Name: Pomiary węgla w glebie za pomocą analizy neutronowo-gamma w trybie statycznym i skaningowym (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-08-24T14:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 51 s
Description: Poznaj metodę pomiaru węgla w glebie za pomocą techniki neutronowo-gamma w trybie statycznym i skaningowym. To nieniszcząca metoda in situ pozwala analizować duże objętości gleby w górnych 10 cm warstw.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy są wdzięczni Barry'emu G. Dormanowi, Robertowi A. Icenogle'owi, Juanowi Rodriguezowi, Morrisowi G. Welchowi i Marlinowi Siegfordowi za pomoc techniczną w pomiarach eksperymentalnych, a także Jimowi Clarkowi i Dexterowi LaGrand za pomoc w symulacjach komputerowych. Dziękujemy firmie XIA LLC za zgodę na wykorzystanie ich elektroniki i detektorów w tym projekcie. Prace te były wspierane przez NIFA ALA Research Contract No ALA061-4-15014 "Precyzyjne mapowanie geoprzestrzenne zawartości węgla w glebie dla wydajności rolnictwa i zarządzania cyklem życia".

1. Konstrukcja systemu INS
<ol>
	<li>Należy zastosować ogólną geometrię systemu INS przedstawioną na Rysunku 1.</li>
</ol>
<img alt="Aktywacja neutronowa; schemat źródła neutronów z detektorem gamma do analizy gleby; metoda spektroskopowa." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56270/56270fig1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 1"> 
Rycina 1. Geometria układu INS. <a href="//cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/56270/56270fig1large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<ol start="2">
	<li>Należy zastosować projekt systemu INS przedstawiony na Rysunku 2.10</li>
</ol>
<img alt="Układ detekcji promieniowania z detektorami gamma i neutronów; sprzęt polowy do analizy środowiskowej." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56270/56270fig2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 2"> 
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 <a href="//cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/56270/56270fig2large.jpg" target="_blank">Aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku, kliknij tutaj.</a>
<ol start="3">
	<li>Użyć trzech bloków w systemie INS (patrz Aneks).
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>W przypadku trzeciego bloku (C) należy zastosować laptop, który steruje generatorem neutronów (za pomocą oprogramowania DNC), detektorami oraz systemem akwizycji danych (Rycina 2C).</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Środki ostrożności i wymagania osobiste
<ol>
	<li>Każdy użytkownik systemu INS musi przejść szkolenie z zakresu ochrony radiologicznej.</li>
	<li>Należy upewnić się, że każda osoba obsługująca NG posiada dozymetr osobisty. Podczas pomiarów granica strefy ograniczonego dostępu (&gt;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.</li>
	<li>W sytuacjach awaryjnych należy niezwłocznie nacisnąć przycisk „Emergency Interrupt” na urządzeniu NG, wyjęć klucz z NG i odłączyć urządzenie NG od źródła zasilania.</li>
</ol>
3. Przygotowanie systemu INS do pomiaru
<ol>
	<li>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).</li>
	<li>Włącz inwerter (zapali się zielona lampka) oraz laptop.</li>
	<li>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.
	<ol>
		<li>Umieść źródło kontrolne Cs-137 (dowolnego typu) w odległości 5 - 15 cm od detektorów.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Włącz NG za pomocą specjalnego klucza. Lampka wskaźnikowa na NG zaświeci się na zielono i żółto.</li>
</ol>
4. Kalibracja systemu INS
<ol>
	<li>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 &lt; 0,5 mm) należy użyć betoniarki. Homogeniczność tych mieszanin ocenia się wizualnie.</li>
</ol>
<img alt="Eksperyment sekwestracji czarnego węgla, parcele glebowe, badanie wpływu na środowisko, schemat." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56270/56270fig3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 3"> 
Rysunek 3. Widok dołu z piaskiem oraz dołu z mieszaniną piasku i węgla (10 Cw%). <a href="//cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/56270/56270fig3large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<ol start="2">
	<li>Wykonaj pomiary nad wykopami zgodnie z poniższymi krokami.
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>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).
		<ol>
			<li>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.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>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 &amp; TNC oraz TNC).</li>
		<li>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).</li>
		<li>Wybierz drugi detektor (kliknij strzałkę w lewym górnym rogu) i zapisz widma dla tego detektora. Powtórz czynność dla trzeciego detektora.</li>
		<li>Kliknij Plik | Wyjście, aby zamknąć oprogramowanie.</li>
		<li>Wyłącz oprogramowanie DNC, wyłączając przełącznik na ekranie programu DNC.</li>
		<li>Powtórz kroki 4.2.1 – 4.2.7 dla pozostałych wykopów.</li>
		<li>Wyłącz NG za pomocą specjalnego klucza. Lampka wskaźnikowa na NG zgaśnie.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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.</li>
	<li>Przetwarzanie danych
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>Oblicz czas życia (LT) dla widm INS &amp; 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.</li>
		<li>Oblicz widma gamma w zliczeniach na sekundę (cps), dzieląc widma (wiersze 33-2080 w arkuszu) przez odpowiadające im LT.</li>
		<li>Oblicz netto widma INS z odpowiadających pomiarów dla każdego wykopu według wzoru 
		Net INS Spectrum = (INS&amp;TNC - TNC)Pit - (INS&amp;TNC - TNC)Bkg (2)</li>
		<li>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.
		<ol>
			<li>Otwórz oprogramowanie, klikając dwukrotnie ikonę. Wprowadź pierwsze netto widmo INS do tabeli.</li>
			<li>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.</li>
			<li>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.</li>
			<li>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.</li>
			<li>Powtórz te same operacje dla piku 4,44 MeV.</li>
			<li>Powtórz wszystkie poprzednie operacje dla pozostałych netto widm INS.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>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)</li>
		<li>Wyznacz linię kalibracyjną dla systemu INS jako bezpośrednią zależność proporcjonalną netto pola piku węgla od stężenia węgla wyrażonego w procentach wagowych.
		<ol>
			<li>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.</li>
			<li>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.</li>
			<li>Wyznacz linię kalibracyjną: kliknij Analiza | Dopasowanie krzywej | Funkcja – linia | Z celu | Wykonaj. W oknie pojawi się linia kalibracyjna i współczynnik kalibracji (k).</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
5. Przeprowadzanie terenowych pomiarów gleby w trybie statycznym
<ol>
	<li>Przygotować system INS do pomiaru zgodnie z krokiem 3.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Obliczyć stężenie węgla w % wagowych, wykorzystując współczynnik kalibracji zgodnie z wzorem: 
	<img alt="Wzór na stężenie węgla: pole powierzchni piku Net C podzielone przez stałą k dla analizy chromatograficznej." src="/files/ftp_upload/56270/56270eq1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 1"></li>
</ol>
6. Przeprowadzanie terenowych pomiarów gleby w trybie skanowania
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>Przygotuj system INS do pomiaru zgodnie z krokiem 3.</li>
	<li>Wykonaj czynności zgodnie z krokami 4.2.2 – 4.2.3.</li>
	<li>Podążaj wyznaczoną wcześniej trasą przez 1 h.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Oblicz stężenie węgla w % wagowych, wykorzystując współczynnik kalibracji zgodnie z równaniem 4.</li>
</ol>

