SE465336B - Saett att bestaemma densitet foer underliggande lager - Google Patents

Description

465 536 10 15 20 25 30 35 2 Grupp B: De kvanta som undergår två eller få spridningar med spridningsvinklar av betydande storlek och som når detektorn utan att passera vändområdet.

Sådana kvanta kan exempelvis följa vägen L-2-M eller L-3-M. Dessa kvanta, som i genomsnitt vänder på ett mindre djup, har energi som i genomsnitt är lite högre än energierna för kvanta i grupp A.

Grupp C: De kvanta som undergår många spridningar, vanligtvis utan att passera vändområdet. Dessa kvanta har i medeltal en energi, som är betydligt lägre än energin för kvanta i grupp A eller B. En liten del av grupp-C-kvanta kommer emellertid att ha energier som är av samma storleksordning som grupp-A- och grupp- B-kvanta. ' Ett exempel på ett av detektorn uppmätt gammaspekt- rum visas i fig 5. Spektrumets utseende är dock beroende på det önskade mätdjupet. Om detta djup x är mindre än ca 10 cm kommer den största delen av detektorns mätsig- nal att komma från kvanta i grupp A, men dock i beroende av det betraktade materialets sammansättning och den- sitet. När mätdjupet x ökas över ca 10 cm kommer den omständighet att signalen från grupp-A-kvanta dämpas exponentiellt, medan signaler från grupp-B- och grupp-C- kvanta är nästan konstant och endast lite beroende på vändområdets djup att snabbt medföra att detektor- signalen domineras av kvanta från grupp B och C.

Genom att ändra mätgeometrin så att mittlinjen för källans och detektorns kollimatorer icke längre ligger i samma plan erhålles i princip en signal som endast beror på grupp-C-kvanta. Detta sätt beskrives i den amerikanska patentskriften US-A-4 034 218. Som det framgår av fig 1 i denna patentskrift är mätsignalen efter den beskrivna geometriändringen helt utan den puckel som hänförs till grupp-A- och grupp~B-kvanta.

Genom att subtrahera mätsignalen efter den beskrivna geometriändringen från mätsignalen före geometriändring- en erhålles en signal som huvudsakligen kommer från i! 10 15 20 25 35 465 556' 3 grupp-A- och grupp-B-kvanta. För mätdjup mindre än ca 10 cm kommer denna signal, såsom ovan beskrivits, att vara dominerad av grupp~A-kvanta. Men med ökade djup kommer grupp-B-kvanta att snabbt bli dominerande och den erhållna mätsignalen kommer därför att vara nästan oberoende av mätdjupet. Det i den amerikanska patentskriften 4 034 218 beskrivna sättet är därför icke lämpat att mäta densiteten (“massefylden") för materiallager med tjocklek på mer än 10 cm.

Den i föreliggande ansökan beskrivna uppfinningen kännetecknas av att strålningsriktningen och detektionsriktningen ligger i huvudsakligen samma plan, att den detekterade gammastrålningen i form av gammakvanta uppmäts i ett spektrum över räknehastigheten som funktion av energin; fiatt medeldensiteten i åtminstone två djupintervall beräknas utifrån räknehastigheterna i åtminstone två energiintervall, varvid man utnyttjar att de N ggr spridda kvantana, som når detektorn, i medeltal kommer från ett större djup än de N+1 ggr spridda kvantana, och att de kvånta som är spridda N ggr i medeltal har en annan energi än de kvanta som har spridits N+1 ggr.

Genom att vid denna geometriska uppställning utnyttja differensen mellan mätresultatet som svarar mot det önskade mätdjupet och mätresultatet som svarar mot större mätdjup uppnås en signal som praktiskt taget endast bestämmes av de grupp-A-kvanta som sprides från det önskade mätdjupet. Bidragen från grupp-B- och C-kvanta kommer att vara praktiskt taget lika i de två mätsignalerna och därför eliminera varandra medan bidraget från de grupp-A-kvanta som sprides från det större djupet kommer att vara mycket mindre på grund av ytterligare exponentiell dämpning som dessa kvanta utsätts för på grund av det större djupet.

