专利名称：核子土基密度含水量联合测定仪的制作方法
技术领域：
一种涉及土壤物理性能的核子测量仪器，用于土基工程土壤密度及含水量的测定，属物理测量仪器。
在土木工程建设中，作为承载物的土基，其理化性能的优劣对工程质量的影响是显而易见的，压实度是判定土基质量的重要指标。而压实度是由土基的湿密度和含水量来决定的。因此，在道路、机场、土坝堤防以及房屋建筑等土建工程中，为确保工程质量，必须对土基的湿密度和含水量进行测定，并根据测定的结果将其控制在规定的数值范围内。
在现有技术中，国外七十年代初，美国、日本、法国、英国、苏联等国已将核子密度、含水量仪应用到公路部门，其中美国在这方面占有重要地位，代表了世界水平。他们的Seamans核子公司，Troxler电子实验室公司和CPN核子公司已生产数千台这种仪器销往世界市场。尽管这些仪器在二次仪表上做了大量工作，并已微机化。但在密度的测量上仍是采用透射法，不可避免要在土基上打洞，从而破坏了土基的整体性，测量比较麻烦。八十年代初美国的Seamans核子公司向市场推出全散射表面型水分密度计，但探测系统仍是采用计数管。在国内湖南省交通科研所在八十年代中期相继研制了背散射表面型核子土基密度计和中子土基含水量仪，并生产了数百台用于全国公路部门，但是密度和含水量的测定是用两台仪器分别进行的，在施工中虽然解决了部分问题，仍感不便。
本实用新型的目的，就在于提一种闪烁式全背散射表面型的核子密度、含水量联合测定仪。它克服了透射法测定密度需要打洞的缺点，又改进了散射表面型密度计存在精度、灵敏度不高、探测深度小的问题，操作简便，可连续作业，携带方便。
本实用新型以137Cs(铯)、241Am－Be(镅－铍)或238Pu－Be(钚－铍)作放射源，用NaI(TL)晶体和锂玻璃晶体作闪烁探测器提高其探测效率，在探头内设置主屏蔽、降低与土基密度无关的γ本底、提高仪器的灵敏度和精度，在放射源的底部设置源准直孔，将散γ射束变成平行射束提高了检测深度。同时在放射源和探测器等零部件的几何布局上进行优化和屏蔽，以减少相互间的干扰。放射源释放的γ射线和中子通过被测土基后，分别被探测器所接受记录，并转换成电信号，经过放大、甄别和整形变为脉冲信号，输入主机处理，从而测得土基的密度和含水量，并将测定结果存储或打印，以此来实现上述目的。
以下结合附图和实施例，详述本实用新型的工作原理和结构特征。
图1为本实用新型的主剖视图图2为本实用新型的C－C剖视图图3为本实用新型的A－A剖视图图4为本实用新型主机系统方框图图5为本实用新型的探测器线路图图6为本实用新型的电源线路图图7为本实用新型的微机系统图本实用新型的工作原理密度测量的基本原理密度测量是利用γ射线和物质的相互作用原理，γ射线和物质的相互作用，主要是吸收和散射。根据吸收原理，由放射源放出的γ射线被物质吸收后，其透过物质的γ射线强度与该物质的密度有一指数关系，即I＝I0e－μmρR式中I0为透过物质后的γ射线强度，μm为该物质的γ质量吸收系数，R为放射源与探测器间的距离，ρ为物质密度。
根据γ射线的这种吸收原理，即测定透过物质前后的γ射线强度的变化就能确定物质密度。根据散射原理，γ射线与物质原子的外围电子进行碰撞而散射，散射后的γ射线能量减小，方向改变，这就是常称的康普顿散射效应，物质密度越大，康普顿散射的几率也越大。通过γ射线在物质内散射前后的强度变化，就能确定该物质的密度，根据这种散射原理，就能研制惯称的散射型密度计。
散射法测量物质密度，尚未建立可靠的理论公式，只有经验公式。其公式为I＝(AI0／R)ρhe－BRρ式中I为γ射线通过物质散射后的强度，I0为散射前的γ射线强度，A为仪器常数，R为放射源和探测器之间距离，h为指数常数，B为与γ射线的初始能量及物质的γ质量吸收系数有关的常数，ρ为被测物质密度。
含水量测量的基本原理测量含水量方法是利用中子和物质相互作用原理。主要是散射和吸收作用。在散射作用中，中子被氢核散射的几率最大。因此，中子在物质被散射而减速成为热中子，其数量主要由物质中的含氢量或含水量来决定。根据这种散射原理设计研制的中子含水量测定仪，叫做散射型含水量仪，可分为插入型和表面型两种。在吸收作用中，当中子束通过物质层时，其强度会被减弱，而其衰减的程度主要是由物质中的含氢量或含水量来决定。根据这种原理(吸收)设计的中子含水量测定仪仅称为透射型。