<ol><li>Potter, K. N., Daniel, J. A., Altom, W., Torbert, H. A. <a target="_blank" href="http://www.jswconline.org/content/56/3/233.abstract">Stocking rate effect on soil carbon and nitrogen in degraded soils.</a> J. Soil Water Conserv. 56, 233-236 (2001).</li>
<li>Torbert, H. A., Prior, S. A., Runion, G. B. <a target="_blank" href="http://www.jswconline.org/content/59/1/1.abstract">Impact of the return to cultivation on carbon (C) sequestration.</a> J. Soil Water Conserv. 59 (1), 1-8 (2004).</li>
<li>Stolbovoy, V., Montanarella, L., Filippi, N., Jones, A., Gallego, J., Grassi, G. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aStolbovoy%2C+V+%22Soil+sampling+protocol+to+certify+the+changes+of+organic+carbon+stock+in+mineral+soil+of+the+European+Union.+Version+2%22">Soil sampling protocol to certify the changes of organic carbon stock in mineral soil of the European Union. Version 2</a>. , Office for Official Publications of the European Communities. Luxembourg. ISBN: 978-92-79-05379-5 (2007).</li>
<li>Smith, K. E., Watts, D. B., Way, T. R., Torbert, H. A., Prior, S. A. <a target="_blank" href="https://www.ars.usda.gov/ARSUserFiles/60100500/csr/ResearchPubs/prior/prior_12i.pdf">Impact of tillage and fertilizer application method on gas emissions (CO2, CH4, N2O) in a corn cropping system.</a> Pedosphere. 22 (5), 604-615 (2012).</li>
<li>Seybold, C. A., Mausbach, M. J., Karlen, D. L., Rogers, H. H. Quantification of soil quality. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aSeybold%2C+CA+%22Soil+processes+and+the+carbon+cycle%22">Soil processes and the carbon cycle</a>. Lal, R., Kimble, J., Stewart, B. A. , CRC Press. Boca Raton, FL. 387-404 (1997).</li>
<li>Nelson, D. W., Sommers, L. E. Total carbon, organic carbon, and organic matter. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aNelson%2C+DW+%22Methods+of+Soil+Analysis.%2C+Part+3%2C+Chemical+Methods%22">Methods of Soil Analysis., Part 3, Chemical Methods</a>. Sparks, D. L. , SSSA and ASA. Madison, WI. 961-1010 (1996).</li>
<li>Wielopolski, L. Nuclear methodology for non-destructive multi-elemental analysis of large volumes of soil. <a target="_blank" href="https://www.intechopen.com/books/planet-earth-2011-global-warming-challenges-and-opportunities-for-policy-and-practice">Planet Earth: Global Warming Challenges and Opportunities for Policy and Practice</a>. Carayannis, E. , ISBN: 978-953-307-733-8 (2011).</li>
<li>Wielopolski, L., Yanai, R. D., Levine , C. R., Mitra, S., Vadeboncoeur, M. A. <a target="_blank" href="http://scholars.unh.edu/ersc/14/">Rapid, non-destructive carbon analysis of forest soils using neutron-induced gamma-ray spectroscopy.</a> Forest Ecol. Manag. 260, 1132-1137 (2010).</li>
<li>Mitra, S., Wielopolski, L., Tan, H., Fallu-Labruyere, A., Hennig, W., Warburton, W. K. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/document/4089173/">Concurrent measurement of individual gamma-ray spectra during and between fast neutron pulses.</a> Nucl. Sci. 54 (1), 192-196 (2007).</li>
<li>Yakubova, G., Wielopolski, L., Kavetskiy, A., Torbert, H. A., Prior, S. A. <a target="_blank" href="http://journals.lww.com/soilsci/Abstract/2014/12000/Field_Testing_a_Mobile_Inelastic_Neutron.1.aspx?trendmd-shared=%25SPONSORED%25">Field testing a mobile inelastic neutron scattering system to measure soil carbon.</a> Soil Sci. 179, 529-535 (2014).</li>
<li>Yakubova, G., Kavetskiy, A., Prior, S. A., Torbert, H. A. <a target="_blank" href="http://vzj.geoscienceworld.org/content/15/2/vzj2015.04.0056">Benchmarking the inelastic neutron scattering soil carbon method.</a> Vadose Zone J. 15 (2), (2016).</li>
<li>Knoll, G. F. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aKnoll%2C+GF+%22Radiation+Detection+and+Measurement%22">Radiation Detection and Measurement</a>. , 3rd, Inc. John Willey & Sons. New York. (2000).</li>
<li>Mitra, S., Dioszegi, I. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168900212008315">Unexploded Ordnance identification - A gamma-ray spectral analysis method for Carbon, Nitrogen and Oxygen signals following tagged neutron interrogation.</a> Nucl. Instrum. Meth. A. 693, 16-22 (2012).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Opierając się na fundamencie stworzonym przez poprzednich badaczy, pracownicy NSDL zajęli się pytaniami o kluczowym znaczeniu dla praktycznego i skutecznego zastosowania tej technologii w rzeczywistych warunkach terenowych. Początkowo badacze z NSDL wykazali konieczność uwzględnienia sygnału tła systemu INS przy określaniu obszarów piku węglowego netto. 11 Inne badanie wykazało, że obszar piku węgla netto charakteryzuje średni procent masy węgla w górnej 10 cm warstwie gleby (niezależnie od kształ...

