中子测水技术在中国的发展

赵经武,刘圣康,张治平

(南京大学 物理学院,江苏南京 210093)

中子测水技术是利用快中子与氢原子核相互作用的原理设计的一种测量物质中水含量的技术。中子测水具有无损、不接触物质直接测量水分的特点,对水分的反应迅速、灵敏,可以连续测量水分,对大体积物料的积分测量,可得到不均匀料的平均水分。中子测水可以不取样直接测量,满足工农业自动化生产中在线测量的需要;也可以取样测量,用于实验室样品的水分检测。

中子水分计的种类有很多。按测量方式分类有[1]:插入型、表层型、透射型和散射型等;按测量原理分类有:中子减速扩散法、中子减速透射法、中子衰减法和中子散射法等;按测量装置分类有:固定式、手提式和取样式等。

国外于20世纪50年代开始研究中子土壤水分计[2-3],70年代时已用于钢铁、建筑和铸造等自动化生产,以及研制实验室用的取样式中子水分计,到80年代,中子水分计用于测定肥料和食品中的水分。

我国研制中子水分计始于20世纪60年代,70年代真正开展起来,由南京大学1978年研制、无锡无线电八厂生产的SHD-1型插入型中子水分计为第一批工业用中子水分计。1983年第一届全国中子计技术学术交流会时,我国自主研制的中子水分计只有固定式插入型中子水分计和手提式插入型中子水分计。所用中子探测器均为BF3计数管。研制单位仅有南京大学、兰州大学和江苏省农业科学院。生产厂家仅有无锡市无线电八厂一家。1987年第二届全国中子水分计技术学术交流会时,我国中子水分计的研究和应用已有较大发展,当时已经开始采用锂玻璃、He计数管和电晕管做中子探测器。固定式插入型中子水分计发展成为数字式和微机化中子水分计;新开发的中子水分计有固定式表层型中子水分计,手提式插入型带密度修正的中子水分计[4-6],手提式表层型中子水分计、取样式热中子透射计和散射计。1989年第三届全国中子计技术学术交流会时,品种方面增加了手提背筒式插入型中子水分计、手提式表层型带密度修正的中子水分计和取样式带密度修正的中子水分计[7-9]。研制单位也有所增加,如大连应用技术研究所、北京核仪器厂、杭州机械设计所和南京水利科学研究院。此后,1992年、1995年、1999年、2003年和2007年连续召开了5届全国中子计技术学术交流会,中子水分计的研制和应用更加完善,带密度修正和微机化的高精度中子水分计是当时的发展方向[7]。

随着中子水分测量技术在我国的发展和完善,中子水分测量在我国从单纯的土壤水分测量和高炉上料系统水分测量,发展到农田水分管理和节水灌溉[10-11]、江河堤防安全监测[12-15]、土基压实度的检测和控制及混凝土质量自动化控制,以及陶料水分、焦炭水分、玻璃原料水分、粉煤和块煤水分等的测量[16-20]。

本文拟按测量方式(插入型、表层型、取样式中心水分计)分类,介绍自20世纪70年代以来,我国中子测水技术的发展过程。

1 插入型中子水分计

插入型中子水分计的原理是根据快中子在物质中的减速扩散,在中子源周围形成一个热中子场,热中子的空间分布随水分含量的变化而变化,水分含量大时,峰狭而高;水分含量小时,峰宽而低。热中子探测器放在中子源附近,只要探头设计合理,探测器的计数率会随水分含量的增加而增大。插入型中子水分计的响应一般可用费米年龄理论、二组扩散理论计算。南京大学采用三组理论计算,与实验结果吻合度较好。南京大学通过采用三组理论对球团料和焦炭等的热中子空间分布水分响应计算,提出了环源探头,该探头的使用进一步提高了插入型中子水分计的性能;提出了理论与实验相结合的标定方法;提出了超热中子水分计的设计方案。

我国研制和生产的插入型中子水分计主要有两种:一是点状中子源与热中子探测器组成的插入型中子水分计,根据需要,点状中子源可以放置于探测器的前端,也可以放置于探测器的两侧,另一种是环状中子源与热中子探测器组成的插入型中子水分计,环状中子源套在热中子探测器上,根据需要,可以调节环状中子源套在热中子探测器上的位置。插入型中子水分计原理图示于图1。

在工业自动化生产和农田土壤水分测量中,测量对象的密度变化会影响插入型中子水分计对水分的测量。20世纪80年代中期,我国学者研制出了插入型带密度修正的中子水分计,它是在插入型中子水分计装置中加入了γ源和γ探测器,用于密度变化的测量,修正密度变化对水分测量的影响,进一步推动了中子测水技术在我国的发展。

