核子密度仪

核子密度仪或者核子仪是核子密度/湿度检测仪的简称，是利用同位素放射原理实时检测土工建筑材料的密度和湿度的电子仪器。核子密度通常安装有一个密封的10毫居里的铯137伽玛源和一个密封的50毫居里的镅241/铍中子源，仪器中还安装有密度和湿度两种射线探测器，分别与伽玛源和中子源共同对被测材料的密度和湿度进行测量。[1]

注意事项

工业上一些水泥厂、选煤厂等使用的厚度计、料位计、密度计及核子秤等也使用同类的放射性同位素，但这类仪器所使用的放射源的活度一般为十到五百个居里，是土木工程上使用的核子仪的一千倍到五万倍，两者完全不在一个数量级上。

两类仪器虽然名称相似，而且采用近似的检测原理，但它们的使用方式、防护方法和应用目的完全不同。

基本功能

核子仪用于施工现场快速地检测建筑材料的湿密度（总密度）和含水量（湿度）。完成一次检测通常只需要1分钟或更短时间。不同品牌和厂家的仪器功能各不相同。有的仪器只检测密度或只检测湿度，多数品牌的仪器可以同时检测密度和湿度。

检测方法

核子仪通过检测被测材料中含有的所有元素的原子量总和来计算被检测材料的总密（(湿密度），所以仪器的密度检测不受被检测材料的颗粒大小、级配、均匀度，以及物理状态、化学成分等方面的影响；除非被测材料的化学组成与常规材料有很显著的不同，通常情况下核子仪密度检测结果不需要进行校正。

核子仪测量湿度时，测量的是被测材料中所有的氢原子，在大多数土壤和骨料中，氢原子存在于自由水中。但是蛇纹石、黏土、有机体和石灰处理的土壤含有结合水，这些材料中的结合水对仪器检测材料的含水率有轻微影响；这个问题可以通过非常简便的在仪器中输入水分偏置量的方法进行校正。

对于各种土壤和没有凝固的水泥混凝土等材料，通常采用透射法。这个方法是在被检测材料中用钢钎钻一个垂直的检测孔，然后将仪器的探测杆伸入到被检测材料中，在各个深度上检测材料的密度和湿度。

对于石头、混凝土等不能造孔的材料，通常采用反射法；这个方法是将仪器放置于被检测材料的表面，根据被检测材料的厚度和种类采用适应的检测档位，直接检测材料的密度、压实度等指标。

除了以上两种基本检测方法，有的核子仪具备更多和更强大的检测功能，比如MC-3C和MC-4C核子仪的反射法有BS和AC两个档位，分别用于不同的检测材料和检测要求，可以对任意厚度的面层材料等进行精准检测。

检测领域

通常核子仪都可以用于检测各种类型的土壤、石头、土石混合物等土工材料；有些仪器可以检测水泥混凝土，但很多仪器不能检测沥青混合料和层厚比较小的混凝土材料；也可以用于公路的地基、基层和面层、铁路路基、水库堤坝、机场跑道以及港口、发电厂、高等级赛车跑道、高层建筑等土木工程的现场施工的质量控制、监理检测、工程验收；还可以用于各种土木工程的养护检测及各种研究和开发。用于实验室和工程试验区段可以快速、准确获取各项施工参考数据。

核子仪检测土工材料时，被测材料必须有一定的厚度和足够大的体积，否则没有足够多的射线计数用于计算密度或湿度。沥青混合料通常在铺筑时每层的厚度都不会超过7-8厘米。

仪器在检测时射线会穿透这个层厚而同时检测了其它材料，这样仪器的检测结果就不仅仅是我们希望检测的薄层材料的密度，而是不同层厚的材料的共同的密度。

除非仪器设计人员专门为这种检测目的进行程序上和检测技术上的改造而设置薄层检测功能，否则仪器就不能用于检测薄层的沥青混合料和其它混凝土材料。

由于核子仪检测的准确、快速、安全和低成本，在压实度检测方面没有任何其他方法可以取代核子仪，尤其在使用沥青混凝土和水泥混凝土的工程项目上，没有核子仪的应用，要保证工程的质量和施工效率是不可能做到的。

