專利名稱：深層核子密度含水量測定儀的制作方法
技術領域：
一種涉及深層核子密度含水量測定儀，用于公路、鐵路、堤壩、機場等土建工程土基深層密度含水量的快速檢測、屬物理檢測儀器。
在現有技術中，對于土建工程土基施工質量的檢測與控制十分重要，特別是在高等級公路施工質量的檢測中。路基和路面結構層壓實度的檢測與控制是影響施工質量的關鍵因素。為此，必須檢測與控制路基不同深度結構層中的密度與含水量。對路面結構層壓實度的檢測與控制問題，國內外都有相應的檢測儀器，如美國的MC-3與3440型便攜式核子密度含水量儀和DOR-100型、4545型移動式核子密度計。國內湖南省交通科學研究所的MT5012型與RMT5112型便攜式核子密度含水量測定儀和MT5022型移動式核子密度含水量儀等。已初步解決了路基和路面結構層壓實度的檢測與控制問題。但是，對路基施工中，需經常檢測數米深處的密度和含水量，以便控制路基的質量，上述儀器卻無能為力。傳統的方法是在測點處將土基挖掘至所需深度，對土基的樣品進行常規方法或核子法檢測其密度和含水量，這些方法不僅費工費時，而且對路基的破壞性很大。目前在國外對土基深層密度和含水量的檢測，已有相應的儀器設備，最具代表性的是美國CPN公司501DR型深層核子密度含水量儀，但這種儀器價格昂貴，維修和配件供應都不易解決，使用也不盡人意，無法滿足國內土建工程需要。
鑒上，本實用新型的目的就在于提供一種結構簡單，性能穩定，顯示直觀，操作方便，價格相對低廉的土基深層核子密度含水量測定儀。
本實用新型采用以下技術方案，密度測量是利用γ射線和物質相互作用原理，即康普頓效應。γ射線與物質原子的外圍電子進行碰撞而散射，散射后的γ射線方向改變，能量減小，物質密度越大，康普頓散射的幾率也越大。通過γ射線在物質內散射前后的強度變化就能確定物質的密度。本實用新型用137Cs作γ射線源，以NaI(TL)閃爍晶體加光電倍增管作γ射線探測器，來測定土基的密度。含水量的測量是利用中子和物質的相互作用原理，即中子和物質的散射作用原理，在散射作用中，中子被氫核散射的幾率最大。因此，中子在物質中被不斷散射減速而最終變成熱中子，這個作用過程中，主要由物質中的含氫量來決定。在土壤中氫主要存在于水中，因此通過測量中子在土壤中散射減速而變成熱中子的數量就能確定土壤中的含水量。本實用新型用241Am-Be源作中子源，以鋰玻璃閃爍體加光電倍增管作熱中子探測器。本實用新型采用單管散射插入型測量方式。主要由主機、標準筒和探頭三部分構成，以γ-n混合源、探測器以及相關的電路板安裝在一個長筒形鋁質容器內作探頭，γ-n混合源放置在探頭內腔的前端，γ-n混合源的兩端用鉛屏蔽。在探頭的外緣有一個與之相配合的套管。套管上部的兩側外緣裝設有主機和電池盒，在主機和電池盒的底部設有一個密度和含氫量相對穩定、幾何尺寸不易改變的聚乙烯制作的標準桶。套管貫穿標準桶的中心，在標準桶的下部，γ-n混合源的外圍，設置一個鉛屏蔽套，用來阻止γ射線向周圍輻射，以利安全。該儀器不用時，探頭中的放射源均置于屏蔽套內，并用套管頂端的卡簧鎖住探頭。而當需測量時，按下卡簧，探頭可在套管內移動直至到所需測定的深度位置。通過上述來實現本實用新型的目的，
以下結合附圖和實施例，詳述本實用新型的工作原理和結構特征。
圖1為本實用新型縱剖主視圖圖2為本實用新型的原理框圖參見圖1，本實用新型主要由探頭(3)，標準桶(5)，主機(8)三大部分組成。主機(8)為盒形，位于標準桶(5)的頂部一側并與之相連，在測量套管(10)的左側。主機(8)以單片機為核心，其外觀正面上部斜向的面板設有功能鍵和顯示窗口，它通過電纜(317)，接插頭(316)使主機(8)和探頭(3)、電池盒(12)進行通訊聯系，利用接插件(7)和(9)定位，并用連接件(6)固定在標準桶(5)頂部的左側。探頭(3)在測孔中測得的土壤密度和含水量訊號數據，經處理轉換成所需測參數實時顯示，存貯或打印輸出，并可發出音響和對電源進行檢測。
