Summary
Hier präsentieren wir Ihnen das Protokoll für in Situ Messung von Kohlenstoff im Boden mit der Neutron-Gamma-Technik für einzelne Punktmessungen (statischen Modus) oder Bereich im Durchschnitt (Scan-Modus). Wir beschreiben auch Systemaufbau und Daten Behandlungsverfahren zu erarbeiten.
Abstract
Die hierin beschriebene Anwendung des inelastische Streuung (INS) Methode zur Bodenanalyse Kohlenstoff Neutrons basiert auf der Registrierung und Analyse von Gammastrahlen beim Neutronen mit Boden-Elementen interagieren erstellt. Die Hauptteile des INS-Systems sind eine gepulste Neutronen-Generator, Gammakamera Gamma-Detektoren, split Elektronik, Gamma-Spektren durch INS und Thermo-Neutron Capture (TNC) Prozesse und Software für Gamma-Spektren-Erfassung und Verarbeitung der Daten zu trennen. Diese Methode hat mehrere Vorteile gegenüber anderen Methoden, es ist eine zerstörungsfreie in Situ -Methode, die den durchschnittliche Kohlenstoff misst Inhalte in großen Boden Volumen, wird geringfügig von lokalen starken Veränderungen in Kohlenstoff im Boden beeinflusst, und stationär einsetzbar oder Scan-Modi. Das Ergebnis der INS-Methode ist der Kohlenstoffgehalt von einer Website mit einer Grundfläche von ~2.5 - 3 m2 in der stationären Regime oder der durchschnittlichen Kohlenstoffgehalt des durchlaufenen Bereichs in der Scan-Regime. Der Messbereich des derzeitigen Systems INS ist > 1,5 Gew.% Kohlenstoff (Standardabweichung ± 0,3 w %) in der oberen 10 cm Bodenschicht für 1 Hmeasurement.
Introduction
Kohlenstoffgehalt des Bodens sind Voraussetzung für die Optimierung der Bodenproduktivität und Rentabilität, Verständnis der Auswirkungen der landwirtschaftlichen Landnutzung auf Bodenressourcen und Bewertung von Strategien zur CO2-Sequestrierung1, 2,3,4. Kohlenstoff im Boden ist ein universal Indikator des Bodens Qualität5. Verschiedene Methoden wurden für Boden Kohlenstoff Messungen entwickelt. Trockene Verbrennung (DC) ist die am weitesten verbreitete Methode für Jahre6gewesen; Diese Methode basiert auf Feld Musterkollektion und Labor-Verarbeitung und Messung, die zerstörerisch, ist arbeitsintensiv und zeitaufwendig. Zwei neuere Methoden sind Laser-induced Breakdown Spectroscopy, und in der Nähe von und mid-Infrarot-Spektroskopie7. Diese Methoden sind auch destruktiv und nur sehr oberflächennahen Bodenschicht (0,1 - 1 cm Bodentiefe) zu analysieren. Darüber hinaus liefern diese Methoden nur Punkt Messungen der Kohlenstoffgehalt für kleine Probenmengen (~ 60 cm3 für DC-Methode und 0,01-10 cm3 für Infrarot-Spektroskopie-Methoden). Diese Punktmessungen erschweren es, Ergebnisse zu Feld oder Landschaft Skalen zu extrapolieren. Da diese Methoden destruktiv sind, sind auch wiederkehrende Messungen unmöglich.
Forscher am Brookhaven National Laboratory vorgeschlagen Neutron-Technologie für Boden Kohlenstoff-Analyse (INS-Methode)7,8,9. Diese anfänglichen Bemühungen entwickelte die Theorie und Praxis der Verwendung von Neutron-Gamma-Analyse für Boden CO2-Messung. Ab 2013 wurde diese Bemühungen in USDA-ARS nationalen Boden Dynamics Laboratory (NSDL) fortgesetzt. Der Ausbau dieser technologische Anwendung in den letzten 10 Jahren ist durch zwei wesentliche Faktoren: die Verfügbarkeit von relativ preiswerte kommerzielle Neutron Generatoren, Gamma-Detektoren und entsprechende Elektronik mit Software; und State-Of-The-Art Neutron-Kerne Interaktion Referenzdatenbanken. Diese Methode hat mehrere Vorteile gegenüber anderen. Eine INS System, platziert auf einer Plattform kann über jede Art von Feld manövriert werden, die Messung erfordert. Diese zerstörungsfreien in-Situ -Methode kann große Böden (~ 300 kg) analysieren, die zu einem gesamten landwirtschaftlichen Feld mit wenigen Messungen interpoliert werden können. Dieses INS System ist auch geeignet für den Betrieb in einem Scan-Modus, der den durchschnittlichen Kohlenstoffgehalt eines Raums Abtastung über einen vorn Raster des Felds oder der Landschaft bestimmt.
