用中子輻射測量含氫固體薄層材料厚度的方法技術

一種用中子技術測量含氫薄層材料厚度的方法，首先在室內制作不同含氫量的標準模塊，然后用中子散射法探測裝置對這些標準模塊表面進行測量，測定出每種含氫量的材料其厚度與熱中子計數率的相關曲線，即該種材料的工作曲線，實測時，根據現場測得的熱中子計數率，由根據被測材料的含氫量選擇的與其相應的工作曲線，即可確定其厚度。它特別適合測量如混凝土或瀝青混凝土路面、噴射混凝土護層這種只有一個可測面的材料的厚度。（*該技術在2012年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于應用中子技術測量材料的厚度的
，特別涉及一種中子表面散射法測量含氫薄層材料如噴射混凝土護層、混凝土路面、瀝清混凝土路面、聚乙烯板等厚度的方法。混凝土和瀝青混凝土是高等級公路和高速公路很好的面層材料，在大規?？焖贆C械化筑路施工中路面面層厚度的測量與控制十分重要。噴射混凝土是一項混凝土施工新技術，它能降低工程造價和縮短工期，技術上成熟，因此廣泛地用于地下洞室和涵管噴護。在噴射混凝土施工中噴護厚度是施工質量檢驗的重要指標。然而迄今為止，尚無有效方法和技術能很好地解決現場施工中混凝土、瀝青混凝土路面面層和噴射混凝土噴護層厚度的無損快速檢測問題。目前對上述工程所采用的測量手段和方法有以下幾種第一種方法插筋法或稱作測釘法，即在等噴工作面上打好網格，在網格節點上預先插入一定長度的鋼筋(Φ6～Φ10)并做好長度刻度標記，然后再進行噴射混凝土施工，在噴后查看測針所埋深度以確定噴射砼層厚。這種方法十分麻煩，工作量大，費時費力而且噴射施工時由于噴射泥石流有強大沖擊力，常常將許多測釘沖掉或擊彎，造成無法量測情況。第二種方法為鉆孔法即在噴射混凝土完全固結以后采用人工鑿孔和鉆孔方法檢查，這種方法測量周期長而且會造成噴護層的破壞。第三種方法憑經驗判斷即由噴射手憑借自己經驗進行判斷，這種方法在噴護面不平整，塌落度大的情況下會有較大誤差。因此以上三種方法都不能解決現場施工中噴射混凝土層厚的無損快速檢測問題。若采用γ射線法測厚，對于上述工程，由于面層下墊層的材料的密度往往相似，γ射線很難分辨，因而無法測量。若采用超聲波法進行測厚，由于超聲波速度很快，對于那些0～25cm的薄層材料，也是很難分辨的，因而也無法測量。采用中子技術進行測量，在其它領域尚有應用，如美國專利4565926公開了一種測量物體中熱中子吸收物質含量和分布的方法與儀器，可測物體內中子吸收材料的多少與分布，如原子能反應堆的熱管中含鋰或硼材料的多少與分布，采用的是中子透射法，其測量裝置十分復雜，僅適合于室內測量。又如美國專利4243886公開了一種測量物體中子慢化或吸收特性的儀器與方法，可進行砼路面面層和砼預制板含水量的測量，其采用的方法仍屬于熱中子透射法，測量裝置較為復雜，除了需在中子源與熱中子探測器之間增加由鐵或鎢鋼材料構成的非彈性吸收體外，還需在被測物體的另一側放置由聚乙烯材料構成的中子慢化體，因此它無法實現像噴射砼噴護層這樣僅有一面可觸度的材料的測量，而且其只限于解決材料含水量的測量問題，而不能解決材料厚度的測量問題。本專利技術的目的就是要提供一種利用中子技術快速無損測量含氫薄層材料厚度的方法，特別是測量如混凝土路面面層、瀝青混凝土路面、噴射混凝土護層這種只有一個可測面的材料的厚度的方法。本專利技術構思是這樣的，當中子源發射出來的快中子與被測材料中所含物質相互作用時即通過與材料所含元素的原子核相碰撞而逐漸損失其能量，最終成為熱中子，此過程稱作中子慢化或減速過程。而在所有元素中氫原子核對快中子慢化或減速能力最強。因而被測材料中含氫量(或含水量)多少主要決定了其對快中子慢化或減速程度大小。當被測材料滿足以下條件時①被測材料為含氫或含水材料;②在材料中含氫物質或水份(化合或游離態)呈均勻分布;③被測材料呈薄層狀，其厚度在一定范圍之內;④被測材料與下面墊層材料在含氫量上有較大差異，墊層遠小于被測材料;當把裝有中子源和熱中子探測器的探頭放在符合以上條件的材料表面(中子源與熱中子探測器一道放在被測物體同側)進行測量時，中子源發射出的快中子主要與材料中的氫原子相互作用而被慢化減速，最終形成熱中子在材料中作熱運動，而熱中子主要集中分布在中子源的周圍。所形成的熱中子的濃度大小與探測器下一定面積內被測材料含氫總量即慢化物質多少相關。當被測材料含氫量確定時，所測得的熱中子計數率就與材料厚度相關既材料厚度增加時，所測得的熱中子計數率亦隨著增大。例如，如圖5所示即為含水量為250kg/m3的混凝土材料的熱中子計數率與厚度關系曲線。其中N為熱中子計數率，D為材料的厚度。