標準桶(5)是一個用聚乙烯制作的空心幾何構件，可以做成園形、方形、多面體或其他幾何形狀，中心有一通孔，下部為階梯形孔，供探頭(3)穿越和安裝鉛屏蔽套(2)之用，通過連接件(6)與主機(8)相連。標準桶(5)外面用金屬外殼(4)包裹，在標準桶(5)底部的中心有一個與之相接的喇叭形底座(1)，底座(1)用來支承整個測量儀器，在測量時放置在測孔中的測量導管上，底座(1)喇叭口的一側與測量導管(14)相接，在測量時，測量導管(14)伸入土壤檢測孔中，而在非測量狀態時，測量導管(14)則可卸下放入包裝箱中。
作為儀器主要構件的探頭(3)，為鋁合金管件制作的探頭管(313)所包容的檢測單元，它與測量套管(10)及測量導管(14)相配合，探頭(3)可在測量套管(10)及測量導管(14)內上下滑動。探頭(3)的最底端為底端鉛屏蔽件(301)，由底端往上，依次為γ-n混合源(302)、鉛主屏蔽件(303)、鋰玻璃(304)、支承圈(305)、光電倍增管(306)、電阻分壓板A(307)、NaI(TL)晶體(308)、光電倍增管(309)、電阻分壓板B(310)、前放板(311)、高壓板A(312)、探頭管(313)、高壓板B(314)、探頭蓋(315)、接插頭(316)、電纜(317)，探頭蓋(315)蓋住探頭(3)的上端并讓接插頭(316)和電纜(317)從蓋上穿過。
圖2為本實用新型電路原理框圖，為保證儀器的性能穩定和較高的測量精度，從電路設計和工藝方面加以保證。對各信號通道加裝前置放大器隔離，使各級間有良好的匹配以提高傳輸信噪比，減少電路內部噪聲影響，對核信號線性脈沖的長線傳輸連接，采用阻抗匹配辦法，防止反射干擾。在工藝上對整機裝配采用全部屏蔽，對電路板精心設計，對弱信號、反饋線的布局予以充分考慮，并采取接地隔離措施。
本儀器由電池供給電源，電池裝于標準桶(5)頂端的電池盒內，位于探頭(3)的右側，通過接插件(13)與電纜(317)與探頭(3)和主機(8)聯系。儀器內設有兩組高壓電源，分別供給γ和n探測器，高壓范圍為400～1200v可調，輸入電壓范圍為8～12v，在主機電路板上有±5、+12v低壓電源，采用DC/DC變換器，變換效率在滿載情況大于80％，穩定度為1‰。
本實用新型具有前放、主放各兩組，分別用來放大γ信號和中子(n)信號。兩套甄別整形電路較為簡單，先調節高壓和放大倍數，得出一個理想的譜，再根據譜確定甄別電壓。經過甄別器的信號進行整形變為標準方法信號送入計算機進行計算處理。
工作過程位于探頭(3)底部的γ-n混合源(302)，其γ射線與探頭(3)孔中周圍的土壤散射后，由NaI(TL)晶體(308)，和光電倍增管(309)所構成的γ射線探測器所接收，經γ前放，電子模擬開關，γ主放，甄別整形，送入主機(8)處理，測得土壤的密度。
γ-n混合源(302)中的241Am-Be源發射的中子射線與探頭(3)孔中周圍的土壤中作用，中子射線被土壤中水份的氫核所散射而變化成熱中子，由鋰玻璃閃爍體(304)和光電倍增管(306)所構成的中子探測器所接收，經n前放，電子模擬開關，n主放，甄別整形，送入主機(8)處理測出土壤中的含水量。
