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Article de méthode

Mesures du carbone du sol par Neutron-Gamma analyse statique et Modes de numérisation

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DOI :

10.3791/56270

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24 août 2017

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

Dans cet article

Résumé

Ici, nous présentons le protocole pour la mesure in situ de carbone dans le sol selon la technique de neutron-gamma pour les mesures de point unique (mode statique), ou le domaine des moyennes (mode de balayage). Nous décrivons également système de construction et d’élaborer des procédures de traitement des données.

Résumé

L’application décrite dans les présentes d’inélastique neutron scattering méthode (INS) pour analyse de carbone des sols est basée sur l’enregistrement et l’analyse des rayons gamma créé lorsque les neutrons interagissent avec les éléments du sol. Les éléments principaux du système INS sont un générateur de neutrons pulsé, détecteurs de Nai (TL) de gamma, split électronique pour séparer les spectres gamma INS et thermo-neutron capture (TNC) processus et logiciels pour l’acquisition de spectres gamma et traitement des données. Cette méthode a plusieurs avantages par rapport aux autres méthodes en ce que c’est une méthode non destructive in situ qui mesure la moyenne de carbone contenu dans des volumes de sol grand est négligeable touchée par les fortes variations carbone dans le sol et peut être utilisé en papeterie ou modes de balayage. Le résultat de la méthode de l’INS est la teneur en carbone provenant d’un site avec une empreinte de ~2.5 - 3 m2 dans le régime stationnaire, ou la teneur en carbone moyen de l’espace parcouru dans le régime de balayage. Est la plage de mesure du système actuel de INS > 1,5 % de poids de carbone (écart-type ± 0,3 w %) dans la couche du sol supérieure à 10 cm pour un 1 hmeasurement.

Introduction

Connaissance de la teneur en carbone du sol est nécessaire pour l’optimisation de la productivité du sol et de la rentabilité, comprendre l’impact des pratiques d’utilisation des terres agricoles sur les ressources en sols et l’évaluation des stratégies de piégeage du carbone1, 2,3,4. Carbone dans le sol est un indicateur universel de qualité de sol5. Plusieurs méthodes ont été développées pour les mesures de carbone du sol. Combustion sèche (DC) a été la méthode la plus utilisée pour les années6; Cette méthode repose sur le prélèvement d’échantillons de terrain et de traitement en laboratoire et de mesure qui est destructrice, travail intensif et beaucoup de temps. Deux méthodes plus récentes sont spectroscopie sur plasma induit par laser et près de : et au milieu de spectroscopie infrarouge7. Ces méthodes sont aussi destructeurs et analysent uniquement la couche de sol de très près de la surface (0,1 - 1 cm d’épaisseur du sol). En outre, ces méthodes seulement donnent point les mesures de la teneur en carbone pour des petits échantillons (~ 60 cm3 pour la méthode DC et 0,01-10 cm3 pour les méthodes de spectroscopie infrarouge). Ces mesures ponctuelles, il est difficile d’extrapoler les résultats à des échelles de champ ou de paysage. Étant donné que ces méthodes sont destructifs, mesures récurrentes sont également impossibles.

Des chercheurs précédents au Brookhaven National Laboratory a suggéré appliquant la technologie de neutrons pour sol carbone analyse (méthode de l’INS)7,8,9. Cet effort initial élaboré la théorie et la pratique de l’utilisation de neutronique gamma pour la mesure du carbone du sol. À partir de 2013, cet effort s’est poursuivi à l’USDA-ARS National sol Dynamics Laboratory (NSDL). L’expansion de cette application technologique au cours des 10 dernières années est attribuable à deux facteurs principaux : la disponibilité de générateurs de neutrons commercial relativement peu coûteux, détecteurs de gamma et l’électronique correspondante avec le logiciel ; et bases de données de pointe neutron-noyaux interaction référence. Cette méthode a plusieurs avantages par rapport à d’autres. Un système de INS, placé sur une plateforme, pouvait être manoeuvré sur n’importe quel type de champ qui requiert la mesure. Cette méthode non destructive in situ permet d’analyser des volumes de sols grand (~ 300 kg) qui peuvent être interpolées à un champ agricole tout en utilisant des mesures peu. Ce système INS est également capable de fonctionner dans un mode de balayage qui détermine la teneur en carbone moyenne d’une zone basée sur l’analyse sur une grille predetermine du champ ou du paysage.

