Methodenartikel

Messungen von Kohlenstoff im Boden durch Neutron-Gamma-Analyse in statische und Scan-Modi

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DOI:

10.3791/56270

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24. August 2017

 ,  ,  , 
1National Soil Dynamics Laboratory, Agricultural Research Service, United States Department of Agriculture

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Hier präsentieren wir Ihnen das Protokoll für in Situ Messung von Kohlenstoff im Boden mit der Neutron-Gamma-Technik für einzelne Punktmessungen (statischen Modus) oder Bereich im Durchschnitt (Scan-Modus). Wir beschreiben auch Systemaufbau und Daten Behandlungsverfahren zu erarbeiten.

Zusammenfassung

Die hierin beschriebene Anwendung des inelastische Streuung (INS) Methode zur Bodenanalyse Kohlenstoff Neutrons basiert auf der Registrierung und Analyse von Gammastrahlen beim Neutronen mit Boden-Elementen interagieren erstellt. Die Hauptteile des INS-Systems sind eine gepulste Neutronen-Generator, Gammakamera Gamma-Detektoren, split Elektronik, Gamma-Spektren durch INS und Thermo-Neutron Capture (TNC) Prozesse und Software für Gamma-Spektren-Erfassung und Verarbeitung der Daten zu trennen. Diese Methode hat mehrere Vorteile gegenüber anderen Methoden, es ist eine zerstörungsfreie in Situ -Methode, die den durchschnittliche Kohlenstoff misst Inhalte in großen Boden Volumen, wird geringfügig von lokalen starken Veränderungen in Kohlenstoff im Boden beeinflusst, und stationär einsetzbar oder Scan-Modi. Das Ergebnis der INS-Methode ist der Kohlenstoffgehalt von einer Website mit einer Grundfläche von ~2.5 - 3 m2 in der stationären Regime oder der durchschnittlichen Kohlenstoffgehalt des durchlaufenen Bereichs in der Scan-Regime. Der Messbereich des derzeitigen Systems INS ist > 1,5 Gew.% Kohlenstoff (Standardabweichung ± 0,3 w %) in der oberen 10 cm Bodenschicht für 1 Hmeasurement.

Einleitung

Kohlenstoffgehalt des Bodens sind Voraussetzung für die Optimierung der Bodenproduktivität und Rentabilität, Verständnis der Auswirkungen der landwirtschaftlichen Landnutzung auf Bodenressourcen und Bewertung von Strategien zur CO2-Sequestrierung1, 2,3,4. Kohlenstoff im Boden ist ein universal Indikator des Bodens Qualität5. Verschiedene Methoden wurden für Boden Kohlenstoff Messungen entwickelt. Trockene Verbrennung (DC) ist die am weitesten verbreitete Methode für Jahre6gewesen; Diese Methode basiert auf Feld Musterkollektion und Labor-Verarbeitung und Messung, die zerstörerisch, ist arbeitsintensiv und zeitaufwendig. Zwei neuere Methoden sind Laser-induced Breakdown Spectroscopy, und in der Nähe von und mid-Infrarot-Spektroskopie7. Diese Methoden sind auch destruktiv und nur sehr oberflächennahen Bodenschicht (0,1 - 1 cm Bodentiefe) zu analysieren. Darüber hinaus liefern diese Methoden nur Punkt Messungen der Kohlenstoffgehalt für kleine Probenmengen (~ 60 cm3 für DC-Methode und 0,01-10 cm3 für Infrarot-Spektroskopie-Methoden). Diese Punktmessungen erschweren es, Ergebnisse zu Feld oder Landschaft Skalen zu extrapolieren. Da diese Methoden destruktiv sind, sind auch wiederkehrende Messungen unmöglich.

Forscher am Brookhaven National Laboratory vorgeschlagen Neutron-Technologie für Boden Kohlenstoff-Analyse (INS-Methode)7,8,9. Diese anfänglichen Bemühungen entwickelte die Theorie und Praxis der Verwendung von Neutron-Gamma-Analyse für Boden CO2-Messung. Ab 2013 wurde diese Bemühungen in USDA-ARS nationalen Boden Dynamics Laboratory (NSDL) fortgesetzt. Der Ausbau dieser technologische Anwendung in den letzten 10 Jahren ist durch zwei wesentliche Faktoren: die Verfügbarkeit von relativ preiswerte kommerzielle Neutron Generatoren, Gamma-Detektoren und entsprechende Elektronik mit Software; und State-Of-The-Art Neutron-Kerne Interaktion Referenzdatenbanken. Diese Methode hat mehrere Vorteile gegenüber anderen. Eine INS System, platziert auf einer Plattform kann über jede Art von Feld manövriert werden, die Messung erfordert. Diese zerstörungsfreien in-Situ -Methode kann große Böden (~ 300 kg) analysieren, die zu einem gesamten landwirtschaftlichen Feld mit wenigen Messungen interpoliert werden können. Dieses INS System ist auch geeignet für den Betrieb in einem Scan-Modus, der den durchschnittlichen Kohlenstoffgehalt eines Raums Abtastung über einen vorn Raster des Felds oder der Landschaft bestimmt.