當儀器不工作時，測量導管(14)卸下，卡簧(11)鎖住探頭(3)，使探頭(3)內的混合源(302)置于屏蔽套(2)的內腔，減少γ-n混合源(302)對周圍環境的幅射，以保證安全。而當需要檢測時，對路段所需測點進行鉆孔，儀器另有配套鉆孔設備，孔徑的大小應與探頭管(313)和測量導管(14)相配合，保證探頭(3)及其探頭管(313)能在測量導管(14)內自由上下移動。檢測孔的深度根據檢測需要而定，本實用新型最大檢測深度可達10米。檢測時，把導管插入鉆好的孔中，將儀器套在導管的頂端，由底座(1)支承儀器，按下卡簧(11)，將探頭(3)放入孔內所需測深度位置，使探頭(3)定位于某測深位置，進行測量就可測出該處的濕密度、絕對含水量、干密度、百分含水量、壓實度。對于同一檢測孔，可在不同深度測出其上述參數。對于測出的參數可實時顯示，亦可將測得的參數貯存在主機內，可隨時調出打印輸出。
權利要求1.一種涉及深層核子密度、含水量測定儀，用于土建工程土基深層密度、含水量的測定，它利用137Cs作γ射線源，通過與物質相互作用前后強度變化，并以NaI(TL)閃爍晶體加光電倍增管作探測器來測定土壤密度，用241Am-Be作中子源，以鋰玻璃閃爍體加光電倍增管作中子探測器測定土壤的含水量，其特征是，采用單管散射插入型測量方式，主要由探頭(3)、標準桶(5)、主機(8)三大部分構成，以γ-n混合源(302)、探測器以及相關的電路板安裝在探頭(3)內，探頭(3)由一個長筒形鋁合金空心探頭管(313)所包容的檢測單元，它貫穿標準桶(5)的中心，并可在測量套管(10)和測量導管(14)中上下移動，標準桶(5)為聚氯乙烯制作的空心幾何體，頂部左側，通過連接件(6)與主機(8)相連，頂部的右側與電池盒(12)相連，底部與喇叭形底座(1)相接，探頭(3)由頂部的卡簧(11)定位在測量套管(10)內，通過接插頭(316)、電纜(317)與主機(8)及電池盒(12)進行通訊聯系，整機支承在標準桶(5)底部中心的喇叭形底座(1)上。
2.根據權利要求1所述的深層核子密度、含水量測定儀，其特征是，探頭(3)內腔的前端為γ-n混合源(302)，其兩端和外緣為鉛屏蔽，γ-n混合源(302)的底部為底端鉛屏蔽件(301)，上端為主鉛屏蔽件(303)，探頭(3)下部的外緣為鉛屏蔽套(2)，由主鉛屏蔽件(303)往上依次為鋰玻璃(304)、支承圈(305)、光電倍增管(306)、電阻分壓板A(307)、NaI(TL)晶體(308)、光電倍增管(309)、電阻分壓板B(310)、前放板(311)、高壓板A(312)、高壓板B(314)、探頭蓋(315)，探頭蓋(315)蓋住探頭(3)的上端并讓接插頭(316)和電纜(317)從蓋上穿過。
3.根據權利要求1所述的深層核子密度、含水量測定儀，其特征是，標準桶(5)為空心幾何體，其形狀可以是方形、圓筒形、多面體，中心有一個階梯形通孔，其上部通孔與測量套管(10)配合，下部嵌裝有鉛屏蔽套(2)，γ-n混合源在非工作狀態時，貯存在鉛屏蔽套(2)內，標準桶(5)的外表用金屬外殼(4)包裹。
4.根據權利要求1所述的深層核子密度、含水量測定儀，其特征是主機(8)以單片機為核心，其外觀正面上部斜向的面板上設有功能鍵和顯示窗口，主機板上有±5v+12v低壓電源，采用DC/DC變換器，輸出的高壓范圍為400v～1200v可調。
專利摘要一種涉及深層核子密度含水量測定儀,用于土建工程土基密度、含水量的測定,主要由主機(8)、標準桶(5)、探頭(3)所組成,為單管散射插入型。在探頭(3)內腔的前端設置有
文檔編號G01N23/20GK2293829SQ9622269
公開日1998年10月7日 申請日期1996年9月6日 優先權日1996年9月6日
發明者朱懷安, 姜玉蘭, 尹喜林, 祝勇 申請人:湖南省交通科學研究所