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Protocole

1. construction du système INS

  1. utiliser la géométrie générale de système INS illustrée à la Figure 1.

figure-protocol-1
figure 1. INS système géométrie. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

  1. utiliser la conception du système INS illustrée à la Figure 2. 10

figure-protocol-2
figure 2. Vue d’ensemble du système INS.
A) premier bloc contient le générateur de neutrons, détecteur de neutrons et système d’alimentation ; B) deuxième bloc contient trois détecteurs NaI (Tl) ; C) troisième bloc contient des équipements pour le fonctionnement du système ; D) vue d’ensemble du premier bloc montrant les composants individuels ; et E) gros plan vue des détecteurs gamma. 10 s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

  1. utiliser trois blocs dans le système INS (voir annexe).
    1. Pour le premier bloc (A), utiliser un générateur de neutrons (NG) et le système d’alimentation ( Figure 2 a et 2D). Sortie de neutrons pulsé de ce générateur sera 10 7 - 10 8 n/s avec l’énergie des neutrons de 14 MeV. Le système d’alimentation sera composé de quatre batteries (12V, 105 Ah), un convertisseur DC-AC et un chargeur. Ce bloc contiendra également le fer (10 x 20 cm x 30 cm) et d’acide borique (5 x 20 cm x 30 cm) de blindage pour protéger le détecteur gamma irradiation neutronique.
      Remarque : Un détecteur de neutrons est également inclus dans ce bloc pour vérifier que le NG fonctionne correctement.
    2. Pour le deuxième bloc (B), utiliser les équipements de mesure de rayonnement gamma ( Figure 2 b et 2F). Ce bloc contient trois 12,7 x 12,7 cm x 15,2 cm à scintillation Nai (TL) détecteurs électronique correspondant. Le format extérieur des détecteurs avec électronique mesure 15,2 x 15,2 cm x 46 cm.
    3. Pour le troisième bloc (C), utiliser un ordinateur portable qui contrôle le générateur de neutrons (avec le logiciel DNC), détecteurs et système d’acquisition de données ( Figure 2).

2. Prudence et besoins personnels

  1. a chaque utilisateur de formation radiologique INS système pass.
  2. Veiller à ce que chaque personne qui conduisait le NG porte une badge de contrôle des radiations. Lors des mesures, la limite de la zone restreinte (> 20 µSv/h) autour de la NG aura le symbole du rayonnement avec les mots " attention, rayonnement zone. " tous les bords de la zone restreinte sera pas moins de 4 m de la NG.
  3. En cas d’urgence, immédiatement pousser la " interrompre d’urgence " bouton sur le NG, retirez la clé de la NG et débranchez le NG de la source d’alimentation.

3. Préparation du système INS pour mesure

  1. vérifier le système d’alimentation. L’indicateur de niveau de puissance sur le chargeur sera vert, ou plus de 3 lampes rouges doivent s’allumer. Sinon, branchez le chargeur sur une prise électrique et attendre que les batteries sont complètement chargées (le voyant vert s’allume) ou jusqu'à ce que soit atteint un niveau de puissance acceptable (≥ 3 lampes rouges s’allumera).
  2. Ouvrir le convertisseur continu-alternatif (le voyant vert s’allume) et ordinateur portable.
  3. Exécuter le programme d’acquisition de données sur l’ordinateur portable pour actionner les détecteurs gamma et vérifier les paramètres requis pour chaque détecteur. Les valeurs de ces paramètres seront définis et enregistrés précédemment lors des tests de système INS.
    1. Placer une source de contrôle de Cs-137 (tout type) au sein de 5 à 15 cm les détecteurs.
    2. Démarrer l’acquisition de spectres pour 1-3 min ; vérifier les centroïdes de la 662 keV pic de Cs-137 pour tous les détecteurs. Ils doivent être sur le même canal. Si non, utilisez l’échelle de Coefficient énergétique du programme d’acquisition de données en modifiant la valeur pour ajuster le centre de 662 gravité keV pic.
  4. Tourner sur le NG en utilisant la clé spéciale. Le voyant sur le NG s’allume vert et jaune.

