Articolo metodologico

Misure del carbonio nel suolo di neutroni-Gamma analisi statica e modalità di scansione

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DOI:

10.3791/56270

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24 agosto 2017

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

In questo articolo

Sommario

Qui, presentiamo il protocollo per la misura in situ di carbonio nel suolo usando la tecnica di neutroni-gamma per singolo punto misure (modalità statica) o campo medie (modalità di scansione). Inoltre descriviamo la costruzione del sistema ed elaborare procedure di trattamento dei dati.

Abstract

L'applicazione qui descritto del neutrone anelastico Dispersione metodo (INS) per analisi di carbonio del suolo è basato sulla registrazione e l'analisi di raggi gamma creata quando neutroni interagiscono con gli elementi del terreno. Le parti principali del sistema INS sono un generatore di neutroni pulsati, rilevatori di gamma Nai, dividere elettronica per separare spettri gamma dovuto INS e termo-neutrone cattura (TNC) processi e software per l'acquisizione di spettri di gamma ed elaborazione dei dati. Questo metodo ha diversi vantaggi rispetto ad altri metodi, in quanto esso è un metodo non distruttivo in situ che misura il carbonio medio contenuto in volumi di grande terreno, risente in modo trascurabile locali forti cambiamenti in carbonio nel suolo e può essere utilizzato in stazionario o modalità di scansione. Il risultato del metodo INS è il contenuto di carbonio da un sito con un ingombro di ~2.5 - 3 m2 in regime stazionario, o il contenuto di carbonio medio dell'area attraversata in regime di scansione. Campo di misura del sistema INS attuale è > 1,5% di peso di carbonio (deviazione standard ± 0.3% w) nello strato superiore 10 cm del suolo per un 1 hmeasurement.

Introduzione

Conoscenza del contenuto di carbonio del suolo è necessaria per l'ottimizzazione della produttività del suolo e la redditività, comprendere l'impatto delle pratiche di utilizzo di terreni agricoli su risorse del suolo e la valutazione di strategie per il sequestro di carbonio1, 2,3,4. Carbonio nel suolo è un indicatore universale di terreno qualità5. Diversi metodi sono stati sviluppati per le misurazioni di carbonio del suolo. Combustione a secco (DC) è stato il metodo più diffuso per anni6; Questo metodo si basa sulla raccolta del campione di campo e laboratorio di lavorazione e misurazione che è distruttivo, manodopera intensiva e richiede tempo. Due nuovi metodi sono spettroscopia di ripartizione indotta da laser e vicino e metà spettroscopia infrarossa7. Questi metodi sono anche distruttivi e analizzare solo lo strato di terra molto vicino alla superficie (0,1 - 1 cm di profondità di suolo). Inoltre, questi metodi restituiscono solo punto misurazioni del contenuto di carbonio per volumi di campione piccolo (~ 60 cm3 per metodo di DC e 0.01-10 cm3 per i metodi di spettroscopia infrarossa). Tali misurazioni del punto rendono difficile estrapolare risultati alle scale di campo o paesaggio. Poiché questi metodi sono distruttivi, misure ricorrenti anche sono impossibili.

I ricercatori precedenti al Brookhaven National Laboratory ha suggerito applicando la tecnologia di neutroni per suolo carbonio analisi (metodo INS)7,8,9. Questo sforzo iniziale ha sviluppato la teoria e la pratica di usando l'analisi di gamma di neutroni per la misura di carbonio del suolo. A partire dal 2013, questo sforzo è stato continuato a USDA-ARS nazionale suolo Dynamics Laboratory (NSDL). L'espansione di questa applicazione tecnologica negli ultimi 10 anni è dovuta a due fattori principali: la disponibilità di generatori di neutroni commerciale relativamente poco costoso, rilevatori di gamma e corrispondente elettronica con software; e banche dati di riferimento all'avanguardia neutrone-nuclei interazione. Questo metodo ha diversi vantaggi rispetto ad altri. Un sistema di INS, posizionato su una piattaforma, potrebbe essere manovrato su qualsiasi tipo di campo che richiede la misura. Questo metodo non distruttivo in situ può analizzare i volumi di grandi terreni (~ 300 kg) che possono essere interpolati a un campo intero agricolo utilizzando solo alcune misurazioni. Questo sistema di INS è anche in grado di operare in una modalità di scansione che determina il contenuto di carbonio medio di un'area basata sulla scansione sopra una griglia prestabilito del campo o del paesaggio.

