核子密度儀或者核子儀是核子密度/濕度檢測儀的簡稱，是利用同位素放射原理實時檢測土工建築材料的密度和濕度的電子儀器。核子密度通常安裝有一個密封的 10毫居里的銫137伽瑪源和一個密封的50毫居里的鎇241/鈹中子源，儀器中還安裝有密度和濕度兩種射線探測器，分別與伽瑪源和中子源共同對被測材料的密度和濕度進行測量。
基本介紹
- 中文名：核子密度儀
- 類型：儀器
- 全稱：核子密度/濕度檢測儀
- 原理：利用同位素放射原理
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注意
工業上一些水泥廠、選煤廠等使用的厚度計、料位計、密度計及核子秤等也使用同類的放射性同位素，但這類儀器所使用的放射源的活度一般為十到五百個居里，是土木工程上使用的核子儀的一千倍到五萬倍，兩者完全不在一個數量級上。兩類儀器雖然名稱相似，而且採用近似的檢測原理，但它們的使用方式、防護方法和套用目的完全不同。
基本功能
核子儀用於施工現場快速地檢測建築材料的濕密度（總密度）和含水量（濕度）。完成一次檢測通常只需要1分鐘或更短時間。不同品牌和廠家的儀器功能各不相同。有的儀器只檢測密度或只檢測濕度，多數品牌的儀器可以同時檢測密度和濕度。
檢測方法
核子儀通過檢測被測材料中含有的所有元素的原子量總和來計算被檢測材料的總密度(濕密度)，所以儀器的密度檢測不受被檢測材料的顆粒大小、級配、均勻度，以及物理狀態、化學成分等方面的影響。除非被測材料的化學組成與常規材料有很顯著的不同，通常情況下核子儀密度檢測結果不需要進行校正。
核子儀測量濕度時，測量的是被測材料中所有的氫原子，在大多數土壤和骨料中，氫原子存在於自由水中。但是蛇紋石、黏土、有機體和石灰處理的土壤含有結合水，這些材料中的結合水對儀器檢測材料的含水率有輕微影響。這個問題可以通過非常簡便的在儀器中輸入水分偏置量的方法進行校正。
對於各種土壤和沒有凝固的水泥混凝土等材料，通常採用透射法。這個方法是在被檢測材料中用鋼釺鑽一個垂直的檢測孔，然後將儀器的探測桿伸入到被檢測材料中，在各個深度上檢測材料的密度和濕度。對於石頭、混凝土等不能造孔的材料，通常採用反射法。這個方法是將儀器放置於被檢測材料的表面，根據被檢測材料的厚度和種類採用適應的檢測檔位，直接檢測材料的密度、壓實度等指標。
除了以上兩種基本檢測方法，有的核子儀具備更多和更強大的檢測功能，比如MC-3C和MC-4C核子儀的反射法有BS和AC兩個檔位，分別用於不同的檢測材料和檢測要求，可以對任意厚度的面層材料等進行精準檢測。
檢測領域
通常核子儀都可以用於檢測各種類型的土壤、石頭、土石混合物等土工材料。有些儀器可以檢測水泥混凝土，但很多儀器不能檢測瀝青混合料和層厚比較小的混凝土材料。
注3：通常核子儀檢測土工材料時，被測材料必須有一定的厚度和足夠大的體積，否則沒有足夠多的射線計數用於計算密度或濕度。瀝青混合料通常在鋪築時每層的厚度都不會超過7-8厘米。儀器在檢測時射線會穿透這個層厚而同時檢測了其它材料，這樣儀器的檢測結果就不僅僅是我們希望檢測的薄層材料的密度，而是不同層厚的材料的共同的密度。除非儀器設計人員專門為這種檢測目的進行程式上和檢測技術上的改造而設定薄層檢測功能，否則儀器就不能用於檢測薄層的瀝青混合料和其它混凝土材料。
核子儀可以用於公路的地基、基層和面層、鐵路路基、水庫堤壩、機場跑道以及港口、發電廠、高等級賽車跑道、高層建築等土木工程的現場施工的質量控制、監理檢測、工程驗收。核子儀可以用於各種土木工程的養護檢測及各種研究和開發。用於實驗室和工程試驗區段可以快速、準確獲取各項施工參考數據。