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Protocol
1. Aufbau des Systems INS
- verwenden Sie die allgemeine INS Systemgeometrie in Abbildung 1 dargestellte.
Abbildung 1. INS System Geometrie. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
- verwenden, die INS System-Design in Abbildung 2 dargestellt. 10
Abbildung 2. Überblick über das System INS.
A) erste Block enthält Neutronen-Generator, Neutronendetektor und Power-System; B) zweiter Block enthält drei Detektoren NaI (Tl); C) dritten Block enthält Geräte für den Betrieb; D) Gesamtansicht des ersten Blocks, einzelne Komponenten; und E) Nahaufnahme Blick auf die Gamma-Detektoren. 10 Klicken Sie bitte hier, um eine größere Version dieser Figur.
- drei Blöcke im INS System verwenden (siehe Anhang).
- Für den ersten Block (A), verwenden Sie eine Neutronen-Generator (NG) und Power-System ( Abbildung 2A und 2D). Gepulste Neutron Ausgabe dieses Generators werden 10 7 - 10 8 n/s mit Neutronen Energie von 14 MeV. Das Antriebssystem besteht aus vier Batterien 12 V, 105 Ah, ein DC-AC Wechselrichter und Ladegerät. Dieser Block enthält auch Eisen (10 x 20 cm x 30 cm) und Borsäure (5 x 20 cm x 30 cm) Abschirmung um den Gamma-Detektor von Neutronen-Strahlung zu schützen.
Hinweis: Ein Neutronendetektor gehört auch in diesem Block für die Überprüfung, die das NG funktionsbereit ist. - Für den zweiten Block (B), Gamma-Ray Messgeräte ( Abb. 2 b und 2E) verwenden. Dieser Block enthält drei 12,7 x 12,7 cm x 15,2 cm funkeln NaI(Tl) Detektoren mit entsprechender Elektronik. Die äußere Größe der Detektoren mit Elektronik misst 15,2 x 15,2 cm x 46 cm.
- Für den dritten Block (C) verwenden Sie einen Laptop-Computer, die steuert, die Neutronen-Generator (mit DNC-Software), Detektoren und Datenerfassungssystem ( Abbildung 2).
- Für den ersten Block (A), verwenden Sie eine Neutronen-Generator (NG) und Power-System ( Abbildung 2A und 2D). Gepulste Neutron Ausgabe dieses Generators werden 10 7 - 10 8 n/s mit Neutronen Energie von 14 MeV. Das Antriebssystem besteht aus vier Batterien 12 V, 105 Ah, ein DC-AC Wechselrichter und Ladegerät. Dieser Block enthält auch Eisen (10 x 20 cm x 30 cm) und Borsäure (5 x 20 cm x 30 cm) Abschirmung um den Gamma-Detektor von Neutronen-Strahlung zu schützen.
2. Vorsicht und persönlichen Anforderungen
- Jeder Benutzer der INS System Pass radiologische Ausbildung haben.
- Stellen Sie sicher, dass jede Person, die das NG eine Strahlung Überwachung Abzeichen trägt. Während der Messung die eingeschränkte Flächenbegrenzung (> 20 µSv/h) um die NG haben die Strahlung-Symbol mit den Worten " Vorsicht, Strahlung Bereich. " alle Kanten des eingeschränkten Bereichs werden nicht weniger als 4 m aus der NG.
- Im Notfall, drücken Sie sofort die " Notfall unterbrechen " Taste auf das NG und entfernen Sie den Schlüssel aus der NG NG von der Stromquelle trennen.
3. Vorbereitung des INS-Systems zur Messung
- Check das Stromsystem. Die Power-Level-Anzeige am Ladegerät wird grün sein, oder mehr als 3 rote Lampen beleuchten müssen. Wenn nicht, schließen Sie das Ladegerät an eine Steckdose, und warten Sie, bis die Akkus vollständig geladen werden (grüne Lampe leuchtet) oder bis eine akzeptable Leistungsstufe erreicht ist (≥ 3 rote Lampen leuchtet).
- Schalten Sie den Wechselrichter (grüne Lampe leuchtet) und Laptop.
- Führen die Daten-Übernahme-Programm auf dem Laptop zu bedienen die Gamma-Detektoren und überprüfen die erforderlichen Parameter für jeden Melder. Die Werte dieser Parameter werden definiert und zuvor aufgezeichnete INS System getestet.
