Densitométrie nucléaire - Nuclear densitometry
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La densitométrie nucléaire est une technique utilisée dans la construction civile et l' industrie pétrolière , ainsi qu'à des fins minières et archéologiques, pour mesurer la densité et la structure interne du matériau d'essai. Le processus utilise une jauge de densité nucléaire , qui se compose d'une source de rayonnement qui émet des particules et d'un capteur qui compte les particules reçues qui sont soit réfléchies par le matériau d'essai, soit le traversent. En calculant le pourcentage de particules qui retournent au capteur, la jauge peut être calibrée pour mesurer la densité.
En géotechnique , un densomètre nucléaire ou une jauge de densité du sol est un instrument de terrain utilisé pour déterminer la densité d'un matériau compacté. L'appareil utilise l'interaction du rayonnement gamma avec la matière pour mesurer la densité, soit par transmission directe, soit par la méthode de «rétrodiffusion». Le dispositif détermine la densité du matériau en comptant le nombre de photons émis par une source radioactive (césium 137) qui sont lus par les tubes détecteurs dans la base de la jauge. Un intervalle de temps de 60 secondes est généralement utilisé pour la période de comptage.
Sources
Différentes variantes sont utilisées à des fins différentes. Pour l'analyse de densité d'objets très peu profonds tels que des routes ou des murs, un émetteur de source gamma tel que 137 Césium est utilisé pour produire un rayonnement gamma. Ces isotopes sont efficaces pour analyser les 10 premiers pouces (25 centimètres) avec une grande précision. 226 Le radium est utilisé pour des profondeurs de 328 verges (300 mètres). Ces instruments peuvent aider à trouver des grottes ou à identifier des endroits à faible densité qui rendraient la construction de tunnels dangereuse.
Modes d'utilisation
Les jauges de densité nucléaire fonctionnent généralement dans l'un des deux modes suivants:
Transmission directe: la tige rétractable est abaissée dans le tapis à travers un trou pré-percé. La source émet des rayonnements, qui interagissent alors avec les électrons du matériau et perdent de l'énergie et / ou sont redirigés (diffusés). Le rayonnement qui perd suffisamment d'énergie ou qui est diffusé loin du détecteur n'est pas compté. Plus le matériau est dense, plus la probabilité d'interaction est élevée et plus le nombre de détecteurs est faible. Par conséquent, le nombre de détecteurs est inversement proportionnel à la densité du matériau. Un facteur d'étalonnage est utilisé pour relier le comptage à la densité réelle.
Rétrodiffusion: la tige rétractable est abaissée de sorte qu'elle soit à égalité avec le détecteur mais toujours à l'intérieur de l'instrument. La source émet des rayonnements, qui interagissent alors avec les électrons du matériau et perdent de l'énergie et / ou sont redirigés (diffusés). Le rayonnement diffusé vers le détecteur est compté. Plus le matériau est dense, plus la probabilité que le rayonnement soit redirigé vers le détecteur est élevée. Par conséquent, le nombre de détecteurs est proportionnel à la densité. Un facteur d'étalonnage est utilisé pour corréler le comptage à la densité réelle.
De nombreux appareils sont conçus pour mesurer à la fois la densité et la teneur en humidité du matériau. Ceci est particulièrement important pour l'industrie de la construction civile, car les deux sont essentiels pour vérifier les conditions de sol appropriées pour soutenir les structures, les rues, les autoroutes et les pistes d'aéroport.
Les usages
Compactage du sol
Un densomètre nucléaire est utilisé sur une base compactée pour établir son pourcentage de compactage. Avant d'effectuer les tests sur le terrain, le technicien effectue un étalonnage sur la jauge qui enregistre le «comptage standard» de la machine. Les comptages standard sont la quantité de rayonnement émis par les deux sources nucléaires à l'intérieur de la machine, sans perte ni fuite. Cela permet à la machine de comparer la quantité de rayonnement émis à la quantité de rayonnement reçue. Avec l'utilisation d'une tige de 3/4 "de diamètre, un trou est créé dans la base compactée en martelant la tige dans la base pour produire un trou dans lequel la sonde du densomètre peut être insérée. Le densomètre est placé au-dessus du trou, et puis la sonde est insérée dans le trou en déverrouillant la poignée en haut de la sonde. Une source produit un rayonnement qui interagit avec les atomes du sol, puis est comparée au comptage standard pour calculer la densité. L'autre source interagit avec des atomes d' hydrogène pour calculer le pourcentage d'eau dans le sol.
