[发明专利]用中子辐射测量含氢固体薄层材料厚度的方法

说明书

本发明属于应用中子辐射测量材料厚度的技术领域，特别涉及一种中子表面散射法测量含氢薄层材料如喷射混凝土护层、混凝土路面、沥清混凝土路面、聚乙烯板等厚度的方法。

混凝土和沥青混凝土是高等级公路和高速公路很好的面层材料，在大规模快速机械化筑路施工中路面面层厚度的测量与控制十分重要，喷射混凝土是一项混凝土施工新技术，它能降低工程造价和缩短工期，技术上成熟，因此广泛地用于地下洞室和涵管喷护。在喷射混凝土施工中喷护厚度是施工质量检验的重要指标。然而迄今为止，尚无有效方法和技术能很好地解决现场施工中混凝土、沥青混凝土路面面层和喷射混凝土喷护层厚度的无损快速检测问题。

目前对上述工程所采用的测量手段和方法有以下几种：第一种方法插筋法或称作测钉法，即在等喷工作面上打好网格，在网格节点上预先插入一定长度的钢筋（φ6～φ10）并做好长度刻度标记，然后再进行喷射混凝土施工，在喷后查看测针所埋深度以确定喷射砼层厚。这种方法十分麻烦，工作量大，费时费力而且喷射施工时由于喷射泥石流有强大冲击力，常常将许多测钉冲掉或击弯，造成无法量测情况。第二种方法为钻孔法即在喷射混凝土完全固结以后采用人工凿孔和钻孔方法检查，这种方法测量周期长而且会造成喷护层的破坏。第三种方法凭经验判断即由喷射手凭借自己经验进行判断，这种方法在喷护面不平整，塌落度大的情况下会有较大误差。因此以上三种方法都不能解决现场施工中喷射混凝土层厚的无损快速检测问题。

若采用γ射线法测厚，对于上述工程，由于面层下垫层的材料的密封度往往相似，γ射线很难分辨，因而无法测量。

若采用超声波法进行测厚，由于超声波速度很快，对于那些0～25cm的薄层材料，也是很难分辨的，因而也无法测量。

采用中子技术进行测量，在其它领域尚有应用，如：美国专利4565926公开了一种测量物体中热中子吸收物质含量和分布的方法与仪器，可测物体内中子吸收材料的多少与分布，如原子能反应堆的热管中含锂或硼材料的多少与分布，采用的是中子透射法，其测量装置十分复杂，仅适合于室内测量。又如美国专利4243886公开了一种测量物体中子慢化或吸收特性的仪器与方法，可进行砼路面面层和砼预制板含水量的测量，其采用的方法仍属于热中子透射法，测量装置较为复杂，除了需在中子源与热中子探测器之间增加由铁或钨钢材料构成的非弹性吸收体外，还需在被测物体的另一侧放置由聚乙烯材料构成的中子慢化体，因此它无法实现像喷射砼喷护层这样仅有一面可触度的材料的测量，而且其只限于解决材料含水量的测量问题，而不能解决材料厚度的测量问题。

本发明的目的就是要提供一种利用中子辐射快速无损测量含氢固体薄层材料厚度的方法，特别是测量如混凝土路面面层、沥青混凝土路面、喷射混凝土护层这种只有一个可测面的材料的厚度的方法。

本发明构思是这样的，当中子源发射出来的快中子与被测材料中所含物质相互作用时即通过与材料所含元素的原子核相碰撞而逐渐损失其能量，最终成为热中子，此过程称作中子慢化或减速过程。而在所有元素中氢原子核对快中子慢化或减速能力最强。因而被测材料中含氢量（或含水量）多少主要决定了其对快中子慢化或减速程度大小。当被测材料满足以下条件时：

①被测材料为含氢或含水材料;

②在材料中含氢物质或水份（化合或游离态）呈均匀分布;

③被测材料呈薄层状，其厚度在一定范围之内;

④被测材料与下面垫层材料在含氢量上有较大差异，垫层远小于被测材料;

当把装有中子源和热中子探测器的探头放在符合以上条件的材料表面（中子源与热中子探测器一道放在被测物料同侧）进行测量时，中子源发射出的快中子主要与材料中的氢原子相互作用而被慢化减速，最终形成热中子在材料中作热运动，而热中子主要集中分布在中子源的周围。所形成的热中子的浓度大小与探测器下一定面积内被测材料含氢总量即慢化物质的多少相关。当被测材料含氢量确定时，所测得的热中子计数率就与材料厚度相关即材料厚度增加时，所测得的热中子计数率亦随着增大，例如，如图5所示即为含水量为250kg/m³的混凝土材料的热中子计数率与厚度关系曲线。其中N为热中子计数率，D为材料的厚度。由此可见，采用一定的中子散射法测量装置，预先确定某种材料的厚度与热中子计数率相关曲线，则可据此工作曲线和现场测定出的热中子计数率确定该材料厚度。混凝土，沥青混凝土路面面层，喷射混凝土喷护层和其它含氢材料如聚乙烯板材，在实际测量时，都符合前述的四个条件。