4. Étalonnage du système INS

  1. préparer 4 fosses taille 1,5 x 1,5 m x 0,6 m avec des mélanges de sable-charbon homogènes ( Figure 3). Teneur en carbone est de 0, 2.5, 5 et 10 % de w.
    Remarque : Une bétonnière est utilisée pour faire sol synthétique composé de coquille de noix de coco et de sable de construction (100 % carbone contenu granulaire diamètre moyen < 0,5 mm). Homogénéité de ces mélanges est déterminée visuellement.

figure-protocol-3
figure 3. Vue de la fosse avec du sable et Pit avec 10 Cw % de mélange sable-carbone. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

  1. prendre des mesures sur les puits, les étapes suivantes.
    1. Positionnez le système INS sur la fosse manuellement ou de remorquage avec un véhicule adapté. Positionner le système INS telle que la projection de la source de neutrons est centrée sur la fosse.
    2. Exécuter le logiciel DNC sur l’ordinateur portable qui actionne le générateur NG. Dans la colonne de failles sur le côté droit de l’écran du programme DNC, tous les voyants seront allume vert ; Si ce n’est pas le cas, cliquez sur le bouton Effacer. Insérez les paramètres suivants : pour les paramètres de l’impulsion - fréquence 5 kHz, duty cycle 25 %, retarder 0 µs, extension 2 µs ; pour le faisceau - haute tension 50 kV, faisceau actuelle 50 µA (à noter que ces paramètres peuvent être différents selon la configuration particulière du système INS et tâche).
      1. Activer l’interrupteur sur l’écran du programme DNC et attendez que le NG entrer dans le régime de travail où la haute tension et le courant du faisceau viendra à stable de valeurs correspondant à des valeurs entrées ; Réservoir actuel viendra également une valeur stable.
    3. Exécuter le logiciel d’acquisition de données sur l’ordinateur portable à exploiter les détecteurs gamma. Démarrer l’acquisition de spectres en exécutant le programme d’acquisition de données pendant 1 h. Les processus d’acquisition de deux spectres (INS & TNC et TNC) apparaîtra à l’écran.
    4. Après 1 h, l’acquisition de spectres et sauvez les spectres sur le disque dur (fichier | Enregistrer les données MCA | Choisissez le dossier et entrez le nom du fichier.
      Remarque : Il y aura deux spectres enregistrés (TNC et INS) avec .mca les extensions de nom de fichier et _gated.mca, respectivement).
    5. Sélectionner le deuxième détecteur (cliquez sur la flèche dans le coin supérieur gauche) et enregistrer les spectres de ce détecteur. Faites de même pour le troisième détecteur.
    6. Cliquez sur fichier | Quitter pour fermer le logiciel.
    7. Désactiver le logiciel DNC en tournant l’interrupteur sur l’écran du programme DNC.
    8. Répéter les étapes 4.2.1 - 4.2.7 pour les autres stands.
    9. Désactiver la NG en utilisant la clé spéciale. Le voyant sur le NG sera Dim.
  2. Déterminer les spectres de fond du système INS en élevant l’ensemble du système INS à une distance supérieure à 4 m au-dessus de la surface du sol et de tous les grands objets et répétez les étapes d’acquisition des données 4.2.2 - 4.2.9.
  3. Informatique
    1. utilise un tableur pour ouvrir les fichiers de données enregistrés à l’étape 4.2.4. Trouver les valeurs de sortie et d’entrée de taux de comptage (OCR et ICR) et en temps réel (RT) dans les lignes 28, 27 et 30, respectivement.
