The light W-PIE neutron spectrometer for soil moisture measurements: design, characterization and preliminary measurements

Soil water content knowledge at the intermediate scale, which extends over areas of hectares and depths of ten of centimeters, is crucial to improve agricultural water management, nowadays affected by the impact of global climate change on the availability of water resources. Cosmic Ray Neutron Sensing is a nuclear technology which has the capability to estimate soil moisture in the intermediate scale, filling the gap left by other technologies between point scale measurement and large scale measurement. The working principle is the relation of the intensity of cosmic neutrons above ground, usually measured by neutron counters, and the amount of water content in the soil. In 2021, the W-PIE neutron spectrometer for soil moisture measurements was developed at Politecnico di Milano, introducing in the CRNS technique the potential major advantages of neutron spectrometers. The W-PIE has a 2 cm-thick layer of lead in the section detecting neutrons above 20 MeV which makes the system very heavy and therefore quite difficult to manage during its transport and installation. In this thesis work, a light version of the W-PIE coating structure was designed. The new instrument was characterized in laboratory activities, performing irradiations with an AmBe fast source, to investigate the instrument spectrometric capabilities. Finally, the light W-PIE was installed in a large park in the northen of Milano together with two classic small-scale soil moisture probe to perform preliminary measurements of soil water content. During all the laboratory and outdoor activities the light W-PIE performance were compared to the capabilities of its heavier counterpart. The spectrometric capabilities of the two devices in laboratory conditions were almost identical. In the outdoor activity, very limited precipitations occurred while measuring the light version of the instrument, which could not distinguish between statistical fluctuations and water content changes induced variations in the neutron flux. Therefore, its performance for soil moisture measurement requires further investigation.

La quantificazione dell'umidità del suolo su scala intermedia, caratterizzata da un'estensione in area dell'ordine degli ettari e profondità di decine di centimetri, è un obiettivo cruciale per l'ottimizzazione della gestione delle risorse di acqua nell'agricoltura, oggi influenzata dall'imbatto del cambiamento climatico sulla disponibilità di risorse di acqua. Il metodo CRNS, dall'inglese Cosmic ray neutron sensing, è una tecnologia nucleare che ha scopo di stimare l'umidità del suolo proprio in scala intermedia, colmando il divario tra le misure puntuali e quelle a larga scala. Il principio di funzionamento della tecnologia sfrutta la relazone tra l'intensità dei neutroni cosmici sopra il terreno, solitamente misurata tramite contatori di neutroni, e il contenuto di acqua nel suolo. Nel 2021, è stato sviluppato al Politecnico di Milano lo spettrometro di neutroni W-PIE, introducendo nella tecnica CRNS i potenziali grandi vantaggi dell'utilizzo degli spettrometri rispetto ai contatori classicamente utilizzati. La struttura del W-PIE è caratterizzata da uno strato di piombo spesso 2 cm all'interno sezione adibita alla rilevazione di neutroni di energia maggiore di 20 MeV. Questa caratteristica rende il sistema molto pesante e di conseguenza difficile da gestire durante il trasporto e l'installazione. In questo lavoro di tesi è stata progettata la versione light dei rivestimenti del W-PIE. Il nuovo strumento è stato caratterizzato in attività di laboratorio effettuando degli irraggiamenti con una sorgente di neutroni veloce di AmBe, che hanno consentito di indagare le prestazioni spettrometriche dello strumento. Successivamente, il W-PIE light è stato installato in un parco molto esteso situato a nord della città di Milano, insieme a due sonde di umidità classiche di piccola scala, con lo scopo di effettuare delle misure preliminari di umidità del suolo. Durante tutte le attività, in laboratorio e esterne, le prestazioni del W-PIE light sono state confrontate con quelle della sua controparte più pesante. Le capacità spettrometriche dei due dispositivi verificate in laboratorio si sono dimostrate praticamente identiche. Nell'attività outdoor che ha riguardato il W-PIE light, le precipitazioni sono state minime e lo strumento non ha potuto distinguere le variazioni del contenuto di acqua nel suolo, indotte dalle variazioni di flusso, dalle fluttuazioni statistiche di misura. Per questo motivo, sono previste per il W-PIE light ulteriori verifiche.