1. Konstrukcja systemu INS
- Należy zastosować ogólną geometrię systemu INS przedstawioną na Rysunku 1.

Rycina 1. Geometria układu INS. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
- Należy zastosować projekt systemu INS przedstawiony na Rysunku 2.10

Rysunek 2. Przegląd systemu INS.
A) pierwszy blok zawiera generator neutronów, detektor neutronów oraz system zasilania; B) drugi blok zawiera trzy detektory NaI (Tl); C) trzeci blok zawiera sprzęt do obsługi systemu; D) widok ogólny pierwszego bloku z poszczególnymi komponentami; oraz E) zbliżenie na detektory gamma.10 Aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku, kliknij tutaj.
- Użyć trzech bloków w systemie INS (patrz Aneks).
- W przypadku pierwszego bloku (A) należy zastosować generator neutronów (NG) oraz system zasilania (Rycina 2A i 2D). Impulsowy strumień neutronów tego generatora będzie wynosił 107 - 108 n/s przy energii neutronów 14 MeV. System zasilania będzie składał się z czterech akumulatorów (12 V, 105 Ah), inwertera DC-AC oraz ładowarki. Blok ten będzie zawierał również osłonę z żelaza (10 cm x 20 cm x 30 cm) i kwasu borowego (5 cm x 20 cm x 30 cm), aby chronić detektor gamma przed napromieniowaniem neutronowym.
UWAGA: W tym bloku znajduje się również detektor neutronów w celu sprawdzenia poprawności działania NG.
- W przypadku drugiego bloku (B) należy zastosować sprzęt do pomiaru promieniowania gamma (Rycina 2B i 2E). Blok ten będzie zawierał trzy detektory scyntylacyjne NaI(Tl) o wymiarach 12,7 cm x 12,7 cm x 15,2 cm wraz z odpowiednią elektroniką. Wymiary zewnętrzne detektorów wraz z elektroniką będą wynosić 15,2 cm x 15,2 cm x 46 cm.
- W przypadku trzeciego bloku (C) należy zastosować laptop, który steruje generatorem neutronów (za pomocą oprogramowania DNC), detektorami oraz systemem akwizycji danych (Rycina 2C).
2. Środki ostrożności i wymagania osobiste
- Każdy użytkownik systemu INS musi przejść szkolenie z zakresu ochrony radiologicznej.
- Należy upewnić się, że każda osoba obsługująca NG posiada dozymetr osobisty. Podczas pomiarów granica strefy ograniczonego dostępu (>20 µSv/h) wokół NG będzie oznakowana symbolem promieniowania wraz z napisem „UWAGA, STREFA PROMIENIOWANIA”. Wszystkie krawędzie strefy ograniczonego dostępu muszą znajdować się w odległości nie mniejszej niż 4 m od NG.
- W sytuacjach awaryjnych należy niezwłocznie nacisnąć przycisk „Emergency Interrupt” na urządzeniu NG, wyjęć klucz z NG i odłączyć urządzenie NG od źródła zasilania.
3. Przygotowanie systemu INS do pomiaru
- Sprawdź system zasilania. Wskaźnik poziomu zasilania na ładowarce powinien świecić na zielono lub zapalonych musi być więcej niż 3 czerwone lampki. W przeciwnym razie podłącz ładowarkę do gniazdka zasilania i poczekaj, aż akumulatory zostaną w pełni naładowane (zapali się zielona lampka) lub aż zostanie osiągnięty dopuszczalny poziom zasilania (zapali się ≥3 czerwone lampki).
- Włącz inwerter (zapali się zielona lampka) oraz laptop.
- Uruchom program do akwizycji danych na laptopie, aby obsługiwać detektory gamma i sprawdź wymagane parametry dla każdego detektora. Wartości tych parametrów zostaną zdefiniowane i zapisane wcześniej podczas testów systemu INS.
- Umieść źródło kontrolne Cs-137 (dowolnego typu) w odległości 5 - 15 cm od detektorów.
- Rozpocznij akwizycję widm na 1 - 3 min; sprawdź centroidy piku Cs-137 przy 662 keV dla wszystkich detektorów. Muszą one znajdować się na tym samym kanale. Jeśli tak nie jest, użyj skali współczynnika energii (Energy Coefficient Scale) w programie do akwizycji danych, zmieniając jego wartość w celu dostrojenia centroidów piku 662 keV.
- Włącz NG za pomocą specjalnego klucza. Lampka wskaźnikowa na NG zaświeci się na zielono i żółto.