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Protocollo

1. costruzione del sistema INS

  1. utilizzare la geometria di sistema INS generale illustrata nella Figura 1.

figure-protocol-1
Figura 1. INS sistema geometria. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

  1. utilizzare la progettazione del sistema INS illustrata nella Figura 2. 10

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Figura 2. Panoramica del sistema INS.
A) primo blocco contiene generatore di neutroni, rilevatore di neutroni e sistema di alimentazione; B) secondo blocco contiene tre rivelatori NaI (Tl); C) terzo blocco contiene l'apparecchiatura per il funzionamento del sistema; D) vista generale del primo blocco risultati singoli componenti; e E) primi piani vista dei rivelatori gamma. 10 fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

  1. utilizzare tre blocchi nel sistema INS (Vedi appendice).
    1. Per il primo blocco (A), utilizzare un generatore di neutroni (NG) e sistema di alimentazione ( Figura 2A e 2D). Uscita di neutroni pulsati di questo generatore sarà 10 7 - 10 8 n/s con energia del neutrone di 14 MeV. Il sistema di potere sarà composto da quattro batterie (12 V, 105 Ah), un Inverter DC-AC e un caricabatterie. Questo blocco contiene anche ferro (10 x 20 cm x 30 cm) e acido borico (5 x 20 cm x 30 cm) schermatura per proteggere il rilevatore di gamma da irradiazione del neutrone.
      Nota: Un rivelatore di neutroni è anche incluso in questo blocco per controllare che funzioni correttamente il NG.
    2. Per il secondo blocco (B), utilizzare strumenti di misura di raggi gamma ( Figura 2B e 2E). Questo blocco contiene rivelatori di tre 12,7 x 12,7 cm x 15,2 cm scintillazione Nai con elettronica corrispondente. La dimensione esterna dei rivelatori con elettronica misurerà 15,2 x 15,2 cm x 46 cm.
    3. Per il terzo blocco (C), utilizzare un computer portatile che controlla il generatore di neutroni (con software DNC), rivelatori e sistema di acquisizione dati ( Figura 2).

2. Attenzione ed esigenze personali

  1. che ogni utente della formazione radiologica INS sistema pass.
  2. Assicurarsi che ogni persona che opera il NG trasporta una distintivo di monitoraggio delle radiazioni. Durante le misurazioni, il confine di area riservata (> 20 µSv/h) intorno il NG avrà il simbolo di radiazione con le parole " attenzione, radiazioni zona. " tutti i bordi dell'area riservata sarà non meno di 4 m dal NG.
  3. In caso di emergenza, premere immediatamente il " Interrupt emergenza " pulsante la ng, togliere la chiave dal NG e scollegare il NG dalla fonte di alimentazione.

