中子測(cè)水技術(shù)在中國(guó)的發(fā)展

趙經(jīng)武,劉圣康,張治平

(南京大學(xué) 物理學(xué)院,江蘇南京 210093)

中子測(cè)水技術(shù)是利用快中子與氫原子核相互作用的原理設(shè)計(jì)的一種測(cè)量物質(zhì)中水含量的技術(shù)。中子測(cè)水具有無(wú)損、不接觸物質(zhì)直接測(cè)量水分的特點(diǎn),對(duì)水分的反應(yīng)迅速、靈敏,可以連續(xù)測(cè)量水分,對(duì)大體積物料的積分測(cè)量,可得到不均勻料的平均水分。中子測(cè)水可以不取樣直接測(cè)量,滿足工農(nóng)業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中在線測(cè)量的需要;也可以取樣測(cè)量,用于實(shí)驗(yàn)室樣品的水分檢測(cè)。

中子水分計(jì)的種類有很多。按測(cè)量方式分類有[1]:插入型、表層型、透射型和散射型等;按測(cè)量原理分類有:中子減速擴(kuò)散法、中子減速透射法、中子衰減法和中子散射法等;按測(cè)量裝置分類有:固定式、手提式和取樣式等。

國(guó)外于20世紀(jì)50年代開始研究中子土壤水分計(jì)[2-3],70年代時(shí)已用于鋼鐵、建筑和鑄造等自動(dòng)化生產(chǎn),以及研制實(shí)驗(yàn)室用的取樣式中子水分計(jì),到80年代,中子水分計(jì)用于測(cè)定肥料和食品中的水分。

我國(guó)研制中子水分計(jì)始于20世紀(jì)60年代,70年代真正開展起來(lái),由南京大學(xué)1978年研制、無(wú)錫無(wú)線電八廠生產(chǎn)的SHD-1型插入型中子水分計(jì)為第一批工業(yè)用中子水分計(jì)。1983年第一屆全國(guó)中子計(jì)技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)時(shí),我國(guó)自主研制的中子水分計(jì)只有固定式插入型中子水分計(jì)和手提式插入型中子水分計(jì)。所用中子探測(cè)器均為BF3計(jì)數(shù)管。研制單位僅有南京大學(xué)、蘭州大學(xué)和江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院。生產(chǎn)廠家僅有無(wú)錫市無(wú)線電八廠一家。1987年第二屆全國(guó)中子水分計(jì)技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)時(shí),我國(guó)中子水分計(jì)的研究和應(yīng)用已有較大發(fā)展,當(dāng)時(shí)已經(jīng)開始采用鋰玻璃、He計(jì)數(shù)管和電暈管做中子探測(cè)器。固定式插入型中子水分計(jì)發(fā)展成為數(shù)字式和微機(jī)化中子水分計(jì);新開發(fā)的中子水分計(jì)有固定式表層型中子水分計(jì),手提式插入型帶密度修正的中子水分計(jì)[4-6],手提式表層型中子水分計(jì)、取樣式熱中子透射計(jì)和散射計(jì)。1989年第三屆全國(guó)中子計(jì)技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)時(shí),品種方面增加了手提背筒式插入型中子水分計(jì)、手提式表層型帶密度修正的中子水分計(jì)和取樣式帶密度修正的中子水分計(jì)[7-9]。研制單位也有所增加,如大連應(yīng)用技術(shù)研究所、北京核儀器廠、杭州機(jī)械設(shè)計(jì)所和南京水利科學(xué)研究院。此后,1992年、1995年、1999年、2003年和2007年連續(xù)召開了5屆全國(guó)中子計(jì)技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì),中子水分計(jì)的研制和應(yīng)用更加完善,帶密度修正和微機(jī)化的高精度中子水分計(jì)是當(dāng)時(shí)的發(fā)展方向[7]。

隨著中子水分測(cè)量技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展和完善,中子水分測(cè)量在我國(guó)從單純的土壤水分測(cè)量和高爐上料系統(tǒng)水分測(cè)量,發(fā)展到農(nóng)田水分管理和節(jié)水灌溉[10-11]、江河堤防安全監(jiān)測(cè)[12-15]、土基壓實(shí)度的檢測(cè)和控制及混凝土質(zhì)量自動(dòng)化控制,以及陶料水分、焦炭水分、玻璃原料水分、粉煤和塊煤水分等的測(cè)量[16-20]。

本文擬按測(cè)量方式(插入型、表層型、取樣式中心水分計(jì))分類,介紹自20世紀(jì)70年代以來(lái),我國(guó)中子測(cè)水技術(shù)的發(fā)展過(guò)程。

1 插入型中子水分計(jì)