4. Kalibracja systemu INS
- Przygotować 4 dołki o wymiarach 1,5 m x 1,5 m x 0,6 m z homogenicznymi mieszaninami piasku i węgla (Rycina 3). Zawartość węgla wynosi odpowiednio 0, 2,5, 5 i 10% wag.
UWAGA: Do przygotowania syntetycznej gleby składającej się z piasku budowlanego i łupin kokosa (100% zawartość węgla, średnica ziarna < 0,5 mm) należy użyć betoniarki. Homogeniczność tych mieszanin ocenia się wizualnie.

Rysunek 3. Widok dołu z piaskiem oraz dołu z mieszaniną piasku i węgla (10 Cw%). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
- Wykonaj pomiary nad wykopami zgodnie z poniższymi krokami.
- Ustaw system INS nad wykopem ręcznie lub holując go za pomocą odpowiedniego pojazdu. Ustaw system INS tak, aby rzut źródła neutronów znajdował się w centrum wykopu.
- Uruchom oprogramowanie DNC na laptopie obsługującym generator NG. W kolumnie Faults po prawej stronie ekranu programu DNC wszystkie lampki powinny świecić na zielono; jeśli tak nie jest, kliknij przycisk Clear. Wprowadź następujące parametry: dla Pulse Parameters – częstotliwość 5 kHz, cykl pracy 25%, opóźnienie 0 µs, przedłużenie 2 µs; dla Beam – wysokie napięcie 50 kV, prąd wiązki 50 µA (należy pamiętać, że parametry te mogą się różnić w zależności od konkretnej konfiguracji systemu INS i zadania).
- Aktywuj przełącznik na ekranie programu DNC i poczekaj, aż NG wejdzie w tryb pracy, w którym wysokie napięcie i prąd wiązki osiągną stabilne wartości odpowiadające wartościom wprowadzonym; prąd zbiornika również osiągnie wartość stabilną.
- Uruchom oprogramowanie do akwizycji danych na laptopie obsługującym detektory gamma. Rozpocznij akwizycję widm, uruchamiając program akwizycji danych na 1 h. Na ekranie pojawią się dwa procesy akwizycji widm (INS & TNC oraz TNC).
- Po 1 h zatrzymaj akwizycję widm i zapisz widma na dysku twardym (Plik | Zapisz dane MCA | wybierz folder i wprowadź nazwę pliku.
UWAGA: Zostaną zapisane dwa widma (TNC i INS) z rozszerzeniami plików odpowiednio .mca i _gated.mca).
- Wybierz drugi detektor (kliknij strzałkę w lewym górnym rogu) i zapisz widma dla tego detektora. Powtórz czynność dla trzeciego detektora.
- Kliknij Plik | Wyjście, aby zamknąć oprogramowanie.
- Wyłącz oprogramowanie DNC, wyłączając przełącznik na ekranie programu DNC.
- Powtórz kroki 4.2.1 – 4.2.7 dla pozostałych wykopów.
- Wyłącz NG za pomocą specjalnego klucza. Lampka wskaźnikowa na NG zgaśnie.
- Wyznacz widma tła systemu INS, podnosząc cały system INS na wysokość powyżej 4 m nad powierzchnię gruntu, z dala od dużych obiektów, a następnie powtórz kroki akwizycji danych 4.2.2 – 4.2.9.
- Przetwarzanie danych
- Użyj programu arkusza kalkulacyjnego, aby otworzyć pliki danych zapisane w kroku 4.2.4. Znajdź wartości dla prędkości zliczeń wyjściowych i wejściowych (OCR i ICR) oraz czasu rzeczywistego (RT) odpowiednio w wierszach 28, 27 i 30.
- Oblicz czas życia (LT) dla widm INS & TNC oraz TNC dla wszystkich pomiarów według wzoru
LTi = OCRi/ICRi·RTi (1),
gdzie OCRi i ICRi to prędkości zliczeń wyjściowych i wejściowych dla i-tego pomiaru, a RTi to czas rzeczywisty i-tego pomiaru.
- Oblicz widma gamma w zliczeniach na sekundę (cps), dzieląc widma (wiersze 33-2080 w arkuszu) przez odpowiadające im LT.
- Oblicz netto widma INS z odpowiadających pomiarów dla każdego wykopu według wzoru
Net INS Spectrum = (INS&TNC - TNC)Pit - (INS&TNC - TNC)Bkg (2)
- Znajdź piki gamma 1,78 MeV (28Si) i 4,44 MeV (12C) w netto widmie INS dla każdego wykopu i oblicz pola pików (pole piku C 4,44 MeV, pole piku Si 1,78 MeV) przy użyciu oprogramowania IGOR.
