CN103336018A - 单杆低活度核子水分密度仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单杆低活度核子水分密度仪，包括壳体、伽马源、密度采集单元、中子源、水分采集单元和数据处理单元，密度采集单元包括依次相连的伽马探头、伽马通道二次高速放大甄别电路、伽马通道高速脉冲计数电路，水分采集单元包括依次相连的中子探头、中子通道二次高速放大甄别电路、中子通道高速脉冲计数电路，数据处理单元包括中央处理模块和分别与中央处理模块相连的操作面板、显示模块，壳体上设有套管，套管内设有一根滑动杆，伽马源设于滑动杆的底端，伽马通道高速脉冲计数电路、中子通道高速脉冲计数电路分别与中央处理模块的输入端相连。本发明检测速度快、检测精度高，特别是具有低放射源活度以及大检测深度的优点。

Description

单杆低活度核子水分密度仪

技术领域

本发明涉及地基施工质量检测仪器领域，具体涉及一种单杆低活度核子水分密度仪。

背景技术

地基等大块物质的水分密度（又称压实度）检测是交通、水利水电、市政施工必须进行的一项测试项目，国家各部委在制定相应的部颁规范时都明确规定必须进行该项测试。

目前，在地基等大块物质的水分密度检测方面应用的办法有灌沙法、环刀法、钻芯法和核子法。其中，核子法利用微量射线作为探针，通过高灵敏度的检测和微处理器分析计算来检测地基密度和水分，它的主要优点在于现场的快速评定，越来越成为现代化施工过程中必不可少的检测工具，核子法由于检测速度快、需要人数少，且信号可信息化，近十年来有普遍应用的趋势，在现代化施工过程中应用越来越多，并且已经有有关规范明确要求用核子法进行地基密度和水分测试。

核子法测地基密度时利用的探针是伽马射线（γ射线），作为探针的γ射线进入地基与地基作用后，伽马射线被土基散射和吸收，从而达到伽马探头的伽马射线能量和数量发生改变，在地基表面进行地基密度检测时，探测器检测的是γ射线与地基作用后返回探测器的γ射线能量和数量；在地基深度检测模式时，探测器检测的则是γ射线与地基作用后没有被地基吸收而透过地基的γ射线能量和数量，因此最后分析探测器检测到的与地基作用后的γ射线能量和数量，就可以准确地分析计算出地基密度。

核子法测水分时利用的探针是快中子，而中子探头检测的是热中子，即通过检测热中子的数目来分析地基中水分。能量很高的快中子进入地基后，与地基中的物质发生碰撞后能量降低，最终变为能量很低的热中子。在中子探头附近的热中子数目的多少与地基中含氢量有关，而地基中的氢主要存在于水中，检测的热中子数目越大，则说明地基中的水分越高，这样通过检测快中子发射源附近的热中子数目就可以确定地基中的水分。

核子密度水分仪即为利用核子法来进行地基密度和水分检测的仪器，国外的核子密度水分仪70年代开始应用，但代表目前最高水平的是三家美国公司，即CPN、Seamas、Troxler，它们在国内的市场占有率在80%，此外国内开发该类仪器主要模仿美国仪器，目前现有技术的核子密度水分仪的检测深度为30cm。随着碾压技术的提高，每层地基的压实厚度近年不断提高，有的已达60cm，经过大量发生事故的地基现场分析，地基30cm深度以下的结构对于地基的强度也起到非常关键的作用。但是，现有技术的核子密度水分仪的检测深度为30cm，如需检测地基30cm深度以下的地基密度和水分，一个办法是采用双杆技术，即把放射源和探头同时插入地基，但这种方法现场使用很不方便而几乎没有人在施工现场使用，另一个方法是采用单杆技术，但必须加大放射源的活度，因为放射源辐射对人体有危害，因此各国政府针对使用该类方法的仪器的放射源活度都指定了强制执行标准。因此，如何做到尽量降低放射源活度、又必须保证足够的检测深度和检测效率，成为一个亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种检测速度快、检测精度高、兼顾低放射源活度大检测深度、使用方便快捷、检测深度广、屏蔽保护效果好的单杆低活度核子水分密度仪。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种单杆低活度核子水分密度仪，包括壳体、伽马源、密度采集单元、中子源、水分采集单元和数据处理单元，所述密度采集单元包括依次相连的伽马探头、伽马通道二次高速放大甄别电路、伽马通道高速脉冲计数电路，所述水分采集单元包括依次相连的中子探头、中子通道二次高速放大甄别电路、中子通道高速脉冲计数电路，所述数据处理单元包括中央处理模块和分别与中央处理模块相连的操作面板、显示模块，所述壳体上设有套管，所述套管内设有一根可沿竖直方向滑动的滑动杆，所述壳体的底部设有与滑动杆对齐布置的探测孔，所述伽马源设于滑动杆的底端，所述密度采集单元、中子源、水分采集单元和中央处理模块均设于壳体内，所述操作面板、显示模块固定于壳体的外壁上，所述伽马通道高速脉冲计数电路、中子通道高速脉冲计数电路分别与中央处理模块的输入端相连。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述伽马探头包括伽马探头外壳、伽马探测晶体、伽马通道光电倍增管和伽马通道前置高速放大甄别电路，所述伽马探测晶体设于伽马探头外壳的底部，所述伽马通道光电倍增管设于伽马探测晶体的上侧，所述伽马通道前置高速放大甄别电路设于伽马通道光电倍增管的上侧，所述伽马通道光电倍增管的输出端通过伽马通道前置高速放大甄别电路与伽马通道二次高速放大甄别电路的输入端相连；所述伽马探测晶体为碘化钠晶体、碘化铯晶体、锗酸铋晶体中的一种。

所述中子探头包括中子探头外壳、中子探测晶体、中子通道光电倍增管和中子通道前置高速放大甄别电路，所述中子探测晶体设于中子探头外壳的底部，所述中子通道光电倍增管设于中子探测晶体的上侧，所述中子通道前置高速放大甄别电路设于中子通道光电倍增管的上侧，所述中子通道光电倍增管的输出端通过中子通道前置高速放大甄别电路与中子通道二次高速放大甄别电路的输入端相连；所述中子探测晶体为锂玻璃晶体。