插入型中子水分計(jì)的原理是根據(jù)快中子在物質(zhì)中的減速擴(kuò)散,在中子源周圍形成一個(gè)熱中子場(chǎng),熱中子的空間分布隨水分含量的變化而變化,水分含量大時(shí),峰狹而高;水分含量小時(shí),峰寬而低。熱中子探測(cè)器放在中子源附近,只要探頭設(shè)計(jì)合理,探測(cè)器的計(jì)數(shù)率會(huì)隨水分含量的增加而增大。插入型中子水分計(jì)的響應(yīng)一般可用費(fèi)米年齡理論、二組擴(kuò)散理論計(jì)算。南京大學(xué)采用三組理論計(jì)算,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度較好。南京大學(xué)通過(guò)采用三組理論對(duì)球團(tuán)料和焦炭等的熱中子空間分布水分響應(yīng)計(jì)算,提出了環(huán)源探頭,該探頭的使用進(jìn)一步提高了插入型中子水分計(jì)的性能;提出了理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的標(biāo)定方法;提出了超熱中子水分計(jì)的設(shè)計(jì)方案。

我國(guó)研制和生產(chǎn)的插入型中子水分計(jì)主要有兩種:一是點(diǎn)狀中子源與熱中子探測(cè)器組成的插入型中子水分計(jì),根據(jù)需要,點(diǎn)狀中子源可以放置于探測(cè)器的前端,也可以放置于探測(cè)器的兩側(cè),另一種是環(huán)狀中子源與熱中子探測(cè)器組成的插入型中子水分計(jì),環(huán)狀中子源套在熱中子探測(cè)器上,根據(jù)需要,可以調(diào)節(jié)環(huán)狀中子源套在熱中子探測(cè)器上的位置。插入型中子水分計(jì)原理圖示于圖1。

在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)和農(nóng)田土壤水分測(cè)量中,測(cè)量對(duì)象的密度變化會(huì)影響插入型中子水分計(jì)對(duì)水分的測(cè)量。20世紀(jì)80年代中期,我國(guó)學(xué)者研制出了插入型帶密度修正的中子水分計(jì),它是在插入型中子水分計(jì)裝置中加入了γ源和γ探測(cè)器,用于密度變化的測(cè)量,修正密度變化對(duì)水分測(cè)量的影響,進(jìn)一步推動(dòng)了中子測(cè)水技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展。

圖1 插入型中子水分計(jì)示意圖

2 表層型中子水分計(jì)

表層型中子水分計(jì)也是根據(jù)快中子在物質(zhì)中的減速擴(kuò)散,中子射進(jìn)物料內(nèi)減速擴(kuò)散后,部分中子反射而被探測(cè),反射的中子數(shù)隨水分增大而增大,所以表層型中子水分計(jì)探測(cè)的是熱中子,選用的是熱中子探測(cè)器,如BF3計(jì)數(shù)管和鋰玻璃探測(cè)器,中子源和熱中子探測(cè)器放在一個(gè)表面探頭內(nèi)。在插入型中子水分計(jì)不適用的場(chǎng)地,即無(wú)適當(dāng)?shù)牟迦霚y(cè)量位置時(shí),改用表層型中子水分計(jì)測(cè)量。

我國(guó)研制的表層型中子水分計(jì),主要是由點(diǎn)狀中子源和熱中子探測(cè)器組成表層型探頭,該探頭放在待測(cè)料的表面上,其原理示于圖2。其典型應(yīng)用是在公路、鐵路、機(jī)場(chǎng)等土建工程中對(duì)土基壓實(shí)度進(jìn)行檢測(cè)和控制;此外,還用于焦炭中水分的檢測(cè),堤防安全監(jiān)測(cè)和檢驗(yàn)堤防工程防滲墻的滲控效果,了解堤身水分含量的空間分布規(guī)律及加固前后水分含量的時(shí)間過(guò)程曲線,對(duì)比防滲墻施工前后堤身滲透系數(shù)的變化情況。湖南省交通科學(xué)研究所研制的NDH-A型密度含水量聯(lián)合測(cè)定儀,采用中子源和鋰玻璃探測(cè)器,用于檢測(cè)鐵路和公路路基。杭州機(jī)械設(shè)計(jì)所表層型中子水分計(jì),用于測(cè)定振動(dòng)壓路機(jī)的壓實(shí)性能。我國(guó)生產(chǎn)的表層型中子水分計(jì)基本都帶有密度測(cè)量系統(tǒng),既可以測(cè)量密度,又可以進(jìn)行水分的密度修正。

3 取樣式中子水分計(jì)

