Nukleare Densitometrie - Nuclear densitometry

Ein Dichtemessgerät wird verwendet, um die ordnungsgemäße Verdichtung für die Gründung eines Schulbauprojekts sicherzustellen .

Die nukleare Densitometrie ist eine Technik, die im Bauwesen und in der Erdölindustrie sowie für Bergbau- und Archäologiezwecke verwendet wird, um die Dichte und die innere Struktur des Testmaterials zu messen. Das Verfahren verwendet ein Kerndichtemessgerät , das aus einer Strahlungsquelle besteht , die Partikel emittiert, und einem Sensor , der die empfangenen Partikel zählt, die entweder vom Testmaterial reflektiert werden oder durch dieses hindurchtreten. Durch Berechnung des Prozentsatzes der Partikel, die zum Sensor zurückkehren, kann das Messgerät kalibriert werden, um die Dichte zu messen.

In der Geotechnik ist ein Nukleardensometer oder Bodendichtemessgerät ein Feldinstrument zur Bestimmung der Dichte eines verdichteten Materials. Das Gerät verwendet die Wechselwirkung von Gammastrahlung mit Materie, um die Dichte entweder durch direkte Übertragung oder durch die "Rückstreumethode" zu messen. Das Gerät bestimmt die Materialdichte durch Zählen der Anzahl der von einer radioaktiven Quelle (Cäsium-137) emittierten Photonen, die von den Detektorröhren in der Messbasis gelesen werden. Ein Zeitintervall von 60 Sekunden wird typischerweise für die Zählperiode verwendet.

Quellen

Unterschiedliche Varianten werden für unterschiedliche Zwecke verwendet. Zur Dichteanalyse sehr flacher Objekte wie Straßen oder Mauern wird ein Gammaquellenemitter wie 137 Cäsium zur Erzeugung von Gammastrahlung verwendet. Diese Isotope analysieren effektiv die oberen 25 Zentimeter mit hoher Genauigkeit. 226 Radium wird für Tiefen von 300 Metern verwendet. Solche Instrumente können helfen, Höhlen zu finden oder Orte mit geringerer Dichte zu identifizieren, die den Tunnelbau gefährlich machen würden.

Nutzungsarten

Kerndichtemessgeräte werden typischerweise in einem von zwei Modi betrieben:

Direktübertragung: Die einziehbare Stange wird durch ein vorgebohrtes Loch in die Matte abgesenkt. Die Quelle emittiert Strahlung, die dann mit Elektronen im Material interagiert und Energie verliert und / oder umgeleitet (gestreut) wird. Strahlung, die ausreichend Energie verliert oder vom Detektor weggestreut wird, wird nicht gezählt. Je dichter das Material ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung und desto niedriger ist die Detektorzahl. Daher ist die Detektorzahl umgekehrt proportional zur Materialdichte. Ein Kalibrierungsfaktor wird verwendet, um die Zählung mit der tatsächlichen Dichte in Beziehung zu setzen.

Rückstreuung: Der einziehbare Stab wird abgesenkt, so dass er sich mit dem Detektor befindet, sich aber immer noch im Instrument befindet. Die Quelle emittiert Strahlung, die dann mit Elektronen im Material interagiert und Energie verliert und / oder umgeleitet (gestreut) wird. Die zum Detektor gestreute Strahlung wird gezählt. Je dichter das Material ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Strahlung zum Detektor umgeleitet wird. Daher ist die Detektorzahl proportional zur Dichte. Ein Kalibrierungsfaktor wird verwendet, um die Zählung mit der tatsächlichen Dichte zu korrelieren.

Viele Geräte messen sowohl die Dichte als auch den Feuchtigkeitsgehalt des Materials. Dies ist insbesondere für die zivile Bauindustrie wichtig, da beide für die Überprüfung geeigneter Bodenbedingungen zur Unterstützung von Bauwerken, Straßen, Autobahnen und Landebahnen von Flughäfen von entscheidender Bedeutung sind.

Verwendet

Bodenverdichtung

Asphaltdichtemessgerät

Ein Kerndensometer wird auf einer verdichteten Basis verwendet, um den Prozentsatz der Verdichtung zu bestimmen. Bevor Feldtests durchgeführt werden, führt der Techniker eine Kalibrierung am Messgerät durch, die die „Standardanzahl“ der Maschine aufzeichnet. Standardzählungen sind die Strahlungsmengen, die von den beiden Kernquellen in der Maschine ohne Verlust oder Leckage freigesetzt werden. Dadurch kann die Maschine die freigesetzte Strahlungsmenge mit der empfangenen Strahlungsmenge vergleichen. Bei Verwendung eines Stabes mit 3/4 "Durchmesser wird ein Loch in der verdichteten Basis erzeugt, indem der Stab in die Basis gehämmert wird, um ein Loch zu erzeugen, in das die Sonde des Densometers eingeführt werden kann. Das Densometer wird oben auf dem Loch platziert und Dann wird die Sonde in das Loch eingeführt, indem der Griff oben an der Sonde entriegelt wird. Eine Quelle erzeugt Strahlung, die mit den Atomen im Boden interagiert, und wird dann mit der Standardzählung verglichen, um die Dichte zu berechnen. Die andere Quelle interagiert mit Wasserstoffatomen zur Berechnung des Wasseranteils im Boden.

