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

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, den Kohlenstoffgehalt im Boden an bestimmten Standorten oder über ein ganzes Feld hinweg zu messen. Diese Methode basiert auf der Anwendung der inelastischen Neutronenstreuung auf die Analyse des Bodenkohlenstoffs. Der Hauptvorteil dieser Technik liegt darin, dass sie eine zerstörungsfreie In-situ-Methode zur Bestimmung des Bodenkohlenstoffs in großen Bodenvolumina darstellt.

Die Analyse von Gammastrahlen, die entsteht, wenn Neutronen mit Bodenelementen wechselwirken, ermöglicht es uns, den Kohlenstoffgehalt in den oberen 10 Zentimetern von Bodenschichten zu messen. Diese Methode kann im stationären Modus an einem einzelnen Punkt im Feld, ähnlich einer herkömmlichen Bodenprobe, oder im Abtastmodus angewendet werden, bei dem der durchschnittliche Bodenkohlenstoff für das gesamte Feld gemessen wird. Vor der Arbeit mit dem INS-System beschaffen Sie die Materialien, die zur Abgrenzung eines Sperrgebiets um den Neutronengenerator erforderlich sind.

Stellen Sie sicher, dass die Notabschalttaste des Neutronengenerators nicht blockiert ist. Überprüfen Sie die Anzeige des Ladezustands am Ladegerät. Laden Sie die Batterien nach, wenn weniger als drei rote Lampen leuchten.

Sobald die Leistungsstufe akzeptabel ist, schalten Sie den Spannungswandler und den Systemlaptop ein. Öffnen Sie das Datenerfassungsprogramm. Überprüfen Sie für jeden Detektor, ob die DAC-Hochspannung, der DAC-Offset und der Energiekoeffizient des langsamen Filters mit zuvor definierten Werten übereinstimmen.

Es ist entscheidend für die Funktionalität des gesamten INS-Systems, dass alle Detektoren in optimalem Arbeitszustand betrieben werden. Danach positionieren Sie eine Caesium-137-Quelle in einem Abstand von fünf bis 15 Zentimetern zu allen Systemdetektoren. Beginnen Sie mit der Aufnahme von Spektren und überprüfen Sie die Position des Schwerpunkts des 662 Kiloelektronenvolt Caesium-137-Peaks an jedem Detektor.

Wenn sich die Schwerpunkte nicht im selben Kanal befinden, passen Sie den Energiekoeffizienten des langsamen Filters an, um die Schwerpunkte in denselben Kanal zu bringen. Die Spektren aller drei Detektoren werden zusammengefasst, nachdem die Spektren aufgezeichnet wurden. Daher ist es wichtig, dass die interessierenden Peaks auf denselben Kanälen liegen.

Wenn das System bereit für die Kalibrierung ist, lagern Sie die Caesium-137-Quelle ein. Um die Kalibrierung mit Gruben, die homogene Sand-Kohlenstoff-Gemische mit bekanntem Kohlenstoffgehalt enthalten, zu beginnen, positionieren Sie das INS-System über der ersten Kalibriergrube, sodass die Projektion der Neutronenquelle mittig über der Grube liegt. Markieren Sie den Sperrbereich deutlich, wobei die Begrenzung nicht weniger als vier Meter vom Neutronengenerator entfernt sein darf.

Bringen Sie Warnschilder für Strahlungsgebiete am Rand dieses Bereichs an. Benutzen Sie den Schlüssel, um den Neutronengenerator einzuschalten. Stellen Sie sicher, dass die Anzeigelampe grün ist.

Öffnen Sie die Steuerungssoftware des Neutronengenerators und beseitigen Sie eventuelle Fehler. Stellen Sie die Impulsfrequenz, den Tastgrad, die Verzögerungszeit und die Verlängerungszeit ein. Tragen Sie anschließend die Neutronenstrahlspannung und den -strom ein.

Aktivieren Sie den Neutronengenerator und warten Sie, bis die Spannungs- und Stromwerte stabil sind. Starten Sie dann in der Software zur Datenerfassung mit der Aufnahme von Spektren. Sammeln Sie eine Stunde lang Daten und beenden Sie anschließend die Aufnahme.

Speichern Sie das aufgezeichnete Spektrum für jeden Detektor und schließen Sie beide Programme. Schalten Sie den Neutronengenerator mit dem Schlüssel aus und überprüfen Sie, dass die Anzeigelampe dunkler wird. Wiederholen Sie den Vorgang für jeden Kalibrierbehälter.