图1 插入型中子水分计示意图

2 表层型中子水分计

表层型中子水分计也是根据快中子在物质中的减速扩散,中子射进物料内减速扩散后,部分中子反射而被探测,反射的中子数随水分增大而增大,所以表层型中子水分计探测的是热中子,选用的是热中子探测器,如BF3计数管和锂玻璃探测器,中子源和热中子探测器放在一个表面探头内。在插入型中子水分计不适用的场地,即无适当的插入测量位置时,改用表层型中子水分计测量。

我国研制的表层型中子水分计,主要是由点状中子源和热中子探测器组成表层型探头,该探头放在待测料的表面上,其原理示于图2。其典型应用是在公路、铁路、机场等土建工程中对土基压实度进行检测和控制;此外,还用于焦炭中水分的检测,堤防安全监测和检验堤防工程防渗墙的渗控效果,了解堤身水分含量的空间分布规律及加固前后水分含量的时间过程曲线,对比防渗墙施工前后堤身渗透系数的变化情况。湖南省交通科学研究所研制的NDH-A型密度含水量联合测定仪,采用中子源和锂玻璃探测器,用于检测铁路和公路路基。杭州机械设计所表层型中子水分计,用于测定振动压路机的压实性能。我国生产的表层型中子水分计基本都带有密度测量系统,既可以测量密度,又可以进行水分的密度修正。

3 取样式中子水分计

图2 表层型中子水分计示意图

取样式中子水分计分为透射型和散射型,为小样品中子水分计,其测量系统由中子束发射装置和中子探测器所组成,透射型中子水分计是将待测样品放在中子束和中子探测器的中间,根据中子束衰减规律确定样品的水分,引出的中子束经过样品后,强度被减弱,水分愈大,透射率愈小。热中子透射计是测量热中子束的衰减程度进而确定样品的水分,镉差法是热中子透射计测量水分的常用方法。散射型中子水分计是在透射型中子水分计基础上,将中子探测器移到待测样品的侧面,探测被散射的中子,散射中子数与待测样品含水量满足一定的关系。在透射型中子水分计不适合使用的场合,选用散射型中子水分计。

中子源放在石蜡慢化体内,南京大学用三组理论研究了石蜡慢化体内的热中子空间分布和镉比分布,从而设计了井型中子束发射装置,研制成热中子透射型中子水分计(其结构示意简图示于图3),续而开发出散射型中子水分计。其后在井中放入γ源,开发出透射型密度水分联合计。南京大学设计的井型中子束发射装置,成为我国取样式中子水分计的主流。

取样式中子水分计具有快速、无损检测样品水分的特点,取代了传统的烘干法,成为取样水分测量的常规方法,在工农业生产和实验室中使用。如农田土壤取样和高炉上料及粉煤取样的水分测量、湿玻璃纤维材料中含硼量对水分测量的干扰、保证陶瓷工艺质量的陶料水分的控制等。

图3 透射型中子水分计示意图

表1列出了我国研制的中子水分计的水分测量范围和精度。我国中子测水技术中,基本使用的是我国生产的241Am-Be中子源,它的半衰期长,伴随的γ射线弱。根据需要可以使用点源、环源甚至线源。所使用的中子探测器也为我国生产,有 BF3计数管、锂玻璃、He计数管和电晕管等。

表1 我国研制的中子水分计的水分测量范围和精度

4 结 论

20世纪80年代和90年代,我国中子测水技术得到了快速的发展。近年来应用范围也越来越广[21-29],工农业生产中中子测水技术已成为测水的常规方法之一;建筑行业的混凝土生产过程中,也引进了中子水分测量技术,测定黄砂水分,提高水灰比的控制精度,保证混凝土质量,有利于实现混凝土生产的全面自动化。中子测水技术在我国有关行业中的使用,提升了这些行业的自动化程度,提高了生产质量,减轻了劳动强度,降低了生产成本。由中子测水发展起来的技术,也拓展到如石油勘探中含氢指数的确定和沥青含量[30]等其他领域。

近几年,随着中子技术的发展和提高,也随着某些领域对水分测量的要求,中子测水技术也在拓展。如在钢筋混凝土结构的使用寿命中,用中子照相技术来观察水分在多孔混凝土中的运动过程,了解水和溶解于水中的有害离子通过混凝土孔隙的毛细吸附、扩散或两者的复合作用对混凝土内部的侵入[31]。基于瞬发γ射线中子活化分析(PGNAA)的特征γ射线方法也用于煤的全水分分析中,它可以避免元素间的干扰问题,对煤的全水分测量有更高的精度,并选用了脉冲中子发生器和 BGO(锗酸铋)γ射线探测器[32]。

[1] 刘圣康.我国中子计的发展[J].同位素,1991,4(2):114-118.