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Protokoll

1. Aufbau des Systems INS

  1. verwenden Sie die allgemeine INS Systemgeometrie in Abbildung 1 dargestellte.

figure-protocol-1
Abbildung 1. INS System Geometrie. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

  1. verwenden, die INS System-Design in Abbildung 2 dargestellt. 10

figure-protocol-2
Abbildung 2. Überblick über das System INS.
A) erste Block enthält Neutronen-Generator, Neutronendetektor und Power-System; B) zweiter Block enthält drei Detektoren NaI (Tl); C) dritten Block enthält Geräte für den Betrieb; D) Gesamtansicht des ersten Blocks, einzelne Komponenten; und E) Nahaufnahme Blick auf die Gamma-Detektoren. 10 Klicken Sie bitte hier, um eine größere Version dieser Figur.

  1. drei Blöcke im INS System verwenden (siehe Anhang).
    1. Für den ersten Block (A), verwenden Sie eine Neutronen-Generator (NG) und Power-System ( Abbildung 2A und 2D). Gepulste Neutron Ausgabe dieses Generators werden 10 7 - 10 8 n/s mit Neutronen Energie von 14 MeV. Das Antriebssystem besteht aus vier Batterien 12 V, 105 Ah, ein DC-AC Wechselrichter und Ladegerät. Dieser Block enthält auch Eisen (10 x 20 cm x 30 cm) und Borsäure (5 x 20 cm x 30 cm) Abschirmung um den Gamma-Detektor von Neutronen-Strahlung zu schützen.
      Hinweis: Ein Neutronendetektor gehört auch in diesem Block für die Überprüfung, die das NG funktionsbereit ist.
    2. Für den zweiten Block (B), Gamma-Ray Messgeräte ( Abb. 2 b und 2E) verwenden. Dieser Block enthält drei 12,7 x 12,7 cm x 15,2 cm funkeln NaI(Tl) Detektoren mit entsprechender Elektronik. Die äußere Größe der Detektoren mit Elektronik misst 15,2 x 15,2 cm x 46 cm.
    3. Für den dritten Block (C) verwenden Sie einen Laptop-Computer, die steuert, die Neutronen-Generator (mit DNC-Software), Detektoren und Datenerfassungssystem ( Abbildung 2).

2. Vorsicht und persönlichen Anforderungen

  1. Jeder Benutzer der INS System Pass radiologische Ausbildung haben.
  2. Stellen Sie sicher, dass jede Person, die das NG eine Strahlung Überwachung Abzeichen trägt. Während der Messung die eingeschränkte Flächenbegrenzung (> 20 µSv/h) um die NG haben die Strahlung-Symbol mit den Worten " Vorsicht, Strahlung Bereich. " alle Kanten des eingeschränkten Bereichs werden nicht weniger als 4 m aus der NG.
  3. Im Notfall, drücken Sie sofort die " Notfall unterbrechen " Taste auf das NG und entfernen Sie den Schlüssel aus der NG NG von der Stromquelle trennen.

3. Vorbereitung des INS-Systems zur Messung

  1. Check das Stromsystem. Die Power-Level-Anzeige am Ladegerät wird grün sein, oder mehr als 3 rote Lampen beleuchten müssen. Wenn nicht, schließen Sie das Ladegerät an eine Steckdose, und warten Sie, bis die Akkus vollständig geladen werden (grüne Lampe leuchtet) oder bis eine akzeptable Leistungsstufe erreicht ist (≥ 3 rote Lampen leuchtet).
  2. Schalten Sie den Wechselrichter (grüne Lampe leuchtet) und Laptop.
  3. Führen die Daten-Übernahme-Programm auf dem Laptop zu bedienen die Gamma-Detektoren und überprüfen die erforderlichen Parameter für jeden Melder. Die Werte dieser Parameter werden definiert und zuvor aufgezeichnete INS System getestet.
    1. Legen Sie eine Cs-137 Steuerelementinhalt (jeder Art) innerhalb von 5-15 cm von den Detektoren.
    2. Starten Spektren Erwerb für 1-3 min.; Überprüfen der Zentroide die 662 keV Cs-137 Höhepunkt für alle Melder. Sie müssen auf dem gleichen Kanal sein. Wenn nicht, verwenden die Energie Koeffizient Skala von Daten Akquisition Programm durch Ändern des Werts 662 keV Spitze Zentroide anpassen.
  4. Schalten die NG mit dem Spezialschlüssel. Die Kontrollleuchte auf der NG leuchtet grün und gelb.