所述伽马通道光电倍增管的侧壁上包裹有伽马通道高导磁合金薄膜层；所述中子通道光电倍增管的侧壁上包裹有中子通道高导磁合金薄膜层。

所述壳体的底部设有铅屏蔽底座，所述铅屏蔽底座上设有伽马源屏蔽台、中子源安装内螺孔、伽马探头安装孔、中子探头安装孔，所述伽马源屏蔽台的中部设有通孔，所述滑动杆的下侧插设于通孔中，所述铅屏蔽底座的底部设有通过螺栓连接的底盖，所述通孔的内壁上设有容置孔，所述容置孔位于底盖的上侧，所述容置孔内设有铅滑块和复位弹簧，所述复位弹簧的一端抵触在容置孔的内壁上，所述复位弹簧的另一端抵触在铅滑块远离通孔的一侧，所述铅滑块靠近通孔一侧的上部设有用于将铅滑块推离通孔的导向斜面，所述滑动杆的底端为平滑曲面；所述中子源设于中子源安装内螺孔内，且中子源安装内螺孔的开口端设有用于固定中子源的固定螺栓，所述伽马探头和中子探头均为圆柱形，所述伽马探头插设固定于伽马探头安装孔中，所述中子探头插设固定于中子探头安装孔中。

所述铅滑块的底部设有圆柱形槽，所述圆柱形槽内嵌设有圆柱形结构的滚珠，所述铅滑块通过滚珠支承在底盖上。

所述伽马源屏蔽台的上部设有导向座，所述导向座由一体式结构的安装座和导向管组成，所述安装座通过螺栓与伽马源屏蔽台相连，所述导向管的轴线沿着竖直方向布置，所述导向管的内部设有与通孔连通的导向孔，所述导向管内位于导向孔的外侧设有弧形导向部。

所述套管的顶部设有端盖，所述套管的一侧设有滑动开口槽，所述套管的内壁设有沿着竖直方向布置的滑动条，所述滑动条上设有多个定位齿；所述滑动杆的顶部设有滑动座，所述滑动座上设有沿着竖直方向布置的滑动槽和沿着水平方向布置的销孔，所述销孔与滑动条对齐布置，所述销孔内插设有锁销杆，所述滑动座插设于套管内且滑动槽套设于滑动条上，所述滑动座的一侧设有伸出滑动开口槽布置的横杆，所述横杆上设有凹槽和手柄，所述手柄上设有相邻布置的第一铰接轴和第二铰接轴，所述手柄通过第一铰接轴铰接安装在凹槽内，所述第二铰接轴与锁销杆的端部铰接，所述手柄与凹槽之间设有用于对锁销杆施力的锁销弹簧。

所述伽马探头与伽马源之间的水平距离L1为15～21cm，所述中子探头与中子源之间的水平距离L2为0～5cm，所述铅屏蔽底座的厚度L3为1～5cm。

所述数据处理单元还包括用于连接上位机的数据接口模块、用于连接打印机的打印接口模块，所述数据接口模块、打印接口模块均安装固定在壳体上，所述数据接口模块、打印接口模块分别与中央处理模块相连。

本发明的单杆低活度核子水分密度仪具有下述优点：

1、本发明包括壳体、伽马源、密度采集单元、中子源、水分采集单元和数据处理单元，密度采集单元包括依次相连的伽马探头、伽马通道二次高速放大甄别电路、伽马通道高速脉冲计数电路，而且结合壳体上设有套管，套管内设有一根可沿竖直方向滑动的滑动杆，可以将滑动杆伸出探测孔与地基表面接触，从而实现对地基密度的表面快速自动检测，此外还可以将滑动杆伸出探测孔插入地基孔中来实现地基密度的深度快速自动检测，从而能够实现对检测深度要求更高的地基密度检测；此外水分采集单元包括依次相连的中子探头、中子通道二次高速放大甄别电路、中子通道高速脉冲计数电路，能够实现对地基的快速自动水分检测，具有检测速度快、使用方便快捷、检测深度范围大的优点。

2、本发明进一步对伽马探头进行两个方面的增强，一方面将伽马探测晶体采用碘化钠晶体、碘化铯晶体、锗酸铋晶体等固体形式的探测体，相对现有技术采用的气体形式的探测体而言，对于伽马射线的敏感程度更好，检测能力更强、检测效率更高，另一方面伽马探头包括伽马探头外壳、伽马探测晶体、伽马通道光电倍增管和伽马通道前置高速放大甄别电路，伽马通道光电倍增管的输出端通过伽马通道前置高速放大甄别电路与伽马通道二次高速放大甄别电路的输入端相连，通过两级高速放大甄别电路对伽马通道光电倍增管输出的脉冲信号进行放大，从而使得伽马探头的检测精度更高。

3、本发明进一步对中子探头进行两个方面的增强，一方面将包括中子探头外壳内的热中子探测体采用锂玻璃晶体，通过使用固体形式的探测体，相对现有技术采用的气体形式的探测体而言，对于热中子的敏感程度更好，检测能力更强、检测效率更高，另一方面中子探头包括中子探头外壳、中子探测晶体、中子通道光电倍增管和中子通道前置高速放大甄别电路，中子通道光电倍增管的输出端通过中子通道前置高速放大甄别电路与中子通道二次高速放大甄别电路的输入端相连，通过两级高速放大甄别电路对中子通道光电倍增管输出的脉冲信号进行放大，从而使得中子探头的检测精度更高。

4、本发明进一步在伽马通道光电倍增管的侧壁上包裹有伽马通道高导磁合金薄膜层，在中子通道光电倍增管的侧壁上包裹有中子通道高导磁合金薄膜层，通过伽马通道高导磁合金薄膜层和中子通道高导磁合金薄膜层能够实现对伽马通道光电倍增管和中子通道光电倍增管的磁屏蔽，从而将地磁效应对伽马通道光电倍增管和中子通道光电倍增管的干扰降到最低。

