Densitometri nuklir

Densitometri nuklir adalah sebuah teknik yang digunakan dalam konstruksi sipil dan industri minyak bumi, serta untuk tujuan pertambangan dan arkeologi, untuk mengukur kepadatan dan struktur bagian dalam bahan uji. Proses ini menggunakan sebuah pengukur kepadatan nuklir, yang terdiri dari sumber radiasi yang memancarkan partikel dan sensor yang menghitung partikel yang diterima yang dipantulkan oleh bahan uji atau melewatinya. Dengan menghitung persentase partikel yang kembali ke sensor, pengukur dapat dikalibrasi untuk mengukur kepadatan.

Dalam rekayasa geoteknik, densometer nuklir atau pengukur kepadatan tanah adalah sebuah instrumen lapangan yang digunakan untuk menentukan kepadatan material yang dipadatkan. Perangkat ini menggunakan interaksi radiasi gama dengan materi untuk mengukur kepadatan, baik melalui transmisi langsung atau metode "hamburan balik". Perangkat ini menentukan kerapatan suatu material dengan menghitung jumlah foton yang dipancarkan oleh sumber radioaktif (sesium-137) yang akan dibaca oleh tabung detektor di dasar pengukur. Interval waktu 60 detik biasanya digunakan untuk periode penghitungan.

Sumber

Beberapa varian yang berbeda digunakan untuk beberapa tujuan yang berbeda. Untuk analisis kepadatan objek yang sangat dangkal seperti jalan atau dinding, sumber pemancar gama seperti ¹³⁷Cs digunakan untuk menghasilkan radiasi gama. Isotop ini efektif dalam menganalisis 10 inci (25 sentimeter) teratas dengan akurasi yang tinggi. ²²⁶Ra digunakan untuk kedalaman 328 yard (300 meter). Instrumen semacam ini dapat membantu menemukan gua atau mengidentifikasi lokasi dengan kepadatan lebih rendah yang akan membuat konstruksi terowongan berbahaya.

Cara penggunaan

Pengukur densitas nuklir biasanya dioperasikan dalam salah satu dari dua cara:^[1]

Transmisi langsung: Batang yang dapat ditarik diturunkan ke matras melalui lubang yang telah dibor sebelumnya. Sumber memancarkan radiasi, yang kemudian berinteraksi dengan elektron dalam material dan kehilangan energi dan/atau dialihkan (tersebar). Radiasi yang kehilangan energi yang cukup atau tersebar jauh dari detektor tidak dihitung. Semakin padat material, semakin tinggi kemungkinan interaksi dan semakin rendah jumlah detektor. Oleh karena itu, jumlah detektor berbanding terbalik dengan kepadatan material. Faktor kalibrasi digunakan untuk menghubungkan hitungan dengan densitas sebenarnya.

Hamburan balik: Batang yang dapat ditarik diturunkan sehingga sejajar dengan detektor tetapi masih di dalam instrumen. Sumber memancarkan radiasi, yang kemudian berinteraksi dengan elektron dalam material dan kehilangan energi dan/atau dialihkan (tersebar). Radiasi yang dihamburkan menuju detektor dihitung. Semakin padat material, semakin tinggi kemungkinan radiasi akan diarahkan ke detektor. Oleh karena itu, jumlah detektor sebanding dengan densitas. Faktor kalibrasi digunakan untuk mengkorelasikan hitungan dengan densitas sebenarnya.

Banyak perangkat yang dibuat untuk mengukur kepadatan dan kadar air bahan. Hal ini penting untuk industri konstruksi Sipil khususnya karena keduanya penting untuk memverifikasi kondisi tanah yang sesuai untuk mendukung struktur, jalan, jalan raya, dan landasan pacu bandara.

Kegunaan

Pemadatan tanah

Sebuah densometer nuklir digunakan pada dasar yang dipadatkan untuk menetapkan persentase pemadatannya.^[2]^[3] Sebelum uji lapangan dilakukan, teknisi melakukan kalibrasi pada pengukur yang mencatat 'hitungan standar' mesin. Hitungan standar adalah jumlah radiasi yang dilepaskan oleh dua sumber nuklir di dalam mesin, tanpa kehilangan atau kebocoran. Hal ini memungkinkan mesin untuk membandingkan jumlah radiasi yang dilepaskan dengan jumlah radiasi yang diterima. Dengan menggunakan batang berdiameter 3/4" sebuah lubang dibuat di dasar yang dipadatkan dengan memalu batang ke dalam alas untuk menghasilkan lubang tempat probe densometer dapat dimasukkan. Densometer ditempatkan di atas lubang, dan kemudian probe dimasukkan ke dalam lubang dengan membuka pegangan di bagian atas probe. Satu sumber menghasilkan radiasi yang berinteraksi dengan atom di dalam tanah, dan kemudian dibandingkan dengan hitungan standar, untuk menghitung kepadatan. Sumber lain berinteraksi dengan atom hidrogen untuk menghitung persentase air dalam tanah.

