RI法で密度、水分を計測する原理について

1.ラジオアイソトープ(RI)とは

元素には同じ陽子の数で、中性子の数が異なるものが存在します。
これらをアイソトープ(isotope、同位体)と呼びます。
アイソトープには、不安定なものがあり、放射線を放出して他の核種に変わるものがあります。放射線を放出して他の核種に変わる過程を壊変といい、壊変により他の核種に変わるアイソトープを、ラジオアイソトープ(放射性同位体、RI)と呼びます。

2.放射線の種類

ここでいう放射線は、物質と作用して原子・分子を直接または間接的に電離する能力のある高速の粒子線および極めて波長の短い電磁波のことをいいます。

放射線の主なものには、次のようなものがあります。

α線
高速で移動するヘリウムの原子核。陽子2個と中性子2個からなる。物質の透過能力は低く、紙1枚程度で透過を阻止できる。
β線
電子線。β線も物質の透過能力は低い。
γ線
極めて波長の短い電磁波。原子核の壊変により発生する。物質透過能力は高く、阻止するためには1m程度のコンクリート壁が必要。
X線
極めて波長の短い電磁波。γ線とは発生の機構が異なり、原子核外での電場や軌道電子が関与した結果生じるもの。
中性子線
高速で移動する中性子。物質透過能力は極めて高いが、水により遮蔽できる。中性子線はそのエネルギーにより、以下の4つに分類される。

  • 高速中性子(0.5MeV以上)
  • 中速中性子(0.1〜500keV)
  • 遅い中性子(0.1keV以下)
  • 熱中性子(物質の熱運動と平衡にある中性子で、20℃で0.025eV)

中性子は陽子とほぼ質量が同じであるため、陽子(水素原子核)との衝突で大きくエネルギーを喪失する性質があります。

土木分野での計測では、γ線は密度計測に、中性子線は含水量計測に利用されています。

3.γ線による密度計測

3.1γ線と物質との相互作用

γ線と物質との相互作用として、次の3つの重要なものがあります。

(1)光電効果
電磁波(γ線)が原子の束縛電子に当たりその全エネルギーを束縛電子に与える結果、原子から電子が飛び出す現象。飛び出した電子は光電子と呼ばれます。γ線は原子に吸収されます。
(2)コンプトン効果(散乱)
γ線が原子の外殻電子に作用し、エネルギーの一部をその電子に与えてその電子をはじき出し、自らはエネルギーを減じて進路を変える現象。1〜5MeV程度のγ線では、それが物質中で起こす相互作用の大半はコンプトン効果です。γ線は物質中でコンプトン効果を繰り返し、エネルギーを失って最後は光電効果を起こして原子に吸収されます。
(3)電子対生成効果
原子核の作るクーロン場の中で、高エネルギーのγ線が陽電子と電子のペアを作り、自らは消滅する現象。

密度計測では、(2)のコンプトン効果を利用します。地盤内でのγ線によるコンプトン効果の模式図を以下に示します。

γ線によるコンプトン効果の模式図

3.2測定原理

γ線エネルギーEγ=0.3MeV〜2.0MeVの範囲では、物質とγ線の相互作用は、そのほとんどがコンプトン効果となります。
また、γ線と物質の相互作用によりEγが減少する割合を表す計数を質量吸収係数といいます。

この質量吸収係数はEγ=0.3MeV〜2.0MeVの範囲で水素原子を除き主要元素間でほぼ同じ値となります。
このことは、0.3〜2.0MeVの範囲のエネルギーを持つγ線が土の元素構成によらず、同じ反応を示すことを示しています。γ線による密度測定はこのγ線の性質を利用しています。

以下では、挿入式散乱型のRI密度計を例に取ります。

挿入式散乱型のRI密度計

線源から発生するγ線による応答をRρとすると、Rρは次式のように表されます。

Rρ=(Σ・ρ・r)²・exp(−Σ・ρ・r)
ここに、
Σ:質量吸収係数
ρ:密度
r:線源と検出器の離間距離

この関係をグラフで表すと、次のようになります。

線源から発生するγ線による応答関係のグラフ

図に示すように、Rρとρの関係は上に凸の曲線となります。この曲線のピークが、密度0.7〜0.8(g/cm³)の範囲となるように測定器の設計を行います。

通常、土の密度は図のピークより右側(ρが1.0以上)の範囲となります。この区間の曲線は、近似的に指数関数で次のように表すことができます。

Rρ=A・exp(−B・ρt)
ここで、A、B:校正定数
ρt:湿潤密度

この校正定数A、Bは校正試験により求めます。また、上記の指数関数式を校正式といいます。
この関係から、計測値に対する密度が求められます。

4.中性子線による水分計測

4.1中性子と地盤構成物質との相互関係

線源から放射された中性子は速中性子といい、高速で移動しています。

速中性子と地盤構成物質とが衝突した場合、質量の小さい中性子はほとんど速度を落とさず、運動方向のみを変えます。
ただし、中性子とほぼ質量の等しい陽子(水素原子核)と衝突した場合のみ、その速度をほぼ失い、熱中性子となります。地盤中の水素はそのほとんどが水分子(H2O)として存在するため、熱中性子を測定することにより、地盤中の水素原子の量が計測できます。
その結果、間接的に水の量を測定することができます。

速中性子と地盤構成物の衝突の図

4.2散乱型水分計

一般に中性子検出に使用される³He検出管で測定できるのは熱中性子だけです。放射線源から放射された中性子は周りの水分子中の水素原子核と衝突して、減速、散乱を繰り返します。
この衝突により生じた熱中性子は、土中の水分が多ければ生成率が大きくなり、少ないと小さくなります。散乱型水分計では、この生成した熱中性子を計測します。
熱中性子の分布・拡散モデルによると、土中の水分量(含水量)と熱中性子数との関係は上に凸な2次曲線で与えられます。

Rm=A+B・ρm+C・ρm²
ここに、
Rm:水分計の計数率比
ρm:含水量(g/cm³)
A、B、C:校正係数

この式が、散乱型水分計の校正式となります。

水射熱中性子数と含水量の相関グラフ

4.3透過型水分計

透過型水分計では、土中の水分(水素原子核)と衝突しないで、線源から地中を透過してきた速〜速熱中性子を測定対象にしています。

³He検出管は、熱中性子の検出しかできないため、測定器内部に到達した速〜速熱中性子を検出管周囲に配置した減速材で熱中性子まで減速させて測定します。

なお、地中の水分(水素原子核)との相互作用で減速・生成した熱中性子は測定対象外であるため、吸収材で遮断します。

測定器の原理

透過型の水分計の校正式は指数関数で表され、次のようになります。

Rm=A・exp(−B・ρm)
ここに、
Rm:水分計の計数率比
ρm:含水量(g/cm³)
A、B:校正係数

透過型水分計の指数関数グラフ

※参考文献試験所技術資料第213号RI計器で土の密度・水分量をはかるしくみ(測定原理と校正曲線の作成)昭和59年3月日本道路公団試験所

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