所以在世界范围内，核子仪被及其广泛地应用于几乎所有的大型和重要的土木工程项目。

发展历史

第二次世界大战以后，许多国家由于战后重建和经济发展的需要，都陆续进行大规模的基础设施建设，世界各地的许多研究组织，研究利用核技术测定建筑材料的密度、含水量以及其它指标，以保证工程项目的质量和建设速度。

在1968年以前，只有一种标准方法用于现场测定土壤和集料的密度—灌沙法。

这种设备的操作人员必须在地面挖一个洞，在洞中填满沙子，计算出密度，然后取一个试样到实验室测定含水量；这个方法对于每次检测都要花费半个小时的时间，操作人员需要避免许多出现差错的原因，并且这种检测方法是破坏性的——因为留下了一个必需修复的洞，含水量的检测结果要在第二天试样烘干了以后才会得到。

1968年以前，也只有一种标准方法用于现场测定沥青路面密度，在路面中用钻孔法得到一个芯样。把取芯试样带回实验室，用天平称取重量，并测量出它的体积，然后计算出密度，也就是重量除以体积。

到了1972年，核子仪在硬件设计和软件应用方面有了显著的改进。

便携式核子仪可以对于土壤和沥青混凝土路面进行高精度的快速检测，并且核子仪可以消除由于土壤类型或化学成分不同导致的检测偏差；新的仪器设计，完全使用了高效能的现代电子技术，这使仪器变得轻便、可靠并易于操作。

80年代以后，核子仪安装了可以进行现场编程微处理器，可以直接从显示器读取测量结果，从而更大地减少了操作人员的现场检测的工作量。

在过去的三十多年时间里，核子仪用于土工材料的密度和湿度检测已在世界范围内得到认可，并成为业界的标准检测方法。

分类

浅层核子仪

浅层核子仪又称为表层核子仪。

当我们提到核子仪时，通常是指测量深度为30厘米的浅层核子密度/湿度检测仪，如MC-3C型和MC-4C型核子仪，在公路、铁路及水利大坝等土木工程的施工中应用最为广泛和市场上最常见的就是这种浅层核子仪。

分层核子仪

分层核子仪又称为中层核子仪，测量深度为60-90厘米，如MC-S-24和MC-S-36型核子仪。

分层核子仪有两根检测杆，所以有的地方称作双杆核子仪，其放射源和检测器分别放置于两根不同的探杆的端部，沿水平层面逐层检测被压实材料，一般应用于压实层较厚的情况，特别适用于碾压混凝土（RCC）工程项目的压实检测。

深层核子仪

深层核子仪的测量深度为数米至数百米深，如501DR核子密度仪和503DR中子水分仪。

深层核子仪一般用于深层填埋材料的密度和含水率检测，还有定点长期监测公路、铁路路基、堤坝、护坡等的密度和含水率的变化以及用于检测水中的含沙量和含泥量。

沥青含量核子仪

核子沥青含量检测仪用于无污染、快速检测沥青混合料中的沥青含。

其它核子仪

除了以上各种仪器以外，被称作核子仪的还有用于土壤水分检测的中子水分检测仪和用于化工管道绝热层中隐藏水分检测的核子管道水分检测仪等。

工作原理

总密度

一个密封的10毫居里铯-137伽玛源向土壤等被测材料放射伽玛射线，穿透被检测材料的射线会被仪器中的密度检测管检测到。如果材料的密度较低，材料吸收的伽玛射线较少，那么在一定时间内较多的伽玛射线就会穿过材料，检测管的计数将较高：反之，如果材料的密度较高，高密度的材料吸收了更多的伽玛射线，那么在同样时间内就会有较少的伽玛射线穿过材料，检测管的计数将较低。

伽玛射线在被测材料中的穿透、反射和被吸收等行为只与被测材料中的组成成分的所有原子的原子核的质量相关；核子仪测量的总密度实际是单位体积的土工材料总的原子量。只有当被测材料的总的原子量发生变化时，核子仪的检测结果才相应地发生变化。

水分

一个密封的50毫居里镅241/铍中子源向土壤等被测材料放射高能中子射线，高能中子与氢原子碰撞后，迅速失去能量而变成低能中子，而其它任何种类的原子都不能象氢原子那样显着减少高能中子的能量。