Znajomość zawartości węgla w glebie jest niezbędna do optymalizacji produktywności i rentowności gleby, zrozumienia wpływu praktyk użytkowania gruntów rolnych na zasoby glebowe oraz oceny strategii sekwestracji dwutlenku węgla1,2,3,4. Węgiel w glebie jest uniwersalnym wskaźnikiem jakości gleby5. Opracowano kilka metod pomiaru zawartości węgla w glebie. Spalanie na sucho (DC) jest od lat najczęściej stosowaną metodą6; Metoda ta opiera się na zbieraniu próbek w terenie oraz przetwarzaniu i pomiarach laboratoryjnych, które są destrukcyjne, pracochłonne i czasochłonne. Dwie nowsze metody to spektroskopia rozpadu indukowana laserem oraz spektroskopia bliskiej i średniej podczerwieni7. Metody te są również destrukcyjne i analizują tylko bardzo przypowierzchniową warstwę gleby (głębokość gleby 0,1 - 1 cm). Ponadto metody te dają pomiary punktowe zawartości węgla tylko dla małych objętości próbek (~60 cm3 dla metody DC i 0,01-10 cm3 dla metod spektroskopii w podczerwieni). Takie pomiary punktowe utrudniają ekstrapolację wyników na skale terenowe lub krajobrazowe. Ponieważ metody te są destrukcyjne, powtarzające się pomiary są również niemożliwe.
Poprzedni badacze z Brookhaven National Laboratory sugerowali zastosowanie technologii neutronowej do analizy węgla w glebie (metoda INS)7,8,9. W ramach tych początkowych prac opracowano teorię i praktykę wykorzystania analizy promieniowania gamma neutronów do pomiaru zawartości węgla w glebie. Począwszy od 2013 r., wysiłki te były kontynuowane w Narodowym Laboratorium Dynamiki Gleby USDA-ARS (NSDL). Rozwój tego zastosowania technologicznego w ciągu ostatnich 10 lat wynika z dwóch głównych czynników: dostępności stosunkowo niedrogich komercyjnych generatorów neutronów, detektorów gamma i odpowiedniej elektroniki z oprogramowaniem; oraz najnowocześniejsze referencyjne bazy danych oddziaływań neutron-jądra. Ta metoda ma kilka zalet w porównaniu z innymi. System INS, umieszczony na platformie, może być manewrowany nad każdym rodzajem pola, które wymaga pomiaru. Ta nieniszcząca metoda in-situ może analizować duże objętości gleby (~300 kg), które można interpolować na całe pole uprawne za pomocą zaledwie kilku pomiarów. Ten system INS jest również zdolny do pracy w trybie skanowania, który określa średnią zawartość węgla w obszarze na podstawie skanowania nad z góry ustaloną siatką pola lub krajobrazu.