5、本发明进一步在壳体的底部设有铅屏蔽底座，铅屏蔽底座上设有伽马源屏蔽台、中子源安装内螺孔、伽马探头安装孔、中子探头安装孔，中子源设于中子源安装内螺孔内，且中子源安装内螺孔的开口端设有用于固定中子源的固定螺栓，伽马探头和中子探头均为圆柱形，伽马探头插设固定于伽马探头安装孔中，中子探头插设固定于中子探头安装孔中，因此通过铅屏蔽底座，能够防止中子源伴随低能伽马射线进入中子探头、防止伽马探头两侧的伽马射线进入伽马探头，从而能够提高通过中子探头进行水分检测以及通过伽马探头进行密度检测的精确度；而且，容置孔内设有铅滑块和复位弹簧和铅屏蔽底座构成了全方位的滑动式屏蔽结构，能够实现对伽马源的可靠屏蔽。

6、本发明进一步在铅滑块的底部设有圆柱形槽，圆柱形槽内嵌设有圆柱形结构的滚珠，铅滑块通过滚珠支承在底盖上，当铅滑块滑动时，滚珠能够减少铅滑块、底盖之间的摩擦力，使得铅滑块的滑动更加灵活，推动滑动杆时遇到的阻力更小，使用时更加方便省力。

7、本发明进一步在伽马源屏蔽台的上部设有导向座，导向座由一体式结构的安装座和导向管组成，安装座通过螺栓与伽马源屏蔽台相连，导向管的轴线沿着竖直方向布置，导向管的内部设有与通孔连通的导向孔，导向管内位于导向孔的外侧设有弧形导向部，由于被检测地基上打孔非常困难，而且打孔不能破坏地基的结构，因此孔径的尺寸比较小，从而使得滑动杆的直径也比较小，当将滑动杆通过导向管插入通孔时，滑动杆的底部由于导向管内部的弧形导向部的导向作用，从而能够更加快速稳定的插入通孔，安装配合更加简单方便，即使滑动杆发生一定的形变，仍然不会影响滑动杆的使用。

8、本发明进一步在套管的顶部设有端盖，套管的一侧设有滑动开口槽，套管的内壁设有沿着竖直方向布置的滑动条，滑动条上设有多个定位齿；滑动杆的顶部设有滑动座，滑动座上设有沿着竖直方向布置的滑动槽和沿着水平方向布置的销孔，销孔与滑动条对齐布置，销孔内插设有锁销杆，滑动座插设于套管内且滑动槽套设于滑动条上，滑动座的一侧设有伸出滑动开口槽布置的横杆，横杆上设有凹槽和手柄，手柄上设有相邻布置的第一铰接轴和第二铰接轴，手柄通过第一铰接轴铰接安装在凹槽内，第二铰接轴与锁销杆的端部铰接，手柄与凹槽之间设有用于对锁销杆施力的锁销弹簧。由于被检测地基上打孔非常困难，而且打孔不能破坏地基的结构，因此孔径的尺寸比较小，从而使得滑动杆的直径也比较小，为了实现滑动杆在套管中上下滑动时的轴心稳定性，本发明通过滑动杆的顶部设有滑动座，滑动座插设于套管内且滑动槽套设于滑动条上，由于滑动座上设有沿着竖直方向布置的滑动槽且滑动槽套设于滑动条上，因此能够使得滑动座滑动时稳定可靠，总是沿着套管的轴线方向滑动，从而能够确保滑动杆总是沿着套管的竖直方向上升和下降，从而在进行地基密度深度检测时，使得伽马源和伽马探头之间的距离更加准确可靠，能够提高深度法检测地基密度的精确度；而且，由于滑动条上设有多个定位齿，第二铰接轴与锁销杆的端部铰接，因此当滑动杆滑动到定位齿的位置时，由于锁销弹簧对锁销杆施力，会使得对锁销杆自动进入定位齿从而将滑动杆锁定在定位齿的位置，从而方便对滑动杆的指定检测深度进行定位，如果需要继续滑动则按压手柄，则手柄的第二铰接轴带动锁销杆从定位齿中抽出，从而滑动杆能够继续在套管中滑动，使用非常方便。

9、本发明进一步采用蒙特卡洛方法摸拟中子和伽马射线在各种材料中的输运过程，就是模拟单个中子和伽马射线的随机游动，即按照已建立的模型，使用各种抽样方法确定中子在慢化扩散过程中和伽马射线与材料发生各种相互作用过程中状态参数(位置、游动方向、能量及权重)的变化，并于适当的时候计算对探头计数的贡献或给出其它信息，一直到中子和伽马射线消失。跟踪一批中子和伽马射线后，对探头计数进行统计处理，最终优化得到的结构为：伽马探头与伽马源之间的水平距离L1为15～21cm，中子探头与中子源之间的水平距离L2为0～5cm，铅屏蔽底座的厚度L3为1～5cm。通过上述优化措施，使得本发明在中子源和伽马源在符合国家标准的范围内，能够实现0～100厘米不同深度的地基密度测量和0～30cm地基水分测量，而现有技术水分密度仪仅仅能实现0～30cm地基测量。而且在对0～30cm地基测量时，现有技术中子源的放射性活度为50毫居里、伽马源的放射性活度为5～10毫居里，而本发明的中子源放射性活度为30毫居里、伽马源的放射性活度为1毫居里。适当加大伽马源的放射性活度即可实现0～100厘米不同深度的地基密度检测。因此本发明能够做到尽量降低放射源活度、又保证足够的检测深度和检测效率。

10、本发明数据处理单元进一步包括用于连接上位机的数据接口模块、用于连接打印机的打印接口模块，数据接口模块、打印接口模块均安装固定在壳体上，数据接口模块、打印接口模块分别与中央处理模块相连，上位机通过数据接口模块能够实现对中央处理模块的控制，从而实现对地基的密度或者水分进行远程检测，从而在检测过程中，能够有效减少放射源（伽马源和中子源）对人体的损害；通过打印接口模块则可以直接控制打印机打印出检测数据，使用非常方便。

