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核密度測定法は、土木建設や石油産業、鉱業、考古学などにおいて、試験物質の密度と内部構造を測定するために用いられる技術です。このプロセスでは、粒子を放出する放射線源と、試験物質で反射または透過した粒子を計数するセンサーで構成される核密度計を使用します。センサーに戻ってくる粒子の割合を計算することで、密度測定器を校正し、適切な密度を測定できます。
土質工学において、核密度計または土壌密度計は、圧縮された材料の密度を測定するための現場計測機器です。この装置は、ガンマ線と物質の相互作用を利用して、直接透過法または「後方散乱法」のいずれかで密度を測定します。この装置は、放射性線源（セシウム137）から放出された光子の数を計数し、計数管内の検出器で読み取ることで、材料の密度を測定します。計数間隔は通常60秒です。
出典
目的に応じて様々な種類の機器が使用されます。道路や壁など、非常に浅い物体の密度分析には、137セシウムなどのガンマ線源を用いてガンマ線を発生させます。これらの同位体は、表面から25センチメートル（10インチ）までの深さを高精度に分析するのに効果的です。226ラジウムは、300メートル（328ヤード）の深さの分析に使用されます。このような機器は、洞窟を発見したり、トンネル建設が危険となるような密度の低い場所を特定したりするのに役立ちます。
使用モード
核密度計は通常、2つのモードのいずれかで動作します。[1]
直接透過法：伸縮式ロッドを、あらかじめ開けられた穴からマット内に挿入します。線源から放射された放射線は、物質内の電子と相互作用してエネルギーを失い、あるいは方向を変えます（散乱）。十分なエネルギーを失った放射線、あるいは検出器から散乱して離れた放射線はカウントされません。物質の密度が高いほど、相互作用の確率が高くなり、検出器のカウント数は少なくなります。したがって、検出器のカウント数は物質の密度に反比例します。カウント数を実際の密度と関連付けるために、校正係数が使用されます。
後方散乱：伸縮式ロッドは検出器と平行になるよう下げられますが、装置内には収まっています。線源から放射線が放出され、物質中の電子と相互作用してエネルギーを失ったり、方向を変えたり（散乱したり）します。検出器に向かって散乱した放射線が計数されます。物質の密度が高いほど、放射線が検出器に向かって方向を変える確率が高くなります。したがって、検出器の計数は密度に比例します。計数値と実際の密度を相関させるために、校正係数が使用されます。
多くの機器は、材料の密度と水分含有量の両方を測定できるように設計されています。これは特に土木建設業界にとって重要です。なぜなら、どちらも構造物、道路、高速道路、空港の滑走路を支えるのに適した土壌条件を確認するために不可欠だからです。
用途
地盤の圧縮
核密度計は、圧縮された土壌の圧縮率を測定するために用いられる。[2] [3]現場試験を行う前に、技術者は測定器の校正を行い、測定器の「標準カウント」を記録する。標準カウントとは、装置内部の2つの核線源から放出される放射線の量であり、損失や漏洩はない。これにより、装置は放出された放射線の量と受け取った放射線の量を比較することができる。直径3/4インチのロッドを用いて、圧縮された土壌にロッドを打ち込み、密度計のプローブを挿入できる穴を開ける。この穴の上に密度計を置き、プローブ上部のハンドルのロックを解除してプローブを穴に挿入する。一方の核線源は土壌中の原子と相互作用する放射線を発生し、これを標準カウントと比較することで密度を算出する。もう一方の核線源は水素原子と相互作用し、土壌中の水分の割合を算出する。
直接透過モードでは、線源はゲージのベースを通して事前に掘削された穴まで伸び、線源を所定の深さに配置します。この試験手順は、既知の量の放射性物質を特定の深さに埋め、地表でガイガーカウンターを用いて、土壌の密度が土壌を透過するガンマ線の透過をどの程度遮断するかを測定するのと似ています。土壌の密度が高くなると、試験対象の土壌中の電子との衝突による散乱により、透過できる放射線の量は減少します。
土壌の水分レベルは土壌の密度に部分的に影響するため、本計にはアメリシウム/ベリリウム高エネルギー中性子源と熱中性子検出器からなる中性子水分計も搭載されています。高エネルギー中性子は水素原子と衝突すると減速し、検出器は減速した中性子をカウントします。このカウント数は土壌の水分含有量に比例します。なぜなら、ほとんどの土壌に含まれる水素のほとんどは、この水（H 2 O）に含まれる水素によるものだからです。本計は水分含有量を計算し、土壌の密度（湿潤密度）から差し引いて、乾燥密度を算出します。
パイプ内の液体の密度
核密度計は、パイプ内の液体の密度測定にも使用できます。パイプの片側に線源を、反対側に検出器を設置した場合、検出器で観測される放射線量は、パイプ内の液体による遮蔽効果に依存します。Tracerco 社は1950年代に放射線を用いた密度測定の先駆者となり、ベール・ランベルトの法則が光学だけでなく放射線にも適用されることを明らかにしました。通常、計器は既知の密度を持つ気体と液体を用いて校正され、方程式の未知数を求めます。校正後、線源と検出器の位置合わせが一定であれば、パイプ内の液体の密度を計算することができます。校正の要因の一つは、放射性線源の半減期（ 137 Csの場合30年）です。そのため、システムは定期的に再校正する必要があります。最新のシステムには、線源の崩壊に対する補正機能が組み込まれています。[4]
地下水の位置特定
もう一つの方法は、 241アメリシウム/ベリリウムのような強力な中性子源を用いて中性子線を発生させ、戻ってくる中性子の散乱エネルギーを測定することです。水素は中性子を減速させる性質があるため、センサーは水素の密度を計算し、地下水脈、数メートルの深さまでの湿度、水分含有量、アスファルト含有量などを検出することができます。
セパレーターのテスト
中性子源は、同様に分離機（石油生産）の性能評価にも使用できます。ガス、石油、水、砂はそれぞれ水素原子の濃度が異なり、反射する低速中性子の量も異なります。241 AmBe中性子源と低速中性子検出器を備えたヘッドを用いて分離機を上下に走査することで、分離機内の界面レベルを特定することができます。
参照
参考文献
- ^ M. Falahati; et al. (2018). 「流体レベル測定のための連続核ゲージの設計、モデリング、および構築」. Journal of Instrumentation . 13 (2) P02028. doi :10.1088/1748-0221/13/02/P02028. S2CID 125779702.
- ^ ASTM D2922-05 核法による土壌および土壌骨材の密度の標準試験方法（浅い深さ）、doi :10.1520/D2922-05（規格は2007年に廃止されました）
- ^ ASTM D6938 - 08a 核法による土壌および土壌団粒の密度および水分含有量の標準試験方法（浅い深さ）、doi :10.1520/D6938-08A
- ^ ジャクソン、ピーター (2004).産業用放射性同位元素計. チチェスター: John Wiley & Sons Ltd. doi :10.1002/0470021098.fmatter. ISBN 0-471-48999-9。
