专利名称：深层核子密度含水量测定仪的制作方法
技术领域：
一种涉及深层核子密度含水量测定仪，用于公路、铁路、堤坝、机场等土建工程土基深层密度含水量的快速检测、属物理检测仪器。
在现有技术中，对于土建工程土基施工质量的检测与控制十分重要，特别是在高等级公路施工质量的检测中。路基和路面结构层压实度的检测与控制是影响施工质量的关键因素。为此，必须检测与控制路基不同深度结构层中的密度与含水量。对路面结构层压实度的检测与控制问题，国内外都有相应的检测仪器，如美国的MC-3与3440型便携式核子密度含水量仪和DOR-100型、4545型移动式核子密度计。国内湖南省交通科学研究所的MT5012型与RMT5112型便携式核子密度含水量测定仪和MT5022型移动式核子密度含水量仪等。已初步解决了路基和路面结构层压实度的检测与控制问题。但是，对路基施工中，需经常检测数米深处的密度和含水量，以便控制路基的质量，上述仪器却无能为力。传统的方法是在测点处将土基挖掘至所需深度，对土基的样品进行常规方法或核子法检测其密度和含水量，这些方法不仅费工费时，而且对路基的破坏性很大。目前在国外对土基深层密度和含水量的检测，已有相应的仪器设备，最具代表性的是美国CPN公司501DR型深层核子密度含水量仪，但这种仪器价格昂贵，维修和配件供应都不易解决，使用也不尽人意，无法满足国内土建工程需要。
鉴上，本实用新型的目的就在于提供一种结构简单，性能稳定，显示直观，操作方便，价格相对低廉的土基深层核子密度含水量测定仪。
本实用新型采用以下技术方案，密度测量是利用γ射线和物质相互作用原理，即康普顿效应。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射线方向改变，能量减小，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物质的密度。本实用新型用137Cs作γ射线源，以NaI(TL)闪烁晶体加光电倍增管作γ射线探测器，来测定土基的密度。含水量的测量是利用中子和物质的相互作用原理，即中子和物质的散射作用原理，在散射作用中，中子被氢核散射的几率最大。因此，中子在物质中被不断散射减速而最终变成热中子，这个作用过程中，主要由物质中的含氢量来决定。在土壤中氢主要存在于水中，因此通过测量中子在土壤中散射减速而变成热中子的数量就能确定土壤中的含水量。本实用新型用241Am-Be源作中子源，以锂玻璃闪烁体加光电倍增管作热中子探测器。本实用新型采用单管散射插入型测量方式。主要由主机、标准筒和探头三部分构成，以γ-n混合源、探测器以及相关的电路板安装在一个长筒形铝质容器内作探头，γ-n混合源放置在探头内腔的前端，γ-n混合源的两端用铅屏蔽。在探头的外缘有一个与之相配合的套管。套管上部的两侧外缘装设有主机和电池盒，在主机和电池盒的底部设有一个密度和含氢量相对稳定、几何尺寸不易改变的聚乙烯制作的标准桶。套管贯穿标准桶的中心，在标准桶的下部，γ-n混合源的外围，设置一个铅屏蔽套，用来阻止γ射线向周围辐射，以利安全。该仪器不用时，探头中的放射源均置于屏蔽套内，并用套管顶端的卡簧锁住探头。而当需测量时，按下卡簧，探头可在套管内移动直至到所需测定的深度位置。通过上述来实现本实用新型的目的，
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为本实用新型纵剖主视图图2为本实用新型的原理框图参见图1，本实用新型主要由探头(3)，标准桶(5)，主机(8)三大部分组成。主机(8)为盒形，位于标准桶(5)的顶部一侧并与之相连，在测量套管(10)的左侧。主机(8)以单片机为核心，其外观正面上部斜向的面板设有功能键和显示窗口，它通过电缆(317)，接插头(316)使主机(8)和探头(3)、电池盒(12)进行通讯联系，利用接插件(7)和(9)定位，并用连接件(6)固定在标准桶(5)顶部的左侧。探头(3)在测孔中测得的土壤密度和含水量讯号数据，经处理转换成所需测参数实时显示，存贮或打印输出，并可发出音响和对电源进行检测。