4. Kalibrierung des Systems INS

  1. bereiten 4 Gruben Größe 1,5 x 1,5 m x 0,6 m mit homogenen Mischungen in Sand-Kohlenstoff ( Abbildung 3). Kohlenstoffgehalte ist 0, 2,5, 5 und 10 w %.
    Hinweis: Ein Betonmischer wird verwendet, um synthetische Boden besteht aus Sand und Kokospalmen Rohbau machen (100 % Kohlenstoffgehalt, durchschnittliche granulare Durchmesser < 0,5 mm). Homogenität dieser Mischungen wird visuell ermittelt.

figure-protocol-3
Abbildung 3. Ansicht der Grube mit Sand und Pit mit 10 Cw % Sand-Carbon-Mischung. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

  1. nehmen Sie Messungen über die Box, die anhand der folgenden Schritte.
    1. INS System über die Grube zu positionieren, manuell oder mit einem geeigneten Fahrzeug abschleppen. INS System so positionieren, dass die Projektion der Neutronenquelle auf der Grube zentriert ist.
    2. Führen die DNC-Software auf dem Laptop, das NG-Generator arbeitet. In der Spalte auf der rechten Seite des Bildschirms DNC-Programm Fehler leuchten alle Lampen grün; ist dies nicht der Fall, klicken Sie auf "löschen". Fügen Sie die folgenden Parameter: für Pulsparameter - Frequenz 5 kHz, Duty Cycle 25 % Verzögerung 0 µs, Verlängerung 2 µs; für Strahl - Hochspannung 50 kV, Strahl aktuelle 50 µA (beachten Sie, dass diese Parameter je nach bestimmten INS System-Setup und Aufgabe unterschiedlich sein können).
      1. Aktivieren Sie den Schalter auf das DNC-Programm-Bildschirm und warten auf die NG arbeiten Regime eingeben wird die Hochspannung Strahlstrom kommen und um stabile Werte entsprechend den eingegebenen Werten; Aktuelle Reservoir kommen auch auf einen stabilen Wert.
    3. Führen die Datenerfassungs-Software auf dem Laptop die Gamma-Detektoren zu betreiben. Starten Sie Spektren Übernahme durch Ausführen des Daten-Übernahme-Programms für 1 h. Die beiden Spektren Akquisitionsprozesse (INS & TNC und TNC) erscheint auf dem Bildschirm.
    4. Nach 1 h, stoppen die Spektren-Akquisition und Spektren auf die Festplatte speichern (Datei | MCA-Daten speichern | Wählen Sie den Ordner, und geben Sie den Namen der Datei.
      Hinweis: Es werden zwei gespeicherte Spektren (TNC und INS) mit Dateinamen-Erweiterungen .mca und _gated.mca, beziehungsweise).
    5. Zweiten Detektor (Klicken Sie auf den Pfeil in der oberen linken Ecke) wählen und speichern die Spektren dieser Melder. Machen Sie dasselbe für Dritte Detektor.
    6. Klicken Sie auf Datei | Exit, um die Software zu beenden.
    7. Schalten Sie die DNC-Software durch Drehen Sie den Schalter auf dem DNC-Programm Bildschirm.
    8. Wiederholen Sie die Schritte 4.2.1 - 4.2.7 für die anderen Gruben.
    9. Schalten Sie die NG mit dem Spezialschlüssel. Die Kontrollleuchte auf der NG wird dim.
  2. INS System Hintergrund Spektren durch erhebt das ganze INS System zu einer Entfernung von mehr als 4 m über der Geländeoberfläche und Weg von großen Gegenständen zu bestimmen, und wiederholen Sie Daten Akquisition Schritte 4.2.2 - 4.2.9.
  3. Datenverarbeitung