注4：由於核子儀檢測的準確、快速、安全和低成本，在壓實度檢測方面沒有任何其他方法可以取代核子儀。尤其在使用瀝青混凝土和水泥混凝土的工程項目上，沒有核子儀的套用，要保證工程的質量和施工效率是不可能做到的。所以在世界範圍內，核子儀被及其廣泛地套用於幾乎所有的大型和重要的土木工程項目。
發展歷史
第二次世界大戰以後，許多國家由於戰後重建和經濟發展的需要，都陸續進行大規模的基礎設施建設。世界各地的許多研究組織，研究利用核技術測定建築材料的密度、含水量以及其它指標，以保證工程項目的質量和建設速度。
在1968年以前，只有一種標準方法用於現場測定土壤和集料的密度—灌沙法。這種設備的操作人員必須在地面挖一個洞，在洞中填滿沙子，計算出密度，然後取一個試樣到實驗室測定含水量。這個方法對於每次檢測都要花費半個小時的時間，操作人員需要避免許多出現差錯的原因，並且這種檢測方法是破壞性的--因為留下了一個必需修復的洞。含水量的檢測結果要在第二天試樣烘乾了以後才會得到。1968年以前，也只有一種標準方法用於現場測定瀝青路面密度。在路面中用鑽孔法得到一個芯樣。把取芯試樣帶回實驗室，用天平稱取重量，並測量出它的體積。然後計算出密度，也就是重量除以體積。
到了1972年，核子儀在硬體設計和軟體套用方面有了顯著的改進。攜帶型核子儀可以對於土壤和瀝青混凝土路面進行高精度的快速檢測，並且核子儀可以消除由於土壤類型或化學成分不同導致的檢測偏差。新的儀器設計，完全使用了高效能的現代電子技術，這使儀器變得輕便、可靠並易於操作。80年代以後，核子儀安裝了可以進行現場編程微處理器，可以直接從顯示器讀取測量結果，從而更大地減少了操作人員的現場檢測的工作量。
在過去的三十多年時間裡，核子儀用於土工材料的密度和濕度檢測已在世界範圍內得到認可，並成為業界的標準檢測方法。
分類
淺層核子儀
—淺層核子儀又稱為表層核子儀。當我們提到核子儀時，通常是指測量深度為30厘米的淺層核子密度/濕度檢測儀，如MC-3C型和MC-4C型核子儀。在公路、鐵路及水利大壩等土木工程的施工中套用最為廣泛和市場上最常見的就是這種淺層核子儀。本文介紹的核子儀主要是指這種淺層核子儀。
分層核子儀
(雙桿核子儀)—分層核子儀又稱為中層核子儀，測量深度為60-90厘米, 如MC-S-24和MC-S-36型核子儀。分層核子儀有兩根檢測桿，所以有的地方稱作雙桿核子儀，其放射源和檢測器分別放置於兩根不同的探桿的端部, 沿水平層面逐層檢測被壓實材料, 一般套用於壓實層較厚的情況, 特別適用於碾壓混凝土（RCC）工程項目的壓實檢測。
深層核子儀
—深層核子儀的測量深度為數米至數百米深，如501DR核子密度儀和503DR中子水分儀。深層核子儀一般用於深層填埋材料的密度和含水率檢測, 還有定點長期監測公路、鐵路路基、堤壩、護坡等的密度和含水率的變化以及用於檢測水中的含沙量和含泥量。
瀝青含量核子儀
—核子瀝青含量檢測儀用於無污染、快速檢測瀝青混合料中的瀝青含量。
其它核子儀
—除了以上各種儀器以外，被稱作核子儀的還有用於土壤水分檢測的中子水分檢測儀和用於化工管道絕熱層中隱藏水分檢測的核子管道水分檢測儀等。
工作原理
總密度
一個密封的10毫居里銫-137伽瑪源向土壤等被測材料放射伽瑪射線，穿透被檢測材料的射線會被儀器中的密度檢測管檢測到。如果材料的密度較低，材料吸收的伽瑪射線較少，那么在一定時間內較多的伽瑪射線就會穿過材料，檢測管的計數將較高：反之，如果材料的密度較高，高密度的材料吸收了更多的伽瑪射線，那么在同樣時間內就會有較少的伽瑪射線穿過材料，檢測管的計數將較低。