标准桶(5)是一个用聚乙烯制作的空心几何构件，可以做成园形、方形、多面体或其他几何形状，中心有一通孔，下部为阶梯形孔，供探头(3)穿越和安装铅屏蔽套(2)之用，通过连接件(6)与主机(8)相连。标准桶(5)外面用金属外壳(4)包裹，在标准桶(5)底部的中心有一个与之相接的喇叭形底座(1)，底座(1)用来支承整个测量仪器，在测量时放置在测孔中的测量导管上，底座(1)喇叭口的一侧与测量导管(14)相接，在测量时，测量导管(14)伸入土壤检测孔中，而在非测量状态时，测量导管(14)则可卸下放入包装箱中。
作为仪器主要构件的探头(3)，为铝合金管件制作的探头管(313)所包容的检测单元，它与测量套管(10)及测量导管(14)相配合，探头(3)可在测量套管(10)及测量导管(14)内上下滑动。探头(3)的最底端为底端铅屏蔽件(301)，由底端往上，依次为γ-n混合源(302)、铅主屏蔽件(303)、锂玻璃(304)、支承圈(305)、光电倍增管(306)、电阻分压板A(307)、NaI(TL)晶体(308)、光电倍增管(309)、电阻分压板B(310)、前放板(311)、高压板A(312)、探头管(313)、高压板B(314)、探头盖(315)、接插头(316)、电缆(317)，探头盖(315)盖住探头(3)的上端并让接插头(316)和电缆(317)从盖上穿过。
图2为本实用新型电路原理框图，为保证仪器的性能稳定和较高的测量精度，从电路设计和工艺方面加以保证。对各信号通道加装前置放大器隔离，使各级间有良好的匹配以提高传输信噪比，减少电路内部噪声影响，对核信号线性脉冲的长线传输连接，采用阻抗匹配办法，防止反射干扰。在工艺上对整机装配采用全部屏蔽，对电路板精心设计，对弱信号、反馈线的布局予以充分考虑，并采取接地隔离措施。
本仪器由电池供给电源，电池装于标准桶(5)顶端的电池盒内，位于探头(3)的右侧，通过接插件(13)与电缆(317)与探头(3)和主机(8)联系。仪器内设有两组高压电源，分别供给γ和n探测器，高压范围为400～1200v可调，输入电压范围为8～12v，在主机电路板上有±5、+12v低压电源，采用DC/DC变换器，变换效率在满载情况大于80％，稳定度为1‰。
本实用新型具有前放、主放各两组，分别用来放大γ信号和中子(n)信号。两套甄别整形电路较为简单，先调节高压和放大倍数，得出一个理想的谱，再根据谱确定甄别电压。经过甄别器的信号进行整形变为标准方法信号送入计算机进行计算处理。
工作过程位于探头(3)底部的γ-n混合源(302)，其γ射线与探头(3)孔中周围的土壤散射后，由NaI(TL)晶体(308)，和光电倍增管(309)所构成的γ射线探测器所接收，经γ前放，电子模拟开关，γ主放，甄别整形，送入主机(8)处理，测得土壤的密度。
γ-n混合源(302)中的241Am-Be源发射的中子射线与探头(3)孔中周围的土壤中作用，中子射线被土壤中水份的氢核所散射而变化成热中子，由锂玻璃闪烁体(304)和光电倍增管(306)所构成的中子探测器所接收，经n前放，电子模拟开关，n主放，甄别整形，送入主机(8)处理测出土壤中的含水量。