- Legen Sie eine Cs-137 Steuerelementinhalt (jeder Art) innerhalb von 5-15 cm von den Detektoren.
- Starten Spektren Erwerb für 1-3 min.; Überprüfen der Zentroide die 662 keV Cs-137 Höhepunkt für alle Melder. Sie müssen auf dem gleichen Kanal sein. Wenn nicht, verwenden die Energie Koeffizient Skala von Daten Akquisition Programm durch Ändern des Werts 662 keV Spitze Zentroide anpassen.
- Schalten die NG mit dem Spezialschlüssel. Die Kontrollleuchte auf der NG leuchtet grün und gelb.
4. Kalibrierung des Systems INS
- bereiten 4 Gruben Größe 1,5 x 1,5 m x 0,6 m mit homogenen Mischungen in Sand-Kohlenstoff ( Abbildung 3). Kohlenstoffgehalte ist 0, 2,5, 5 und 10 w %.
Hinweis: Ein Betonmischer wird verwendet, um synthetische Boden besteht aus Sand und Kokospalmen Rohbau machen (100 % Kohlenstoffgehalt, durchschnittliche granulare Durchmesser < 0,5 mm). Homogenität dieser Mischungen wird visuell ermittelt.
Abbildung 3. Ansicht der Grube mit Sand und Pit mit 10 Cw % Sand-Carbon-Mischung. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
- nehmen Sie Messungen über die Box, die anhand der folgenden Schritte.
- INS System über die Grube zu positionieren, manuell oder mit einem geeigneten Fahrzeug abschleppen. INS System so positionieren, dass die Projektion der Neutronenquelle auf der Grube zentriert ist.
- Führen die DNC-Software auf dem Laptop, das NG-Generator arbeitet. In der Spalte auf der rechten Seite des Bildschirms DNC-Programm Fehler leuchten alle Lampen grün; ist dies nicht der Fall, klicken Sie auf "löschen". Fügen Sie die folgenden Parameter: für Pulsparameter - Frequenz 5 kHz, Duty Cycle 25 % Verzögerung 0 µs, Verlängerung 2 µs; für Strahl - Hochspannung 50 kV, Strahl aktuelle 50 µA (beachten Sie, dass diese Parameter je nach bestimmten INS System-Setup und Aufgabe unterschiedlich sein können).
- Aktivieren Sie den Schalter auf das DNC-Programm-Bildschirm und warten auf die NG arbeiten Regime eingeben wird die Hochspannung Strahlstrom kommen und um stabile Werte entsprechend den eingegebenen Werten; Aktuelle Reservoir kommen auch auf einen stabilen Wert.
- Führen die Datenerfassungs-Software auf dem Laptop die Gamma-Detektoren zu betreiben. Starten Sie Spektren Übernahme durch Ausführen des Daten-Übernahme-Programms für 1 h. Die beiden Spektren Akquisitionsprozesse (INS & TNC und TNC) erscheint auf dem Bildschirm.
- Nach 1 h, stoppen die Spektren-Akquisition und Spektren auf die Festplatte speichern (Datei | MCA-Daten speichern | Wählen Sie den Ordner, und geben Sie den Namen der Datei.
Hinweis: Es werden zwei gespeicherte Spektren (TNC und INS) mit Dateinamen-Erweiterungen .mca und _gated.mca, beziehungsweise). - Zweiten Detektor (Klicken Sie auf den Pfeil in der oberen linken Ecke) wählen und speichern die Spektren dieser Melder. Machen Sie dasselbe für Dritte Detektor.
- Klicken Sie auf Datei | Exit, um die Software zu beenden.
- Schalten Sie die DNC-Software durch Drehen Sie den Schalter auf dem DNC-Programm Bildschirm.
- Wiederholen Sie die Schritte 4.2.1 - 4.2.7 für die anderen Gruben.
- Schalten Sie die NG mit dem Spezialschlüssel. Die Kontrollleuchte auf der NG wird dim.
- INS System Hintergrund Spektren durch erhebt das ganze INS System zu einer Entfernung von mehr als 4 m über der Geländeoberfläche und Weg von großen Gegenständen zu bestimmen, und wiederholen Sie Daten Akquisition Schritte 4.2.2 - 4.2.9.
- Datenverarbeitung
- verwenden ein Tabellenkalkulations-Programm im Schritt 4.2.4 gespeicherten Datendateien öffnen. Finden Sie Werte für die Ausgabe und Eingabe bzw. Zählraten (OCR und ICR) und Real-Time (RT) in den Zeilen 28, 27 und 30,.