伽瑪射線在被測材料中的穿透、反射和被吸收等行為只與被測材料中的組成成分的所有原子的原子核的質量相關。核子儀測量的總密度實際是單位體積的土工材料總的原子量。只有當被測材料的總的原子量發生變化時，核子儀的檢測結果才相應地發生變化。
水分
一個密封的50毫居里鎇241/鈹中子源向土壤等被測材料放射高能中子射線，高能中子與氫原子碰撞後，迅速失去能量而變成低能中子，而其它任何種類的原子都不能象氫原子那樣顯著減少高能中子的能量。被測材料中的濕度越高，水分含量就越高，氫原子就越多，當中子射線穿過時，將產生更多的低能中子；同樣的原因，當被測材料較乾時，產生的低能中子數目就較少。儀器中的濕度檢測管只檢測低能中子。低能中子計數越高，表示被測材料的濕度越高；反之，低能中子計數越低，表示濕度越低。核子儀測量的是地表到地表以下10公分的材料的平均含水率。
核子儀在進行密度和水分測量時，分別使用不同的放射源，不同的射線接受器，不同的數據計算系統，所以密度和水分兩個檢測系統相互獨立，其檢測數據也互不影響。
標準計數
標準計數—放射源衰減、周圍環境變化和本底輻射都會影響儀器的檢測數據。每天或檢測環境發生變化後，將儀器放置標準計數塊上進行計數，獲得新的計數參比結果，可以清除以上因素對檢測結果的影響。標準計數使用的工具是標準計數塊。標準計數塊為一小型的長方體塑膠塊，簡稱標準塊。其密度和含有的氫元素都是穩定不變的。標準塊厚度為5.1厘米或7.6厘米，面積相當於核子儀底座的面積。每台儀器都有自己對應的標準塊。
檢定
核子密度儀的檢定—核子儀之所以能夠準確檢測材料的密度和濕度是因為核子儀在製造時經過了檢定。檢定的具體方法是將儀器依次對一組密度高低不同的標準材料塊（檢定塊）進行檢測，建立射線數量和標準密度值之間的對應關係。在坐標圖上，將不同的射線計數與標準密度之間的對應的點連線起來就會得到一條檢定曲線，即在儀器的射線計數率與材料測試結果（密度和濕度）之間建立了適當的對應關係。檢定數據可以以圖、表和等效係數等方式表示出來或貯存在儀器裡面，以用於將計數率換算成材料的密度值。
每一台核子儀在出廠時，都應該已經檢定過了。現存儀器經過可能影響儀器結構的維修後，必須進行檢定。所以最多每隔一年就應該使用標準密度和濕度材料對儀器的檢定進行驗證或重新建立檢定關係。如果驗證發現核子儀的檢測結果與標準材料的密度或濕度之間的差異已經不符合檢測要求，需要重新建立新的檢定關係。
安全性
由於核子儀採用了放射原理測量密度和濕度，很多人因為不了解放射源的活度大小和人體允許接受的劑量多少和正確理解，只要一聽說是放射源，就產生恐懼感，不敢使用儀器。其實我們無論身處何地，環境中都有本底輻射，我們在日常生活中無時無刻都不可能避免輻射。
手提式核子秘密/濕度土壤檢測儀的商業套用已經超過35年之久，大約有數萬台核子儀在全世界範圍內套用於土木工程、地質學、農業和環境檢測中。
核子儀的擁有者和使用者要遵守政府主管部門制定的法律和規定。這可能包括需要獲得許可證以及操作員要學習如何正確使用儀器。核子儀操作人員可以使用個人劑量檢測裝置監測受到的劑量，最常用的是劑量膠片。沒有任何核子儀操作人員受到的放射線劑量超過國際輻射防護委員會的5雷姆/年的職業界限。實際上，操作員受到的只是這個界限的很小的一部分，少於我們從自然界獲得本底輻射的年平均值。從未有案例表明由於使用核子密度儀而受到長期或短期輻射傷害。與我們經常忽視的吸菸、飲酒等日常行為給我們帶來的危害相比，核子儀對身體的影響是微乎其微的。從來沒有發生過密封放射源由於物理損壞或火災等原因產生泄漏，即使每年都有一些核子儀在野外施工中被意外嚴重毀壞，從沒有發生過對操作人員和普通公眾發生污染的事故。
通過專門的設計，核子儀的表面劑量率低於操作人員或是公眾需進行特別防護的水平，運輸車輛或檢測的位置不需要進行公告。不需要配備任何附加的防護衣服和裝置。