<table><tbody><tr><td>Generator neutronów</td><td>Thermo Fisher Scientific, Colorado Springs, CO Oprogramowanie DNC</td><td>MP320</td><td></td></tr><tr><td>Detektor gamma:</td><td></td> <td>kryształ na</td><td></td></tr><tr><td>- NaI(Tl)</td><td>Scionix USA, Orlando, FL</td><td></td><td></td></tr> <tr><td>- Electronics</td><td>XIA LLC, Hayward, CA</td><td></td><td></td></tr> <tr><td>- Oprogramowanie</td><td>Bateria</td> ProSpect <td></td><td></td></tr><tr><td></td><td>Fullriver Battery USA, Camarillo, CA</td> Inwerter <td>DC105-12</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Nova Electric, Bergenfield, NJ</td> Ładowarka <td>serii</td><td></td>CGL 600W</tr><tr><td></td><td>PRO Charging Systems, LLC, LaVergne, TN</td><td>PS4</td><td></td></tr><tr><td>Blok żelaza</td><td>dowolny</td><td>na</td><td></td></tr><tr><td>kwas borowy</td><td></td> dowolny <td>na</td><td></td></tr><tr><td>laptopie</td><td></td><td>dowolny z</td><td></td></tr><tr><td>metalu</td><td>Magnetic Shield Corp., Bensenville, Illinois</td><td>&nbsp; MU010-12</td><td></td></tr><tr><td>Piasek budowlany</td><td>Dowolny</td><td>na</td><td></td></tr><tr><td>Łupina orzecha kokosowego</td><td>General Carbon Corp., Patterson, NJ</td><td>GC 8 X 30S</td><td></td></tr><tr><td>Odniesienie Cs-137 źródło</td><td>Dowolna</td><td>na</td><td></td></tr></tbody></table>

pomiary węgla w glebie za pomocą analizy neutronowo-gamma w trybie statycznym i skaningowym