- Berechnung der Lebensdauer (LT) für INS & TNC und TNC-Spektren für alle Messungen als
LT ich = OCR ich / ICR ich ·RT ich (1),
wo OCR ich und ICR ich die Ausgabe und Eingabe Zählraten für die i-te-Messung und RT ich ist real der i-te-Messung Zeit. - Berechnen Sie die Gamma-Spektren in zählt pro Sekunde (cps) durch Division die Spektren (Zeilen 33-2080 in der Tabellenkalkulation) durch die entsprechenden LT.
- Berechnen die net INS Spektren aus den entsprechenden Messungen für jede Grube als
NET INS Spektrum = (INS & TNC - TNC) Pit - (INS & TNC - TNC) Bkg (2) - Find die Gamma peaks 1,78 MeV (28 Si) und 4,44 MeV (12 C) im Net INS Spektrum für jede Grube und Berechnung der Peakflächen (4,44 MeV C Spitze Bereich, 1,78 MeV Si Peakfläche) mit IGOR Software.
- Open Software durch Doppelklick auf das Symbol. Erste Net INS Spektrum in der Tabelle einfügen.
- Klicken Sie auf Windows | Neuer Graph | Vom Ziel | " Dateiname " | Tu es. Das Spektrum wird im Diagramm angezeigt. Klicken Sie auf Diagramm | Info zu zeigen. Die Fenster mit A und B Marker erscheint unter dem Diagrammfenster.
- Ort-Mauszeiger auf Zeichen A, drücken Sie die linke Maustaste gedrückt und ziehen Sie den Cursor auf das Spektrum auf linken Seite des Berges 1,78 MeV. Legen Sie mit dem Mauszeiger auf das Zeichen B, drücken Sie die linke Maustaste gedrückt und ziehen Sie den Cursor auf das Spektrum rechts der Spitze 1,78 MeV.
- Klicken Sie auf Analyse | Multi-Spitze Fit | Starten neuen Multi-Spitze Fit | Vom Ziel | Fahren Sie fort. Im Pop-up-Fenster markiert Verwendung Graph Cursor | Grundlinie Linear | -Suchen Sie Auto Gipfel jetzt | Tun Sie es | Spitze Ergebnisse. Der Bereich des Berges erscheint im Popup-Fenster.
- Wiederholen Sie dieselben Operationen für 4,44 MeV Peak.
- Wiederholen Sie alle vorhergehenden Vorgänge mit den restlichen Net INS Spektren.
- Finden Sie die Net Carbon Peakflächen für jede Grube durch die Gleichung
Net C Peak Bereich ich = 4,44 MeV C Peak Bereich ich - 0.058 · 1,78 MeV Si Peak Bereich ich (3) - Kalibrierungslinie für das INS System als direkte Stütze zu bauen Ortional Abhängigkeit von Netto Kohlenstoff Peak vs. ausgedrückt in Gewichtsprozent Kohlenstoffgehalt.
- In IGOR Software neue Tabelle öffnen: Klicken Sie auf Fenster | Neue Tabelle. Grube CO2 Konzentrationswerte in der ersten Spalte und die entsprechenden Netto C Peakfläche in der zweiten Spalte eingeben.
- Grundstück Netto C Peak Bereich Vs Grube Kohlenstoffgehalt: Klicken Sie auf Windows | Neuer Graph. Wählen Sie Net C Peakfläche als YWave und CO2-Konzentrationen als XWave. Klicken Sie auf, es zu tun. Die Punkte im Diagramm angezeigt werden.
- Bauen die Kalibrierungslinie: Klicken Sie auf Analyse | Curve Fitting | Funktion - Linie | Vom Ziel | Tu es. Die Kalibrierung und die Kalibrierung Koeffizienten (k) erscheint im Fenster "".
5. Durchführung von Feldmessungen Boden im statischen Modus
- Vorbereiten des INS-Systems für die Messung nach Schritt 3.
- Stellen Sie das System über die Website erfordern Boden Kohlenstoff Inhaltsanalyse, manuell oder durch geeignete Fahrzeug abschleppen. INS System so positionieren, dass die Projektion der Neutronenquelle über dem Aufstellungsort zu messenden zentriert ist.
- Umsetzung von Maßnahmen, die folgenden Schritte 4.2.2 - 4.2.9 und 4.4.1 - 4.4.6 zur Ermittlung Netto C Peakflächen für die Studienzentren.
