核密度測定

核密度測定法は、土木建築や石油産業、鉱業、考古学の分野で、試験材料の密度と内部構造を測定するために使用される技術です。このプロセスでは、粒子を放出する放射線源と、試験材料によって反射または通過した受信粒子をカウントするセンサーで構成される核密度ゲージを使用します。センサーに戻る粒子の割合を計算することで、ゲージを較正して密度を測定できます。

土質工学において、核密度計または土壌密度計は、圧縮された物質の密度を測定するために使用される現場計測器です。この装置は、ガンマ線と物質の相互作用を利用して、直接透過法または「後方散乱」法のいずれかで密度を測定します。この装置は、放射性源 (セシウム 137) から放出された光子の数を計数して、ゲージ ベースの検出器チューブで読み取ることにより、物質の密度を測定します。計数期間には通常、60 秒間隔が使用されます。

さまざまな種類がさまざまな目的に使用されます。道路や壁などの非常に浅い物体の密度分析には、¹³⁷セシウムなどのガンマ線源エミッターを使用してガンマ線を生成します。これらの同位体は、表面 10 インチ (25 センチメートル) を高精度で分析するのに効果的です。226^ラジウムは、 328 ヤード (300 メートル) の深さで使用されます。このような機器は、洞窟を見つけたり、トンネル建設が危険になるような密度の低い場所を特定したりするのに役立ちます。

原子核密度計は通常、2つのモードのいずれかで動作します。^[1]

直接伝送: 引き込み式ロッドは、あらかじめ開けられた穴からマットに下げられます。放射線源は放射線を放出し、放射線は物質内の電子と相互作用してエネルギーを失い、または方向を変えられます (散乱)。十分なエネルギーを失った放射線や検出器から散乱して離れた放射線はカウントされません。物質の密度が高いほど、相互作用の可能性が高くなり、検出器のカウントは低くなります。したがって、検出器のカウントは物質の密度に反比例します。カウントを実際の密度に関連付けるために、較正係数が使用されます。

後方散乱: 引き込み式ロッドが下げられ、検出器と同じ高さになりますが、まだ装置内にあります。放射線源から放射線が放出され、それが物質内の電子と相互作用してエネルギーを失い、方向転換 (散乱) します。検出器に向かって散乱した放射線がカウントされます。物質の密度が高いほど、放射線が検出器に向かって方向転換される可能性が高くなります。したがって、検出器のカウントは密度に比例します。カウントを実際の密度と相関させるには、較正係数が使用されます。

多くのデバイスは、材料の密度と水分含有量の両方を測定するために作られています。これらは、構造物、道路、高速道路、空港の滑走路を支えるのに適した土壌条件を確認するために不可欠であるため、特に 土木建設業界にとって重要です。

核密度計は圧縮土台に使用され、その圧縮率を判定します。^{[2] [3]}現場試験を行う前に、技術者はゲージの校正を行い、機械の「標準カウント」を記録します。標準カウントとは、機械内部の 2 つの核源から放出される放射線の量で、損失や漏れはありません。これにより、機械は放出された放射線の量と受け取った放射線の量を比較できます。直径 3/4 インチのロッドを使い、圧縮土台に穴を開けます。ロッドを打ち込んで穴を開け、密度計のプローブを挿入します。その穴の上に密度計を置き、プローブ上部のハンドルのロックを解除してプローブを穴に挿入します。一方の源から放射が出て、それが土壌の原子と相互作用します。これを標準カウントと比較することで密度が算出されます。もう一方の源は水素原子と相互作用して、土壌の水分率を算出します。

直接透過モードでは、放射源はゲージのベースを通って事前に掘削された穴まで伸び、放射源を目的の深さに配置します。テスト手順は、既知の量の放射性物質を特定の深さに埋め、地表でガイガー カウンターを使用して、土壌の密度が土壌を通したガンマ線の浸透をどの程度効果的にブロックするかを測定するのと似ています。土壌の密度が増加すると、テスト対象の土壌内での電子との衝突による分散により、土壌を通過できる放射線は少なくなります。

土壌の水分レベルは土壌の密度に部分的に影響するため、この計器にはアメリシウム/ベリリウム高エネルギー中性子源と熱中性子検出器で構成される中性子水分計も含まれています。高エネルギー中性子は水素原子と衝突すると減速し、検出器は「減速した」中性子をカウントします。このカウントは土壌の水分含有量に比例します。ほとんどの土壌に含まれる水素のほとんどすべてがこの水 ( H ₂ O) に含まれる水素によるものだからです。計器は水分含有量を計算し、それを土壌の密度 (湿潤密度) から差し引いて、土壌の乾燥密度を報告します。

核密度計は、パイプ内の液体の密度を測定するのにも使用できます。パイプの片側に線源を、もう片側に検出器を取り付けた場合、検出器で見られる放射線の量は、パイプ内の液体によって提供される遮蔽に依存します。Tracerco は1950 年代に放射線を使用して密度を測定する先駆者となり、Beer-Lambert の法則が光学だけでなく放射線にも適用されることを突き止めました。ゲージは通常、方程式の未知数を見つけるために、既知の密度のガスと液体を使用して較正されます。較正後、線源検出器の配置が一定である限り、パイプ内の液体の密度を計算することができます。1 つの要因は、放射性線源の半減期( ¹³⁷ Cs の場合は 30 年) であり、これはシステムを定期的に再較正する必要があることを意味します。現代のシステムには、線源の崩壊に対する補正が組み込まれています。^[4]

^{もう一つの方法は、 241}アメリシウム/ベリリウムのような強力な中性子源を使用して中性子放射を生成し、戻ってくる中性子の散乱エネルギーを測定することです。水素は中性子を減速させる特性があるため、センサーは水素の密度を計算し、地下水たまり、数メートルの深さまでの湿度、水分含有量、またはアスファルト含有量を見つけることができます。

中性子源は、同様に分離器（石油生産）の性能を評価するためにも使用できます。ガス、石油、水、砂はすべて水素原子の濃度が異なり、反射する低速中性子の量も異なります。241 ^AmBe中性子源と低速中性子検出器を備えたヘッドを使用して、分離器を上下にスキャンすることで、分離器内の界面レベルを判定できます。

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