Ядерная денситометрия

Ядерная денситометрия — это метод, используемый в гражданском строительстве и нефтяной промышленности , а также в горнодобывающей и археологической целях для измерения плотности и внутренней структуры испытуемого материала. В процессе используется датчик ядерной плотности , который состоит из источника излучения , испускающего частицы, и датчика , подсчитывающего полученные частицы, которые либо отражаются от исследуемого материала, либо проходят через него. Подсчитав процент частиц, которые возвращаются в датчик, датчик можно откалибровать для измерения плотности.

В геотехнической инженерии или ядерный плотномер плотномер грунта — это полевой прибор, используемый для определения плотности уплотненного материала. Устройство использует взаимодействие гамма-излучения с веществом для измерения плотности либо посредством прямой передачи, либо методом «обратного рассеяния». Устройство определяет плотность материала путем подсчета количества фотонов, испускаемых радиоактивным источником (цезий-137), которые считываются детекторными трубками в основании датчика. Для периода подсчета обычно используется 60-секундный временной интервал.

Источники

Разные варианты используются для разных целей. Для анализа плотности очень мелких объектов, таких как дороги или стены, можно использовать источник гамма- излучения, например ¹³⁷Цезий используется для получения гамма-излучения. Эти изотопы эффективны при анализе верхних 10 дюймов (25 сантиметров) с высокой точностью. ²²⁶Радий используется на глубине 328 ярдов (300 метров). Такие инструменты могут помочь найти пещеры или определить места с меньшей плотностью населения, которые могут сделать строительство туннелей опасным.

Режимы использования

Ядерные плотномеры обычно работают в одном из двух режимов: ^{[ 1 ]}

Прямая передача: выдвижной стержень опускается в коврик через заранее просверленное отверстие. Источник излучает излучение, которое затем взаимодействует с электронами в материале и теряет энергию и/или перенаправляется ( рассеивается ). Излучение, теряющее достаточное количество энергии или рассеивающееся от детектора, не учитывается. Чем плотнее материал, тем выше вероятность взаимодействия и тем меньше количество детекторов. Следовательно, счетчик детекторов обратно пропорционален плотности материала. Калибровочный коэффициент используется для связи результата с фактической плотностью.

Обратное рассеяние: выдвижной стержень опускается так, чтобы он находился на одном уровне с детектором, но все еще внутри прибора. Источник излучает излучение, которое затем взаимодействует с электронами в материале и теряет энергию и/или перенаправляется (рассеивается). Подсчитывается излучение, рассеивающееся в сторону детектора. Чем плотнее материал, тем выше вероятность того, что излучение будет перенаправлено в сторону детектора. Следовательно, счетчик детекторов пропорционален плотности. Калибровочный коэффициент используется для корреляции результата с фактической плотностью.

Многие устройства созданы для измерения плотности и влажности материала. Это особенно важно для гражданского строительства , поскольку и то, и другое необходимо для проверки подходящих почвенных условий для поддержки конструкций, улиц, автомагистралей и взлетно-посадочных полос аэропортов.

Использование

Уплотнение грунта

Ядерный плотномер используется для определения процента уплотнения уплотненной основы. ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} Перед проведением полевых испытаний техник выполняет калибровку манометра, который записывает «стандартное количество» машины. Стандартные значения представляют собой количество радиации, испускаемой двумя ядерными источниками внутри машины, без потерь или утечек. Это позволяет машине сравнивать количество высвободившейся радиации с количеством полученной радиации. С помощью стержня диаметром 3/4 дюйма в уплотненном основании создается отверстие путем забивания стержня в основание, чтобы образовалось отверстие, в которое можно вставить зонд плотномера. Плотномер помещается поверх отверстия и затем зонд вставляется в отверстие, разблокируя ручку в верхней части зонда. Один источник производит излучение, которое взаимодействует с атомами в почве, а затем сравнивается со стандартным счетчиком для расчета плотности. Другой источник взаимодействует. с атомами водорода для расчета процент воды в почве.

В режиме прямой передачи источник проходит через основание датчика в предварительно просверленное отверстие, позиционируя источник на желаемой глубине. Процедура тестирования аналогична захоронению известного количества радиоактивного материала на определенной глубине, а затем использованию счетчика Гейгера на поверхности земли для измерения того, насколько эффективно плотность почвы блокирует проникновение гамма-излучения через почву. По мере увеличения плотности почвы через нее может пройти меньше радиации из-за дисперсии от столкновений с электронами в исследуемой почве.