3. Preparazione del sistema INS per la misura

  1. Controlla che il sistema di potere. L'indicatore del livello di potenza sul caricabatterie sarà verde, o più di 3 lampade rosse devono illuminare. Se non, collegare il caricabatterie a una presa di corrente e attendere che le batterie diventano completamente carica (la spia verde si illumina) o fino a quando non viene raggiunto un livello di potenza accettabile (≥ 3 lampade rossi si illumineranno).
  2. Accendere l'inverter (spia verde si accende) e computer portatile.
  3. Eseguire il programma di acquisizione di dati sul portatile per operare i rivelatori gamma e controllare i parametri necessari per ogni rivelatore. I valori di questi parametri saranno definiti e registrati in precedenza al test del sistema di INS.
    1. Mettere una fonte di controllo di Cs-137 (qualsiasi tipo) entro 5-15 cm dai rivelatori.
    2. Avvia acquisizione di spettri per 1-3 min; controllare i baricentri del 662 keV picco di Cs-137 per tutti i rivelatori. Esse devono corrispondere al canale stesso. Se non, utilizzare la scala di coefficiente energetico del programma di acquisizione di dati modificando il valore per regolare i centroidi di picco 662 keV.
  4. Accendere il NG utilizzando la chiave speciale. La spia il NG si illumina in verde e giallo.

4. Calibrazione del sistema INS

  1. preparare 4 pozzi di dimensioni 1,5 m x 1,5 m x 0,6 m con miscele sabbia-carbonio omogenee ( Figura 3). Contenuto di carbonio è 0, 2,5, 5 e 10% di w.
    Nota: Una betoniera viene utilizzata per rendere terreno sintetico composto da costruzione rivestimento sabbia e cocco (100% carbonio contenuto, media diametro granulare < 0,5 mm). Omogeneità di queste miscele è determinata visivamente.

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Figura 3. Vista del pozzo con sabbia e Pit con miscela di sabbia-carbonio % Cw 10. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