Med det här beskrivna sättet är det därför möjligt att mäta densiteten på väsentligt större djup än hit- intills. 465 356 10 15 20 35 4 Utifrån det uppmätta gammaspektrumet kan man dessutom erhålla information om densitetens variation med djupet.

Uppfinningen skall närmare förklaras i det följande med hänvisning till ritningarna.

Fig 1 visar en känd mätanordning med en sond som stickes ned i marken.

Fig 2 visar en mätanordning enligt uppfinningen.

Fig 3 är en illustration av sättet för den i fig 2 visade mätanordningen.

Fig 4 visar detekterade kvantas räknehastighet ("hyppighed") som funktion av energin.

Fig 5 visar kvantas uppdelning efter hur många gånger de har blivit spridda. ß Fig 6 är en illustration av hur spektrum kan analyseras genom en subtraktion.

« I det följande gives ett exempel på användning av gammadensitetsmätningar.

När vägar byggs är det av stor betydelse att väg- underlaget komprimeras tillräckligt och därför används det betydande medel till komprimeringskontroll. Det är känt att denna kontroll utföres med hjälp av den s k "sandefterfyllningsmetoden"_ Med denna metod gräves ett 15 cm djupt hål, varefter massan och vatteninnehål- let på det uppgrävda materialet bestämmes genom fyll- ning av hålet med sand av en väldefinierad densitet samt torkning av den uppgrävda sanden. En väsentlig olägenhet med denna metod är att den är arbetskrävande.

Därtill kommer att resultatet av vatteninnehållsbestäm- ningen inte föreligger förrän påföljande dag.

Det är också känt att använda nukleära mätsonder för att bestämma vägunderlagets densitet och vatten- innehåll. Dessa mätsonder ger ett snabbt resultat med en liten arbetsinsats.

Jordlagrets ytdensitet bestämmes med nukleära mätsonder antingen genom bakåtspridningsmetoden eller genom transmissionsmetoden. rv 10 15 20 25 30 35 465 556' 5 Vid den sedvanliga bakåtspridningsmetoden (utan användning av kollimatorer) skickar en vid ytan belägen gammakälla gammakvanta ned i jordlagret, där de sprides och därefter kan nå fram till en gammadetektor som också är anbragt på överytan. Gammadetektorn är avskär- mad mot direkt strålning från gammakällan. Vid densite- ter pá över ca l g/cm3 kommer detektorns räknehastighet att minska med ökande jorddensitet. Ett ökat antal ato- mer per volymsenhet kommer nämligen att hindra gammakvan- ta att nå fram till detektorn samtidigt som sannolikhe- ten för absorption av gammakvanta ökas. Bakåtspridnings- metoden har den fördelen att inte vägytan förstörs. I gengäld ger den sedvanliga bakåtspridningen endast den- siteten för de översta 4-6 cm, vilket icke är tillräck- ligt vid jordkomprimeringsundersökningar.

Vid transmissionsmetoden (se fig 1) föres ett spett, med~en gammakälla belägen i dess spets, ned 15-25 cm i jordlagret. Härifrån kan källans gammakvanta nå gammade- tektorn. Den registrerade räknehastigheten beror på jord- lagrets dämpning som åter är beroende på lagrets densi- tet. Ju större densiteten är desto lägre blir räknehas- tigheten som följer på den större dämpningen- Transmis- sionsmetoden har den fördelen att den mäter medelvärdet av densiteten i jorden från källa till detektor. I gen- gäld kan nedförningen av spettet vara svår, eventuellt omöjlig, om jordlagret innehåller mycket sten, vilket normalt är fallet med vägbyggningsmaterial. Vidare är metoden oanvändbar om det önskas mätningar på exempelvis asfalt, betong eller andra fasta material.

Det häri beskrivna sättet är baserat på Compton- spridning av gammakvanta. Vid sättet sändes ett kolli- merat gammastrålknippe in i det betraktade mediet, där gammakvanta sprides - se fig 2. Genom att endast mäta de grupp-A-kvanta som sprides från ett djup på ned till ca 25 cm fås en räknehastighet som är ett mått på medeldensiteten för mediet ned till detta djup. Energin för grupp-A-kvanta ligger nära det av A 65 356 10 15 20 6 Comptons formel angivna värdet: Eo EY = E (E 1 MeV) o l + 0'5ll(l-cos9) EO är energin för de av källan utsända gammakvanta, och 9 är den i fig 2 angivna vinkeln. Att endast grupp- A-kvanta som har en energi på omkring EY mätes säker- ställs med det häri beskrivna sättet.