[2] lgaard PL.On the theory of the neutronic method for measuring the water content in soil[J].Risö Report,1965,97:4-18.

[3] IAEA Technical Reports series,Neutron Moisture Gauges,No:112[R].Vienna:IAEA,1970.

[4] 刘圣康,王述新.密度对插入型中子水分计响应的影响[J].原子能科学技术,1986,20(1):38-43.

[5] 刘圣康,宣义仁.插入型中子水分计响应的研究[J].原子能科学技术,1988,22(2):162-168.

[6] 刘圣康,桑海.焦炭中子水分探头的响应[J].南京大学学报,1988,24(2):256-265.

[7] 刘圣康,鲍关雄,桑海,等.高精度中子水分计的研制[J].同位素,1993,6(4):198-202.

[8] 罗克勇.深层中子土壤水分仪闪烁探头测量机制的研究[J].核技术,1989,12(1):15-18.

[9] 林家斌,戴跃伟,高国治,等.浅深层高精确度中子土壤水分仪[J].核农学通报,1996,17(3):141-143.

[10]逢春浩.中子土壤水分探测仪在农田建设和土壤改良中的应用[J].核电子学与探测技术,1992,12(5):288-294.

[11]李瑛,李冰.中子土壤水分仪在灌溉管理中的应用[J].新疆水利,2000,(2):28-30.

[12]张庆彬,张升光,岳三利.NDH-AⅡ型密度含水量联合测定仪在黄河防洪工程建设中的应用[J].人民黄河,1999,21(9):23-24.

[13]姜玉兰.NDH-A型核子土基密度、含水量联合测定仪的标定及使用[J].长沙交通学院学报,1989,5(2):65-72.

[14]朱怀安,姜玉兰,尹喜林,等.NH-A型中子土基含水量测定仪的研制[J].核技术,1988,11(5):24-28.

[15]李刚,马水山,徐卫军.智能中子土壤水分仪在长江堤防安全监测中的应用[J].长江科学院院报,2000,17(增刊):56-58.

[16]刘圣康.我国热中子透射计的应用[J].同位素,1995,8(3):175-178.

[17]刘圣康,金仲良.热中子透射法测陶料水分[J].核技术,1993,16(7):409-412.

[18]金仲良,刘圣康,李兵.带密度修正的热中子透射计测陶料水分的研究[J].同位素,1994,7(4):193-197.

[19]张治平,刘圣康,张永杰,热中子透射法测定湿玻璃纤维材料含硼量时的水分干扰,核技术,2001,24(1):13-16.

[20]刘圣康,余泳,张粉楼,等.用热中子透射计测玻璃原料的水分[J].核技术,1997,20(9):546-550.

[21]胡顺军,田长彦,周宏飞.中子仪土壤墒情监测方法研究[J].干旱地区农业研究,2000,18(2):70-75.

[22]杜代军,温以华.中子仪的标定及其在小流域土壤水分监测中的应用[J].地下水,2009,31(4):21-24.

[23]陈洪松,邵明安.中子仪的标定及其在坡地土壤水分测量中的应用[J].干旱地区农业研究,2003,21(2):68-71.

[24]毛飞,刘晓宏,胡秋卷,等.中子仪测定气候观测场和农田土壤水分的试验研究[J].中国农业气象,2005,26(2):77-80.

[25]伍维模,吕双庆,王冀平.中子水分仪在棉田土壤上的标定研究[J].干旱地区农业研究,2002,20(1):84-87.

[26]郭守平,杨秀春,徐斌.中子水分仪在流动沙丘上的标定研究[J].干旱地区农业研究,2006,24(14):72-75.

[27]邓建强,魏江生,何金军,等.中子水分仪在黄土丘陵区的标定研究[J].水土保持研究,2008,15(6):218-221.

[28]李刚.在线中子水分仪在玻璃自动配料系统中的应用[J].玻璃,2006,(5):38-40.

[29]贺成柱.基于DSP的烧结混合料中子水分控制系统[J].机械研究与应用,2006,19(4):53-54.

[30]李锡棋.表层型中子计测定沥青含量[J].同位素,1991,4(4):217-220.

[31]ZHAO Tie-jun,ZHAN GP,Wittmann FH,et al.Observation of water penetration into uncracked and cracked steel reinforced concrete elements by means of neutron radiography[J].Journal of Qingdao Technological University,2008,29(5):9-16.

[32]田玉冰,桑海峰,谷德山,等.脉冲中子法检测煤的全水分[J],北京师范大学报:自然科学版,2004,36(3):31-35.