- Berechnung der Kohlenstoffgehalt in Gewicht % mit der Kalibrierung-Koeffizient als
6. Durchführung von Boden Feldmessungen im Scan-Modus
- den Weg, der INS System wird über das Feld beim Reisen zu schätzen Bilanzierung von Fahrgeschwindigkeit (≤ 5 km/h), Feld Größe, INS System Footprint (~ 1 m Radius) und Messzeit (1 h), so dass die bewegliche Flugbahn schließlich deckt das ganze Gebiet. Der Einfachheit halber drehen statt Fahnen auf Punkte entlang des Umfangs Feld.
- Vorbereiten des INS-Systems für die Messung nach Schritt 3.
- Umsetzung von Maßnahmen, die folgenden Schritte 4.2.2 - 4.2.3.
- Folgen Sie dem vorgegebenen Verfahrweg für 1 h.
- Umsetzung von Maßnahmen, die folgenden Schritte 4.2.4 - 4.2.9 und 4.4.1 - 4.4.6 zur Ermittlung Netto C Peakflächen für den untersuchten Bereich.
- Berechnung der Kohlenstoffgehalt in Gewicht % mit der Kalibrierung-Koeffizient von Gleichung 4.
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Representative Results
Boden INS & TNC und TNC Gamma-Spektren
Ein Überblick über die gemessenen Boden-Gamma-Spektren ist in Abbildung 4dargestellt. Die Spektren bestehen aus einer Reihe von Gipfeln auf einem kontinuierlichen Hintergrund. Der Hauptgipfel des Interesses haben Zentroide 4,44 MeV und 1,78 MeV in die INS & TNC Spektren. Der zweite Gipfel kann Silizium-Kerne, die im Boden enthaltenen zugeschrieben werden, und der erste Gipfel ist eine überlappende Peak aus Kohlenstoff und Silizium Kernen. Das Verfahren für Netto Kohlenstoff Spitze Bereich Extraktion aus diesen Spektren ist oben beschrieben. Dieses Verfahren sollte in allen Fällen verwendet werden, für die Bestimmung der Netto Kohlenstoff Peakfläche ausschließlich auf Kohlenstoff-Kerne. 11
Abbildung 4. Ein typisches Gamma-Spektren für Boden gemessen vom System INS. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
INS System Hintergrundmessungen
NET INS Spektren gemessen in verschiedenen System Höhe Höhen über der Geländeoberfläche sind in Abbildung 5dargestellt. 11 die Abhängigkeiten der Peakflächen mit Zentroide 1,78 MeV, 4,44 MeV und 6,13 MeV (Sauerstoff Spitze) mit Höhe sind in Abbildung 6dargestellt. Wie in dieser Abbildung dargestellt, ändern die Spektren nicht mehr in der Höhe größer als 4 m über der Geländeoberfläche. Dementsprechend können die Spektren in der Höhe größer als 4 m Gamma-Spektren zugeschrieben werden, die durch die Wechselwirkung von Neutronen mit System-Baustoffe angezeigt werden. Wir verwendeten einen diese Spektren (bei H = 6 m) als Hintergrund Systemspektrum in unserer Datenverarbeitung.
Abbildung 5. ein) Netz-INS Spektren in verschiedenen INS System Höhen über dem Boden; b) Fragment der Netz-INS Spektren rund 1,78 MeV; und c) Fragment der Netz-INS Spektren ca. 4,44 MeV. Pfeil kennzeichnet zunehmende Höhe. 11 Klicken Sie bitte hier, um eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 6. Abhängigkeiten von Gipfeln Gebiete mit Zentroide 1,78, und 4,44 MeV in den Netz-INS-Spektren für INS System mit wechselnden Höhen oberhalb Ground. Klicken Sie bitte hier, um eine größere Version dieser Figur.
Kalibrierung
Die net INS Spektren erzeugt während der Kalibrierung des Systems INS entnehmen Sie bitte Abbildung 7a. 11 Fragmente der net INS Spektren in der Nähe von 1,78 MeV und 4,44 MeV Gipfeln in einem größeren Maßstab in Zahlen 7 b und 7 c, bzw. dargestellt. Wie man sehen kann, erhöht sich die Spitze mit einem Schwerpunkt von 4,44 MeV mit zunehmenden Kohlenstoffgehalt in der Grube. Zur gleichen Zeit nimmt die Spitze mit einem Schwerpunkt auf 1,78 MeV leicht als Kohlenstoff in der Grube erhöht. Die Abhängigkeit von Netto Kohlenstoff Peak (berechnet aus diesen Spektren) mit Kohlenstoffgehalt in Gruben (ausgedrückt in Gewicht %) wird in Abbildung 8dargestellt. 11 wie gesehen werden kann, kann dies durch eine direkte proportionale Abhängigkeit der Ursprung (0, 0-Punkt) auf der Durchreise in experimentellen Fehlergrenzen dargestellt werden. Diese Abhängigkeit wurde verwendet, um weitere Messungen zu kalibrieren.