    1. verwenden ein Tabellenkalkulations-Programm im Schritt 4.2.4 gespeicherten Datendateien öffnen. Finden Sie Werte für die Ausgabe und Eingabe bzw. Zählraten (OCR und ICR) und Real-Time (RT) in den Zeilen 28, 27 und 30,.
    2. Berechnung der Lebensdauer (LT) für INS & TNC und TNC-Spektren für alle Messungen als
      LT ich = OCR ich / ICR ich ·RT ich (1),
      wo OCR ich und ICR ich die Ausgabe und Eingabe Zählraten für die i-te-Messung und RT ich ist real der i-te-Messung Zeit.
    3. Berechnen Sie die Gamma-Spektren in zählt pro Sekunde (cps) durch Division die Spektren (Zeilen 33-2080 in der Tabellenkalkulation) durch die entsprechenden LT.
    4. Berechnen die net INS Spektren aus den entsprechenden Messungen für jede Grube als
      NET INS Spektrum = (INS & TNC - TNC) Pit - (INS & TNC - TNC) Bkg (2)
    5. Find die Gamma peaks 1,78 MeV (28 Si) und 4,44 MeV (12 C) im Net INS Spektrum für jede Grube und Berechnung der Peakflächen (4,44 MeV C Spitze Bereich, 1,78 MeV Si Peakfläche) mit IGOR Software.
      1. Open Software durch Doppelklick auf das Symbol. Erste Net INS Spektrum in der Tabelle einfügen.
      2. Klicken Sie auf Windows | Neuer Graph | Vom Ziel | " Dateiname " | Tu es. Das Spektrum wird im Diagramm angezeigt. Klicken Sie auf Diagramm | Info zu zeigen. Die Fenster mit A und B Marker erscheint unter dem Diagrammfenster.
      3. Ort-Mauszeiger auf Zeichen A, drücken Sie die linke Maustaste gedrückt und ziehen Sie den Cursor auf das Spektrum auf linken Seite des Berges 1,78 MeV. Legen Sie mit dem Mauszeiger auf das Zeichen B, drücken Sie die linke Maustaste gedrückt und ziehen Sie den Cursor auf das Spektrum rechts der Spitze 1,78 MeV.
      4. Klicken Sie auf Analyse | Multi-Spitze Fit | Starten neuen Multi-Spitze Fit | Vom Ziel | Fahren Sie fort. Im Pop-up-Fenster markiert Verwendung Graph Cursor | Grundlinie Linear | -Suchen Sie Auto Gipfel jetzt | Tun Sie es | Spitze Ergebnisse. Der Bereich des Berges erscheint im Popup-Fenster.
      5. Wiederholen Sie dieselben Operationen für 4,44 MeV Peak.
      6. Wiederholen Sie alle vorhergehenden Vorgänge mit den restlichen Net INS Spektren.
    6. Finden Sie die Net Carbon Peakflächen für jede Grube durch die Gleichung
      Net C Peak Bereich ich = 4,44 MeV C Peak Bereich ich - 0.058 · 1,78 MeV Si Peak Bereich ich (3)
    7. Kalibrierungslinie für das INS System als direkte Stütze zu bauen Ortional Abhängigkeit von Netto Kohlenstoff Peak vs. ausgedrückt in Gewichtsprozent Kohlenstoffgehalt.
      1. In IGOR Software neue Tabelle öffnen: Klicken Sie auf Fenster | Neue Tabelle. Grube CO2 Konzentrationswerte in der ersten Spalte und die entsprechenden Netto C Peakfläche in der zweiten Spalte eingeben.
      2. Grundstück Netto C Peak Bereich Vs Grube Kohlenstoffgehalt: Klicken Sie auf Windows | Neuer Graph. Wählen Sie Net C Peakfläche als YWave und CO2-Konzentrationen als XWave. Klicken Sie auf, es zu tun. Die Punkte im Diagramm angezeigt werden.
      3. Bauen die Kalibrierungslinie: Klicken Sie auf Analyse | Curve Fitting | Funktion - Linie | Vom Ziel | Tu es. Die Kalibrierung und die Kalibrierung Koeffizienten (k) erscheint im Fenster "".

