چگالی و رطوبت سنج هسته ای

چگالی سنج هسته ای ابزاری است كه در عملیات های عمرانی، صنعت نفت، معدن، باستان شناسی و غیره  كاربرد دارد. این دستگاه شامل یك منبع پرتو افشان است كه به طور مستقیم پرتو را خارج كرده و دارای یك حسگر است كه تعداد ذرات رسیده از ماده مورد آزمایش كه از آن  گذر كرده یا بازتاب شده است را شمارش می كند و بر اساس محاسبه درصد ذرات بازگشتی از حسگر، میزان چگالی را سنجش و ساختار داخلی ماده مورد نظر را مشخص می كند.

برای مواد سطحی یا كم عمق همانند دیوارها یا جاده ها، منبع گاما با ساطع كننده سزیوم استفاده می شود تا امواج گاما تولید كند. این ذرات در حدود 10 اینچ (25 سانتیمتر ) در ماده نفوذ كرده و دقت بالایی دارند. برای موارد عمیق تر، منبعی که در حدود 328 یارد ( 300 متر) قدرت نفوذ دارد استفاده می شود.  این ابزار برای پیدا كردن غارهای زیر زمینی یا مشخص كردن مكان هایی با چگالی های كمتر كه امكان ساخت تونل درآن مناطق خطرناك است بسیار سودمند واقع می شود.

چگالی سنج هسته ای همچنین برای اندازه گیری چگالی مایع درون یك لوله نیز مورد استفاده قرار می گیرد، اگر یك منبع در یك طرف لوله و آشكار ساز آن در طرف دیگر لوله تعبیه شده باشد، مقدار پرتو دیده شده در آشكار ساز بستگی به پوششی دارد كه از طرف آب درون لوله به وجود آمده. شركت انگلیسی تریسر (Traceco)  كه فعالیت هایش مربوط به نفت و گاز است در دهه 50 میلادی پیشرو استفاده از پرتو افشانی برای محاسبه چگالی بود در این زمینه به نتایجی رسید و همچنین قانون (Beer–Lambert law ) (1 ) كه در اپتیك استفاده می شد را برای محاسبه پرتو افشانی  استفاده كرد.

چگالی سنج های هسته ای به دو نوع تقسیم بندی می شوند :

چگالی سنج ارسال مستقیم: در این نوع چگالی سنج یك میله جمع شونده درون سوراخی كه قطر سوراخ برابر قطر میله است قرار داده می شود. منبع، امواج گاما ساطع می کند. این امواج با الكترون های ماده متقابلاً  اثر كرده و انرژی از دست داده و پراكنده می شوند. امواج گامایی كه به اندازه كافی انرژی از دست داده اند یا بیش از اندازه از حسگر فاصله دارند شمارش نمی شوند. سطح چگالتر احتمال برخورد بیشتر و شمارش كمتر حسگر را داراست، بنابراین شمارش حسگر به طور معكوسی به چگالی سطح وابسته است. همچنین‌ یك عامل كالیبراسیون، نسبت شمارش امواج گاما، به چگالی سطح است.

چگالی سنج باز پراكن: در این نوع چگالی سنج، میله جمع شونده هنگامی كه به پایین می آید در داخل دستگاه می ماند. منبع، امواج گاما را ساطع كرده كه پس از برخورد با الكترون های ماده، انرژی خود را از دست داده و پراكنده می شوند. امواج گامایی كه در كنار حسگر پراكنده شده اند شمارش می شوند و شمارش حسگر همانند چگالی سنج ارسال مستقیم به چگالی سطح وابسته است.

مشکلی که در مورد این نوع چگالی سنج وجود دارد این است که وقتی عملیات باز پراكنی بر روی سطوح نازك (كمتر از 3 تا 4 اینچ یا 75 تا 100 میلی متر) انجام می شود، امواج گاما نه فقط با الكترون های سطح جدید بلكه با الكترون های ماده زیر سطح نیز برخورد خواهند داشت. برای حل این مشكل دستگاه های باریك تری ساخته شد و حسگر آن نیز تغییر پیدا كرد.

• قابل حمل  كه به راحتی یك شخص می تواند آن را با خود حمل و جابجا كند.

• آنهای كه جواب را سریع در اختیار ما قرار می دهند، نسبت به مدلهای معمولی كه ممكن است جواب را بعد از ساعتها محاسبه تحویل دهند بسیار سریعتر كار میكنند.

رطوبت سنج هسته ای

رطوبت سنج هسته ای یك منبع نوترونی مانند بریلیوم دارد، منبع انرژی بالایی گسیل كرده نوترونهای تند كه با نوترونهای مختلفی از سطح برخورد میكنند، بر اساس بقای اندازه حركت، آن نوترون هایی كه با نوترون های هیدروژن برخورد كرده نسبت به آنهایی كه با نوترونهای بزرگتری برخورد می كنند به نسبت كند تر هستند. حسگر فقط انرژی پایین یا نوترون های كند را ثبت می كند ، بنابراین حسگر تعداد اتم های هیدروژن سطح را شمارش خواهد كرد، و چون آب شامل اتم های هیدروژن می باشد، شمارش حسگر با رطوبت نسبت مستقیم خواهد داشت.

میثم سالاریه

بخش دانش و زندگی تبیان

منابع:

J. D. J. Ingle and S. R. Crouch, Spectrochemical Analysis, Prentice Hall, New Jersey (1988)

ISBN 0521339561 Houghton, J.T. The Physics of Atmospheres 2nd ed. Chapter 2

Radioisotope Gauges for Industrial Process Measurements. Geir           Anton Johansen and Peter Jackson 2004 John Wiley                Sons, Ltd. ISBN 0-471-48999-9

Non-Nuclear Density Gauge Comparative Study, Draft Final Report, August 2005, Shad M. Sargand, Sang-Soo Kim, Stephen P. Farrington, Ohio Research Institute for Transportation and the Environment

پی نوشت:

1 قانون بیر لامبرت در اپتیك نسبت جذب نور به موادی است كه از داخل آنها عبور میكند.

(named after August Beer, Johann Heinrich Lambert and Pierre Bouguer)