Measurements of Soil Carbon by Neutron-Gamma Analysis in Static and Scanning Modes

Opisane tutaj zastosowanie metody nieelastycznego rozpraszania neutronów (INS) do analizy węgla w glebie opiera się na rejestracji i analizie promieni gamma powstających, gdy neutrony oddziałują z elementami gleby. Głównymi częściami systemu INS są impulsowy generator neutronów, detektory gamma NaI(Tl), rozdzielona elektronika do rozdzielania widm gamma w wyniku procesów INS i wychwytu termoneutronów (TNC) oraz oprogramowanie do akwizycji widm gamma i przetwarzania danych. Metoda ta ma kilka zalet w porównaniu z innymi metodami, ponieważ jest to nieniszcząca metoda in situ, która mierzy średnią zawartość węgla w dużych objętościach gleby, jest pomijalnie dotknięta lokalnymi gwałtownymi zmianami węgla w glebie i może być stosowana w trybie stacjonarnym lub skanowania. Wynikiem metody INS jest zawartość węgla z miejsca o śladzie węglowym ~2,5 - 3m2 w reżimie stacjonarnym, lub średnia zawartość węgla w przebytym obszarze w reżimie skanowania. Zakres pomiarowy obecnego systemu INS wynosi >1,5% masy węgla (odchylenie standardowe ± 0,3 w%) w górnej 10 cm warstwie gleby dla 1 godziny pomiaru.

Widma INS i TNC gleby oraz widma TNC gamma
Ogólny widok zmierzonych widm gamma gleby przedstawiono na Rysunku 4. Widma składają się z zestawu pików na ciągłym tle. Główne piki będące przedmiotem analizy mają centroidy przy 4.44 MeV i 1.78 MeV w widmach INS &amp; TNC. Drugi pik można przypisać jądrom krzemu zawartym w glebie, natomiast pierwszy jest pikiem nakładającym się z jąder węgla i krzemu. Procedura wyodrębni...

Tutaj prezentujemy protokół pomiaru in situ węgla w glebie za pomocą techniki neutron-gamma dla pomiarów jednopunktowych (tryb statyczny) lub średnich terenowych (tryb skanowania). Opisujemy również budowę systemu i rozbudowane procedury przetwarzania danych.

Pomiary węgla w glebie za pomocą analizy neutronowo-gamma w trybie statycznym i skaningowym

