ИМПУЛЬСНЫЙ НЕЙТРОННЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ МАТЕРИАЛОВ
PULSE NEUTRON METHOD OF DETERMINING MOISTURE CONTENT MATERIALS

Изобретение относится к радиационным способам бесконтактного измерения влажности материалов с помощью нейтронного излучения и может быть использовано для экспрессного измерения влажности грунтов, дорожных покрытий и других материалов.
Приборы для измерения влажности, основанные на использовании нейтронного излучения, были разработаны в нашей стране в конце 60-х годов прошлого века. Они широко применялись для контроля и измерения влажности бетонов, грунтов, руд, концентратов, шихтовых материалов (Теория и практика экспрессного контроля влажности твердых и жидких материалов / Под ред. Е.С. Кричевского. М.: Энергия, 1980. 240 с.).
В настоящее время для измерения плотности и влажности грунтов и различных материалов в основном используется аппаратура фирмы Troxler (США): Troxler 3430 (URL: http://troxlerlabs.com/downloads/pdfs/3430/3430manual.pdf) и Troxler 3440 [URL: http://troxlerlabs.com/downloads/pdfs/3440/3440manual.pdf].
5
Этими приборами измеряется плотность и влажность контролируемого материала. Для измерения плотности используется гамма-источник Cs-137 (8 mCi), а при измерении влажности - нейтронные ампульные источники: Am-Be или Cf-252, выход которых не превышает 5·10 нейтрон/с.
Применение для измерения влажности портативных нейтронных генераторов обеспечивает:
- безопасность обращения с источником в процессе хранения и транспортировки из-за отсутствия излучений в выключенном состоянии;
- отсутствие фоновых излучений, обусловленных неупругим рассеянием быстрых нейтронов в материале, при использовании генератора 2,5 МэВ нейтронов;
- улучшение соотношения полезного сигнала к фону и расширение возможностей аппаратуры в случае импульсного нейтронного генератора за счет разделения во времени облучения материала быстрыми нейтронами и регистрации образующихся излучений;
7
- увеличение производительности измерений за счет более высокого нейтронного выхода, который для генераторов нейтронов с энергией 2,5 МэВ превышает 10 нейтрон/с (URL: http://www.vniia.ru/ng/element.html).
Известен «Способ определения влажности», при котором измеряемый материал облучают быстрыми нейтронами от источника, регистрируют поток замедленных нейтронов, образующихся в материале, двумя группами детекторов-счетчиков медленных нейтронов, максимумы спектральной чувствительности которых разнесены в пределах диапазона энергий замедляющихся нейтронов, например, при помощи кадмиевого фильтра, измеряют выходные сигналы от каждой из групп детекторов при отсутствии анализируемого материала, а также после поочередной подачи материала с известной влажностью. (Патент RU 2251684; МПК: G01N 23/12; 2005. Аналог.)
Недостатком аналога является сравнительно низкая чувствительность способа, обусловленная низкой статистической точностью измерения потока нейтронов группой детекторов, снабженных фильтром, по сравнению с группой детекторов без фильтра.
Известен «Импульсный нейтронный способ определения влажности материалов», заключающийся в том, что исследуемый материал облучают импульсным потоком быстрых нейтронов, регистрируют временное распределение потока тепловых нейтронов, определяют время начала нейтронного импульса до наступления максимума потока тепловых нейтронов, регистрируют временное распределение потока надтепловых нейтронов и определяют среднее время пребывания нейтрона в надтепловой области. (Патент SU 1114156; G01N 23/02; 1991. Прототип.)
Недостатком прототипа является сравнительно низкая чувствительность способа измерения влажности материалов, обусловленная низкой статистической точностью измерения распределения потока надтепловых нейтронов во времени и среднего времени пребывания нейтрона в надтепловой области в связи с относительно малым количеством образующихся надтепловых нейтронов.
Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности способа измерения влажности материалов.
Технический результат достигается тем, что в импульсном нейтронном способе определения влажности материалов, заключающемся в облучении контролируемого материала импульсным потоком быстрых нейтронов и регистрации тепловых нейтронов, выходящих из контролируемого материала, контролируемый материал облучают быстрыми нейтронами с энергией 2,5 МэВ, измеряют поток быстрых нейтронов во время нейтронных импульсов, в промежутках между нейтронными импульсами регистрируют тепловые нейтроны, образующиеся в контролируемом материале, нормируют количество зарегистрированных тепловых нейтронов на поток быстрых нейтронов, определяют влажность контролируемого материала путем сравнения нормированного значения количества зарегистрированных тепловых нейтронов со значениями, полученными из калибровочных измерений с тестовыми образцами.
Сущность способа поясняется чертежом и табл. 1, 2.
На чертеже схематично показано одно из возможных устройств, которое может быть использовано для реализации способа, где 1 - импульсный источник быстрых нейтронов, 2 - мониторный детектор быстрых нейтронов, 3 - детектор тепловых нейтронов, 4, 5 - тепловые и быстрые нейтроны соответственно, 6 - контролируемый материал, 7 - блок управления импульсным источником 1, 8 - блок регистрации быстрых и тепловых нейтронов, 9 - процессор, 10 - терминал.