当仪器不工作时，测量导管(14)卸下，卡簧(11)锁住探头(3)，使探头(3)内的混合源(302)置于屏蔽套(2)的内腔，减少γ-n混合源(302)对周围环境的幅射，以保证安全。而当需要检测时，对路段所需测点进行钻孔，仪器另有配套钻孔设备，孔径的大小应与探头管(313)和测量导管(14)相配合，保证探头(3)及其探头管(313)能在测量导管(14)内自由上下移动。检测孔的深度根据检测需要而定，本实用新型最大检测深度可达10米。检测时，把导管插入钻好的孔中，将仪器套在导管的顶端，由底座(1)支承仪器，按下卡簧(11)，将探头(3)放入孔内所需测深度位置，使探头(3)定位于某测深位置，进行测量就可测出该处的湿密度、绝对含水量、干密度、百分含水量、压实度。对于同一检测孔，可在不同深度测出其上述参数。对于测出的参数可实时显示，亦可将测得的参数贮存在主机内，可随时调出打印输出。
权利要求1.一种涉及深层核子密度、含水量测定仪，用于土建工程土基深层密度、含水量的测定，它利用137Cs作γ射线源，通过与物质相互作用前后强度变化，并以NaI(TL)闪烁晶体加光电倍增管作探测器来测定土壤密度，用241Am-Be作中子源，以锂玻璃闪烁体加光电倍增管作中子探测器测定土壤的含水量，其特征是，采用单管散射插入型测量方式，主要由探头(3)、标准桶(5)、主机(8)三大部分构成，以γ-n混合源(302)、探测器以及相关的电路板安装在探头(3)内，探头(3)由一个长筒形铝合金空心探头管(313)所包容的检测单元，它贯穿标准桶(5)的中心，并可在测量套管(10)和测量导管(14)中上下移动，标准桶(5)为聚氯乙烯制作的空心几何体，顶部左侧，通过连接件(6)与主机(8)相连，顶部的右侧与电池盒(12)相连，底部与喇叭形底座(1)相接，探头(3)由顶部的卡簧(11)定位在测量套管(10)内，通过接插头(316)、电缆(317)与主机(8)及电池盒(12)进行通讯联系，整机支承在标准桶(5)底部中心的喇叭形底座(1)上。
2.根据权利要求1所述的深层核子密度、含水量测定仪，其特征是，探头(3)内腔的前端为γ-n混合源(302)，其两端和外缘为铅屏蔽，γ-n混合源(302)的底部为底端铅屏蔽件(301)，上端为主铅屏蔽件(303)，探头(3)下部的外缘为铅屏蔽套(2)，由主铅屏蔽件(303)往上依次为锂玻璃(304)、支承圈(305)、光电倍增管(306)、电阻分压板A(307)、NaI(TL)晶体(308)、光电倍增管(309)、电阻分压板B(310)、前放板(311)、高压板A(312)、高压板B(314)、探头盖(315)，探头盖(315)盖住探头(3)的上端并让接插头(316)和电缆(317)从盖上穿过。
3.根据权利要求1所述的深层核子密度、含水量测定仪，其特征是，标准桶(5)为空心几何体，其形状可以是方形、圆筒形、多面体，中心有一个阶梯形通孔，其上部通孔与测量套管(10)配合，下部嵌装有铅屏蔽套(2)，γ-n混合源在非工作状态时，贮存在铅屏蔽套(2)内，标准桶(5)的外表用金属外壳(4)包裹。
4.根据权利要求1所述的深层核子密度、含水量测定仪，其特征是主机(8)以单片机为核心，其外观正面上部斜向的面板上设有功能键和显示窗口，主机板上有±5v+12v低压电源，采用DC/DC变换器，输出的高压范围为400v～1200v可调。
专利摘要一种涉及深层核子密度含水量测定仪,用于土建工程土基密度、含水量的测定,主要由主机(8)、标准桶(5)、探头(3)所组成,为单管散射插入型。在探头(3)内腔的前端设置有
文档编号G01N23/20GK2293829SQ9622269
公开日1998年10月7日 申请日期1996年9月6日 优先权日1996年9月6日
发明者朱怀安, 姜玉兰, 尹喜林, 祝勇 申请人:湖南省交通科学研究所