The herein described application of the inelastic neutron scattering (INS) method for soil carbon analysis is based on the registration and analysis of ...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest pomiar węgla w glebie w konkretnych punktach lub na obszarze pola. Metoda ta opiera się na zastosowaniu niespójnego rozpraszania neutronów do analizy węgla w glebie. Główną zaletą tej techniki jest to, że jest to nieniszcząca metoda in situ do pomiaru węgla w dużych objętościach gleby.Analiza promieniowania gamma powstającego w wyniku oddziaływania neutronów z pierwiastkami glebowymi pozwala na pomiar zawartości węgla w górnej 10 centymetrowej warstwie gleby. Metodę tę można stosować w trybie stacjonarnym w jednym punkcie pola, podobnie jak przy tradycyjnym pobieraniu próbek gleby, lub w trybie skanowania, w którym mierzy się średnią zawartość węgla w glebie dla całego pola. Przed rozpoczęciem pracy z systemem INS należy przygotować materiały do wyznaczenia strefy ograniczonego dostępu wokół generatora neutronów.Należy upewnić się, że przycisk awaryjnego zatrzymania generatora neutronów nie jest zasłonięty. Sprawdzić wskaźnik poziomu zasilania na ładowarce akumulatorów. Doładować akumulatory, jeśli świeci mniej niż trzy czerwone lampki.Po osiągnięciu odpowiedniego poziomu mocy należy włączyć inwerter zasilania oraz laptop systemowy. Uruchom program do akwizycji danych. W przypadku każdego detektora należy sprawdzić, czy wysokie napięcie DAC, offset DAC oraz współczynnik energii filtra wolnego są zgodne z wcześniej zdefiniowanymi wartościami.Dla funkcjonalności całego systemu INS krytyczne jest, aby wszystkie detektory znajdowały się w optymalnym stanie roboczym. Następnie należy umieścić źródło cezu-137 w odległości od 5 do 15 cm od wszystkich detektorów systemu. Należy rozpocząć pomiar widm i sprawdzić położenie centroidu piku cezu-137 o energii 662 keV na każdym detektorze.Jeśli centroidy nie znajdują się na tym samym kanale, należy dostosować współczynnik energii filtra wolnego, aby doprowadzić centroidy do tego samego kanału. Widma ze wszystkich trzech detektorów są podsumowywane po ich pozyskaniu. Dlatego ważne jest, aby interesujące nas piki znajdowały się na tych samych kanałach.Gdy system będzie gotowy do kalibracji, należy schować źródło cezu-137. Aby rozpocząć kalibrację z wykorzystaniem dołków z jednorodnymi mieszaninami piasku i węgla o znanej zawartości węgla, należy ustawić system INS nad pierwszym dołkiem kalibracyjnym w taki sposób, aby projekcja źródła neutronów znajdowała się w centrum dołka. Należy wyraźnie wyznaczyć strefę zastrzeżoną z granicami oddalonymi o co najmniej cztery metry od generatora neutronów.Umieść znaki ostrzegawcze o zagrożeniu promieniowaniem na obwodzie tego obszaru. Użyj klucza, aby włączyć generator neutronów. Sprawdź, czy lampka kontrolna świeci na zielono.Otwórz oprogramowanie sterujące generatorem neutronów i usuń wszelkie błędy. Ustaw częstotliwość impulsów, cykl pracy, czas opóźnienia oraz czas przedłużenia. Następnie wprowadź napięcie i natężenie prądu wiązki neutronowej.Uruchom generator neutronów i poczekaj, aż odczyty napięcia i natężenia prądu się ustabilizują. Następnie w oprogramowaniu do akwizycji danych rozpocznij pomiar widm. Zbieraj dane przez jedną godzinę, a następnie zatrzymaj akwizycję.Zapisz uzyskane widmo dla każdego detektora i zamknij oba programy. Wyłącz generator neutronów kluczem i upewnij się, że lampka kontrolna zgasła. Powtórz ten proces dla każdego otworu kalibracyjnego.Następnie zaimportuj pozyskane dane do programu arkusza kalkulacyjnego. Zlokalizuj wiersze zawierające szybkości zliczeń wyjściowych, szybkości zliczeń wejściowych oraz czas rzeczywisty. Na ich podstawie oblicz czasy życia dla wszystkich pomiarów.Przelicz odczyty gamma na liczbę zliczeń na sekundę, korzystając z czasów pomiaru. Powtórz ten proces dla każdego otworu kalibracyjnego. Następnie oblicz netto widmo INS dla każdego otworu.Za pomocą oprogramowania analitycznego zwizualizuj pierwsze widmo netto INS. Kliknij prawym przyciskiem myszy na wygenerowany wykres i wybierz opcję Pokaż informacje (Show Info), aby wyświetlić okna z markerami A i B. Użyj markerów, aby zaznaczyć pik o energii 1,78 MeV.Otwórz funkcję dopasowania wielu pików, ustaw linię bazową jako liniową, a granice zgodnie z kursorami wykresu. Użyj narzędzia do automatycznego wyboru pików i wyznacz pole powierzchni piku. Następnie zaznacz pik o energii 4.44 megaelectron volt i w ten sam sposób wyznacz jego pole powierzchni.Powtórz ten proces dla każdego widma net INS. Na podstawie tych wartości oblicz netto powierzchnię piku węgla dla każdej próbki kalibracyjnej. Przedstaw zależność netto powierzchni piku węgla od zawartości węgla w próbce na wykresie.Zastosuj dopasowanie liniowe, aby wyznaczyć współczynnik kalibracyjny dla systemu INS. W celu przeprowadzenia pomiarów gleby w terenie w trybie statycznym, zastosuj tę samą technikę, która została wykorzystana w przypadku dołków kalibracyjnych. Aby przeprowadzić pomiary gleby w terenie w trybie skanowania, najpierw zaprojektuj ścieżkę, która umożliwi systemowi zeskanowanie całego obszaru zainteresowania w ciągu jednej godziny.Umieść flagi w każdym punkcie zwrotnym wzdłuż ścieżki. Rozpocznij akwizycję danych i przemieszczaj system INS wzdłuż wyznaczonej ścieżki z odpowiednią prędkością. Po zakończeniu akwizycji danych wyłącz system zgodnie z wcześniejszym opisem.Przeanalizuj dane i oblicz zawartość węgla w glebie dla zeskanowanego obszaru, korzystając z współczynnika kalibracji. Zawartość węgla w górnej warstwie gleby zmierzono tradycyjną metodą suchego spalania oraz systemem INS w trybie statycznym. Wyniki były ze sobą spójne, a mapy rozkładu węgla na pobranym obszarze były bardzo podobne dla obu metod.Pomiary spalania suchego dla stanowiska terenowego trwały około dwóch miesięcy, podczas gdy pomiary INS w trybie statycznym zostały ukończone w ciągu dwóch dni. Pomiary INS w trybie skanowania porównano z pomiarami w trybie statycznym wykonanymi wzdłuż ścieżki skanowania. Netto widmo INS w trybie skanowania było zgodne z widmami w trybie statycznym w granicach błędu eksperymentalnego.Ponadto dane w trybie skanowania pozyskano w ciągu jednej godziny, podczas gdy zebranie pięciu zestawów danych w trybie statycznym zajęło pięć godzin. Ta technika INS powinna znacząco poprawić zdolność badaczy do pomiaru węgla w glebie w warunkach polowych, co pomoże gleboznawcom w opracowywaniu strategii sekwestracji węgla oraz tworzeniu praktyk zarządzania optymalizujących produktywność gleby. Znaczenie metody nieelastycznego rozpraszania neutronów w porównaniu z tradycyjną metodą pobierania próbek gleby polega na zwiększeniu szybkości oznaczania węgla w glebie oraz poprawie dokładności analizy w skali całego pola.Trwają badania nad rozszerzeniem tej techniki o pomiary innych pierwiastków glebowych oraz wilgotności gleby.