Abbildung 7. ein) Net INS Spektren für Gruben mit Sand-Kohlenstoff-Mischungen bei 0, 2,5, 5 und 10 Carbon w % (gleichmäßige Mischung); b) Fragment der net INS Spektren rund 1,78 MeV; c) Fragment des net INS rund 4,44 MeV. 11 Klicken Sie bitte hier, um eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 8. Abhängigkeit von Net Carbon Peak mit Kohlenstoffgehalt in Gruben (Punkte mit Fehlerbalken) und INS System Kalibrierungslinie (durchgezogene Linie). 11 Klicken Sie bitte hier, um eine größere Version dieser Figur.
Feldmessungen der Kohlenstoffgehalt im statischen Modus
Carbon Content Messungen im statischen Modus wurden an mehreren Feldstandorten durchgeführt. Ergebnisse aus der Alabama Agricultural Experiment Station Piemont Research Unit, Camp Hill, AL (110 m x 30 m) sind in Tabelle 1dargestellt. Feldmessungen wurden an den Schnittpunkten der eine 3 x 5-Raster mit gleichmäßigen Abständen zwischen Rasterlinien (insgesamt 15 Standorten) durchgeführt. Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, variiert der Kohlenstoffgehalt für einzelne Schnittpunkte zwischen 1,4 bis 3,1 w % mit der Standardabweichung aller Messungen als ~0.3 w %. Zum Vergleich wurden destruktive Bodenproben auch an jedem Standort zur Bestimmung Boden Kohlenstoffgehalt unter Verwendung der standard DC-Methode. Diese Daten sind auch in Tabelle 1dargestellt. Vergleich von zwei Datensätzen zeigte gute Übereinstimmung zwischen beiden Methoden für jeden Standort und für den Mittelwert über das gesamte Feld.
| Lage | INS-Messungen | Trockenmessungen Verbrennung | |||||
| # Vor Ort | |||||||
| C | |||||||
Tabelle 1. Durchschnittliche Gewichtsprozent in der oberen Bodenschicht durch trockene Verbrennung und INS Methoden.
Es ist interessant zu vergleichen, die Kohlenstoff-Verbreitungskarten des Felds basierend auf der INS und DC Methoden (Abb. 9 und 10). Beide Karten sehr ähnlich aussehen, aber es sei darauf hingewiesen, dass 2 Tage INS Mapping ausgegeben wurden, während ~ 2 Monate Prozessproben, die DC-Karte schaffen mussten.
Abbildung 9. Carbon Verbreitungskarte des Feldes Camp Hill basierend auf der Methode INS. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 10. Carbon-Verbreitungskarte des Feldes Camp Hill basierend auf der DC-Methode. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Feldmessungen der Kohlenstoffgehalt im scanning-Modus
Bodenkundler sind oft interessiert bei der Bestimmung der Kohlenstoffgehalt für großflächige (z.B., 100 x 100 m). Anstelle von Kohlenstoff in Standorte 10 m auseinander (erfordern 1 h pro Messung mit INS) bestimmen, ist es möglich, den durchschnittlichen Kohlenstoffgehalt für ein 100 x 100 m-Feld mit den INS Scan-Modus bestimmen. Im scanning-Modus, ist es möglich, INS Maß zu nehmen, indem man über das gesamte Feld. In die gleiche Menge an Zeit benötigt, um einen einzigen Standort in statischen Modus (1 h) messen kann dieser Scan Messung durchgeführt werden. Die Nachweise und Prinzip des INS-Scan-Modus werden in diesem Artikel demonstriert.