附图说明

图1为本发明实施例的主视结构示意图。

图2为本发明实施例的剖视结构示意图。

图3为本发明实施例的框架结构（不含壳体1）示意图。

图4为本发明实施例中铅屏蔽底座及相关部件的局部放大剖视结构示意图。

图5为图2中A-A方向的局部剖视结构示意图。

图6为本发明实施例中铅滑块处于封闭状态的结构示意图。

图7为本发明实施例中铅滑块处于打开状态的结构示意图。

图8为本发明实施例中套管顶部的剖视结构示意图。

图9为图8中B-B方向的剖视结构示意图。

图10为本发明实施例应用于检测地基水分时的工作原理结构示意图。

图11为本发明实施例应用于表面检测地基密度时的工作原理结构示意图。

图12为本发明实施例应用于深度检测地基密度时的工作原理结构示意图。

图例说明：1、壳体；11、套管；111、端盖；112、滑动开口槽；113、滑动条；114、定位齿；12、滑动杆；121、滑动座；122、滑动槽；123、销孔；124、锁销杆；125、横杆；1251、凹槽；1252、手柄；1253、第一铰接轴；1254、第二铰接轴；1255、锁销弹簧；13、探测孔；14、铅屏蔽底座；15、伽马源屏蔽台；151、通孔；152、容置孔；153、铅滑块；154、复位弹簧；155、导向斜面；156、圆柱形槽；157、滚珠；158、导向座；1581、安装座；1582、导向管；1583、导向孔；1584、弧形导向部；16、中子源安装内螺孔；161、固定螺栓；17、伽马探头安装孔；18、中子探头安装孔；19、底盖；2、伽马源；3、密度采集单元；31、伽马探头；310、伽马探头外壳；311、伽马探测晶体；312、伽马通道光电倍增管；3121、伽马通道高导磁合金薄膜层；313、伽马通道前置高速放大甄别电路；32、伽马通道二次高速放大甄别电路；33、伽马通道高速脉冲计数电路；4、中子源；5、水分采集单元；51、中子探头；510、中子探头外壳；511、中子探测晶体；512、中子通道光电倍增管；5121、中子通道高导磁合金薄膜层；513、中子通道前置高速放大甄别电路；52、中子通道二次高速放大甄别电路；53、中子通道高速脉冲计数电路；6、数据处理单元；61、中央处理模块；62、操作面板；63、显示模块；64、数据接口模块；65、打印接口模块；7、上位机；8、打印机。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本实施例的单杆低活度核子水分密度仪包括壳体1、伽马源2、密度采集单元3、中子源4、水分采集单元5和数据处理单元6，密度采集单元3包括依次相连的伽马探头31、伽马通道二次高速放大甄别电路32、伽马通道高速脉冲计数电路33，水分采集单元5包括依次相连的中子探头51、中子通道二次高速放大甄别电路52、中子通道高速脉冲计数电路53，数据处理单元6包括中央处理模块61和分别与中央处理模块61相连的操作面板62、显示模块63，壳体1上设有套管11，套管11内设有一根可沿竖直方向滑动的滑动杆12，壳体1的底部设有与滑动杆12对齐布置的探测孔13，伽马源2设于滑动杆12的底端，密度采集单元3、中子源4、水分采集单元5和中央处理模块61均设于壳体1内，操作面板62、显示模块63固定于壳体1的外壁上，伽马通道高速脉冲计数电路33、中子通道高速脉冲计数电路53分别与中央处理模块61的输入端相连。本实施例的密度采集单元3包括依次相连的伽马探头31、伽马通道二次高速放大甄别电路32、伽马通道高速脉冲计数电路33，而且结合壳体1上设有套管11，套管11内设有一根可沿竖直方向滑动的滑动杆12，可以将滑动杆12伸出探测孔13与地基表面接触，从而实现对地基密度的表面快速自动检测（如图11所示），此外还可以将滑动杆12伸出探测孔13插入地基孔中来实现地基密度的深度快速自动检测（如图12所示），从而能够实现对检测深度要求更高的地基密度检测；此外水分采集单元5包括依次相连的中子探头51、中子通道二次高速放大甄别电路52、中子通道高速脉冲计数电路53，能够实现对地基的快速自动水分检测（如图10所示），具有检测速度快、使用方便快捷、检测深度范围大的优点。

本实施例中，伽马源2根据需要可以采用¹³⁷Cs或⁶⁰Co，中子源4根据需要可以采用²⁴¹Am-Be或者²³⁸Pu，本实施例中伽马源2具体采用¹³⁷Cs，中子源4具体采用²⁴¹Am-Be。

如图4所示，伽马探头31包括伽马探头外壳310、伽马探测晶体311、伽马通道光电倍增管312和伽马通道前置高速放大甄别电路313，伽马探测晶体311设于伽马探头外壳310的底部，伽马通道光电倍增管312设于伽马探测晶体311的上侧，伽马通道前置高速放大甄别电路313设于伽马通道光电倍增管312的上侧，伽马通道光电倍增管312的输出端通过伽马通道前置高速放大甄别电路313与伽马通道二次高速放大甄别电路32的输入端相连，本实施例通过伽马通道前置高速放大甄别电路313与伽马通道二次高速放大甄别电路32构成伽马通道的二级高速放大甄别电路，通过二级高速放大甄别电路对伽马通道光电倍增管312输出的脉冲信号进行两次高速放大甄别，能够减少噪声和干扰信号的影响，能够提高地基密度检测的精度；伽马探测晶体311具体可根据需要采用碘化钠晶体、碘化铯晶体、锗酸铋晶体（BGO）中的一种，伽马探测晶体311采用碘化钠晶体、碘化铯晶体、锗酸铋晶体（BGO）等固体伽马探测体，通过使用固体形式的探测体，相对现有技术采用的气体形式的探测体而言，对于伽马射线的敏感程度更好，检测能力更强、检测效率更高。本实施例中伽马探测晶体311为碘化钠晶体。