Danach die erfassten Daten in ein Tabellenkalkulationsprogramm importieren. Die Zeilen mit den Ausgabezählraten, Eingabezählraten und der Echtzeit ermitteln. Daraus die Lebensdauern für alle Messungen berechnen.

Wandeln Sie die Gamma-Messwerte unter Verwendung der Messdauern in Zählraten pro Sekunde um. Wiederholen Sie diesen Vorgang für jede Kalibriergrube. Berechnen Sie anschließend das netto INS-Spektrum für jede Grube.

Visualisieren Sie mithilfe analytischer Software das erste Netto-INS-Spektrum. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf den erzeugten Graphen und wählen Sie „Info anzeigen“, um Fenster mit den Markierungen A und B aufzurufen. Verwenden Sie die Markierungen, um den 1,78-Megaelektronenvolt-Peak auszuwählen.

Öffnen Sie die Multipeak-Anpassungsfunktion und stellen Sie die Basislinie als linear sowie die Grenzen als Graphcursor ein. Nutzen Sie das Werkzeug, um die Peaks automatisch zu erkennen und die Peakfläche zu bestimmen. Wählen Sie anschließend den 4,44-Megaelektronenvolt-Peak aus und ermitteln Sie auf die gleiche Weise die Peakfläche.

Wiederholen Sie diesen Vorgang für jedes Netto-INS-Spektrum. Berechnen Sie die Netto-Kohlenstoffspitzenfläche für jede Kalibriergrube anhand dieser Werte. Tragen Sie die Netto-Kohlenstoffspitzenflächen gegen den Kohlenstoffgehalt der Grube auf.

Wenden Sie eine lineare Anpassung an, um den Kalibrierungskoeffizienten für das INS-System zu erzeugen. Um Feldbodenmessungen im statischen Modus durchzuführen, wenden Sie dieselbe Technik an, die bei den Kalibriergruben verwendet wurde. Um Feldbodenmessungen im Abtastmodus durchzuführen, entwerfen Sie zunächst einen Pfad, entlang dessen das System innerhalb einer Stunde die gesamte interessierende Fläche abtastet.

Platzieren Sie Pflanzenfahnen an jedem Wendepunkt entlang der Strecke. Starten Sie die Datenaufnahme und bewegen Sie das INS-System mit der geeigneten Geschwindigkeit entlang des vorgegebenen Weges. Nach Abschluss der Datenaufnahme schalten Sie das System wie zuvor beschrieben aus.

Analysieren Sie die Daten und berechnen Sie den Bodenkohlenstoff für den gescannten Bereich unter Verwendung des Kalibrierkoeffizienten. Der Kohlenstoff in der oberen Bodenschicht wurde mit einer herkömmlichen Trockenverbrennungsmethode sowie mit dem INS-System im statischen Modus gemessen. Die Ergebnisse stimmten gut überein, und die Kohlenstoffverteilungskarten des beprobten Feldes waren für beide Methoden sehr ähnlich.

Die Durchführung der Trockenverbrennungsmessungen für die Untersuchungsstelle dauerte etwa zwei Monate, während die INS-Messungen im statischen Modus innerhalb von zwei Tagen abgeschlossen waren. Die INS-Messungen im Scanning-Modus wurden mit den im statischen Modus entlang des Scanning-Pfads durchgeführten Messungen verglichen. Das resultierende INS-Spektrum im Scanning-Modus stimmte mit den Spektren im statischen Modus innerhalb der experimentellen Fehlergrenzen überein.

Außerdem wurden die Daten im Abtastmodus innerhalb einer Stunde erfasst, während die Erfassung der fünf Datensätze im statischen Modus fünf Stunden in Anspruch nahm. Diese INS-Technik sollte die Fähigkeit der Forscher, Kohlenstoffgehalte im Boden vor Ort zu messen, erheblich verbessern, was Bodenwissenschaftlern helfen wird, Strategien zur Kohlenstoffspeicherung zu entwickeln und Bewirtschaftungspraktiken zu erarbeiten, die die Bodenproduktivität optimieren. Die Bedeutung einer inelastischen Neutronenstreuungsmethode im Vergleich zu einer traditionellen Bodenprobennahmemethode liegt in der erhöhten Geschwindigkeit bei der Bestimmung des Bodenkohlenstoffs sowie in der verbesserten Genauigkeit der Analyse auf der Grundlage ganzer Felder.

Es laufen Forschungsarbeiten, um diese Technik auf die Messung weiterer Bodenelemente sowie auf die Bestimmung der Bodenfeuchte auszuweiten.