Es sei darauf hingewiesen, dass der erste Versuch zur Messung der Kohlenstoff in den Scan-Modus weniger als zufriedenstellend war. Die erworbenen Scan Spektren unterschieden sich sichtbar von den INS & TNC und TNC statischen Modus Spektren; die Gipfel von Interesse waren breiter und kürzer mit Peakflächen wird viel kleiner als im statischen Modus beobachtet. Untersuchungen festgestellt, dass diese Verzerrung durch den Einfluss des Magnetfeldes der Erde auf die Gamma-Detektor Photomultiplier12. Um dieses Problem zu beheben, wurde ein magnetische Bildschirm (Mu-Metall) verwendet, um die Gamma-Detektor zu schützen. Tests haben gezeigt, dass die Gamma-Spektren von einem Co-60 Steuerelementinhalt war nahezu identisch, unabhängig von der Ausrichtung der abgeschirmten Gamma-Detektor (vertikal, horizontal, schräg), Weile peak Zentroiden und Gipfel breiten verändert je nach Ausrichtung des die nicht durchsuchtem Detektor. Diese Ergebnis gezeigt, dass die Wirkung des Erdmagnetfeldes auf die Photomultiplier unterdrückt werden, kann indem mit einem magnetischen Bildschirm. Magnetische Abschirmung eliminiert Peak Verbreiterung und produziert ein Scan Gamma-Spektren, die den statischen Modus Spektren sehr ähnlich sah.
Um statische und Scan-Modi zu vergleichen, wurden statische Messungen der Kohlenstoffgehalt bei 5 zufällig ausgewählten Standorten innerhalb eines 15 m x 45 m (1 h) durchgeführt und Messung im scanning-Modus (total 1 h) wurden auf dem gleichen Feld hatte einen ziemlich gleichmäßige Kohlenstoffgehalt durchgeführt. Eine Karte des Feldes zeigt einzelne Messpunkte und der Messbahn ist in Abbildung 11dargestellt. Net INS Spektren der 5 statischen Modus lagen und dass den Scan-Modus sind in Abbildung 12dargestellt. Wie in Abbildung 12dargestellt, der Scan Modus Spektrum ähnelt den statischen Modus Spektren und verliebt sich in den mittleren Bereich der alle statischen Spektren.
Abbildung 11 . Karte von das Feld zeigt statische Messpunkte (Sterne) und der Scan-Pfad (Linien). Klicken Sie bitte hier, um eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 12 . Net INS Spektren für statische und Scan-Modi; Einschub ist ein Fragment der net INS Spektren ca. 4,44 MeV. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Ergebnisse der Netto Kohlenstoff Spitze Bereich Berechnungen sind in Tabelle 2dargestellt. Wie aus den vorgelegten Daten ersichtlich ist, stimmt der Wert von Peak Netto Kohlenstoff gemessen im scanning-Modus mit dem durchschnittlichen statischen Moduswert innerhalb der Grenzen der experimentellen Fehler. Diese Ergebnisse belegen, dass INS Scannen Modus Messungen verwendet werden kann, um den durchschnittlichen Kohlenstoffgehalt in einem Feld zu definieren. Es ist wichtig zu beachten, dass 5 h verbrachte, Bestimmung der durchschnittlichen Kohlenstoffgehalt im statischen Modus, während nur 1 h im scanning-Modus erforderlich war.
| Modus | # Vor Ort | NET Carbon | STD, | Feld-Durchschnitt |
| Peakfläche, cps | CPS | ±Std, cps | ||
| Statische | 1 | 64,8 | 3.9 | 63.3±3.8 |
| 2 | 58,1 | 3.5 | ||
| 3 | 65,4 | 3.4 | ||
| 4 | 68,9 | 4.1 | ||
| 5 | 59,4 | 4.1 | ||
| Scannen | über Feld | 64,4 |
Tabelle 2. Net Carbon Peakfläche für statische und Scan-Modi.
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Discussion
Auf der Grundlage von früheren Forschern gegründet NSDL Personal angesprochen Fragen entscheidend für die praktische und erfolgreiche Anwendung dieser Technologie in der realen Welt Feldeinstellungen. Zunächst zeigten NSDL Forscher die Notwendigkeit das Hintergrundsignal INS System berücksichtigt beim Netto Kohlenstoff Peakflächen bestimmen. 11 ein weiterer Versuch zeigte, dass die net Carbon Peakfläche der durchschnittliche CO2-Gewichtsprozent in der oberen 10 cm Bodenschicht (unabhängig von Kohlenstoff Tiefe Verteilung Form) charakterisiert durch direkte proportionale Abhängigkeit. Zusätzlich zur Kalibrierung des INS-Systems (d.h. 1,5 x 1,5 m x 0,6 m Gruben mit verschiedenen Sand-Kohlenstoff-Mischungen) erforderliche Ausrüstung wurde gebaut und Kalibrierverfahren für reale Anwendungen entwickelt und durchgeführt wurden. Die daraus resultierende Kalibrierungslinie macht es möglich festzustellen, Boden Kohlenstoffgehalt von gemessenen CO2 Peakfläche. Während NSDL Forscher viele INS System Design-Verbesserungen eingeflossen, ermöglicht die jüngste Ergänzung der Magnetfeld Abschirmung von Gamma-Detektoren für den praktischen Einsatz der INS System-Scan-Modus für groß angelegte Untersuchungen der Kohlenstoff im Boden.