如图4所示，中子探头51包括中子探头外壳510、中子探测晶体511、中子通道光电倍增管512和中子通道前置高速放大甄别电路513，中子探测晶体511设于中子探头外壳510的底部，中子通道光电倍增管512设于中子探测晶体511的上侧，中子通道前置高速放大甄别电路513设于中子通道光电倍增管512的上侧，中子通道光电倍增管512的输出端通过中子通道前置高速放大甄别电路513与中子通道二次高速放大甄别电路52的输入端相连，本实施例通过中子通道前置高速放大甄别电路513与中子通道二次高速放大甄别电路52构成中子通道的二级高速放大甄别电路，通过二级高速放大甄别电路对中子通道光电倍增管512输出的脉冲信号进行两次高速放大甄别，能够减少噪声和干扰信号的影响，能够提高地基水分检测的精度；中子探测晶体511为锂玻璃晶体，通过使用固体形式的探测体，相对现有技术采用的气体形式的探测体而言，对于热中子的敏感程度更好，检测能力更强、检测效率更高。

如图4所示，伽马通道光电倍增管312的侧壁上包裹有伽马通道高导磁合金薄膜层3121；中子通道光电倍增管512的侧壁上包裹有中子通道高导磁合金薄膜层5121，伽马通道高导磁合金薄膜层3121和中子通道高导磁合金薄膜层5121均为坡莫合金薄膜，坡莫合金薄膜具有较强的导磁能力，能够实现对伽马通道光电倍增管312和中子通道光电倍增管512的磁屏蔽，从而将地磁效应对伽马通道光电倍增管312和中子通道光电倍增管512的干扰降到最低。

如图2、图4、图5、图6和图7所示，壳体1的底部设有铅屏蔽底座14，铅屏蔽底座14上设有伽马源屏蔽台15、中子源安装内螺孔16、伽马探头安装孔17、中子探头安装孔18，中子源安装内螺孔16、伽马探头安装孔17、中子探头安装孔18全部安装在铅屏蔽底座14上，因此结构简单，加工方便，屏蔽效果更好；伽马源屏蔽台15的中部设有通孔151，滑动杆12的下侧插设于通孔151中，从而通过伽马源屏蔽台15能够实现对滑动杆12底部的伽马源2的屏蔽，屏蔽效果好，伽马源2对地基的密度水分检测以及人体的影响更小；铅屏蔽底座14的底部设有通过螺栓连接的底盖19，通孔151的内壁上设有容置孔152，容置孔152位于底盖19的上侧，容置孔152内设有铅滑块153和复位弹簧154，复位弹簧154的一端抵触在容置孔152的内壁上，复位弹簧154的另一端抵触在铅滑块153远离通孔151的一侧，铅滑块153靠近通孔151一侧的上部设有用于将铅滑块153推离通孔151的导向斜面155，滑动杆12的底端为平滑曲面；打开底盖19，即可露出容置孔152，从而能够对容置孔152的铅滑块153和复位弹簧154进行操作，对于铅滑块153和复位弹簧154的安装、检查和维修都非常方便；而且由于复位弹簧154和导向斜面155，能够实现铅滑块153在通孔151的底部实现对滑动杆12底部的伽马源2的屏蔽，结合伽马源屏蔽台15实现对伽马源2的全方位屏蔽，防止通孔151的底部发生伽马射线泄漏，屏蔽效果好，伽马源2对地基的密度水分检测以及人体的影响更小。如图6所示，当需要将滑动杆12推出进行密度表面检测或者深度检测时，往下推动滑动杆12，则滑动杆12底端的平滑曲面会与铅滑块153的导向斜面155接触，从而产生一个将铅滑块153推离通孔151的作用力，该作用力挤压复位弹簧154并将最终铅滑块153推离通孔151，从而能够将滑动杆12推出通孔151以便进行密度表面检测或者深度检测，此时状态如图7所示；如果将滑动杆12收回通孔151后，则复位弹簧154复位并将铅滑块153推回通孔151，状态恢复至图6所示的状态。

如图4所示，中子源4设于中子源安装内螺孔16内，且中子源安装内螺孔16的开口端设有用于固定中子源4的固定螺栓161，通过固定螺栓161实现对中子源4的安装固定，结构简单而且牢固可靠；此外，本实施例的伽马探头31和中子探头51均为圆柱形结构，伽马探头31插设固定于伽马探头安装孔17中，中子探头51插设固定于中子探头安装孔18中，铅屏蔽底座14能够防止中子源4的伴随低能伽马射线进入中子探头51，使得水分检测更加准确，安装拆卸简单方便。

如图4所示，伽马源屏蔽台15的上部设有导向座158，导向座158由一体式结构的安装座1581和导向管1582组成，安装座1581通过螺栓与伽马源屏蔽台15相连，导向管1582的轴线沿着竖直方向布置，导向管1582的内部设有与通孔151连通的导向孔1583，导向管1582内位于导向孔1583的外侧设有弧形导向部1584。由于被检测地基上打孔非常困难，而且打孔不能破坏地基的结构，因此孔径的尺寸比较小，从而使得滑动杆12的直径也比较小，当将滑动杆12通过导向管1582插入通孔151时，滑动杆12的底部由于导向管1582内部的弧形导向部1584的导向作用，从而能够更加快速稳定的插入通孔151，安装配合更加简单方便，即使滑动杆12发生一定的形变，仍然不会影响滑动杆12的使用。

如图5、图6和图7所示，铅滑块153的底部设有圆柱形槽156，圆柱形槽156内嵌设有圆柱形结构的滚珠157，铅滑块153通过滚珠157支承在底盖19上，因此当铅滑块153滑动时，滚珠157能够减少铅滑块153、底盖19之间的摩擦力，使得铅滑块153的滑动更加灵活，推动滑动杆12时遇到的阻力更小，使用时更加方便省力。

