Bestimmung der Materialfeuchte mit Neutronenstrahlung

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Autoren: Hans-Jürgen Schwarz


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Einleitung[Bearbeiten]

Die Feuchtebestimmung in Baustoffen mit der Neutronensonde basiert auf der Streuung schneller Neutronen an Wasserstoffkernen. Weiterhin kann die Neutronensonde zur Dichtemessung in Baustoffen und Böden eingesetzt werden.

Eine Neutronenquelle emittiert hierzu schnelle Neutronen (Neutronen mit höherer Energie als 10 keV), die in den zu untersuchenden Stoff eindringen. Dort führen die Neutronen elastische Stöße mit den im Verlauf der Bahn getroffenen Atomen aus. Dabei findet speziell an den Wasserstoffatomen des Wassermoleküls wegen der vergleichbaren Massen von Proton und Neutron eine effektive Energieübertragung und somit eine Abbremsung der Neutronen statt. Der Anteil der Neutronen, der durch diese Stöße auf thermische Energien (Energie ca. 25 meV, thermische Neutronen) abgebremst wird, stellt damit ein Maß für die im Baustoff enthaltenen Wasserstoffkerne pro Volumeneinheit dar. Zur Berechnung der absoluten Feuchte muss diese noch auf die Dichte des untersuchten Materials bezogen werden. Für die praktische Durchführung wird die Neutronenquelle (z.B. Americium und Beryllium) an oder in das zu untersuchende Bauteil gebracht. Direkt daneben befindet sich ein großflächiger Neutronendetektor (z.B. ein Proportionalzählrohr), der nur auf thermische, nicht aber auf schnelle Neutronen reagiert. Da Neutronen wegen ihrer elektrischen Neutralität selbst keine Ionen und damit keine Zählrohrimpulse liefern können, wird das Zählrohr mit gasförmigem Bortrifluorid gefüllt. Die thermischen Neutronen reagieren mit den Borkernen, wobei Lithium und Alpha-Strahlung entsteht. Die im Zählrohr auftretenden Impulse werden also von den stark ionisierenden Alpha-Teilchen erzeugt. Somit wird die Feuchtigkeit in einer Eindringtiefe von etwa 20 cm im Umfeld der Sonde bestimmt. Diese Messtiefe ist jedoch abhängig vom Feuchtegehalt und wird mit zunehmendem Feuchtegehalt kleiner.


Die Energieangabe bei den elastischen Stößen ist im Wesentlichen unabhängig von der Bindungsart des Wassers, sodass chemisch gebundenes Wasser genauso erfasst wird wie freies Wassers (völlig trockener Gips = CaSO4 •2 H2O, ergibt mit dieser Methode ca. 20% Wassergehalt). Aus diesem Grund und wegen der Dichteabhängigkeit der Messungen ist die Aufnahme von Kalibrierkurven erforderlich.

Feuchtemessgeräte nach dem Neutronenverfahren verwenden entweder einen Messkopf, der dem Bauteil aufgelegt wird oder eine Einstecksonde, die z.B. über eine Bohrung in das Bau¬teil eingeführt wird. Die Anwendung dieses Verfahrens setzt eine besondere Sorgfalt voraus, da radioaktive Substanzen eingesetzt werden.

Für die praktische Anwendung existieren Neutronensonden in unterschiedlichen Ausführungen. Für die Feuchtebestimmung im Bereich der Oberfläche wird eine Oberflächensonde verwendet, bei der sich Neutronenquelle und Detektor in größerem Abstand längs der Oberfläche befinden und diejenigen Neutronen gemessen werden, die sich parallel zur Oberfläche ausbreiten. Für Feuchtebestimmungen ab ca. 25 cm unterhalb der Materialoberfläche besteht auch die Möglichkeit der Verwendung von Tauchsonden, die in Bohrlöchern von 5 bis 7 cm Durchmesser eingesetzt werden.

Speziell für den Straßenbau wird die Neutronensonde zur Dichtemessung des Asphalts und zur Schichtdickenmessung eingesetzt. Nach einem Hersteller hat sich hierfür der Name "Troxlersonde" eingebürgert. Weitere Anwendungen sind die Untersuchungen von bitumierten Flachdächern und von Rohrleitungssystemen.


Ein Zählrohr dient zur Detektion von Röntgenstrahlung und wandelt die einzelnen Röntgenphotonen in Spannungsstöße um, die entweder einzeln gezählt oder integrierend erfasst werden.

Gerät zum Empfangen technischer Größen: z.B. Strahlungsdetektor