Демонстрация технического результата производится путем сравнения чувствительности заявленного способа с чувствительностью способов, потенциально пригодных для измерения влажности путем облучения контролируемого материала импульсным излучением быстрых нейтронов. Эти способы отличаются тем, что вместо тепловых нейтронов регистрируются либо надтепловые нейтроны, либо гамма-излучение радиационного захвата тепловых нейтронов на водороде с энергией 2,223 МэВ, либо временная зависимость счета тепловых нейтронов.
При заданной абсолютной ошибке и доверительной вероятности измерения чувствительность способа, основанного на регистрации того или иного вида излучения, определяется произведением времени измерения на площадь соответствующего детектора. Чем меньше величина произведения, тем выше чувствительность способа.
Сравнение проводится на примере измерения влажности дорожного покрытия из асфальтобетона.
В Табл. 1 представлено принятое в расчете относительное весовое содержание химических элементов в асфальтобетоне.
В Табл. 2 представлены значения величин, измеряемых при реализации указанных способов, где:
т
эт
1.2
2
N, N - средние количества тепловых и надтепловых нейтронов, регистрируемых за время между импульсами нейтронного генератора детекторами кольцевой формы, заключенными между окружностями с радиусами R=25, 40 см, отнесенные к 1 см площади соответствующего детектора и одному быстрому нейтрону источника 1;
т
1.2
τ - константа временного спада для счета детектора 3 тепловых нейтронов кольцевой формы, заключенными между окружностями с радиусами R=25, 40 см, определенная в интервале 600-1000 мкс после нейтронного импульса;
1.2
2
F - количество гамма-квантов с энергией 2,223 МэВ, падающее на гамма-детектор кольцевой формы, заключенный между окружностями с радиусами R=25, 40 см, отнесенное к 1 см площади гамма-детектора и одному быстрому нейтрону источника 1;
т
γ
1,2
S, ε·S - площадь детектора 3 тепловых нейтронов и произведение эффективности регистрации гамма квантов на площадь гамма детектора, которые необходимы для обеспечения абсолютной ошибки измерения влажности 0,5% с доверительной вероятностью 0,95 на отрезке дорожного покрытия длиной 10 м устройством, перемещаемым со скоростью 10 км/час, в случае детекторов кольцевой формы, заключенных между окружностями с радиусами R=25, 40 см.
Сравнение чувствительности рассматриваемых способов измерения влажности проводилось расчетным путем с использованием метода Монте-Карло. В расчете предполагалось:
- толщина слоя асфальтобетона составляет 18 см;
3
- подложка выполнена из известнякового щебня плотностью 2 г/см и толщиной 40 см;
3
3
- объемная влажность асфальтобетона изменяется в пределах от 0% до 12%, плотность при этом изменяется в пределах от 2,3 г/см до 2,1 г/см;
- расстояние между источником 1 быстрых нейтронов, а также плоскостью, в которой находится детектор 3, и поверхностью дорожного покрытия составляет h=20 см;
- устройство установлено на транспортном средстве, движущемся со скоростью 10 км/час;
- требуемое пространственное разрешение вдоль направления движения составляет 10 м.
При указанной скорости движения и пространственном разрешении время одного измерения составляет 3,6 с.
7
7
В расчетах также предполагалось, что длительность нейтронных импульсов составляет Δt=40 мкс, а интенсивность импульсного источника 1, излучающего быстрые нейтроны с энергией 2,5 МэВ в полный телесный угол, составляет 10 нейтрон/с. Фактически для импульсного нейтронного генератора типа ИНГ-07 минимальная длительность импульса составляет 20 мкс, а максимальный нейтронный выход достигает 4·10 нейтрон/с (URL: http://www.vniia.ru/ng/element.html).
Кроме того, предполагалось, что регистрация тепловых нейтронов осуществляется пропорциональным счетчиком, заполненным гелием-3 до давления 4 атм. Детектор надтепловых нейтронов отличается от детектора тепловых нейтронов тем, что с целью повышения его эффективности он дополнительно окружен слоем полиэтилена толщиной 8 мм и экраном из кадмия толщиной 0,7 мм для поглощения тепловых нейтронов. С целью упрощения расчетов путь, проходимый нейтроном в гелии-3 в обоих детекторах, считался не зависящим от траектории нейтрона и равным 2 см.
1
2
При расчете временной зависимости счета тепловых нейтронов длительностью нейтронного импульса пренебрегалось (Δt≈0 мкс). Зависимость усреднялась по площади кольцевого детектора, заключенного между окружностями радиусами R=25 см и R=40 см с центром, находящимся на оси импульсного источника 1.
В расчетах учитывались спектр нейтронов, падающих на тот или иной детектор, и спектральная зависимость эффективности регистрации.