En mode de transmission directe, la source s'étend à travers la base de la jauge dans un trou pré-percé, positionnant la source à la profondeur souhaitée. La procédure d'essai est analogue à l'enfouissement d'une quantité connue de matières radioactives à une profondeur spécifique, puis à l'utilisation d'un compteur Geiger à la surface du sol pour mesurer l'efficacité avec laquelle la densité du sol bloque la pénétration du rayonnement gamma à travers le sol. À mesure que la densité du sol augmente, moins de rayonnement peut le traverser, en raison de la dispersion des collisions avec les électrons dans le sol testé.
Étant donné que le niveau d'humidité du sol est en partie responsable de sa densité en place, la jauge contient également une jauge d'humidité à neutrons composée d'une source de neutrons à haute énergie d' américium / béryllium et d'un détecteur de neutrons thermiques . Les neutrons de haute énergie sont ralentis lorsqu'ils entrent en collision avec des atomes d'hydrogène, et le détecteur compte alors les neutrons «ralentis». Ce nombre est proportionnel à la teneur en eau du sol, puisque l'hydrogène de cette eau ( H 2 O) est responsable de la quasi-totalité de l'hydrogène présent dans la plupart des sols. La jauge calcule la teneur en humidité, la soustrait de la densité en place (humide) du sol et indique la densité sèche du sol.
Densité des liquides dans les tuyaux
Les jauges de densité nucléaire peuvent également être utilisées pour mesurer la densité d'un liquide dans un tuyau. Si une source est montée d'un côté d'un tuyau et un détecteur de l'autre, la quantité de rayonnement vue au niveau du détecteur dépend du blindage fourni par le liquide dans le tuyau. Tracerco a été le pionnier de l'utilisation du rayonnement pour mesurer la densité dans les années 1950 et a déterminé que la loi de Beer-Lambert s'appliquait également au rayonnement ainsi qu'à l'optique. Les jauges sont normalement étalonnées à l'aide d'un gaz et d'un liquide de densité connue pour trouver les inconnues dans l'équation. Une fois calibré et tant que l'alignement du détecteur de source reste constant, il est possible de calculer la densité du liquide dans la canalisation. L'un des facteurs est la demi-vie de la source radioactive (30 ans pour 137 Cs), ce qui signifie que le système doit être réétalonné à intervalles réguliers. Les systèmes modernes intègrent la correction de la désintégration de la source.
Localisation de l'eau souterraine
Une autre variante consiste à utiliser une source de neutrons forte comme le 241 américium / béryllium pour produire un rayonnement neutronique et ensuite mesurer l'énergie de retour de la diffusion des neutrons . Comme l' hydrogène ralentit de manière caractéristique les neutrons, le capteur peut calculer la densité de l'hydrogène - et trouver des poches d'eau souterraine, une humidité jusqu'à une profondeur de plusieurs mètres, une teneur en humidité ou une teneur en asphalte.
Test des séparateurs
Les sources de neutrons peuvent également être utilisées pour évaluer les performances d'un séparateur (production de pétrole) de la même manière. Le gaz, le pétrole, l'eau et le sable ont tous des concentrations différentes d'atomes d'hydrogène qui reflètent différentes quantités de neutrons lents. En utilisant une tête qui contient une source de neutrons de 241 AmBe et un détecteur de neutrons lents , en la balayant de haut en bas dans un séparateur, il est possible de déterminer les niveaux d'interface à l'intérieur du séparateur.