Hidrológiai tájékoztató, 1968 június

Papfalvy Ferenc: Izotópos tömörség- és nedvességmérő műszerek a vízépítésben

Izotópos tömörség és nedvességmérő műszerek a vízépítésben PAPFALVY FERENC Vízgazdálkodási Tudományos Kutató Intézet A vízépítési földművek állékonyságát, vízzáróságát és általában rendeltetésszerű működésüket az építésükhöz felhasznált talajok tulajdonságai mellett döntő mértékben befolyásolja a tömörség. Nem elég azonban a tervezés során előírni a szükséges tömörséget, ellenőrizni is kell az előírások teljesítését. A tömörségellenőrzés hagyományos módszerei mellett az utóbbi másfél évtized alatt a magfizikai ismeretek alapján új módszerek fejlődtek ki, melyek ma már nem csak a tudományos kutatásokhoz, hanem a mindennapos, gyakorlati feladatok elvégzéséhez is felhasználhatók. Elméleti alapok A radioizotópos tömörség és nedvességmérés elméleti alapjai — nagyon leegyszerűsítve — a következőkben foglalhatók össze: A tömörségmérés egyes radioaktív izotópok bomlása során keletkező gammasugaraknak azon a tulajdonságán alapszik, hogy szilárd közegeken is áthatolnak, de áthatolásuk közben a közeget alkotó atomok héjelekronjaiba ütközve szóródnak, energiájuk egy részét elveszítik, és így fokozatosan gyengülnek, abszorbeálódnak (Compton-szóródás). Mivel a gyengülés mértéke arányos a közeg vastagságával és sűrűségével, ez a jelenség felhasználható a talajok sűrűségének, azaz tömörségének mérésére. A Comtpon szóródás elvén alapuló tömörségmérő műszerek fő részei a sugárforrás, a sugárészlelő és a mérőműszer, mely utóbbi a sugárészlelő által az időegység alatt felfogott gamma fotonok számát jelzi. A mérésnél kétféle elrendezést alkalmazhatunk. A gammasugárzás abszorbcióján alapuló elrendezésnél a sugárforrást és a sugárészlelőt úgy helyezzük el, hogy a mérendő közeg (a talaj) a kettő közé kerüljön. Ennél az elrendezésnél a sugárforrást rendszerint a közeg belsejében, az észlelőt pedig tőle meghatározott távolságban vagy a közeg belsejében, vagy annak felszínén helyezzük el (1. ábra). sugáresz/e/á •sugárforrás sugáresz/e/d sugárforrás 1. ábra. A gammasugárzás abszorpcióján alapuló tömörségmérés elrendezési lehetőségei A gammasugárzás visszaverődésén (reflexióján) alapuló elrendezésnél mind a sugárforrást, mind pedig az észlelőt a közeg felszínén helyezzük el úgy, hogy az észlelőt a közvetlen sugárzás ellen árnyékoljuk. Ennek az elvnek a felhasználásával készülnek a felületi mérésekre alkalmas felszíni szondák, valamint a fúrólyukakban használható mélységi szondák is (2. ábra). Megjegyezzük, hogy a talajban kisebb-nagyobb menynyiségben jelenlevő víz is hasonló fékező, illetve viszszaverő közegként viselkedik, mint a talajalkotó ásványok, ezért a mérési eredmények mindig nedves térfogatsúlyt adnak. A száraz térfogatsúly megállapítása érdekében még külön meg kell határozni a talajok víztartalmát, ami a hagyományos eljárások (szárítás, égetés stb.) mellett ma már radioizotópos módszerekkel is lehetséges. A radioizotópos nedvességmérés annak az atomfizikai törvényszerűségnek az alapján lehetséges, mely szerint az atommagok hasadásakor keletkező gyors neutronok gyakorlatilag számottevő fékeződés nélkül haladnak, illetve a rugalmas ütközés szabályai szerint szóródnak a különféle anyagokban, de erősen lefékeződnek akkor, ha hidrogénatom magokkal ütköznek, mivel a neutronok, és a hidrogénmagot alkotó protonok tömege gyakorlatilag azonos és így a velük való ütközés esetén a neutronok tekintélyes energiaveszteséget szenvednek. Ezért hidrogéntartalmú közegben a gyors neutronok gyorsan átalakulnak lassú, termikus neutronokká. A mérésekhez tehát gyors neutronokat kibocsátó sugárforrást és olyan észlelőfejet alkalmaznak, mely csak a lassú neutronokat észleli. Mivel a keletkező lassú neutronok száma bizonyos határok között arányos a térfogategységben jelenlevő hidrogénatomok számával, de csaknem független az ugyanott elhelyezkedő egyéb anyagoktól, az ilyen elrendezés alkalmai a talajban levő víz mennyiségének kimutatására. A mérés elrendezése egyébként azonos a gammasugaras tömörségmérésékével. Izotópos tömörség és nedvességmérő műszerek Az izotópos tömörség és nedvességmérő műszereknek a hagyományos eljárásokkal szemben mutatkozó előnyei miatt az izotópos műszerek előállítása külföldön már jelentős iparággá fejlődött. A Vízgazdálkodási Tudományos Kutató Intézet is egy nyugatnémet gyártmányú, Berthold-féle műszerrel kezdte meg a méréseket 1964. évben. Hazánkban a Vasúti Tudományos Kutató Intézet (VTKI) fejlesztett ki igen jól használható tömörségmérő műszert, a MTA Agrokémiai Kutató Intézete pedig az NS 205 típusú talajnedvességmérő műszert alakította ki. A VTKI típusú tömörségmérő műszer az 1/b ábra szerinti elrendezésben működő abszorpciós tűszondából és a 2/b ábra szerinti reflexiós mélységi szondából, továbbá mindkét szondához csatlakoztatható, hordozható elektronikus mérőműszerből áll. A sugárforrás mindkét szondánál 5,5 mCi aktivitású Co—60, a sugárészlelő pedig 2 db SzTSz 6 típusú GM cső. Ez utóbbiak közül az egyiket magába a mérőműszerbe, a másikat pedig a mélységi szonda felső részébe építették be. A tűszonda a talaj felső, 30 cm vastag rétegének vizsgálatára szolgál. A mérés alkalmával a nraszer alaplemezét a talaj elegyengetett felszínére helyezik. Az alaplemez vezetőrészén keresztül hegyezett végű szondát nyomnak, vagy vernek a talajba, erre ráteszik az izotóp munkatartóját, majd egy pálca segítségével leeresztik az izotópot 30 cm mélységbe. A mérőműszert a levert szonda mellé helyezik úgy, hogy a műszerbe beépített sugárészlelő pontosan 30 cm-re legyen a szonda tengelyétől. Az állandó távolságot az alaplemez biztosítja. Az alaplemezt a leszúrt szonda körül el lehet forgatni, így minden mérési helyen több mérés is végezhető. (Általában négy-négy mérést végzünk.) Egyegy mérés 1—2 percig tart, mert kb. ennyi idő szüksésugárforrás á/om arngéko/ás ,<sugáresz/c/d d/om árnyé/ro/ás sugárforrás ^ 2. ábra. A gammasugárzás visszaverődésén alapuló tömörségmérés elrendezési lehetőségei 33