如图2、图8和图9所示，套管11的顶部设有端盖111，套管11的一侧设有滑动开口槽112，套管11的内壁设有沿着竖直方向布置的滑动条113，滑动条113上设有多个定位齿114；滑动杆12的顶部设有滑动座121，滑动座121上设有沿着竖直方向布置的滑动槽122和沿着水平方向布置的销孔123，销孔123与滑动条113对齐布置，销孔123内插设有锁销杆124，滑动座121插设于套管11内且滑动槽122套设于滑动条113上，滑动座121的一侧设有伸出滑动开口槽112布置的横杆125，横杆125上设有凹槽1251和手柄1252，手柄1252上设有相邻布置的第一铰接轴1253和第二铰接轴1254，手柄1252通过第一铰接轴1253铰接安装在凹槽1251内，第二铰接轴1254与锁销杆124的端部铰接，手柄1252与凹槽1251之间设有用于对锁销杆124施力的锁销弹簧1255。由于被检测地基上打孔非常困难，而且打孔不能破坏地基的结构，因此孔径的尺寸比较小，从而使得滑动杆12的直径也比较小，为了实现滑动杆12在套管11中上下滑动时的轴心稳定性，本实施例通过滑动杆12的顶部设有滑动座121，滑动座121插设于套管11内且滑动槽122套设于滑动条113上，由于滑动座121上设有沿着竖直方向布置的滑动槽122且滑动槽122套设于滑动条113上，因此能够使得滑动座121滑动时稳定可靠，总是沿着套管11的轴线方向滑动，从而能够确保滑动杆12总是沿着套管11的竖直方向上升和下降，从而在进行地基密度深度检测时，使得伽马源2和伽马探头31之间的距离更加准确可靠，能够提高深度法检测地基密度的精确度；而且，由于滑动条113上设有多个定位齿114，第二铰接轴1254与锁销杆124的端部铰接，因此当滑动杆12滑动到定位齿114的位置时，由于锁销弹簧1255对锁销杆124施力，会使得对锁销杆124自动进入定位齿114从而将滑动杆12锁定在定位齿114的位置，从而方便对滑动杆12的指定检测深度进行定位，如果需要继续滑动则按压手柄1252，则手柄1252的第二铰接轴1254带动锁销杆124从定位齿114中抽出，从而滑动杆12能够继续在套管11中滑动。

本实施例中，将伽马探头31与伽马源2之间的水平距离L1、中子探头51与中子源4之间的水平距离L2、铅屏蔽底座14的厚度L3作为可调参数（L1、L2、L3具体参见图4），采用蒙特卡洛方法摸拟中子和伽马射线在各种材料中的输运过程，就是模拟单个中子和伽马射线的随机游动，即按照已建立的模型，使用各种抽样方法确定中子在慢化扩散过程中和伽马射线与材料发生各种相互作用过程中状态参数(位置，游动方向，能量及权重)的变化，并于适当的时候计算对伽马通道高速脉冲计数电路33、中子通道高速脉冲计数电路53输出的计数的贡献或给出其它信息，一直到中子和伽马射线消失，在跟踪一批中子和伽马射线后，对伽马通道高速脉冲计数电路33、中子通道高速脉冲计数电路53输出计数值进行统计处理。根据密度和水分检测的检测误差要求，通过对不同模型的中子和伽马射线的随机游动的仿真计算，可以基本确定中子源4和伽马源2的能量和活度，中子探头51和伽马探头31的种类和几何尺寸及最佳的源-源屏蔽体-探头结构。通过蒙特卡洛方法进行的模拟设计和大量的实验，最终得到的优选参数如下：伽马探头31与伽马源2之间的水平距离L1为15～21cm，中子探头51与中子源4之间的水平距离L2为0～5cm，铅屏蔽底座14的厚度L3为1～5cm。本实施例中，伽马探头31与伽马源2之间的水平距离L1为18cm，中子探头51与中子源4之间的水平距离L2为3cm，铅屏蔽底座14的厚度L3为3cm。现有技术水分密度仪仅仅能实现0～30cm地基检测，而且在对0～30cm地基检测时，现有技术中子源4的放射性活度为50毫居里、伽马源2的放射性活度为5～10毫居里。经测试，本实施例在中子源4的放射性活度为30毫居里、伽马源2的放射性活度为1毫居里，即可完成0～30cm地基密度和水分检测，在符合国家相关规定的前提下，适当加大伽马源2的放射性活度即可实现0～100厘米不同深度的地基密度检测，因此本实施例能够做到尽量降低放射源活度、又保证足够的检测深度和检测效率。

本实施例中，中央处理模块61由单片机及其外围电路组成，操作面板62为按键模块，显示模块63为液晶显示屏模块，伽马通道前置高速放大甄别电路313、伽马通道二次高速放大甄别电路32、中子通道前置高速放大甄别电路513、中子通道二次高速放大甄别电路52均为高速放大甄别电路，伽马通道高速脉冲计数电路33、中子通道高速脉冲计数电路53均为高速脉冲计数电路，由于高速放大甄别电路、高速脉冲计数电路均为常规电路结构，其详细电路在此不再详细描述。本实施例中，中央处理模块61、伽马通道二次高速放大甄别电路32、伽马通道高速脉冲计数电路33、中子通道二次高速放大甄别电路52、中子通道高速脉冲计数电路53集成在一块印刷电路板上实现，且印刷电路板安装在壳体1内对应操作面板62和显示模块63的位置。此外，数据处理单元6还包括用于连接上位机7（PC机）的数据接口模块64、用于连接打印机8的打印接口模块65，数据接口模块64、打印接口模块65均安装固定在壳体1上，数据接口模块64、打印接口模块65分别与中央处理模块61相连。本实施例的数据接口模块64具体采用USB接口模块，打印接口模块65具体采用并口模块。上位机7通过数据接口模块64能够实现对中央处理模块61的控制，从而实现对地基的密度或者水分进行远程检测，从而在检测过程中，能够有效减少放射源（伽马源2和中子源4）对人体的损害；通过打印接口模块65则可以直接控制打印机8打印出检测数据，使用非常方便。