被测材料中的湿度越高，水分含量就越高，氢原子就越多，当中子射线穿过时，将产生更多的低能中子；同样的原因，当被测材料较干时，产生的低能中子数目就较少。

仪器中的湿度检测管只检测低能中子。低能中子计数越高，表示被测材料的湿度越高；反之，低能中子计数越低，表示湿度越低。核子仪测量的是地表到地表以下10公分的材料的平均含水率。

核子仪在进行密度和水分测量时，分别使用不同的放射源，不同的射线接受器，不同的数据计算系统，所以密度和水分两个检测系统相互独立，其检测数据也互不影响。

标准计数

放射源衰减、周围环境变化和本底辐射都会影响仪器的检测数据。

每天或检测环境发生变化后，将仪器放置标准计数块上进行计数，获得新的计数参比结果，可以清除以上因素对检测结果的影响。

标准计数使用的工具是标准计数块，标准计数块为一小型的长方体塑料块，简称标准块；其密度和含有的氢元素都是稳定不变的。标准块厚度为5.1厘米或7.6厘米，面积相当于核子仪底座的面积；每台仪器都有自己对应的标准块。

检定

核子仪之所以能够准确检测材料的密度和湿度是因为核子仪在制造时经过了检定，检定的具体方法是将仪器依次对一组密度高低不同的标准材料块（检定块）进行检测，建立射线数量和标准密度值之间的对应关系。

在坐标图上，将不同的射线计数与标准密度之间的对应的点连接起来就会得到一条检定曲线，即在仪器的射线计数率与材料测试结果（密度和湿度）之间建立了适当的对应关系；检定数据可以以图、表和等效系数等方式表示出来或贮存在仪器里面，以用于将计数率换算成材料的密度值。

每一台核子仪在出厂时，都应该已经检定过了，现存仪器经过可能影响仪器结构的维修后，必须进行检定，所以最多每隔一年就应该使用标准密度和湿度材料对仪器的检定进行验证或重新建立检定关系；如果验证发现核子仪的检测结果与标准材料的密度或湿度之间的差异已经不符合检测要求，需要重新建立新的检定关系。

安全性

由于核子仪采用了放射原理测量密度和湿度，很多人因为不了解放射源的活度大小和人体允许接受的剂量多少和正确理解，只要一听说是放射源，就产生恐惧感，不敢使用仪器；其实无论身处何地，环境中都有本底辐射，我们在日常生活中无时无刻都不可能避免辐射。

手提式核子秘密/湿度土壤检测仪的商业应用已经超过35年之久，大约有数万台核子仪在全世界范围内应用于土木工程、地质学、农业和环境检测中。

核子仪的拥有者和使用者要遵守政府主管部门制定的法律和规定，包括需要获得许可证以及操作员要学习如何正确使用仪器；核子仪操作人员可以使用个人剂量检测装置监测受到的剂量，最常用的是剂量胶片，没有任何核子仪操作人员受到的放射线剂量超过国际辐射防护委员会的5雷姆/年的职业界限。

实际上，操作员受到的只是这个界限的很小的一部分，少于我们从自然界获得本底辐射的年平均值，从未有案例表明由于使用核子密度仪而受到长期或短期辐射伤害；与我们经常忽视的吸烟、饮酒等日常行为给我们带来的危害相比，核子仪对身体的影响是微乎其微的；从来没有发生过密封放射源由于物理损坏或火灾等原因产生泄漏，即使每年都有一些核子仪在野外施工中被意外严重毁坏，也从没有发生过对操作人员和普通公众发生污染的事故。

通过专门的设计，核子仪的表面剂量率低于操作人员或是公众需进行特别防护的水平，运输车辆或检测的位置不需要进行公告，不需要配备任何附加的防护衣服和装置。

每个国家都会有主管的政府部门对放射性产品进行严格的检测，以确认其安全性；中国环保部门和商检部门对每台正规进口到中国的仪器都要进行严格检测，通过检测的仪器必然符合安全规定和要求，用户可以放心使用；只要购置的是政府主管部门批准和认可的核子仪并且是将仪器用于正常的检测，绝不可能对操作人员造成任何危害。