- Otwórz oprogramowanie, klikając dwukrotnie ikonę. Wprowadź pierwsze netto widmo INS do tabeli.
- Kliknij Okna | Nowy wykres | Z celu | „Nazwa pliku” | Wykonaj. Widmo pojawi się w oknie wykresu. Kliknij Wykres | Pokaż informacje. Pod oknem wykresu pojawią się okna z markerami A i B.
- Umieść kursor myszy na znaku A, naciśnij lewy przycisk myszy i przeciągnij kursor do widma po lewej stronie piku 1,78 MeV. Umieść kursor myszy na znaku B, naciśnij lewy przycisk myszy i przeciągnij kursor do widma po prawej stronie piku 1,78 MeV.
- Kliknij Analiza | Dopasowanie wielopikowe | Rozpocznij nowe dopasowanie wielopikowe | Z celu | Kontynuuj. W wyskakującym oknie zaznacz Użyj kursora wykresu | Linia bazowa liniowa | Automatycznie lokalizuj piki teraz | Wykonaj | Wyniki pików. Pole piku pojawi się w wyskakującym oknie.
- Powtórz te same operacje dla piku 4,44 MeV.
- Powtórz wszystkie poprzednie operacje dla pozostałych netto widm INS.
- Oblicz netto pola pików węgla dla każdego wykopu według równania
Net C peak areai = 4.44 MeV C peak areai- 0,058 · 1.78 MeV Si peak areai (3)
- Wyznacz linię kalibracyjną dla systemu INS jako bezpośrednią zależność proporcjonalną netto pola piku węgla od stężenia węgla wyrażonego w procentach wagowych.
- Otwórz nową tabelę w oprogramowaniu IGOR: kliknij Okno | Nowa tabela. Wprowadź wartości stężenia węgla w wykopach w pierwszej kolumnie i odpowiadające im netto pole piku C w drugiej kolumnie.
- Wykreśl netto pole piku C w funkcji stężenia węgla w wykopie: kliknij Okna | Nowy wykres. Wybierz Net C peak area jako YWave, a stężenia węgla jako XWave. Kliknij Wykonaj. Punkty pojawią się na wykresie.
- Wyznacz linię kalibracyjną: kliknij Analiza | Dopasowanie krzywej | Funkcja – linia | Z celu | Wykonaj. W oknie pojawi się linia kalibracyjna i współczynnik kalibracji (k).
5. Przeprowadzanie terenowych pomiarów gleby w trybie statycznym
- Przygotować system INS do pomiaru zgodnie z krokiem 3.
- Umieścić system nad obszarem wymagającym analizy zawartości węgla w glebie, ręcznie lub poprzez holowanie za pomocą odpowiedniego pojazdu. Ustawić system INS w taki sposób, aby projekcja źródła neutronów znajdowała się w centrum mierzonego obszaru.
- Wykonać czynności opisane w krokach 4.2.2 – 4.2.9 oraz 4.4.1 – 4.4.6 w celu wyznaczenia pól powierzchni pików Net C dla badanych obszarów.
- Obliczyć stężenie węgla w % wagowych, wykorzystując współczynnik kalibracji zgodnie z wzorem:

6. Przeprowadzanie terenowych pomiarów gleby w trybie skanowania
- Oszacuj trasę, po której będzie poruszał się system INS po polu, uwzględniając prędkość przemieszczania się (≤ 5 km/h), wielkość pola, zasięg systemu INS (promień ~1 m) oraz czas pomiaru (1 h), tak aby trajektoria ruchu ostatecznie objęła cały obszar pola. Dla ułatwienia umieść flagi w punktach zwrotnych wzdłuż obwodu pola.
- Przygotuj system INS do pomiaru zgodnie z krokiem 3.
- Wykonaj czynności zgodnie z krokami 4.2.2 – 4.2.3.
- Podążaj wyznaczoną wcześniej trasą przez 1 h.
- Wykonaj czynności zgodnie z krokami 4.2.4 – 4.2.9 oraz 4.4.1 – 4.4.6 w celu wyznaczenia pól powierzchni szczytów Net C dla badanego pola.
- Oblicz stężenie węgla w % wagowych, wykorzystując współczynnik kalibracji zgodnie z równaniem 4.