Den använda mätuppställningen är som visas i fig 2. l37Cs) utsän- Gammastrålningen från källan K (ca 30 mCi des likformigt i alla riktningar. Endast där gammakvanta har en riktning ut genom kollimatorn kommer de att nå omgivningen. De övriga kvanta absorberas av skärmen A.

Från källan utskickas således ett monokromatisk strålknippe inom en snäv rymdvinkel. Utstrålningsrikt- ningen kan ändras genom inställning av ett handtag H.

Detflfinns N olika inställningar, som svarar mot N olika mätdjup, t ex N=3, 6, 10,15, 25 och 35. Som framgår av figuren skickas strålknippet in i materialet om densiteten önskas bestämd. Under passagen genom materialet kommer en del av dessa gammakvanta i strål- knippet att spridas eller absorberas. Den del som sprides är starkt beroende av det spridande materialets ldensitet. 25 När strålningen når ned till det önskade mätdjupet D är den därför mer eller mindre dämpad, beroende på materialets densitet.

Under passagen av vändområdet V sprides - beroende på materialets densitet - en del av dessa gammakvanta bort från strålknippet. En mindre del av den i V spridda strålningen, kommer att ha riktning mot gammadetektorn.

På väg mot denna dämpas strålningen ytterligare beroende de på materialets densitet. Intensiteten av den strål- ning som når detektorn, kommer därför att vara starkt beroende på mätföremàlets densitet (nästan exponen- tiellt).

O 10 15 20 25 30 35 465 356 7 Som nämnts är spridningen av gammakvanta bort från strålknippet under passage av ett material beroen- de på materialets densitet. Beroendet är i stort sett detsamma för alla material, bortsett från material som innehåller väte samt tunga grundämnen. Detta beror på att gammakvantana sprides av elektroner och sanno- likheten för spridning är därför proportionell mot elektrontätheten Ne i materialet. Ne gives av formeln: N = NAV p Z e A där N är Avogadrostal, p är densiteten, Z är atomnum- ret oâš A är masstalet. Bortsett från väte gäller för alla, icke alltför tunga grundämnen, att Z/A=0,5, varför Ne är proportionell mot b . Éör väte gäller att Z/A=l. Detta medför att för vatten (H20) gäller Å = 1+1+e A 1+1+1e dvs 10% större än normalt. Man skall därför vid gamma- = 0,55 strålningsberäkningar korrigera för Vattens onormalt stora förmåga att sprida en gammastrålning genom att i beräkningarna använda en korrigerad densitet på 11oo kg/m3.

Den strålning som önskas uppmätt är de grupp-A- kvanta som sprides i vändområdet V. Intensiteten för denna strålning är i huvudsak bestämd av den genom- snittliga densiteten längs strålvägen i materialet.

Den strålning som önskas uppmätt är de grupp-A- kvanta som sprides i vändområdet V. Intensiteten för denna strålning är i huvudsak bestämd av den genom- snittliga densiteten längs strålvägen i materialet.

Detektorn är försedd med en kollimator som tjä- nar till att bortfiltrera all annan gammastrålning än den strålning som har den korrekta riktningen, nämli- gen riktningen från vändområdet till detektorn.

Med hjälp av skärmning och kollimatorer bortsor- teras största delen av den oönskade strålningen. Det är emellertid icke möjligt att endast med hjälp av 465 336 10 20 25 30 35 8 geometrin bortsortera alla oönskade gammakvanta. Kvan- ta som har spritts två eller flera gånger (grupp B och C) som icke når särskilt långt ner i materialet men som vid den sista spridningen får en riktning upp genom detektorns kollimator (jämför fig 3), kommer också att detekteras, men de innehåller endast informa- tion om densiteten ner till det djup där de har varit.