    2. Calculer la durée de vie (LT) pour INS & TNC et les spectres TNC pour toutes les mesures comme
      LT j’ai = OCR j’ai / ICR j’ai ·RT j’ai (1),
      où OCR j’ai et l’IC j’ai sont les taux de comptage d’entrée et de sortie pour la mesure de la i-ème et RT j’ai est réel temps de la mesure i-th.
    3. Calculer les spectres gamma en impulsions par seconde (cps) en divisant les spectres (lignes 33-2080 dans le tableur) par le lt correspondant.
    4. Calculer les spectres INS nets des mesures correspondantes pour chaque fosse comme
      Net du spectre INS = (INS & TNC - TNC) Pit - (INS & TNC - TNC) Bkg (2)
    5. trouver le gamma pics 1,78 MeV (28 TR) et 4,44 MeV (12 C) dans le spectre de l’INS nette pour chacun des stands et calculer la surface des pics (pic de 4,44 MeV C Area, aire du pic Si 1,78 MeV) à l’aide de logiciels d’IGOR.
      1. Ouvert le logiciel en double cliquant sur l’icône. Insérer le premier spectre de INS Net dans la Table.
      2. Cliquez sur Windows | Un nouveau graphique | De la cible | " FileName " | Fais-le. Le spectre apparaît dans la fenêtre graphique. Cliquez sur graphique | Afficher les informations. Les fenêtres avec A et marqueurs B apparaît sous la fenêtre graph.
      3. Placer le pointeur de la souris sur le signal A, appuyez sur le bouton gauche de la souris et faites glisser le curseur pour le spectre sur le côté gauche de la crête de 1,78 MeV. Placez le pointeur de la souris sur le signe B, appuyez sur le bouton gauche de la souris et faites glisser le curseur pour le spectre à droite de la crête de 1,78 MeV.
      4. Cliquez sur analyse | Plusieurs pointe Fit | Démarrer nouvelle Fit plusieurs PIC | De la cible | Continuer. Dans la fenêtre contextuelle marquée curseur graphique utilisation | Base linéaire | Localisation automatique des pics maintenant | Faites-le | Résultats de pointe. La zone du pic apparaît dans la fenêtre pop-up.
      5. Répéter les mêmes opérations pour 4,44 MeV pic.
      6. Répéter toutes les opérations antérieures avec les spectres restants de INS Net.
    6. Trouver le carbone Net des pics pour chaque fosse par l’équation
      Net C pic zone j’ai = 4,44 MeV C pic zone j’ai - 0.058 · MeV 1,78 Si pic zone j’ai (3)
    7. construire la courbe d’étalonnage pour le système INS comme cale direct dépendance d’ortional de la surface du pic nette de carbone par rapport à la concentration de carbone exprimée en pourcentage massique.
      1. Ouvrez la nouvelle Table dans le logiciel IGOR : cliquez sur la fenêtre | Nouvelle Table. Entrez les valeurs de concentration de carbone fosse dans la première colonne et la surface du pic correspondante C Net dans la deuxième colonne.
      2. Intrigue le Net C pic zone vs pit en carbone : cliquez sur Windows | Nouveau graphique. Choisissez la surface du pic C Net comme YWave et des concentrations de carbone comme XWave. Cliquez sur le faire. Les points apparaissent sur le graphique.
      3. Construire la courbe d’étalonnage : cliquez sur analyse | Ajustement de la courbe | Fonction - line | De la cible | Fais-le. La courbe d’étalonnage et le coefficient d’étalonnage (k) seront affiche dans la fenêtre.