  1. prendere misure sopra i pozzi attenendosi alla seguente procedura.
    1. Posizionare il sistema INS sopra il pozzo manualmente o da traino con un veicolo adatto. Posizionare il sistema INS, in modo tale che la proiezione della sorgente di neutroni è centrata sul pit.
    2. Eseguire il software DNC sul portatile che funziona il generatore di NG. Nella colonna errori sul lato destro della schermata del programma DNC, tutte le lampade si illumineranno di verde; in caso contrario, fare clic sul pulsante Cancella. Inserire i seguenti parametri: per i parametri di impulso - frequenza 5 kHz, duty cycle 25% ritardo 0 µs, estensione 2 µs; per il fascio - alta tensione 50 kV, fascio corrente 50 µA (Nota che questi parametri possono essere diversi a seconda della particolare configurazione del sistema INS e attività).
      1. Attivare l'interruttore sulla schermata del programma DNC e attendere che il NG entrare il regime di lavoro dove l'alta tensione e fascio attuale verrà a stabile valori corrispondenti ai valori inseriti; Serbatoio corrente verrà anche a un valore stabile.
    3. Eseguire il software di acquisizione dati sul portatile per operare i rivelatori gamma. Avvia acquisizione di spettri eseguendo il programma di acquisizione dati per 1 h. I processi di acquisizione di due spettri (INS & TNC e TNC) apparirà sullo schermo.
    4. Dopo 1 h, fermare l'acquisizione di spettri e spettri di salvare sul disco rigido (File | Salvare i dati MCA | scegliere la cartella e immettere il nome del file.
      Nota: Ci sarà due spettri salvati (TNC e INS) con il nome del file con estensione. MCA e _gated.mca, rispettivamente).
    5. Selezionare secondo rilevatore (fare clic sulla freccia nell'angolo superiore sinistro) e salvare gli spettri per questo rivelatore. Fare lo stesso per il terzo rivelatore.
    6. Fare clic su File | Exit per chiudere il software.
    7. Disattivare il software DNC disattivando l'interruttore sulla schermata del programma DNC.
    8. Ripetere i passaggi da 4.2.1 - 4.2.7 per altri box.
    9. Disabilita i NG utilizzando la chiave speciale. La spia il NG sarà Dim.
  2. Determinare gli spettri di sfondo del sistema INS elevando l'intero sistema di INS a una distanza maggiore di 4 m sopra la superficie del terreno e lontano da eventuali oggetti di grandi dimensioni e ripetere i passaggi da acquisizione dati 4.2.2 - 4.2.9.
  3. Elaborazione dati
    1. utilizzare un foglio di calcolo per aprire i file di dati salvati nel passaggio 4.2.4. Trovare i valori per l'output e input tariffe totali (OCR e ICR) e in tempo reale (RT) nelle righe 28, 27 e 30, rispettivamente.
    2. Calcolare il tempo di vita (LT) per INS & TNC e spettri TNC per tutte le misurazioni come
      LT ho = OCR ho / ICR ho ·RT ho (1),
      dove OCR io e ICR io sono i tassi di conteggio di output e l'input per la misurazione i-esimo e RT è reale tempo di misura l'i-esimo.
    3. Calcolare gli spettri di gamma nei conteggi al secondo (cps), dividendo gli spettri (righe 33-2080 nel foglio di calcolo) per il corrispondente LT.
    4. Calcolare gli spettri di INS netti dalle misure corrispondenti per ogni pozzo come
      NET INS spettro = (INS & TNC - TNC) Pit - (INS & TNC - TNC) Bkg (2)
    5. trovare la gamma picchi 1,78 MeV (28 Si) e 4,44 MeV (12 C) nello spettro INS netto per ogni buca e calcolare le aree dei picchi (4,44 MeV C picco area, area del picco Si 1,78 MeV) utilizzando software di IGOR.
      1. Apri il software facendo doppio clic sull'icona. Inserire il primo netto INS spettro nella tabella.
      2. Fare clic su Windows | Nuovo grafico | Da Target | " nome del file " | Fallo. Lo spettro viene visualizzato nella finestra del grafico. Fare clic su grafico | Visualizza Info. Le finestre con A e marcatori B viene visualizzato sotto la finestra del grafico.
      3. Posiziona il mouse sul segno A, premere il pulsante sinistro del mouse e trascinare il cursore per lo spettro sul lato sinistro del picco 1,78 MeV. Posizionare il puntatore del mouse sul segno B, premere il pulsante sinistro del mouse e trascinare il cursore per lo spettro sul lato destro del picco MeV 1,78.
      4. Fare clic su analisi | Multi-picco Fit | Avviare nuova Fit multi-picco | Da Target | Continuare. Nella finestra a comparsa contrassegnato uso grafico cursore | Linea di base lineare | Auto-individuare picchi ora | Farlo | Risultati di picco. L'area del picco appare nella finestra pop-up.
      5. Ripetere le stesse operazioni per picco 4,44 MeV.
      6. Ripetere tutte le operazioni precedenti con gli spettri netto rimanente di INS.
    6. Trovare il carbonio netto le aree dei picchi per ogni pozzo dall'equazione
      Net C picco zona ho = 4,44 MeV C picco zona ho - 0,058 · 1,78 MeV Si picco zona ho (3)
    7. costruire la linea di calibratura per il sistema INS come un puntello diretto ortional dipendenza delle aree dei picchi di carbonio netto vs concentrazione di carbonio espresso in percentuale di peso.
      1. Aprire la nuova tabella in software di IGOR: fare clic su finestra | Nuova tabella. Immettere i valori di concentrazione di carbonio pit nella prima colonna e l'area di picco C netto corrispondente nella seconda colonna.
      2. Trama il C netto picco zona vs concentrazione di carbonio del pozzo: fare clic su Windows | Nuovo grafico. Scegliere area di picco netto C come YWave e le concentrazioni di carbonio come XWave. Scegliere di farlo. I punti vengono visualizzati nel grafico.
      3. Costruire la linea di calibrazione: fare clic su analisi | Curva di raccordo | Funzione - linea | Da Target | Fallo. La linea di calibratura e il coefficiente di taratura (k) apparirà nella finestra.