本实用新型的结构本实用新型的结构如图1、图2、图3所示。它由主机和探头两大部分构成，主机包括电路板、微机和打印机接口，主机(1)置于探头的上部，打印机接口(3)设置在主机的背面。探头实际上是一个机箱，它主要由箱盖(2)、提手(4)、γ探测器(5)、箱体(6)、NaI(碘化钠)晶体(7)、屏蔽箱(8)、γ探测器准直孔(9)、主屏蔽(10)、底座(11)、γ源准直孔(12)、137Cs源(13)、γ源箱(14)、中子探测器(15)、放大器(16)、光电倍增管(17)、中子探测器屏蔽箱(18)、底板(19)、中子探测器准直孔(20)、锂玻璃晶体(21)、中子源箱(22)、中子源准直孔(23)、中子源(24)所组成。本装置选用半衰期为33年、源强较小、铅屏蔽要求低的137Cs作γ源。中子源选用国家定型产品的点源241Am－Be，其外形尺寸为φ17×19。γ探测器采用效率高，分辨时间短、寿命长的NaI晶体闪烁计数器；中子探测器采用锂玻璃晶体，它对热中子的探测效率高，耐酸、耐高温又耐潮湿。γ探测器(5)、中子探测器(15)的底部插在铅座内，铅座与底座(11)用螺丝连接，而底座(11)与底板(19)粘接，均垂直固定在底板(19)上。γ源(13)装在屏蔽铅箱(14)中、γ源底部有准直孔(12)、可使散γ射束变成平行射束，从而显著提高检测深度，解决了散射表面型密度计检测深度不深的问题。在γ源(13)与γ探测器(5)之间，设置主屏蔽(10)，大大降低与土基密度无关的γ本底，从而有效地提高密度检测的灵敏度和精度。在探头内零部件的布置上都进行优化，γ源(13)与其探测器(5)两者的最佳中心距为190毫米，中子源(24)与探测器(15)两者的最佳中心距为65毫米。γ探测器(5)在其下部有屏蔽箱(8)、中子探测器(15)下部有屏蔽箱(18)。中子源(24)的底部有准直孔(23)，而中子源(24)屏蔽在铅质中子箱(22)中。由于放射源、探测器在几何布局上都作了优化选择，同时又作了屏蔽处理，因此消除了彼此间的干扰。为了便于携带在探头的两侧的上部各设置了提手(4)。从减轻重量和美观、防锈考虑因此箱体(6)、箱盖(2)和底座(11)均为铝合金。仪器的面板在主机的上部、面板上有液晶显示器，操作键盘和电源开关等。
图4为本实用新型的主机系统方框图，主机包括两个部分，一是探测器和其信号放大甄别输出系统，二是微机处理系统以及高、低压电源。探测器将接收到γ射线信号和热中子信号经过光电倍增管转换成电信号、通过放大、甄别整形后，变成标准脉冲信号输送到微计算机内进行处理获得密度、含水量及由此派生出的其他参量，如干密度、绝对含水量或分含水量、压实度。
图5A及5B为本实用新型探测器的线路图，两个探测器的线路完全相同，一个用于密度的探测，另一个用于含水量的探测，这种线路结构无论从可靠性或维修角度考虑都是有利的。放在铅箱(14)中的137Csγ源(13)发射出的γ射线、经过准直孔(12)后射入待测的土基中，通过土基材料发生散射，散射后的γ射线用NaI(TL)晶体γ探测器探测，在一定时间间隔内探测的γ射线信号，经过放大、甄别整形后送至微机，微机根据事先输入的标定方程进行处理获得湿密度数据。同理，含水量的测定是利用放在中子源箱(22)中的241Am－Be中子源(24)发射的快中子，通过源准直孔(23)射入待测的土基中，因而发生散射、减速、扩散而达到热平衡后成为热中子。一部分热中子会返回中子源(24)附近，安装在紧靠中子源(24)一侧的锂玻璃闪烁体热中子探测器接收返回的热中子、通过光电倍增管转换成脉冲信号、经放大、甄别整形后送至微机，微机则根据事先存入的标定方程进行处理，从而获得绝对含水量数据。
图6为本实用新型的电源线路图，本装置为直流电源，用8节2号镉镍可充电电池供电，并配有充电机。为使供给的电源稳定可靠，因此作了逆变处理，高压电源供给探测器、为900伏直流，低压电则供主机各部需要的不同电压的低压电源，充电一次可工作24小时以上。