5. La réalisation de mesures sol champ en Mode statique

  1. préparer le système INS pour les mesures selon étape3.
  2. Placer le système au-dessus du site nécessitant une analyse de contenu de carbone du sol manuellement ou de remorquage à l’aide de véhicule approprié. Positionner le système INS telle que la projection de la source de neutrons est centrée sur le site étant mesuré.
  3. Mettre en œuvre des actions suivant étapes 4.2.2 - 4.2.9 et 4.4.1 - 4.4.6 pour la détermination des pics C Net pour les sites d’étude.
  4. Calculer la concentration de carbone en % de poids en utilisant le coefficient d’étalonnage comme
    figure-protocol-4

6. effectuant des mesures de sol terrain en Mode balayage

  1. estimer le chemin que le système INS se rendra sur le terrain tout en comptabilité pour la vitesse de déplacement (≤ 5 km/h), sur le terrain taille, empreinte de système INS (~ 1 m de rayon) et le temps de mesure (1 h) telle que la trajectoire mouvement finalement couvre la région de tout le domaine. Pour plus de commodité, les drapeaux de place à transformer des points le long du périmètre du champ.
  2. Préparer le système INS pour les mesures selon étape3.
  3. Mettre en œuvre des actions suivant étapes 4.2.2 - 4.2.3.
  4. Suivre l’itinéraire de voyage prédéterminée pendant 1 h.
  5. Mettre en œuvre des actions suivant étapes 4.2.4 - 4.2.9 et 4.4.1 - 4.4.6 pour la détermination des pics Net C pour le domaine étudié.
  6. Calculer la concentration de carbone en % de poids en utilisant le coefficient d’étalonnage par l’équation 4.

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Résultats

INS du sol & TNC et TNC spectres gamma

Une vue générale des spectres gamma mesurée du sol est illustrée à la Figure 4. Les spectres sont constitués d’un ensemble de pics sur un fond continu. Les principaux sommets d’intérêt ont le centre de gravité à 4,44 MeV et 1,78 MeV dans le INS & spectres TNC. Le second pic peut être attribué aux noyaux de silicium contenues dans le sol, et le premier pic est un pic qu...

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Discussion

S’appuyant sur la fondation créée par des chercheurs précédents, le personnel de la NSDL traitait de questions essentielles à l’utilisation pratique et efficace de cette technologie dans les paramètres de champ de monde réel. Au départ, les chercheurs de NSDL démontré la nécessité de rendre compte pour le signal de fond du système INS lors de la détermination des pics nette de carbone. 11 un autre effort a montré que la surface du pic net de carbone caractérise le pourcentage massique de carbone m...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

Les auteurs sont reconnaissants à Barry G. Dorman, Robert A. Icenogle, Juan Rodriguez, Morris G. Welch et Siegford Marlin pour l’assistance technique de mesures expérimentales et à Jim Clark et Dexter LaGrand d’assistance avec des simulations informatiques. Nous remercions XIA LLC pour permettre l’utilisation de leurs détecteurs et électronique dans ce projet. Ce travail a été soutenu par NIFA ALA recherche contrat N° ALA061-4-15014 « Cartographie de geospatial précision de teneur en carbone du sol pour la gestion du cycle de vie et de la productivité agricole ».

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Générateur de neutronsThermo Fisher Scientific, Colorado Springs, CO
Logiciel DNC		MP320
Détecteur gamma :na
- NaI(Tl) crystalScionix USA, Orlando, FL
- ElectronicsXIA LLC, Hayward, CA
- LogicielProSpect
BatteryFullriver Battery USA, Camarillo, CADC105-12
InvertorNova Electric, Bergenfield, NJCGL 600W-series
ChargerPRO Charging Systems, LLC, LaVergne, TNPS4
Bloc de ferN’importe quelna
Acide boriqueN’importe quelna
Ordinateur portableN’importe quelna
mu-metalMagnetic Shield Corp., Bensenville, IL² ; MU010-12
Sable de constructionN’importe quelna
Coquille de noix de cocoGeneral Carbon Corp., Patterson, NJGC 8 X 30S
Référence Cs-137 sourceN’importe quelna

Références

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Réimpressions et autorisations

Mots-clés

Diffusion in lastique des neutronsAnalyse du carbone du solG n rateur de neutronsD tection des rayons gammaMode statiqueMode balayageFosses d talonnageAcquisition de donn esPourcentage massique de carboneM thode non destructive
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