5. Misurazioni del terreno di campo in modalità statica

  1. preparare il sistema INS per misurazione secondo la fase 3.
  2. Posiziona il sistema del sito che richiedono analisi di contenuto di carbonio del suolo manualmente o da traino utilizzando il veicolo adatto. Posizionare il sistema INS in modo tale che la proiezione della sorgente di neutroni è centrata sopra il sito misurato.
  3. Implementare azioni come segue 4.2.2 - 4.2.9 e 4.4.1 - 4.4.6 per determinare le aree dei picchi C netto per i siti di studio.
  4. Calcolare la concentrazione di carbonio in peso % utilizzando il coefficiente di taratura come
    figure-protocol-4

6. condurre misurazioni sul campo del suolo in modalità scansione

  1. stimare il percorso che il sistema di INS si recherà sul campo mentre contabilità per velocità di traslazione (≤ 5 km/h), campo size, footprint di sistema INS (raggio ~ 1 m) e tempo di misura (1 h) tale che la traiettoria di movimento alla fine copre l'area di tutto il campo. Per comodità, posto bandiere a trasformare punti lungo il perimetro del campo.
  2. Preparare il sistema INS per misurazione secondo la fase 3.
  3. Implementare azioni come segue 4.2.2 - 4.2.3.
  4. Seguire il percorso di viaggio predeterminato per 1 h.
  5. Implementare azioni come segue 4.2.4 - 4.2.9 e 4.4.1 - 4.4.6 per determinare zone di picco netto C per il campo studiato.
  6. Calcolare la concentrazione di carbonio in peso % utilizzando il coefficiente di taratura di equazione 4.

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Risultati

Del suolo INS & TNC e TNC spettri gamma

Una visione generale degli spettri gamma suolo misurata è illustrata nella Figura 4. Lo spettro consiste di una serie di picchi su uno sfondo continuo. Le vette principali di interesse sono centroidi 4,44 MeV e 1,78 MeV all'INS & spettri TNC. Il secondo picco può essere attribuito ai nuclei di silicio contenuti nel suolo, e il primo picco è un picco sovrapposto dai nu...

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Discussione

Sulla base la Fondazione creata da precedenti ricercatori, il personale NSDL rivolto domande critiche per l'uso pratico e di successo di questa tecnologia in impostazioni del campo di mondo reale. Inizialmente, i ricercatori NSDL ha dimostrato la necessità di rappresentare il segnale di fondo del sistema INS quando determinare zone di picco di carbonio netto. 11 un altro sforzo ha mostrato che l'area del picco di carbonio netto caratterizza la percentuale di peso medio carbonio nello strato superi...

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Dichiarazioni

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Ringraziamenti

Gli autori sono indebitati per Barry G. Dorman, Robert A. Icenogle, Juan Rodriguez, Morris G. Welch e Siegford di Marlin per assistenza tecnica in misure sperimentali e per Jim Clark e Dexter LaGrand per assistenza con simulazioni al computer. Ringraziamo XIA LLC per consentire l'uso di rivelatori e loro elettronica in questo progetto. Questo lavoro è stato supportato da catino ALA ricerca contratto No ALA061-4-15014 "Mappatura di geospatial di precisione del contenuto di carbonio del suolo per la gestione della produttività e del ciclo di vita agricola".

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Generatore di neutroniThermo Fisher Scientific, Colorado Springs, CO
software DNC		MP320
Rivelatore gamma:cristallo na
- NaI(Tl)Scionix USA, Orlando, FL
- ElectronicsXIA LLC, Hayward, CA-
SoftwareProSpect
BatteryFullriver Battery USA, Camarillo, CADC105-12
InvertorNova Electric, Bergenfield, NJCGL 600W-series
CaricabatteriePRO Charging Systems, LLC, LaVergne, TNPS4
Blocco di ferroQualsiasina
acido boricoQualsiasina
Computer portatileQualsiasina
metalloScudo magnetico Corp., Bensenville, Illinois. MU010-12
Sabbia da costruzioneQualsiasina
guscio di coccoGeneral Carbon Corp., Patterson, NJGC 8 X 30S
Riferimento Cs-137 fonteQualsiasina

Riferimenti

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