每個國家都會有主管的政府部門對放射性產品進行嚴格的檢測，已確認其安全性。中國環保部門和商檢部門對每台正規進口到中國的儀器都要進行嚴格檢測，通過檢測的儀器必然符合安全規定和要求，用戶可以放心使用。只要購置的是政府主管部門批准和認可的核子儀並且是將儀器用於正常的檢測，絕不可能對操作人員造成任何危害。
檢測方法
核子儀檢測方法適應於檢測任何粒徑、級配、組成成分和組成結構的土壤、石頭等材料。美國ASTM 國際標準D2922-04《用核子法現場檢測土和土石混合物密度的標準檢測方法（淺層）》規定：本試驗方法可快速、無損地現場測定土壤和岩石的密度。適用於施工質量控制、土壤和岩石等工程的驗收試驗，並可用於研究和開發。試驗的無損特性允許在同一個試驗點進行多次重複檢測。
ASTMD2922、D2950《用核子法現場檢測瀝青混凝土的密度的標準方法》和C1040《用核子法現場檢測混凝土密度的標準方法》等標準認為並沒有任何其它檢測土壤、岩石、瀝青混合料、混凝土等材料的密度檢測方法具有足夠高的準確度可以與核子法進行對比。如果被檢測材料的化學成分與常規材料有非常顯著的不同，可以採用這種材料按照規定製備一個用於現場校準的材料塊，按照嚴格的步驟進行檢測、稱重並計算後用於對核子儀的實際檢測結果進行調整。
ASTM 標準D3017《用核子法現場測定土壤和岩石含水量(淺層) 》規定：核子儀適用於在現場採用快速、非破壞性技術測量土壤和岩石中的含水量。可套用於建設、研究開發過程中對壓實的土壤及岩石進行質量控制和驗收檢驗。本方法的非破壞性的特性允許對單個檢測點上進行多次重複測量，並對其結果進行統計分析。如果被檢測材料含有的結合水或有機質比常規的土壤多，需要與烘乾法等進行對比試驗。
所以通常情況下，檢定合格的核子儀可以準確檢測材料的密度和濕度，並不需要與其它檢測方法進行對比。由於對一些不確定因素的疑慮和歷史等各個方面的原因，我國的一些行業標準要求使用核子儀時，無論是密度檢測還是濕度檢測，都要求使用傳統的密度、濕度檢測方法對核子儀的檢測進行對比試驗。 但是對試樣獲取方法、對比試驗的具體程式等方面沒有具體的要求和指導。所以不同的領域，不同的技術人員按照自己對對比試驗的理解進行的對比試驗往往各不相同，其中很多情況都是不正確的。測量密度和濕度的傳統方法有很多，各自適用於不同的檢測材料，所以對於不同的檢測材料，必須選擇適當的方法與核子儀進行對比。比如對細粒土、粗粒土、土石混合物、瀝青混合料、水泥混合料以及岩石等不同的材料必須根據情況選擇適當的正確的方法與核子儀進行對比。進行對比試驗時，核子儀法和傳統方法檢測的試樣必須一致。如果被檢測材料的試樣不同，即使用同一種方法讓不同的操作人員進行對比試驗，兩個人的檢測結果可能相差很遠。
優勢
將核子密度儀與灌沙法或其它破壞性檢測方法相比較，其優勢是顯而易見的，主要包括：
無損檢測
A.核子儀檢測土壤，只需要檢測表面平滑，鑽一個直徑為20毫米的檢測孔。這樣小的孔不需要修補。對於灌沙法的檢測，需要挖一個直徑為150毫米的洞， 這樣大的洞必需回填修補。
B.對於瀝青路面，只需要路面平整，核子儀就可以用反射法進行檢測。但取芯法，一定會給路面留下一個必須修補的孔洞。
準確性
A.核子儀對位於放射源與探測器之間的材料總重量進行回響，檢測不受被檢測材料中的化學的、礦物的或質地成分的影響。檢測非常正確性，無論材料是否均勻，或顆粒是粗是細。
B.被檢測的土壤土壤體積很大，檢測結果的代表性更好。對於檢測深度為8英寸（20CM）透射密度檢測，試樣體積大約為25立方英尺。而灌沙法檢測，試樣體積大約為10立方英尺。
