.et al. “Testing a novel sensor design to jointly measure cosmic-ray neutrons, muons and gamma rays for non-invasive soil moisture estimation”, Geosci. Instrum. Method. Data Syst., 13, 9–25, 2024. Available at: https://doi.org/10.5194/gi-13-9-2024.

[4] 焦其顺, 朱忠礼, 刘绍民, 晋锐, 杜帆. “宇宙射线快中子法在农田土壤水分测量中的研究与应用.” 地球科学进展, 28(10), 2013. p.1136.

[5] Li, P. et al. ‘Large Scale BN‐perovskite Nanocomposite Aerogel Scintillator for Thermal Neutron Detection’, Advanced materials (Weinheim), 10.1002/adma.202309588, 36, 26, (2024).

[6] Maity, A. et al. ‘High efficiency hexagonal boron nitride neutron detectors with 1 cm2 detection areas’, Applied physics letters, 116(14) .2020. doi: 10.1063/1.5143808.

[7] Stowell, P. et al.‘Scintillating thermal neutron detectors for cosmic ray soil moisture monitoring’, Journal of instrumentation, 16(11), (2021) p. P11039. doi: 10.1088/1748-0221/16/11/P11039.

[8] 田子晗, 张勇勇, 赵文智, 王丽莎, 王川, 康文蓉, 吴绍雄. 宇宙射线中子技术的中尺度土壤水研究进展及在荒漠绿洲区的应用. 地球科学进展[J], 2022, 37(9): 979-990 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2022.045

[9] 张丹 王艺静 刘耐霞 黄安琪. ‘防汛抢险救灾，我们在行动.’ 中国电科微信公众号. Available at: https://mp.weixin.qq.com/s/0o3zErfWl-iEK0neun2DAQ. Accessed 8th July 2024.

[10] 赵原，李晓鹏，纪景纯，等.宇宙射线中子法在土壤水分监测研究中的应用进展［J］.生态与农村环境学报，2019，35（5：545-553

作者：严益章

来源：科学大院

编辑：阿泊

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