由此可見，采用一定的中子散射法測量裝置，預先確定某種材料的厚度與熱中子計數率相關曲線，則可據此工作曲線和現場測定出的熱中子計數率確定該材料厚度。混凝土，瀝青混凝土路面面層，噴射混凝土噴護層和其它含氫材料如聚乙烯板材，在實際測量時，都符合前述的四個條件。本專利技術與現有技術相比具有如下優點它可快速檢測所有呈平面薄層狀含氫材料的厚度，由于采用了中子表面散射法，它特別適合測量那些只有一個可測面料料的厚度，如噴射砼噴設護層厚度、砼路面層厚度、瀝青砼路面面層厚度;由于本專利技術不需要鉆孔測量，不會破壞材料結構，因而完全實現了無損測量;由于本專利技術所采用的測量裝置主機與探頭分離，因而探頭可自由放置在被測材料表面任意位置進行測量。本專利技術的具體測量步驟是1.首先在室內制作不同含氫量的標準模塊(層狀材料)，該模塊可以用混凝土制作亦可用模擬材料即用聚乙烯薄片與鋁片所組成的復合材料制作。其含氫量由小到大，如制作含氫量為5kg、10kg的模塊模擬瀝青混凝土，制作含氫量為20kg、25kg、30kg的模塊模擬混凝土和噴射混凝土，直接用聚乙烯制作的模塊用于測量聚乙烯材料。然后用含中子源和熱中子探測器的中子探測裝置對這些標準模塊表面進行測量，測定出每種含氫量的材料其厚度與熱中子計數率的相關曲線，即該種材料的工作曲線。2.在現場進行實際測量時，或據材料原有配比或取樣分析，確定被測材料的含氫量，再據其含氫量選擇與其相應的工作曲線(材料厚度與熱中子計數率關系曲線)。3.將上述中子測量裝置(含中子源和熱中子探測器)置于被測量材料表面，測定出熱中子計數率。此時被測材料下面的墊層如巖石，碎石或其它，其含氫量要求應接近零。4.當被測材料與室內標定所用的標準含氫量模塊相同和接近時，則據其測定出的熱中子計數率按其對應的工作曲線確定其厚度。而當被測材料含氫量介于二個標準含氫量模塊之間時，用插值法確定其厚度。5.當被測材料下面的墊層含氫量不為零時，則需要在室內模擬實際情況進行標定試驗，確定在該測量條件下的工作曲線，在此基礎上再進行實際測量。下面結合附圖給出具體實施例方式實施例1.測量混凝土面層厚度試驗(1)試驗條件在一個長55cm，寬43cm，高40cm的木箱底部鋪墊30cm厚度黃沙。在黃沙層上面逐層鋪澆混凝土。將20kg碎石，20kg黃砂，9kg水泥和3.1kg清水混合攪拌均勻后，逐層鋪澆在黃砂之上，每次鋪2cm，采用含中子源和熱中子探測器的中子探測裝置放在鋪平的混凝土表面進行測量，測量時間為15秒。讀取熱中子計數率。(2)試驗結果試驗結果表明，當所鋪澆的混凝土厚度增加時，所測得的熱中子計數率隨之增加，厚度每增加1cm，熱中子計數率增加30-40，其變化幅度十分顯著。當混凝土厚度在0～8cm范圍時，厚度有0.5cm的變化，熱中子計數率就有明顯變化。表1所列為試驗有關結果。附圖說明圖1為根據表1數據作出的混凝土層厚度與熱中子計數率相關曲線。其中N為熱中子計數率(脈沖/分)，D1為砼層厚度(cm)。表1中子散射法測量混凝土厚度試驗結果 該項試驗的結果說明了用中子散射法測量混凝土厚度是可行的。實施例2.測量噴射混凝土護層厚度試驗對于地下洞室和涵管工程多采用噴射混凝本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用中子技術測量含氫薄層材料厚度的方法，其特征在于首先在室內制作不同含氫量的標準模塊（層狀材料），其含氫量由小到大，如制作含氫量為５ｋｇ、１０ｋｇ的模塊模擬瀝青混凝土，制作含氫量為２０ｋｇ、２５ｋｇ、３０ｋｇ的模塊模擬混凝土和噴射混凝土，直接用聚乙烯制作的模塊用于測量聚乙烯材料，然后用含中子源和熱中子探測器的中子探測裝置對這些標準模塊表面進行測量，測定出每種含氫量的材料其厚度與熱中子計數率的相關曲線，即該種材料的工作曲線；在現場進行實際測量時，或據材料原有配比或取樣分析，確定被測材料的含氫量，再據其含氫量選擇與其相應的工作曲線即材料厚度與熱中子計數率關系曲線；將上述中子測量裝置置于被測材料表面，測定出熱中子計數率，此時被測材料下面的墊層如巖石，碎石等，其含氫量要求應接近零；當被測材料與室內標定所用的標準含氫量模塊相同和接近時，則據其測定出的熱中子計數率按其對應的工作曲線確定其厚度；當被測材料含氫量介于二個標準含氫量模塊之間時，用插值法確定其厚度；當被測材料下面的墊層含氫量不為零時，則首先在室內模擬實際情況進行標定試驗，確定在該測量條件下的工作曲線，在此基礎上再進行實際測量。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：曹更新，程和森，李樟蘇，
申請(專利權)人：水利部交通部能源部南京水利科學研究院，
類型：發明
國別省市：32[中國|江蘇]