图7为本实用新型的微计算机系统图，本装置选用MCS－51系列的80C31芯片作该系统的微处理机，其功能相当80CPU、Z80PIO、Z80CTC、Z80SIO和一片PAM，并可外接64KEPROM和64KPAM，全CMOS化，功耗很小。
主要技术参数1、测量误差密度≤±0.03g／cm3含水量≤±0.015g／cm32、量程密度1.3～2.7g／cm3含水量0.2～0.6g／cm33、测量最大影响深度密度1.8g／cm3处 15～20cm含水量12～15cm4、放射源γ源5mCi137Cs源中子源50mCi241Am－Be中子源5、探测器γ测量器φ30×30NaI(Tl)晶体GDB－28光电倍增管热中子探测器φ40×4锂玻璃晶体GDB－44光电倍增管
6、测量时间15～999秒任意可调7、总机功耗450mW，用8节2号镉镍蓄电池供电，充一次电可用三天以上(每天工作八小时计)，并配有成电机。
8、显示方式液晶显示，可自动循环显示各参数，也可以根据需要手动逐个显示。
9、打印输出可根据需要，打印出测量结果。
10、使用环境环境温度0℃～45℃相对湿度≤90％11、主要尺寸和重量尺寸32×18×34(cm)重量18.5kg本实用新型经样机试验，其测定结果的数据与传统方法比较非常吻合。
权利要求1.一种核子土基密度、含水量联合测定仪，用于土基工程中土壤密度及含水量的测定，它由主机和探头两大部分构成，其特征在于主机包括电路板，微计算机和打印机接口，主机(1)置于探头的上部，打印机接口(3)设置在主机(1)的背面，探头主要由箱盖(2)、提手(4)、γ探测器(5)、箱体(6)、NaI(碘化钠)晶体(7)、屏蔽箱(8)、γ探测器准直孔(9)、主屏蔽(10)、底座(11)、γ源准孔(12)、137Cs源(13)、γ源箱(14)、中子探测器(15)、放大器(16)、光电倍增管(17)、中子探测器屏蔽箱(18)、底板(19)、中子探测器准直孔(20)、锂玻璃晶体(21)、中子源箱(22)、中子源准直孔(23)、中子源(24)所组成，它以137Cs作γ源并屏蔽在铅质的γ源箱(14)中，用NaI晶体(17)作γ射线的探测器，以241Am-Be作中子源并屏蔽在铅质的中子源箱(22)中，用锂玻璃晶体(21)作中子探测器，放射源和探测器均安装在底座(11)和底板(19)上，底座(11)和底板(19)为粘线，提手(4)在探头两侧的上部。
2.根据权利要求1所述的核子土基密度、含水量联合测定仪，其特征在于，γ源(13)与γ射线探测器(5)之间设置主屏蔽(10)，以降低与土基密度无关的γ本底、可提高密度测量的灵敏度和精度。
3.根据权利要求1所述的核子土基密度、含水量联合测定仪，其特征在于γ源(13)与其探测器(5)两者的最佳中心距离为190毫米。
4.根据权利要求1所述的核子土基密度、含水量联合测定仪，其特征在于中子源(24)紧靠其探测器(15)，两者最佳的中心距为65毫米。
5.根据权利要求1所述的核子土基密度、含水量联合测定仪，其特征在于γ源(13)的底部有准直孔(12)，γ射线探测器(5)的底部有准直孔(9)。
6.根据权利要求所述的核子土基密度、含水量联合测定仪，其特征在于中子源(24)的底部有准直孔(23)，中子探测器(15)的底部有准直孔(20)。
7.根据权利要求1所述的核子土基密度、含水量联合测定仪，其特征在于γ射线探测器(5)，其下部有屏蔽箱(8)，中子探测器(15)其下部有屏蔽箱(18)。
专利摘要一种涉及土壤物理性能的核子测量仪器，用于土基工程中土壤密度，含水量的测定。本实用新型以137Cs和241Pm-Be作放射源，以NaI晶体和锂玻璃晶体作探测器，γ射线通过待测土壤后，其强度发生变化，中子通过土壤后减速成慢热子，探测器(5)及(15)分别接收γ射线和热中子并转换成脉冲信号，经放大、甄别、整形、送至微机处理、从而测得土基密度及含水量和其他派生参量。
文档编号G01N23/06GK2039422SQ88218609
公开日1989年6月14日 申请日期1988年11月21日 优先权日1988年11月21日
发明者朱怀安, 李国文, 姜玉兰, 尹喜林, 蔡能 申请人:湖南省交通科学研究所