Поскольку уровень влажности почвы частично определяет ее плотность на месте, датчик также содержит нейтронный влагомер , состоящий из америциевого / бериллиевого высокой энергии источника нейтронов и детектора тепловых нейтронов . Нейтроны высокой энергии замедляются при столкновении с атомами водорода, и затем детектор подсчитывает «замедленные» нейтроны. Это количество пропорционально содержанию воды в почве, поскольку водород в этой воде ( H ₂ O) отвечает за почти весь водород, содержащийся в большинстве почв. Датчик рассчитывает содержание влаги, вычитает его из плотности почвы на месте (влажной) и сообщает плотность сухой почвы.

Плотность жидкостей в трубах

Ядерные плотномеры также можно использовать для измерения плотности жидкости в трубе. Если источник установлен на одной стороне трубы, а детектор — на другой, количество излучения, видимого детектором, зависит от защиты, обеспечиваемой жидкостью в трубе. Компания Tracerco была пионером в использовании излучения для измерения плотности в 1950-х годах и определила, что закон Бера-Ламберта применим также к излучению, а также к оптике. Манометры обычно калибруются с использованием газа и жидкости известной плотности, чтобы найти неизвестные в уравнении. После калибровки и до тех пор, пока ориентация детектора источника остается постоянной, можно рассчитать плотность жидкости в трубе. Одним из факторов является период полураспада радиоактивного источника (30 лет для ¹³⁷Cs), что означает, что систему необходимо регулярно калибровать. Современные системы включают поправку на распад источника. ^{[ 4 ]}

Обнаружение подземных вод

Другой вариант — использовать сильный источник нейтронов, например ²⁴¹америций/бериллий для производства нейтронного излучения и последующего измерения энергии рассеяния возвращающихся нейтронов . Поскольку водород замедляет нейтроны, датчик может рассчитать плотность водорода и обнаружить карманы подземных вод, влажность на глубине до нескольких метров, содержание влаги или содержание асфальта.

Тестирование сепараторов

источники нейтронов можно использовать и для оценки производительности сепаратора (добычи нефти) Таким же образом . Газ, нефть, вода и песок имеют разную концентрацию атомов водорода, которые отражают разное количество медленных нейтронов. Используя головку, содержащую ²⁴¹Источник нейтронов AmBe и детектор медленных нейтронов . Путем сканирования вверх и вниз по сепаратору можно определить уровни границы раздела внутри сепаратора.

См. также

Атомная энергетика

Ссылки

^ М. Фалахати; и др. (2018). «Проектирование, моделирование и изготовление непрерывного ядерного манометра для измерения уровней жидкости». Журнал приборостроения . 13 (2): P02028. дои : 10.1088/1748-0221/13/02/P02028 . S2CID 125779702 .
^ ASTM D2922-05 Стандартные методы испытаний плотности грунта и почвенных агрегатов на месте ядерными методами (малая глубина) , номер документа : 10.1520/D2922-05 (стандарт отменен в 2007 г.)
^ ASTM D6938-08a Стандартный метод определения плотности и содержания воды в грунте и почвенных агрегатах на месте ядерными методами (малая глубина) , doi : 10.1520/D6938-08A
^ Джексон, Питер (2004). Радиоизотопные датчики для промышленности . Чичестер: John Wiley & Sons Ltd. doi : 10.1002/0470021098.fmatter . ISBN 0-471-48999-9 .

[1] М. Фалахати; и др. (2018). «Проектирование, моделирование и изготовление непрерывного ядерного манометра для измерения уровней жидкости». Журнал приборостроения . 13 (2): P02028. дои : 10.1088/1748-0221/13/02/P02028 . S2CID 125779702 .

[2] ASTM D2922-05 Стандартные методы испытаний плотности грунта и почвенных агрегатов на месте ядерными методами (малая глубина) , номер документа : 10.1520/D2922-05 (стандарт отменен в 2007 г.)

[3] ASTM D6938-08a Стандартный метод определения плотности и содержания воды в грунте и почвенных агрегатах на месте ядерными методами (малая глубина) , doi : 10.1520/D6938-08A

[Radioisotope_Gauges_for_Industrial-4] Джексон, Питер (2004). Радиоизотопные датчики для промышленности . Чичестер: John Wiley & Sons Ltd. doi : 10.1002/0470021098.fmatter . ISBN 0-471-48999-9 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]