如图10所示，本实施例用于地基水分检测时，用户通过操作面板62输入参数（标定值等）并选择工作模式，中子源4（²⁴¹Am-Be）发出快中子，能量很高的快中子进入地基后与地基水分中的氢原子发生碰撞后能量降低，最终变为能量很低的热中子，中子探头51内部的中子探测晶体511在热中子的作用下发光，然后中子通道光电倍增管512将光信号转换为脉冲信号输出，然后脉冲信号通过中子探头51内部的中子通道前置高速放大甄别电路513进行一次放大甄别，然后输出至中子通道二次高速放大甄别电路52进行二次放大甄别并输入中子通道高速脉冲计数电路53，中子通道高速脉冲计数电路53对输入的脉冲信号进行脉冲计数并将计数值输入给中央处理模块61，中央处理模块61根据输入的计数值计算出地基的水分信息并通过显示模块63输出，同时用户可通过操作面板62选择将结果使用与打印接口模块65相连的打印机8打印输出，或者可通过上位机7经由数据接口模块64获取检测数据。

如图11所示，本实施例用于地基密度的表面检测时，推动滑动杆12时，滑动杆12底部的弧形曲面推动铅滑块153的导向斜面155，从而产生推力将铅滑块153推离通孔151，复位弹簧154受挤压变形，通过定位齿114和锁销杆124之间的配合定位使得滑动杆12的底端推入壳体1底部的探测孔13中、滑动杆12底部的弧形曲面与土基接触即可；然后用户通过操作面板62输入参数（标定值等）并选择工作模式，伽马源2（¹³⁷Cs）发出伽马射线（γ射线），伽马射线进入地基与地基作用发生散射和吸收，从而达到伽马探头31的射线能量和数量发生改变，伽马探头31内部的伽马探测晶体311在被地基作用发生散射和吸收后的伽马射线的作用下发光，伽马通道光电倍增管312将光信号转换为脉冲信号，然后脉冲信号通过伽马探头31内部的伽马通道前置高速放大甄别电路313进行一次放大甄别，然后输出至伽马通道二次高速放大甄别电路32进行二次放大甄别并输入伽马通道高速脉冲计数电路33，伽马通道高速脉冲计数电路33对输入的脉冲信号进行脉冲计数并将计数值输入给中央处理模块61，中央处理模块61根据输入的计数值计算出地基的密度信息并通过显示模块63输出，同时用户可通过操作面板62选择将结果使用与打印接口模块65相连的打印机8打印输出，或者可通过上位机7经由数据接口模块64获取检测数据。当完成土基密度检测后，则将滑动杆12缩回套管11，此时复位弹簧154恢复原状从而自动将铅滑块153重新推入通孔151，滑动杆12底部的伽马源2重新回到伽马源屏蔽台15和铅滑块153构成的屏蔽结构内防止伽马源2的伽马射线发生泄漏。

如图12所示，本实施例用于地基密度的深度检测时，预先需要在被检测的地基上打孔。然后推动滑动杆12，滑动杆12底部的弧形曲面推动铅滑块153的导向斜面155，从而产生推力将铅滑块153推离通孔151，复位弹簧154受挤压变形，通过定位齿114和锁销杆124之间的配合定位使得滑动杆12插入地基的孔内所需的深度，滑动杆12底端的伽马源2深入地基的孔内所需的深度。然后与表面检测相同，用户通过操作面板62输入参数（标定值等）并选择工作模式，伽马源2（¹³⁷Cs）发出伽马射线（γ射线），伽马射线进入地基与地基作用发生散射和吸收，从而达到伽马探头31的射线能量和数量发生改变，伽马探头31内部的伽马探测晶体311在被地基作用发生散射和吸收后的伽马射线的作用下发光，伽马通道光电倍增管312将光信号转换为脉冲信号，然后脉冲信号通过伽马探头31内部的伽马通道前置高速放大甄别电路313进行一次放大甄别，然后输出至伽马通道二次高速放大甄别电路32进行二次放大甄别并输入伽马通道高速脉冲计数电路33，伽马通道高速脉冲计数电路33对输入的脉冲信号进行脉冲计数并将计数值输入给中央处理模块61，中央处理模块61根据输入的计数值计算出地基的密度信息并通过显示模块63输出，同时用户可通过操作面板62选择将结果使用与打印接口模块65相连的打印机8打印输出，或者可通过上位机7经由数据接口模块64获取检测数据。当完成土基密度检测后，则将滑动杆12缩回套管11，此时复位弹簧154恢复原状从而自动将铅滑块153重新推入通孔151，滑动杆12底部的伽马源2重新回到伽马源屏蔽台15和铅滑块153构成的屏蔽结构内防止伽马源2的伽马射线发生泄漏。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种单杆低活度核子水分密度仪，其特征在于：包括壳体（1）、伽马源（2）、密度采集单元（3）、中子源（4）、水分采集单元（5）和数据处理单元（6），所述密度采集单元（3）包括依次相连的伽马探头（31）、伽马通道二次高速放大甄别电路（32）、伽马通道高速脉冲计数电路（33），所述水分采集单元（5）包括依次相连的中子探头（51）、中子通道二次高速放大甄别电路（52）、中子通道高速脉冲计数电路（53），所述数据处理单元（6）包括中央处理模块（61）和分别与中央处理模块（61）相连的操作面板（62）、显示模块（63），所述壳体（1）上设有套管（11），所述套管（11）内设有一根可沿竖直方向滑动的滑动杆（12），所述壳体（1）的底部设有与滑动杆（12）对齐布置的探测孔（13），所述伽马源（2）设于滑动杆（12）的底端，所述密度采集单元（3）、中子源（4）、水分采集单元（5）和中央处理模块（61）均设于壳体（1）内，所述操作面板（62）、显示模块（63）固定于壳体（1）的外壁上，所述伽马通道高速脉冲计数电路（33）、中子通道高速脉冲计数电路（53）分别与中央处理模块（61）的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的单杆低活度核子水分密度仪，其特征在于：所述伽马探头（31）包括伽马探头外壳（310）、伽马探测晶体（311）、伽马通道光电倍增管（312）和伽马通道前置高速放大甄别电路（313），所述伽马探测晶体（311）设于伽马探头外壳（310）的底部，所述伽马通道光电倍增管（312）设于伽马探测晶体（311）的上侧，所述伽马通道前置高速放大甄别电路（313）设于伽马通道光电倍增管（312）的上侧，所述伽马通道光电倍增管（312）的输出端通过伽马通道前置高速放大甄别电路（313）与伽马通道二次高速放大甄别电路（32）的输入端相连；所述伽马探测晶体（311）为碘化钠晶体、碘化铯晶体、锗酸铋晶体中的一种。