圖2 表層型中子水分計(jì)示意圖

取樣式中子水分計(jì)分為透射型和散射型,為小樣品中子水分計(jì),其測(cè)量系統(tǒng)由中子束發(fā)射裝置和中子探測(cè)器所組成,透射型中子水分計(jì)是將待測(cè)樣品放在中子束和中子探測(cè)器的中間,根據(jù)中子束衰減規(guī)律確定樣品的水分,引出的中子束經(jīng)過(guò)樣品后,強(qiáng)度被減弱,水分愈大,透射率愈小。熱中子透射計(jì)是測(cè)量熱中子束的衰減程度進(jìn)而確定樣品的水分,鎘差法是熱中子透射計(jì)測(cè)量水分的常用方法。散射型中子水分計(jì)是在透射型中子水分計(jì)基礎(chǔ)上,將中子探測(cè)器移到待測(cè)樣品的側(cè)面,探測(cè)被散射的中子,散射中子數(shù)與待測(cè)樣品含水量滿足一定的關(guān)系。在透射型中子水分計(jì)不適合使用的場(chǎng)合,選用散射型中子水分計(jì)。

中子源放在石蠟慢化體內(nèi),南京大學(xué)用三組理論研究了石蠟慢化體內(nèi)的熱中子空間分布和鎘比分布,從而設(shè)計(jì)了井型中子束發(fā)射裝置,研制成熱中子透射型中子水分計(jì)(其結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖示于圖3),續(xù)而開發(fā)出散射型中子水分計(jì)。其后在井中放入γ源,開發(fā)出透射型密度水分聯(lián)合計(jì)。南京大學(xué)設(shè)計(jì)的井型中子束發(fā)射裝置,成為我國(guó)取樣式中子水分計(jì)的主流。

取樣式中子水分計(jì)具有快速、無(wú)損檢測(cè)樣品水分的特點(diǎn),取代了傳統(tǒng)的烘干法,成為取樣水分測(cè)量的常規(guī)方法,在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)室中使用。如農(nóng)田土壤取樣和高爐上料及粉煤取樣的水分測(cè)量、濕玻璃纖維材料中含硼量對(duì)水分測(cè)量的干擾、保證陶瓷工藝質(zhì)量的陶料水分的控制等。

圖3 透射型中子水分計(jì)示意圖

表1列出了我國(guó)研制的中子水分計(jì)的水分測(cè)量范圍和精度。我國(guó)中子測(cè)水技術(shù)中,基本使用的是我國(guó)生產(chǎn)的241Am-Be中子源,它的半衰期長(zhǎng),伴隨的γ射線弱。根據(jù)需要可以使用點(diǎn)源、環(huán)源甚至線源。所使用的中子探測(cè)器也為我國(guó)生產(chǎn),有 BF3計(jì)數(shù)管、鋰玻璃、He計(jì)數(shù)管和電暈管等。

表1 我國(guó)研制的中子水分計(jì)的水分測(cè)量范圍和精度

4 結(jié) 論

20世紀(jì)80年代和90年代,我國(guó)中子測(cè)水技術(shù)得到了快速的發(fā)展。近年來(lái)應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣[21-29],工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中中子測(cè)水技術(shù)已成為測(cè)水的常規(guī)方法之一;建筑行業(yè)的混凝土生產(chǎn)過(guò)程中,也引進(jìn)了中子水分測(cè)量技術(shù),測(cè)定黃砂水分,提高水灰比的控制精度,保證混凝土質(zhì)量,有利于實(shí)現(xiàn)混凝土生產(chǎn)的全面自動(dòng)化。中子測(cè)水技術(shù)在我國(guó)有關(guān)行業(yè)中的使用,提升了這些行業(yè)的自動(dòng)化程度,提高了生產(chǎn)質(zhì)量,減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度,降低了生產(chǎn)成本。由中子測(cè)水發(fā)展起來(lái)的技術(shù),也拓展到如石油勘探中含氫指數(shù)的確定和瀝青含量[30]等其他領(lǐng)域。

近幾年,隨著中子技術(shù)的發(fā)展和提高,也隨著某些領(lǐng)域?qū)λ譁y(cè)量的要求,中子測(cè)水技術(shù)也在拓展。如在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命中,用中子照相技術(shù)來(lái)觀察水分在多孔混凝土中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程,了解水和溶解于水中的有害離子通過(guò)混凝土孔隙的毛細(xì)吸附、擴(kuò)散或兩者的復(fù)合作用對(duì)混凝土內(nèi)部的侵入[31]?；谒舶l(fā)γ射線中子活化分析(PGNAA)的特征γ射線方法也用于煤的全水分分析中,它可以避免元素間的干擾問(wèn)題,對(duì)煤的全水分測(cè)量有更高的精度,并選用了脈沖中子發(fā)生器和 BGO(鍺酸鉍)γ射線探測(cè)器[32]。

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