C.核子儀在標準的、固定的、數值不變的土壤和岩石校準塊或可以溯源到真實土壤的其它標準的密度、濕度材料塊上進行校準。檢測規程推薦每隔一到二年進行一次校準。操作員可以每天用標準計數塊進行標準計數，以檢測儀器的校準狀況和檢測功能。
檢測的速度
一次儀器檢測的全部過程耗時不到5分鐘，相對於灌沙法或取芯法大約30分鐘完成一次檢測，核子儀允許進行更多的檢測並對項目的質量進行統計分析。
簡單和安全的操作
A.操作員幾乎不可能有潛在的錯誤。儀器進行檢測只需要最低限度的指令。儀器自動計算和顯示檢測結果並給出單位。不同於灌沙法檢測，高濕度和施工設備的震動不會影響在附近的核子儀的準確性。
B.不同於灌沙法操作員，核子儀操作員所有時間可以站立，如果有危險接近，他能安全地觀察正在移動的施工設備，如果有危險，可以迅速離開。
“實時”檢測
核子儀在壓路機通過後幾分鐘就可以顯示檢測結果。可以立即對是否需要增加碾壓進行指導，可以幫助及時調整施工方法以保證獲得所需要結果。
技術指標
1.量程 濕密度：1.3~2.7g/cm3 絕對含水量：0~0.6 g/cm3
2.測量誤差：密度：≤±0.03 g/cm3 含水量：≤±0.015g/cm3
3.測量深度：密度：20cm 含水量：15cm
4.測量時間：15~999秒連續可調
5.放射源：伽瑪源：0.111GBq(3mci)137Cs 中子源：1.48GBq(40mci)241Cam-Be
6.顯示器：（4×15漢字）單色點陣液晶顯示
7.印表機：PP40C四色繪圖印表機
8.供電方式及功耗：供電方式：自備20WH蓄電池組 功耗：約1.7W（充一次電持續工作8小時以上）
9.使用環境：溫度：-5~50℃ 相對濕度：≤90%
10.外形尺寸及重量： 尺寸：32×18.5×34cm3
11.淨重：16.5kg
市場價格
國外價格 美金 10000美金
國內價格 人民幣 100000元
使用說明：
1.現場測試前應檢查儀器電源蓄電情況。如不能滿足現場測試需要，應及時充電或更換電池。
2.現場測試前應對儀器的各項測量功能進行檢查檢查結果應符合儀器使用說明書要求。
3.現場測試前儀器應按本規程5的規定進行現場標定。
4.項場測試前應按本規程4.1和4.2的規定，測取和檢驗儀器的標準計數，檢驗合格方可使用。
5.現場測試前應按被測材料種類、碾壓層厚度、現場標定所確定的校正偏差和測量精度要求等設計和設定儀器相關測量參數。
6.現場測試使儀器測量地點周圍8m以內不應有任何放射源，3m以內不宜有大型建築物。儀器測量人員在測試過程中儀與儀器保持2m
以上距離。
7.當儀器放在溝渠內測試時，應按儀器說明書要求確定適合儀器測量的溝渠最小寬度。當溝渠小於最小寬度時，
儀器測量結果應按儀器說明書要求進行校正。
8.對土石和混凝土密度測量，儀器測量深度應少大於或等於碾壓層厚度。對薄面層壓時密度測量，儀器背向散射發測量深度應稍小於或等於薄面層厚度。如儀器背向散射發測量深度大於該薄面層厚度，應按儀器使用說面要求，對儀器測量結果進行校正。
9.當碾壓層厚度大雨或等於100mm時，已採用透射法密度測量方式。如被材料不宜或不易成孔時。如被材料不宜或不易成孔時，則可採用透射法密度測量方式。
10.採用背向散射發測量密度時，測量時間不應小於1min。無論採用背向散射發或是透射法，只要是包含有含水量測量，測量時間均不應小於
4min。如進行單一的含水量測量，儀器源桿宜設定在背向散射發測量位置。
11.儀器測量精度和測量誤差應符合工程實際要求。儀器測量精度和誤差分析可按規程附錄A的規定執行。
12.現場測試中的儀器使用、保管和運輸中有關輻射防護安全要求應按本規程附錄B的規定執行