Dalam mode transmisi langsung, sumber memanjang melalui dasar pengukur ke dalam lubang yang telah dibor, memposisikan sumber pada kedalaman yang diinginkan. Prosedur pengujian analog dengan mengubur sejumlah bahan radioaktif yang diketahui pada kedalaman tertentu, dan kemudian menggunakan pencacah Geiger di permukaan tanah untuk mengukur seberapa efektif kepadatan tanah menghalangi penetrasi radiasi gama melalui tanah. Ketika kepadatan tanah meningkat, lebih sedikit radiasi yang dapat melewatinya, karena dispersi dari tumbukan dengan elektron dalam tanah yang diuji.

Karena tingkat kelembapan tanah bertanggung jawab sebagian atas kerapatan di tempatnya, pengukur itu juga berisi pengukur kelembapan neutron yang terdiri dari sumber neutron energi tinggi amerisium/berilium dan detektor neutron termal. Neutron berenergi tinggi diperlambat ketika mereka bertabrakan dengan atom hidrogen, dan detektor kemudian menghitung neutron yang "diperlambat". Jumlah ini sebanding dengan kandungan air tanah, karena hidrogen dalam air ini (H₂O) bertanggung jawab atas hampir semua hidrogen yang ditemukan di sebagian besar tanah. Pengukur menghitung kadar air, menguranginya dari kepadatan tanah di tempat (basah), dan melaporkan kepadatan kering tanah.

Kepadatan cairan dalam pipa

Pengukur densitas nuklir juga dapat digunakan untuk mengukur densitas cairan dalam pipa. Jika sumber dipasang di satu sisi pipa dan detektor di sisi lain, jumlah radiasi yang terlihat di detektor tergantung pada pelindung yang diberikan oleh cairan di dalam pipa. Tracerco memelopori penggunaan radiasi untuk mengukur kepadatan pada 1950-an dan menetapkan bahwa hukum Beer–Lambert juga berlaku untuk radiasi serta optik. Alat pengukur biasanya dikalibrasi menggunakan gas dan cairan yang kepadatannya diketahui untuk menemukan yang tidak diketahui dalam persamaan. Setelah dikalibrasi dan selama penyelarasan detektor sumber tetap konstan, adalah mungkin untuk menghitung densitas cairan di dalam pipa. Salah satu faktornya adalah waktu paruh sumber radioaktif (30 tahun untuk ¹³⁷Cs), yang berarti bahwa sistem perlu dikalibrasi ulang secara berkala. Sistem modern menggabungkan koreksi untuk peluruhan sumber.^[4]

Mencari air bawah tanah

Varian lain adalah dengan menggunakan sumber neutron yang kuat seperti ²⁴¹Amerisium/Berilium untuk menghasilkan radiasi neutron dan kemudian mengukur energi hamburan neutron kembali. Karena hidrogen secara khas memperlambat neutron, sensor dapat menghitung kerapatan hidrogen - dan menemukan kantong air bawah tanah, kelembapan hingga kedalaman beberapa meter, kadar air, atau kadar aspal.

Pemisah pengujian

Sumber neutron juga dapat digunakan untuk menilai kinerja pemisah dengan cara yang sama. Gas, minyak, air dan pasir semuanya memiliki konsentrasi atom hidrogen yang berbeda yang mencerminkan jumlah neutron lambat yang berbeda. Menggunakan kepala yang berisi sumber neutron ²⁴¹AmBe dan detektor neutron lambat, dengan memindainya ke atas dan ke bawah pemisah, dimungkinkan untuk menentukan tingkat antarmuka di dalam pemisah.

Lihat pula

Daya nuklir

Referensi

^ M. Falahati; et al. (2018). "Design, modelling and construction of a continuous nuclear gauge for measuring the fluid levels". Journal of Instrumentation. 13 (2): P02028. doi:10.1088/1748-0221/13/02/P02028.
^ ASTM D2922-05 Standard Test Methods for Density of Soil and Soil-Aggregate in Place by Nuclear Methods (Shallow Depth), doi:10.1520/D2922-05 (Standard withdrawn 2007)
^ ASTM D6938 - 08a Standard Test Method for In-Place Density and Water Content of Soil and Soil-Aggregate by Nuclear Methods (Shallow Depth), doi:10.1520/D6938-08A
^ Jackson, Peter (2004). Radioisotope Gauges for Industrial. Chichester: John Wiley & Sons Ltd. doi:10.1002/0470021098.fmatter. ISBN 0-471-48999-9.

[1] M. Falahati; et al. (2018). "Design, modelling and construction of a continuous nuclear gauge for measuring the fluid levels". Journal of Instrumentation. 13 (2): P02028. doi:10.1088/1748-0221/13/02/P02028.

[2] ASTM D2922-05 Standard Test Methods for Density of Soil and Soil-Aggregate in Place by Nuclear Methods (Shallow Depth), doi:10.1520/D2922-05 (Standard withdrawn 2007)

[3] ASTM D6938 - 08a Standard Test Method for In-Place Density and Water Content of Soil and Soil-Aggregate by Nuclear Methods (Shallow Depth), doi:10.1520/D6938-08A

[Radioisotope_Gauges_for_Industrial-4] Jackson, Peter (2004). Radioisotope Gauges for Industrial. Chichester: John Wiley & Sons Ltd. doi:10.1002/0470021098.fmatter. ISBN 0-471-48999-9.

[1]

[2]

[3]

[4]