measurements-soil-carbon-neutron-gamma-analysis-static-scanning

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Poczyniono postępy w wykorzystaniu rozpraszania częstości występowania echa spinowego (SERGIS) jako techniki rozpraszania neutronów do badania skal długości w próbkach o nieregularnym charakterze. Krystality estru metylowego kwasu [6,6]-fenylo-C61-masłowego przebadano techniką SERGIS, a wyniki potwierdzono mikroskopią sił optycznych i atomowych.

Wykorzystanie neutronowego echa spinowego do rozwiązania problemu rozpraszania padania w celu zbadania organicznych materiałów ogniw słonecznych

Ten artykuł przedstawia metodę statycznego pomiaru strumienia gazów cieplarnianych z systemów glebowych. Przy stosunkowo niewielkich inwestycjach w infrastrukturę, pomiary można uzyskać z wielu zabiegów/lokalizacji i w ramach czasowych od godzin do lat.

Pomiar strumienia gazów cieplarnianych z gleb rolniczych za pomocą komór statycznych

Opisano protokół, w którym biodegradacja CO2 zmineralizowanego z zanieczyszczeń organicznych (pochodzących z surowców ropopochodnych) jest wychwytywana, oznaczana ilościowo i analizowana pod kątem zawartości 14C. Opracowano model w celu określenia zasięgu przestrzennego strefy wychwytywania CO2 . Pomiary przestrzenne i czasowe pozwalają na integrację wskaźników mineralizacji zanieczyszczeń w celu przewidywania zakresu i czasu remediacji.

Pomiar mineralizacji zanieczyszczeń na bazie węgla przy użyciu połączonych analiz strumienia CO2 i radiowęgla

Przestrzenne wzorce erozji i osadzania się gleby można wywnioskować z różnic w wysokości gruntu odwzorowanych w odpowiednich przyrostach czasu. Takie zmiany wysokości są związane ze zmianami węglanów glebowych przy powierzchni. Opisano tutaj powtarzalne metody pomiarów terenowych i laboratoryjnych tych wielkości oraz metody analizy danych.