5. Durchführung von Feldmessungen Boden im statischen Modus

  1. Vorbereiten des INS-Systems für die Messung nach Schritt 3.
  2. Stellen Sie das System über die Website erfordern Boden Kohlenstoff Inhaltsanalyse, manuell oder durch geeignete Fahrzeug abschleppen. INS System so positionieren, dass die Projektion der Neutronenquelle über dem Aufstellungsort zu messenden zentriert ist.
  3. Umsetzung von Maßnahmen, die folgenden Schritte 4.2.2 - 4.2.9 und 4.4.1 - 4.4.6 zur Ermittlung Netto C Peakflächen für die Studienzentren.
  4. Berechnung der Kohlenstoffgehalt in Gewicht % mit der Kalibrierung-Koeffizient als
    figure-protocol-4

6. Durchführung von Boden Feldmessungen im Scan-Modus

  1. den Weg, der INS System wird über das Feld beim Reisen zu schätzen Bilanzierung von Fahrgeschwindigkeit (≤ 5 km/h), Feld Größe, INS System Footprint (~ 1 m Radius) und Messzeit (1 h), so dass die bewegliche Flugbahn schließlich deckt das ganze Gebiet. Der Einfachheit halber drehen statt Fahnen auf Punkte entlang des Umfangs Feld.
  2. Vorbereiten des INS-Systems für die Messung nach Schritt 3.
  3. Umsetzung von Maßnahmen, die folgenden Schritte 4.2.2 - 4.2.3.
  4. Folgen Sie dem vorgegebenen Verfahrweg für 1 h.
  5. Umsetzung von Maßnahmen, die folgenden Schritte 4.2.4 - 4.2.9 und 4.4.1 - 4.4.6 zur Ermittlung Netto C Peakflächen für den untersuchten Bereich.
  6. Berechnung der Kohlenstoffgehalt in Gewicht % mit der Kalibrierung-Koeffizient von Gleichung 4.

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Ergebnisse

Boden INS & TNC und TNC Gamma-Spektren

Ein Überblick über die gemessenen Boden-Gamma-Spektren ist in Abbildung 4dargestellt. Die Spektren bestehen aus einer Reihe von Gipfeln auf einem kontinuierlichen Hintergrund. Der Hauptgipfel des Interesses haben Zentroide 4,44 MeV und 1,78 MeV in die INS & TNC Spektren. Der zweite Gipfel kann Silizium-Kerne, die im Boden enthaltenen zugeschrieben werden, und der erste...

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Diskussion

Auf der Grundlage von früheren Forschern gegründet NSDL Personal angesprochen Fragen entscheidend für die praktische und erfolgreiche Anwendung dieser Technologie in der realen Welt Feldeinstellungen. Zunächst zeigten NSDL Forscher die Notwendigkeit das Hintergrundsignal INS System berücksichtigt beim Netto Kohlenstoff Peakflächen bestimmen. 11 ein weiterer Versuch zeigte, dass die net Carbon Peakfläche der durchschnittliche CO2-Gewichtsprozent in der oberen 10 cm Bodenschicht (unabhängig von Kohl...

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Offenlegungen

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Danksagungen

Die Autoren sind verpflichtet, Barry G. Dorman, Robert A. Icenogle, Juan Rodriguez, Morris G. Welch und Marlin Siegford für technische Unterstützung bei der experimentellen Messungen, und Jim Clark und Dexter LaGrand für Unterstützung mit Hilfe von Computersimulationen. Wir danken dafür, dass die Verwendung ihrer Elektronik und Detektoren in diesem Projekt XIA LLC. Diese Arbeit wurde unterstützt von NIFA ALA Forschung Vertrag Nr. ALA061-4-15014 "Präzision Geospatial Kartierung der Erde Kohlenstoffgehalt für landwirtschaftliche Produktivität und Lifecycle-Management".

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
NeutronengeneratorThermo Fisher Scientific, Colorado Springs, CO
DNC-Software		MP320
Gamma-Detektor:na
- NaI(Tl)-KristallScionix USA, Orlando, FL-
ElektronikXIA LLC, Hayward, CA-
SoftwareProSpect
BatterieFullriver Battery USA, Camarillo, CADC105-12
InvertorNova Electric, Bergenfield, NJCGL 600W-Serie
LadegerätPRO Charging Systems, LLC, LaVergne, TNPS4
Block of IronAnyna
Boric AcidAnyna
LaptopAnyna
mu-metallMagnetic Shield Corp., Bensenville, Illinois; MU010-12
BausandBeliebig na
KokosnussschaleGeneral Carbon Corp., Patterson, NJGC 8 X 30S
Referenz Cs-137 QuelleBeliebignah

Referenzen

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Inelastische NeutronenstreuungBodenkohlenstoffanalyseNeutronengeneratorGammastrahlendetektionstatischer ModusScanning ModusKalibriergrubenDatenerfassungKohlenstoffgewichtsprozentzerst rungsfreie Methode

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