核子密度儀:實時檢測土工建築材料的儀器-中文百科頻道

注意事項

工業上一些水泥廠、選煤廠等使用的厚度計、料位計、密度計及核子秤等也使用同類的放射性同位素，但這類儀器所使用的放射源的活度一般為十到五百個居裡，是土木工程上使用的核子儀的一千倍到五萬倍，兩者完全不在一個數量級上。

兩類儀器雖然名稱相似，而且采用近似的檢測原理，但它們的使用方式、防護方法和應用目的完全不同。

基本功能

核子儀用于施工現場快速地檢測建築材料的濕密度（總密度）和含水量（濕度）。完成一次檢測通常隻需要1分鐘或更短時間。不同品牌和廠家的儀器功能各不相同。有的儀器隻檢測密度或隻檢測濕度，多數品牌的儀器可以同時檢測密度和濕度。

檢測方法

核子儀通過檢測被測材料中含有的所有元素的原子量總和來計算被檢測材料的總密（(濕密度），所以儀器的密度檢測不受被檢測材料的顆粒大小、級配、均勻度，以及物理狀态、化學成分等方面的影響；除非被測材料的化學組成與常規材料有很顯著的不同，通常情況下核子儀密度檢測結果不需要進行校正。

核子儀測量濕度時，測量的是被測材料中所有的氫原子，在大多數土壤和骨料中，氫原子存在于自由水中。但是蛇紋石、黏土、有機體和石灰處理的土壤含有結合水，這些材料中的結合水對儀器檢測材料的含水率有輕微影響；這個問題可以通過非常簡便的在儀器中輸入水分偏置量的方法進行校正。

對于各種土壤和沒有凝固的水泥混凝土等材料，通常采用透射法。這個方法是在被檢測材料中用鋼釺鑽一個垂直的檢測孔，然後将儀器的探測杆伸入到被檢測材料中，在各個深度上檢測材料的密度和濕度。

對于石頭、混凝土等不能造孔的材料，通常采用反射法；這個方法是将儀器放置于被檢測材料的表面，根據被檢測材料的厚度和種類采用适應的檢測檔位，直接檢測材料的密度、壓實度等指标。

除了以上兩種基本檢測方法，有的核子儀具備更多和更強大的檢測功能，比如MC-3C和MC-4C核子儀的反射法有BS和AC兩個檔位，分别用于不同的檢測材料和檢測要求，可以對任意厚度的面層材料等進行精準檢測。

檢測領域

通常核子儀都可以用于檢測各種類型的土壤、石頭、土石混合物等土工材料；有些儀器可以檢測水泥混凝土，但很多儀器不能檢測瀝青混合料和層厚比較小的混凝土材料；也可以用于公路的地基、基層和面層、鐵路路基、水庫堤壩、機場跑道以及港口、發電廠、高等級賽車跑道、高層建築等土木工程的現場施工的質量控制、監理檢測、工程驗收；還可以用于各種土木工程的養護檢測及各種研究和開發。用于實驗室和工程試驗區段可以快速、準确獲取各項施工參考數據。

核子儀檢測土工材料時，被測材料必須有一定的厚度和足夠大的體積，否則沒有足夠多的射線計數用于計算密度或濕度。瀝青混合料通常在鋪築時每層的厚度都不會超過7-8厘米。

儀器在檢測時射線會穿透這個層厚而同時檢測了其它材料，這樣儀器的檢測結果就不僅僅是我們希望檢測的薄層材料的密度，而是不同層厚的材料的共同的密度。

除非儀器設計人員專門為這種檢測目的進行程序上和檢測技術上的改造而設置薄層檢測功能，否則儀器就不能用于檢測薄層的瀝青混合料和其它混凝土材料。

由于核子儀檢測的準确、快速、安全和低成本，在壓實度檢測方面沒有任何其他方法可以取代核子儀，尤其在使用瀝青混凝土和水泥混凝土的工程項目上，沒有核子儀的應用，要保證工程的質量和施工效率是不可能做到的。

所以在世界範圍内，核子儀被及其廣泛地應用于幾乎所有的大型和重要的土木工程項目。

發展曆史

第二次世界大戰以後，許多國家由于戰後重建和經濟發展的需要，都陸續進行大規模的基礎設施建設，世界各地的許多研究組織，研究利用核技術測定建築材料的密度、含水量以及其它指标，以保證工程項目的質量和建設速度。

在1968年以前，隻有一種标準方法用于現場測定土壤和集料的密度—灌沙法。

這種設備的操作人員必須在地面挖一個洞，在洞中填滿沙子，計算出密度，然後取一個試樣到實驗室測定含水量；這個方法對于每次檢測都要花費半個小時的時間，操作人員需要避免許多出現差錯的原因，并且這種檢測方法是破壞性的——因為留下了一個必需修複的洞，含水量的檢測結果要在第二天試樣烘幹了以後才會得到。

1968年以前，也隻有一種标準方法用于現場測定瀝青路面密度，在路面中用鑽孔法得到一個芯樣。把取芯試樣帶回實驗室，用天平稱取重量，并測量出它的體積，然後計算出密度，也就是重量除以體積。

到了1972年，核子儀在硬件設計和軟件應用方面有了顯著的改進。

便攜式核子儀可以對于土壤和瀝青混凝土路面進行高精度的快速檢測，并且核子儀可以消除由于土壤類型或化學成分不同導緻的檢測偏差；新的儀器設計，完全使用了高效能的現代電子技術，這使儀器變得輕便、可靠并易于操作。