Im Direktübertragungsmodus erstreckt sich die Quelle durch die Basis des Messgeräts in ein vorgebohrtes Loch und positioniert die Quelle in der gewünschten Tiefe. Das Testverfahren ist analog zum Vergraben einer bekannten Menge radioaktiven Materials in einer bestimmten Tiefe und anschließendem Verwenden eines Geigerzählers an der Bodenoberfläche, um zu messen, wie effektiv die Bodendichte das Eindringen von Gammastrahlung durch den Boden blockiert. Mit zunehmender Bodendichte kann aufgrund der Streuung durch Kollisionen mit Elektronen im zu testenden Boden weniger Strahlung durch den Boden gelangen.

Da der Feuchtigkeitsgehalt des Bodens teilweise für seine Dichte an Ort und Stelle verantwortlich ist, enthält das Messgerät auch ein Neutronenfeuchtigkeitsmessgerät, das aus einer hochenergetischen Americium / Beryllium - Neutronenquelle und einem thermischen Neutronendetektor besteht . Die hochenergetischen Neutronen werden verlangsamt, wenn sie mit Wasserstoffatomen kollidieren, und der Detektor zählt dann die "verlangsamten" Neutronen. Diese Zahl ist proportional zum Wassergehalt des Bodens, da der Wasserstoff in diesem Wasser ( H 2 O) für fast den gesamten in den meisten Böden vorkommenden Wasserstoff verantwortlich ist. Das Messgerät berechnet den Feuchtigkeitsgehalt, subtrahiert ihn von der (nassen) Dichte des Bodens und gibt die Trockendichte des Bodens an.

Dichte von Flüssigkeiten in Rohren

Kerndichtemessgeräte können auch verwendet werden, um die Dichte einer Flüssigkeit in einem Rohr zu messen. Wenn eine Quelle auf einer Seite eines Rohrs und ein Detektor auf der anderen Seite montiert ist, hängt die am Detektor sichtbare Strahlungsmenge von der Abschirmung ab, die von der Flüssigkeit im Rohr bereitgestellt wird. Tracerco war in den 1950er Jahren Vorreiter bei der Verwendung von Strahlung zur Messung der Dichte und stellte fest, dass das Beer-Lambert-Gesetz sowohl für Strahlung als auch für Optik gilt. Messgeräte werden normalerweise mit Gas und einer Flüssigkeit bekannter Dichte kalibriert, um die Unbekannten in der Gleichung zu finden. Nach der Kalibrierung und solange die Ausrichtung des Quellendetektors konstant bleibt, kann die Dichte der Flüssigkeit im Rohr berechnet werden. Ein Faktor ist die Halbwertszeit der radioaktiven Quelle (30 Jahre für 137 Cs), was bedeutet, dass das System in regelmäßigen Abständen neu kalibriert werden muss. Moderne Systeme enthalten eine Korrektur für den Zerfall der Quelle.

Grundwasser lokalisieren

Eine andere Variante besteht darin, eine starke Neutronenquelle wie 241 Americium / Beryllium zu verwenden, um Neutronenstrahlung zu erzeugen und dann die Energie der zurückkehrenden Neutronenstreuung zu messen . Da Wasserstoff Neutronen charakteristischerweise verlangsamt, kann der Sensor die Dichte von Wasserstoff berechnen - und unterirdische Wassertaschen, Feuchtigkeit bis zu einer Tiefe von mehreren Metern, Feuchtigkeitsgehalt oder Asphaltgehalt finden.

Separatoren testen

Neutronenquellen können auf die gleiche Weise auch verwendet werden, um die Leistung eines Separators (Ölförderung) zu bewerten . Gas, Öl, Wasser und Sand haben unterschiedliche Konzentrationen an Wasserstoffatomen, die unterschiedliche Mengen an langsamen Neutronen widerspiegeln. Mit einem Kopf, der eine 241 AmBe-Neutronenquelle und einen langsamen Neutronendetektor enthält , können durch Auf- und Abscannen eines Separators die Schnittstellenebenen innerhalb des Separators bestimmt werden.

Siehe auch

Verweise