优势

将核子密度仪与灌沙法或其它破坏性检测方法相比较，其优势是显而易见的，主要包括：

无损性

1、核子仪检测土壤，只需要检测表面平滑，钻一个直径为20毫米的检测孔，这样小的孔不需要修补；对于灌沙法的检测，需要挖一个直径为150毫米的洞，这样大的洞必需回填修补。

2、对于沥青路面，只需要路面平整，核子仪就可以用反射法进行检测；但取芯法，一定会给路面留下一个必须修补的孔洞。

准确性

1、核子仪对位于放射源与探测器之间的材料总重量进行响应，检测不受被检测材料中的化学的、矿物的或质地成分的影响。检测非常正确性，无论材料是否均匀，或颗粒是粗是细。

2、被检测的土壤土壤体积很大，检测结果的代表性更好，对于检测深度为8英寸（20CM）透射密度检测，试样体积大约为25立方英尺。而灌沙法检测，试样体积大约为10立方英尺。

3、核子仪在标准的、固定的、数值不变的土壤和岩石校准块或可以溯源到真实土壤的其它标准的密度、湿度材料块上进行校准；检测规程推荐每隔一到二年进行一次校准，操作员可以每天用标准计数块进行标准计数，以检测仪器的校准状况和检测功能。

速度性

一次仪器检测的全部过程耗时不到5分钟，相对于灌沙法或取芯法大约30分钟完成一次检测，核子仪允许进行更多的检测并对项目的质量进行统计分析。

简单性

1、操作员几乎不可能有潜在的错误。仪器进行检测只需要最低限度的指令，仪器自动计算和显示检测结果并给出单位，不同于灌沙法检测，高湿度和施工设备的震动不会影响在附近的核子仪的准确性。

2、不同于灌沙法操作员，核子仪操作员所有时间可以站立，如果有危险接近，他能安全地观察正在移动的施工设备，如果有危险，可以迅速离开。

实时性

核子仪在压路机通过后几分钟就可以显示检测结果，可以立即对是否需要增加碾压进行指导，可以帮助及时调整施工方法以保证获得所需要结果。

使用说明

1、现场测试前应检查仪器电源蓄电情况。如不能满足现场测试需要，应及时充电或更换电池。

2、现场测试前应对仪器的各项测量功能进行检查检查结果应符合仪器使用说明书要求。

3、现场测试前仪器应按本规程5的规定进行现场标定。

4、项场测试前应按本规程4.1和4.2的规定，测取和检验仪器的标准计数，检验合格方可使用。

5、现场测试前应按被测材料种类、碾压层厚度、现场标定所确定的校正偏差和测量精度要求等设计和设置仪器相关测量参数。

6、现场测试使仪器测量地点周围8m以内不应有任何放射源，3m以内不宜有大型建筑物。仪器测量人员在测试过程中仪与仪器保持2m以上距离。

7、当仪器放在沟渠内测试时，应按仪器说明书要求确定适合仪器测量的沟渠最小宽度。当沟渠小于最小宽度时，仪器测量结果应按仪器说明书要求进行校正。

8、对土石和混凝土密度测量，仪器测量深度应少大于或等于碾压层厚度；对薄面层压时密度测量，仪器背向散射发测量深度应稍小于或等于薄面层厚度。如仪器背向散射发测量深度大于该薄面层厚度，应按仪器使用说面要求，对仪器测量结果进行校正。

9、当碾压层厚度大雨或等于100mm时，已采用透射法密度测量方式；如被材料不宜或不易成孔时。如被材料不宜或不易成孔时，则可采用透射法密度测量方式。

10、采用背向散射发测量密度时，测量时间不应小于1min。无论采用背向散射发或是透射法，只要是包含有含水量测量，测量时间均不应小于4min；如进行单一的含水量测量，仪器源杆宜设置在背向散射发测量位置。

11、仪器测量精度和测量误差应符合工程实际要求。仪器测量精度和误差分析可按规程附录A的规定执行。

12、现场测试中的仪器使用、保管和运输中有关辐射防护安全要求应按本规程附录B的规定执行。