80年代以後，核子儀安裝了可以進行現場編程微處理器，可以直接從顯示器讀取測量結果，從而更大地減少了操作人員的現場檢測的工作量。

在過去的三十多年時間裡，核子儀用于土工材料的密度和濕度檢測已在世界範圍内得到認可，并成為業界的标準檢測方法。

工作原理

總密度

一個密封的10毫居裡铯-137伽瑪源向土壤等被測材料放射伽瑪射線，穿透被檢測材料的射線會被儀器中的密度檢測管檢測到。如果材料的密度較低，材料吸收的伽瑪射線較少，那麼在一定時間内較多的伽瑪射線就會穿過材料，檢測管的計數将較高：反之，如果材料的密度較高，高密度的材料吸收了更多的伽瑪射線，那麼在同樣時間内就會有較少的伽瑪射線穿過材料，檢測管的計數将較低。

伽瑪射線在被測材料中的穿透、反射和被吸收等行為隻與被測材料中的組成成分的所有原子的原子核的質量相關；核子儀測量的總密度實際是單位體積的土工材料總的原子量。隻有當被測材料的總的原子量發生變化時，核子儀的檢測結果才相應地發生變化。

水分

一個密封的50毫居裡镅241/铍中子源向土壤等被測材料放射高能中子射線，高能中子與氫原子碰撞後，迅速失去能量而變成低能中子，而其它任何種類的原子都不能象氫原子那樣顯着減少高能中子的能量。

被測材料中的濕度越高，水分含量就越高，氫原子就越多，當中子射線穿過時，将産生更多的低能中子；同樣的原因，當被測材料較幹時，産生的低能中子數目就較少。

儀器中的濕度檢測管隻檢測低能中子。低能中子計數越高，表示被測材料的濕度越高；反之，低能中子計數越低，表示濕度越低。核子儀測量的是地表到地表以下10公分的材料的平均含水率。

核子儀在進行密度和水分測量時，分别使用不同的放射源，不同的射線接受器，不同的數據計算系統，所以密度和水分兩個檢測系統相互獨立，其檢測數據也互不影響。

标準計數

放射源衰減、周圍環境變化和本底輻射都會影響儀器的檢測數據。

每天或檢測環境發生變化後，将儀器放置标準計數塊上進行計數，獲得新的計數參比結果，可以清除以上因素對檢測結果的影響。

标準計數使用的工具是标準計數塊，标準計數塊為一小型的長方體塑料塊，簡稱标準塊；其密度和含有的氫元素都是穩定不變的。标準塊厚度為5.1厘米或7.6厘米，面積相當于核子儀底座的面積；每台儀器都有自己對應的标準塊。

檢定

核子儀之所以能夠準确檢測材料的密度和濕度是因為核子儀在制造時經過了檢定，檢定的具體方法是将儀器依次對一組密度高低不同的标準材料塊（檢定塊）進行檢測，建立射線數量和标準密度值之間的對應關系。

在坐标圖上，将不同的射線計數與标準密度之間的對應的點連接起來就會得到一條檢定曲線，即在儀器的射線計數率與材料測試結果（密度和濕度）之間建立了适當的對應關系；檢定數據可以以圖、表和等效系數等方式表示出來或貯存在儀器裡面，以用于将計數率換算成材料的密度值。

每一台核子儀在出廠時，都應該已經檢定過了，現存儀器經過可能影響儀器結構的維修後，必須進行檢定，所以最多每隔一年就應該使用标準密度和濕度材料對儀器的檢定進行驗證或重新建立檢定關系；如果驗證發現核子儀的檢測結果與标準材料的密度或濕度之間的差異已經不符合檢測要求，需要重新建立新的檢定關系。

安全性

由于核子儀采用了放射原理測量密度和濕度，很多人因為不了解放射源的活度大小和人體允許接受的劑量多少和正确理解，隻要一聽說是放射源，就産生恐懼感，不敢使用儀器；其實無論身處何地，環境中都有本底輻射，我們在日常生活中無時無刻都不可能避免輻射。

手提式核子秘密/濕度土壤檢測儀的商業應用已經超過35年之久，大約有數萬台核子儀在全世界範圍内應用于土木工程、地質學、農業和環境檢測中。

核子儀的擁有者和使用者要遵守政府主管部門制定的法律和規定，包括需要獲得許可證以及操作員要學習如何正确使用儀器；核子儀操作人員可以使用個人劑量檢測裝置監測受到的劑量，最常用的是劑量膠片，沒有任何核子儀操作人員受到的放射線劑量超過國際輻射防護委員會的5雷姆/年的職業界限。

實際上，操作員受到的隻是這個界限的很小的一部分，少于我們從自然界獲得本底輻射的年平均值，從未有案例表明由于使用核子密度儀而受到長期或短期輻射傷害；與我們經常忽視的吸煙、飲酒等日常行為給我們帶來的危害相比，核子儀對身體的影響是微乎其微的；從來沒有發生過密封放射源由于物理損壞或火災等原因産生洩漏，即使每年都有一些核子儀在野外施工中被意外嚴重毀壞，也從沒有發生過對操作人員和普通公衆發生污染的事故。

通過專門的設計，核子儀的表面劑量率低于操作人員或是公衆需進行特别防護的水平，運輸車輛或檢測的位置不需要進行公告，不需要配備任何附加的防護衣服和裝置。

每個國家都會有主管的政府部門對放射性産品進行嚴格的檢測，以确認其安全性；中國環保部門和商檢部門對每台正規進口到中國的儀器都要進行嚴格檢測，通過檢測的儀器必然符合安全規定和要求，用戶可以放心使用；隻要購置的是政府主管部門批準和認可的核子儀并且是将儀器用于正常的檢測，絕不可能對操作人員造成任何危害。