Pomiar i mapowanie wzorców erozji i depozycji gleby związanych ze stężeniami węglanów w glebie w ramach gospodarki rolnej

SOM leży u podstaw wielu funkcji i procesów glebowych, ale jego charakterystyka za pomocą spektroskopii FTIR jest często kwestionowana przez zakłócenia mineralne. Opisana metoda może zwiększyć użyteczność analizy SOM za pomocą spektroskopii FTIR poprzez odejmowanie zakłóceń mineralnych w widmach glebowych za pomocą empirycznie uzyskanych widm referencyjnych minerałów.

Poprawa charakterystyki materii organicznej gleby za pomocą spektroskopii w podczerwieni za pomocą odejmowania spektralnego

Procesy krajobrazowe są kluczowymi składnikami formowania gleby i odgrywają ważną rolę w określaniu właściwości gleby i struktury przestrzennej w krajobrazach. Proponujemy nowe podejście wykorzystujące krokową regresję głównych składowych do przewidywania redystrybucji gleby i węgla organicznego w glebie w różnych skalach przestrzennych.

Wykorzystanie głównych komponentów do skalowania modeli topograficznych w celu mapowania redystrybucji gleby i węgla organicznego w glebie

Ten protokół przedstawia przepływ pracy dla sub-mm wizualizacji 2D wielu labilnych nieorganicznych składników odżywczych i zanieczyszczeń rozpuszczonych za pomocą gradientów dyfuzyjnych w cienkich warstwach (DGT) w połączeniu z obrazowaniem spektrometrii mas. Pobieranie próbek substancji rozpuszczonych i analiza chemiczna o wysokiej rozdzielczości są szczegółowo opisane w celu ilościowego mapowania substancji rozpuszczonych w ryzosferze roślin lądowych.

Dwuwymiarowa wizualizacja i kwantyfikacja labilnych, nieorganicznych składników odżywczych roślin i zanieczyszczeń w glebie

Ten manuskrypt opisuje protokół radiografii neutronowej i tomografii komputerowej próbek biologicznych przy użyciu linii badawczej CG-1D High Flux Isotope Reactor (HFIR) do pomiaru metalowego implantu w kości udowej szczura, płucu myszy i systemie korzeniowo-glebowym roślin zielnych.

Radiografia neutronowa i tomografia komputerowa systemów biologicznych w reaktorze izotopowym wysokiego strumienia w Oak Ridge National Laboratory

Opisana tutaj metoda weryfikacji jest przystosowana do monitorowania pedogenicznej sekwestracji węgla nieorganicznego w różnych glebach rolnych wzbogaconych skałami zawierającymi krzemian metali ziem alkalicznych, takich jak wollastonit, bazalt i oliwin. Ten rodzaj walidacji jest niezbędny dla programów kredytów węglowych, które mogą przynieść korzyści rolnikom, którzy sekwestrują dwutlenek węgla na swoich polach.

Monitorowanie pedogennej akumulacji węgla nieorganicznego spowodowanej wietrzeniem zmodyfikowanych minerałów krzemianowych w glebach rolnych.

Frakcjonowanie gęstości gleby rozdziela materię organiczną gleby na odrębne pule o różnych mechanizmach stabilizacji, chemii i czasach obrotu. Roztwory poliwolframianów sodu o określonych gęstościach umożliwiają oddzielenie wolnej materii organicznej w postaci cząstek stałych od materii organicznej związanej z minerałami, w wyniku czego uzyskuje się frakcje materii organicznej odpowiednie do opisania reakcji gleby na zarządzanie i zmiany klimatu.

Wykorzystanie frakcjonowania gęstości gleby do oddzielenia odrębnych rezerwuarów węgla w glebie

Poznaj metodę pomiaru węgla w glebie za pomocą techniki neutronowo-gamma w trybie statycznym i skaningowym. To nieniszcząca metoda in situ pozwala analizować duże objętości gleby w górnych 10 cm warstw.

Pomiary węgla w glebie za pomocą analizy neutronowo-gamma w trybie statycznym i skaningowym

Przeglądaj więcej filmów