т
эт
т
Данные расчетов, представленные в Табл. 2, показывают, что F<<N и N<<N. Кроме того, эффективность регистрации ε гамма-квантов с энергией E=2,223 МэВ также существенно меньше единицы. Отсюда следует, что для обеспечения заданной статистической значимости результатов измерений при одном и том же времени одного измерения (3,6 с) площади гамма-детектора и детектора надтепловых нейтронов должны быть существенно больше площади детектора тепловых нейтронов.
т
т
т
т
т
Способ, в котором регистрируется константа спада τ счета тепловых нейтронов, также имеет низкую чувствительность ввиду того, что статистическая точность измерения τ ниже, чем в случае измерения N, и измерение τ с необходимой точностью требует значительно большего времени, чем измерение N при одной и той же площади детектора тепловых нейтронов.
т
2
Таким образом, наиболее высокую чувствительность имеет способ, в котором регистрируется количество тепловых нейтронов N, приходящих на детектор 3 между нейтронными импульсами, при условии постоянства выхода быстрых нейтронов генератора или эффективного его мониторирования. В этом случае требуемые точность измерения влажности и пространственное разрешение могут быть обеспечены в указанном выше интервале изменения объемной влажности детектором тепловых нейтронов площадью около 600 см (см. Табл. 2).
Количество тепловых нейтронов, регистрируемых детектором 3, зависит также от объемной плотности контролируемого материала. Это означает, что способ нуждается в калибровке на тестовых образцах материала того же состава и плотности, что и контролируемый материал, и отличающихся лишь влажностью.
т
Устройство для измерения влажности путем измерения N должно содержать: импульсный источник 1 быстрых нейтронов 5, располагаемый на минимально возможном расстоянии от поверхности контролируемого материала 6 и соединенный с блоком управления 7; мониторный детектор 2 быстрых нейтронов, который может располагаться внутри источника 1 или рядом с ним и соединен с блоком регистрации 8; детектор 3 тепловых нейтронов 4, располагаемый в плоскости, параллельной поверхности контролируемого материала 6, на минимально возможном расстоянии от этой поверхности и подключенный к блоку регистрации 8; блок управления 7 и блок регистрации 8 подключены к процессору 9, соединенному с терминалом 10. При этом взаимное расположение детекторов 2 и 3 не имеет значения.
Импульсный источник 1 быстрых нейтронов выполняется в виде импульсного нейтронного генератора, излучающего быстрые нейтроны с энергией 2,5 МэВ. Применение генераторов 14 МэВ нейтронов, обладающих значительно большим нейтронным выходом, также возможно, но приводит к существенному ухудшению радиационной обстановки в месте измерения.
В качестве мониторного детектора 2 могут использоваться сцинтилляционные детекторы, в частности, на основе волоконных пластмассовых сцинтилляторов или алмазные детекторы (патент RU 2504853; МПК: G21G 4/02; 2014).
В качестве детектора 3 тепловых нейтронов могут быть использованы широкораспространенные пропорциональные счетчики.
Способ реализуют следующим образом.
Заранее определяют время измерений и скорость перемещения устройства вдоль поверхности контролируемого материала, исходя из технических характеристик устройства, требуемой точности измерения влажности, пространственного разрешения измерений.
Размещают устройство на минимально возможном расстоянии от поверхности контролируемого материала 6.
Включают питание электронных блоков устройства. Устанавливают с помощью процессора 9 режимы работы детекторов 2 и 3, а также режим работы источника 1 посредством блока управления 7.
Запускают источник 1 на генерацию импульсов быстрых нейтронов на время измерений. Быстрые нейтроны 5, попавшие на поверхность контролируемого материала 6, входят в него. В контролируемом материале 6 быстрые нейтроны 5 испытывают упругие столкновения с ядрами атомов химических элементов материала, вследствие чего замедляются, становясь со временем тепловыми нейтронами 4. Количество образовавшихся тепловых нейтронов 4 определяется влажностью контролируемого материала 6.
Тепловые нейтроны 4, диффундируя в контролируемом материале 6, частично подходят к его поверхности, выходят из материала 6 в сторону источника 1 и попадают на детектор 3, который совместно с блоком регистрации 8 регистрирует тепловые нейтроны 4, пришедшие в промежутках между нейтронными импульсами.
Мониторным детектором 2 совместно с блоком регистрации 8 регистрируют быстрые нейтроны 5, выходящие из импульсного источника 1 во время нейтронных импульсов в сторону мониторного детектора 2.
Процессор 9 обеспечивает периодически нормировку количества тепловых нейтронов 4, зарегистрированных между нейтронными импульсами, на выход быстрых нейтронов 5, зарегистрированных во время нейтронных импульсов, и записывает значения нормированного количества в свою память. По окончании измерений процессор 9 производит сравнение нормированного количества тепловых нейтронов 4 со значениями, заранее заложенными в память процессора и полученными при калибровочных измерениях тестовых образцов контролируемого материала 6 той же плотности и разной влажности.
Влажность контролируемого материала 6 определяют по влажности тестового образца, для которого нормированное количество тепловых 4 нейтронов максимально близко совпадает с измеренным значением.
Результаты измерений выводятся на экран терминала 10.