Erfahrung in der Anwendung der INS-Methode für Kohlenstoff Bodenanalyse mehrere kritische Protokoll Schritte offenbart. Um korrekte Messergebnisse zu erhalten, ist es wichtig, sorgfältig prüfen und Einstellen der Detektor Parameter mit Referenz-Quellen; Dies ist sehr wichtig für die Stabilität des Systems und Messergebnisse zu reproduzieren. Die System-Hintergrund und Kalibrierung-Messungen sind auch wichtige Schritte für genaue Ermittlung des Bodens Kohlenstoffgehalt. Beachten Sie, dass die Detektor-Parameter für beide System Hintergrund und Kalibrierung Messungen identisch sein sollten. Es ist zweckmässig, Kalibrierung Messungen (Gruben und Systemhintergrund) für einige Stunden zur Erhöhung der Genauigkeit der Kalibrierung Koeffizienten durchführen. Installation von magnetischen Bildschirme auf die Detektoren ist entscheidend für eine genaue Messung in den Scan-Modus, da nicht durchsuchtem Detektoren sehr große Fehler durch den Einfluss des Magnetfeldes der Erde produzieren. Darüber hinaus verbessert die magnetische Abschirmung Ergebnisse im statischen Modus.
Die Bedeutung der mit der INS-Methode im Vergleich zu den "Gold Standard" DC-Methode zeigte sich während der Feldzuordnung. Die Geschwindigkeit der CO2-Gehalt durch die INS-Methode zu definieren war ~ 30 Mal größer als die DC-Methode. Weitere Vorteile der INS-Methode wurden im Abschnitt Einführung diskutiert.
Trotz der aufgezeigten Vereinbarung zwischen den INS und DC ("gold Standard") Methoden hat die aktuelle Änderung der INS Technik eine wesentliche Einschränkung die feststellbaren Mindestmaß (1,5 w %) ist. Da Boden Kohlenstoffgehalt kleiner sein kann, werden zukünftige konzentriert sich auf die Empfindlichkeit des INS-Systems zu verbessern, durch Erhöhung der Anzahl der Gamma-Detektoren und das gesamte Systemdesign Optimierung oder durch die Anwendung Ziel Neutron Methoden. 13
Trotz dieser Einschränkung kann die aktuelle Änderung des INS-Systems für Boden Kohlenstoff Bestimmung einzelner Standorte und Kohlenstoff Verteilung Zuordnung Bereich Terrains empfohlen werden. Mögliche künftige Arbeit mit der INS-Methode kann erkunden andere Boden-Elemente wie Stickstoff, Eisen und Wasserstoff zu messen.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts preisgeben.
Acknowledgments
Die Autoren sind verpflichtet, Barry G. Dorman, Robert A. Icenogle, Juan Rodriguez, Morris G. Welch und Marlin Siegford für technische Unterstützung bei der experimentellen Messungen, und Jim Clark und Dexter LaGrand für Unterstützung mit Hilfe von Computersimulationen. Wir danken dafür, dass die Verwendung ihrer Elektronik und Detektoren in diesem Projekt XIA LLC. Diese Arbeit wurde unterstützt von NIFA ALA Forschung Vertrag Nr. ALA061-4-15014 "Präzision Geospatial Kartierung der Erde Kohlenstoffgehalt für landwirtschaftliche Produktivität und Lifecycle-Management".
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Neutron Generator | Thermo Fisher Scientific, Colorado Springs, CO DNC software |
MP320 | |
| Gamma-detector: | na | ||
| - NaI(Tl) crystal | Scionix USA, Orlando, FL | ||
| - Electronics | XIA LLC, Hayward, CA | ||
| - Software | ProSpect | ||
| Battery | Fullriver Battery USA, Camarillo, CA | DC105-12 | |
| Invertor | Nova Electric, Bergenfield, NJ | CGL 600W-series | |
| Charger | PRO Charging Systems, LLC, LaVergne, TN | PS4 | |
| Block of Iron | Any | na | |
| Boric Acid | Any | na | |
| Laptop | Any | na | |
| mu-metal | Magnetic Shield Corp., Bensenville, IL | MU010-12 | |
| Construction sand | Any | na | |
| Coconut shell | General Carbon Corp., Patterson, NJ | GC 8 X 30S | |
| Reference Cs-137 source | Any | na |
References
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