För att kunna mäta på grupp-A-kvanta används föl- jande sätt.

Från i den fig 3 visade mätuppställningen utsändes från källans kollimator ett smalt strålknippe L, som dämpas exponentiellt vid passage av mätobjektet. Den exponentiella dämpningen bestämmes av mätobjektets densitet. t Dämpningen beror i huvudsak på Comptonspridning, vid vilken gammakvanta sprides bort från strålknippet L. Eftersom kvantana utsändes i alla riktningar kommer några av dem att få riktning mot detektorn. Tack vare detektorns kollimator kommer endast de kvanta som följer kollimatorlinjen M att nå detektorn och ge en signal. 5 Om detektorn endast detekterar grupp-A-kvanta kommer mätresultatet att vara ett uttryck för genom- snittsdensiteten i djupområdet från O till X.

Ett utsänt gammakvanta kan emellertid också följa vägen L-2-M eller L-3-M. Dessa kvanta är spridda mer än en gång (här två resp tre ggr). Om man uteslutande mätte på dessa kvanta är det klart att information endast erhålles om densiteten från O till X1 och icke som önskat från 0 till x.

Det kan visas att om det önskade mätdjupet är mindre än ca 10 cm kommer den övervägande delen av mätsignalen, vid normala densiteter och ämnessamman- sättningar, att emanera från grupp-A-kvanta. Detta beror på den ringa sannolikheten för att grupp-B-kvanta når detektorn, eftersom de skall underkastas två eller ett flertal spridningar och därefter sluta med korrekt riktning. rp- l0 15 20 25 30 35 465 s5a'l 9 När mätdjupet x ökas kommer omständigheten, att signalen från grupp-A-kvanta dämpas exponentiellt, medan signaler från grupp-B- och -C-kvanta är nästan konstant, att snabbt medföra att detektorsignalen domineras av signalen från de oönskade grupperna B och C-kvanta, som inte når ner till det önskade djupet.

Genom att använda Comptons formel på grupp-A och B-kvanta inses det att grupp-B-kvanta vanligtvis har lite högre energi än grupp-A-kvanta. Grupp-C-kvanta kommer vanligtvis att ha väsentligt lägre energi.

Ett typiskt gammaspektrum, dvs som det registreras med detektorn, visas i fig 4. Den del av spektrum som innehåller information om densiteten från 0 till X är skuggad. Med pilen är angivet den energi som grupp-A- kvanta har enligt Comptons formel. Som synes är toppen förskjuten mot högre energier. Detta beror på att gupp-B-kvanta har energier i samma område (lite högre) och faktiskt "överröstar" den önskade signalen.

Spektrum i fig 4 kan uppfattas som sammansatt av tre delar vilket visas i fig 5. Området A anger den önskade mätsignalen från grupp-A-kvanta. Området B anger signalen från grupp-B-kvanta (spridda ett fåtal gånger) och området C anger signalen från grupp-C-kvan- ta (multispridning) samt kvanta från fotoemission i detektorkollimatorn och från naturlig bakgrunds- strålning. Vid registrering av två mätningar, en med mätdjupet x och en med mätdjupet x+y, där y typiskt är 10 cm, kommer signalen från grupp-A-kvanta vid mätdjupet x+y att i praktiken försvinna eftersom den dämpas starkt, då den skall gå igenom ytterligare 2xlO cm. Vid x+y-mätningar kommer signalen från grupp-B- och C-kvanta däremot att vara nästan konstant eftersom det rör sig om väsentligt mindre djup och eftersom geometrin för dessa är nästan oförändrad. Genom att ta differensen mellan mätresultatet från de två mät- ningarna (x och x+y) uppnås därför ett resultat som endast är bestämt av grupp-A-kvanta (se fig 6) och 465 356 10 15 20 25 30 35 lO från detta kan genomsnittsdensiteten för mätobjektet från djupet O till djupet X bestämmas.

Spektralanalys av mätresultatet W) Från en spektralanalys av toppen A+B kan man vid större djup erhålla information om densitetens variation med djupet. Detta är också fallet vid registrering av mätningar på mindre djup.