3.根据权利要求2所述的单杆低活度核子水分密度仪，其特征在于：所述中子探头（51）包括中子探头外壳（510）、中子探测晶体（511）、中子通道光电倍增管（512）和中子通道前置高速放大甄别电路（513），所述中子探测晶体（511）设于中子探头外壳（510）的底部，所述中子通道光电倍增管（512）设于中子探测晶体（511）的上侧，所述中子通道前置高速放大甄别电路（513）设于中子通道光电倍增管（512）的上侧，所述中子通道光电倍增管（512）的输出端通过中子通道前置高速放大甄别电路（513）与中子通道二次高速放大甄别电路（52）的输入端相连；所述中子探测晶体（511）为锂玻璃晶体。

4.根据权利要求3所述的单杆低活度核子水分密度仪，其特征在于：所述伽马通道光电倍增管（312）的侧壁上包裹有伽马通道高导磁合金薄膜层（3121）；所述中子通道光电倍增管（512）的侧壁上包裹有中子通道高导磁合金薄膜层（5121）。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的单杆低活度核子水分密度仪，其特征在于：所述壳体（1）的底部设有铅屏蔽底座（14），所述铅屏蔽底座（14）上设有伽马源屏蔽台（15）、中子源安装内螺孔（16）、伽马探头安装孔（17）、中子探头安装孔（18），所述伽马源屏蔽台（15）的中部设有通孔（151），所述滑动杆（12）的下侧插设于通孔（151）中，所述铅屏蔽底座（14）的底部设有通过螺栓连接的底盖（19），所述通孔（151）的内壁上设有容置孔（152），所述容置孔（152）位于底盖（19）的上侧，所述容置孔（152）内设有铅滑块（153）和复位弹簧（154），所述复位弹簧（154）的一端抵触在容置孔（152）的内壁上，所述复位弹簧（154）的另一端抵触在铅滑块（153）远离通孔（151）的一侧，所述铅滑块（153）靠近通孔（151）一侧的上部设有用于将铅滑块（153）推离通孔（151）的导向斜面（155），所述滑动杆（12）的底端为平滑曲面；所述中子源（4）设于中子源安装内螺孔（16）内，且中子源安装内螺孔（16）的开口端设有用于固定中子源（4）的固定螺栓（161），所述伽马探头（31）和中子探头（51）均为圆柱形结构，所述伽马探头（31）插设固定于伽马探头安装孔（17）中，所述中子探头（51）插设固定于中子探头安装孔（18）中。

6.根据权利要求5所述的单杆低活度核子水分密度仪，其特征在于：所述铅滑块（153）的底部设有圆柱形槽（156），所述圆柱形槽（156）内嵌设有圆柱形结构的滚珠（157），所述铅滑块（153）通过滚珠（157）支承在底盖（19）上。

7.根据权利要求6所述的单杆低活度核子水分密度仪，其特征在于：所述伽马源屏蔽台（15）的上部设有导向座（158），所述导向座（158）由一体式结构的安装座（1581）和导向管（1582）组成，所述安装座（1581）通过螺栓与伽马源屏蔽台（15）相连，所述导向管（1582）的轴线沿着竖直方向布置，所述导向管（1582）的内部设有与通孔（151）连通的导向孔（1583），所述导向管（1582）内位于导向孔（1583）的外侧设有弧形导向部（1584）。

8.根据权利要求7所述的单杆低活度核子水分密度仪，其特征在于：所述套管（11）的顶部设有端盖（111），所述套管（11）的一侧设有滑动开口槽（112），所述套管（11）的内壁设有沿着竖直方向布置的滑动条（113），所述滑动条（113）上设有多个定位齿（114）；所述滑动杆（12）的顶部设有滑动座（121），所述滑动座（121）上设有沿着竖直方向布置的滑动槽（122）和沿着水平方向布置的销孔（123），所述销孔（123）与滑动条（113）对齐布置，所述销孔（123）内插设有锁销杆（124），所述滑动座（121）插设于套管（11）内且滑动槽（122）套设于滑动条（113）上，所述滑动座（121）的一侧设有伸出滑动开口槽（112）布置的横杆（125），所述横杆（125）上设有凹槽（1251）和手柄（1252），所述手柄（1252）上设有相邻布置的第一铰接轴（1253）和第二铰接轴（1254），所述手柄（1252）通过第一铰接轴（1253）铰接安装在凹槽（1251）内，所述第二铰接轴（1254）与锁销杆（124）的端部铰接，所述手柄（1252）与凹槽（1251）之间设有用于对锁销杆（124）施力的锁销弹簧（1255）。

9.根据权利要求8所述的单杆低活度核子水分密度仪，其特征在于：所述伽马探头（31）与伽马源（2）之间的水平距离L1为15～21cm，所述中子探头（51）与中子源（4）之间的水平距离L2为0～5cm，所述铅屏蔽底座（14）的厚度L3为1～5cm。

10.根据权利要求9所述的单杆低活度核子水分密度仪，其特征在于：所述数据处理单元（6）还包括用于连接上位机（7）的数据接口模块（64）、用于连接打印机（8）的打印接口模块（65），所述数据接口模块（64）、打印接口模块（65）均安装固定在壳体（1）上，所述数据接口模块（64）、打印接口模块（65）分别与中央处理模块（61）相连。

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