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La densitometría nuclear es una técnica utilizada en la construcción civil y la industria petrolera , así como con fines mineros y arqueológicos, para medir la densidad y la estructura interna del material de prueba. El proceso utiliza un densímetro nuclear , que consta de una fuente de radiación que emite partículas y un sensor que cuenta las partículas recibidas que son reflejadas por el material de prueba o pasan a través de él. Al calcular el porcentaje de partículas que regresan al sensor, el densímetro se puede calibrar para medir la densidad.
En ingeniería geotécnica , un densímetro nuclear o medidor de densidad de suelos es un instrumento de campo que se utiliza para determinar la densidad de un material compactado. El dispositivo utiliza la interacción de la radiación gamma con la materia para medir la densidad, ya sea mediante transmisión directa o mediante el método de "retrodispersión". El dispositivo determina la densidad del material contando la cantidad de fotones emitidos por una fuente radiactiva (cesio-137) que son leídos por los tubos detectores en la base del medidor. Por lo general, se utiliza un intervalo de tiempo de 60 segundos para el período de conteo.
Se utilizan distintas variantes para distintos fines. Para el análisis de densidad de objetos muy superficiales, como carreteras o muros, se utiliza un emisor de fuente gamma, como el cesio 137, para producir radiación gamma. Estos isótopos son eficaces para analizar los primeros 25 centímetros (10 pulgadas) con gran precisión. El radio 226 se utiliza para profundidades de 300 metros (328 yardas). Estos instrumentos pueden ayudar a encontrar cuevas o identificar lugares con menor densidad que harían peligrosa la construcción de túneles.
Los medidores de densidad nuclear normalmente funcionan en uno de dos modos: [1]
Transmisión directa: la varilla retráctil se baja a la estera a través de un orificio previamente perforado. La fuente emite radiación, que luego interactúa con los electrones en el material y pierde energía y/o se redirige ( se dispersa ). La radiación que pierde suficiente energía o se dispersa lejos del detector no se contabiliza. Cuanto más denso sea el material, mayor será la probabilidad de interacción y menor el recuento del detector. Por lo tanto, el recuento del detector es inversamente proporcional a la densidad del material. Se utiliza un factor de calibración para relacionar el recuento con la densidad real.
Retrodispersión: la varilla retráctil se baja de modo que quede a la altura del detector, pero aún dentro del instrumento. La fuente emite radiación, que luego interactúa con los electrones del material y pierde energía o se redirige (se dispersa). La radiación que se dispersa hacia el detector se cuenta. Cuanto más denso sea el material, mayor será la probabilidad de que la radiación se redirija hacia el detector. Por lo tanto, el recuento del detector es proporcional a la densidad. Se utiliza un factor de calibración para correlacionar el recuento con la densidad real.
Se han construido muchos dispositivos para medir tanto la densidad como el contenido de humedad del material. Esto es importante para la industria de la construcción civil , en particular, ya que ambos son esenciales para verificar las condiciones adecuadas del suelo para soportar estructuras, calles, carreteras y pistas de aeropuertos.
Un densímetro nuclear se utiliza sobre una base compactada para establecer su porcentaje de compactación. [2] [3] Antes de realizar las pruebas de campo, el técnico realiza una calibración en el medidor que registra el "conteo estándar" de la máquina. Los conteos estándar son la cantidad de radiación liberada por las dos fuentes nucleares dentro de la máquina, sin pérdida ni fuga. Esto permite que la máquina compare la cantidad de radiación liberada con la cantidad de radiación recibida. Con el uso de una varilla de 3/4" de diámetro se crea un orificio en la base compactada martillando la varilla en la base para producir un orificio en el que se puede insertar la sonda del densímetro. El densímetro se coloca sobre el orificio y luego se inserta la sonda en el orificio desbloqueando el mango en la parte superior de la sonda. Una fuente produce radiación que interactúa con los átomos del suelo y luego se compara con el recuento estándar para calcular la densidad. La otra fuente interactúa con los átomos de hidrógeno para calcular el porcentaje de agua en el suelo.
En el modo de transmisión directa, la fuente se extiende a través de la base del medidor hasta un orificio previamente perforado, lo que permite ubicar la fuente a la profundidad deseada. El procedimiento de prueba es análogo a enterrar una cantidad conocida de material radiactivo a una profundidad específica y luego usar un contador Geiger en la superficie del suelo para medir la eficacia con la que la densidad del suelo bloquea la penetración de la radiación gamma a través del suelo. A medida que aumenta la densidad del suelo, puede pasar menos radiación a través de él, debido a la dispersión de las colisiones con los electrones en el suelo que se está probando.
Dado que el nivel de humedad del suelo es en parte responsable de su densidad en el lugar, el medidor también contiene un medidor de humedad de neutrones que consta de una fuente de neutrones de alta energía de americio / berilio y un detector de neutrones térmicos . Los neutrones de alta energía se ralentizan cuando chocan con átomos de hidrógeno, y luego el detector cuenta los neutrones "ralentizados". Este recuento es proporcional al contenido de agua del suelo, ya que el hidrógeno en esta agua ( H2O ) es responsable de casi todo el hidrógeno que se encuentra en la mayoría de los suelos. El medidor calcula el contenido de humedad, lo resta de la densidad del suelo en el lugar (húmedo) e informa la densidad seca del suelo.
Los medidores de densidad nuclear también se pueden utilizar para medir la densidad de un líquido en una tubería. Si se monta una fuente en un lado de una tubería y un detector en el otro, la cantidad de radiación que se ve en el detector depende del blindaje que proporciona el líquido en la tubería. Tracerco fue pionero en el uso de la radiación para medir la densidad en la década de 1950 y determinó que la ley de Beer-Lambert también se aplicaba a la radiación, así como a la óptica. Los medidores normalmente se calibran utilizando un gas y un líquido de densidad conocida para encontrar las incógnitas en la ecuación. Una vez que se ha calibrado y siempre que la alineación del detector de la fuente permanezca constante, es posible calcular la densidad del líquido en la tubería. Un factor es la vida media de la fuente radiactiva (30 años para 137 Cs), lo que significa que el sistema necesita ser recalibrado a intervalos regulares. Los sistemas modernos incorporan corrección por desintegración de la fuente. [4]
Otra variante es utilizar una fuente de neutrones potente como el americio/berilio 241 para producir radiación de neutrones y luego medir la energía de la dispersión de neutrones que regresa . Como el hidrógeno desacelera los neutrones, el sensor puede calcular la densidad del hidrógeno y encontrar bolsas de agua subterránea, humedad hasta una profundidad de varios metros, contenido de humedad o contenido de asfalto.
Las fuentes de neutrones también se pueden utilizar para evaluar el rendimiento de un separador (producción de petróleo) de la misma manera. El gas, el petróleo, el agua y la arena tienen diferentes concentraciones de átomos de hidrógeno que reflejan diferentes cantidades de neutrones lentos. Utilizando un cabezal que contiene una fuente de neutrones AmBe 241 y un detector de neutrones lentos , al escanearlo hacia arriba y hacia abajo en un separador, es posible determinar los niveles de interfaz dentro del separador.