Med spektralanalys avses i det följande en analys av formen hos det vid mätningen uppkomna spektrumet (räknehastighet mot gammaenergi). Av fig 5 framgår att den del av spektrum där området A befinner sig endast delvis sammanfaller med det energiintervall innanför vilket området B befinner sig. B-områdets medelenergi är högre än A-områdets. f Antalet pulser i området B beror på medeldensite- ten i djupintervallet från O till xl (se fig 3). Vid en lägre medeldensitet från 0 till xl fås större räkne- hastigheter innanför omrâde B.

Man kan således utifrån antalet pulser i energi- intervallet där B dominerar beräkna medeldensiteten från djupet O till xl, p(0-xl) trots att sonden är inställd för att mäta med mätdjupet X (se fig 3).

Som ovan omtalas kan man vid bestämning av stor- leken hos räknehastigheten i området A bestämma medel- densiteten från området 0 till xl, p(0-xl).

Utifrån p(O-xl) och p(0-X) kan medeldensiteten av djupet xl till x, p(xl-x), bestämmas av formeln ) É p(0-x)x - p(0-xl)xl p(x -x 1 x-x l Utifrån Comptons formel kan det visas att ett gammakvanta som sprides enligt vad som visas vid "3" i fig 3 (tre spridningar) kommer att ha högre energi vid detektionen än ett kvanta, som sprides som visas * vid "2" i fig 3 (två spridningar). Dessa bägge kvanta kommer att tillhöra grupp-B-kvantana. Det kan visas att de tre gånger spridda grupp-B-kvantana som detek- teras i medeltal har nått ett mindre maximalt djup än x), 10 15 20 25 465 saer ll de motsvarande två gånger spridda kvantana. Allmänt gäller att de N gånger spridda kvanta som når detek- torn kommer att komma från ett större medeldjup än de N+l gånger spridda.

Signalen som emanerar från grupp-B-kvantana kommer därför att kunna uppdelas i energiintervall. Räknehas- tigheten för de enskilda intervallen kommer att inne- hålla information om densiteten ner till ett visst djup och ju högre intervallens energi är desto mindre är det motsvarande djupet.

Man kan sålunda genom att indela energiområdet för grupp-B-kvantana i ett passande antal intervaller och analyserade tillhörande räknehastigheterna beräkna medeldensiteten i de motsvarande djupintervallen från ytan till det fulla mätdjupet.

Under användning av minsta-kvadrat-metoden kan manianpassa en lämplig utvald funktion till gammaspek- trumet för dessa grupp-B-kvanta. De uppnådda värdena för funktionens anpassningskonstanter innehåller infor- mation om densitetens variation med djupet. Med hjälp av konstanterna är det möjligt att uppskatta densiteten på ett önskat djup liksom att kontinuerligt beräkna densitetens variation med djupet.

Det här omtalade analyssättet kan principiellt användas på alla mätdjup.

Claims (2)

465 336 10 15 20 25 12 PATENTKRAV

1. Sätt att bestämma densiteten för underliggande lager med hjälp av en riktningsbestämd gammastrålnings- källa (K) och en riktningsbestämd detektor, vilken de- tekterar den i lagret spridda och mot detektorn riktade gammastràlningen, vid vilket sätt strålningsriktningen eventuellt ändras i förhållande till detektionsriktning- en och ändringen i den detekterade signalen mätes, k ä n n e t e c k n a t av att stràlningsriktningen och detektionsriktningen ligger i huvudsakligen samma plan, att den detekterade gammastrålningen i form av gammakvanta uppmäts i ett spektrum över räknehastigheten som funktion av energin; t att medeldensiteten i åtminstone två djupintervall beräknas utifrån räknehastigheterna i åtminstone två energiintervall, varvid man utnyttjar att de N ggr spridda kvantana, som når detektorn, i medeltal kommer från ett större djup än de N+l ggr spridda kvantana, och att de kvanta som är spridda N ggr i medeltal har en annan energi än de kvanta som har spridits N+1 ggr.

2. Sätt enligt patentkravet l, k ä n n e t e c k - n a t av att spektrumet delas upp i ett stort antal energi- intervall med avseende på beräkning av densitetens varia- tion med djupet i små djupintervall. M