Summary
Здесь мы представляем протокол в situ измерения почвенного углерода с использованием метода нейтронного гамма для одной точки измерения (статический режим) или поле в среднем (режим сканирования). Мы также описывают системы строительства и разработки процедур обработки данных.
Abstract
Здесь описано применение неупругого нейтронного рассеяния (INS) метод для анализа почвы углерода основан на регистрации и анализа гамма-лучей, созданный когда нейтроны взаимодействуют с элементами почвы. Основные части модулей системы являются импульсного нейтронного генератора, NaI(Tl) гамма детекторы, Сплит электроники для разделения гамма-спектров благодаря INS и термо нейтронного захвата (ТНК) процессов и программного обеспечения для гамма-спектров сбора и обработки данных. Этот метод имеет ряд преимуществ перед другими методами, в том, что это метод неразрушающего на месте , который измеряет среднее углерода контента в больших почвы томах, ничтожно затронуты местных резкие изменения почвенного углерода и может использоваться в стационарном или режимы сканирования. Результатом метода INS является содержание углерода от сайта с след ~2.5 - 3 m2 в стационарном режиме, или средняя углерода области пройденный в режиме сканирования. Диапазон измерения текущей системы Син > 1,5 мас. % углерода (стандартное отклонение ± 0,3 Вт %) в верхней 10 см слое почвы на 1 hmeasurement.
Introduction
Требуется знание содержания углерода почвы для оптимизации продуктивности почв и прибыльности, понимание влияния практики использования сельскохозяйственных земель на почвенных ресурсов и оценке стратегий секвестрации углерода в1, 23,,4. Углерода в почве-это универсальный индикатор качества почвы5. Несколько методов были разработаны для почвы углерода измерений. Сухой сгорания (DC) был наиболее широко используемый метод для6лет; Этот метод основан на поле образец коллекции и лаборатории обработки измерения, что является разрушительным, труда интенсивной и много времени. Две новые методы лазерно индуцированным разбивка спектроскопии и вблизи и середине инфракрасной спектроскопии7. Эти методы также являются разрушительными и только анализировать слой очень близко к поверхности почвы (0,1 - 1 см Глубина почвы). Кроме того, эти методы только условным пределом измерения содержания углерода для небольшой образец томов (3 ~ 60 см для метода DC и 0,01-10 см3 для инфракрасной спектроскопии). Такие точки измерения сделать это трудно экстраполировать результаты для поля или пейзаж весы. Так как эти методы являются разрушительными, повторяющихся измерений также невозможно.
Предыдущие исследователи в Брукхейвенской национальной лаборатории предложил, применяя технологию нейтронов для почвы углерода анализ (метод INS)7,8,9. Этот первоначальный усилий разработана теория и практика использования нейтронов гамма анализа для измерения углерода почвы. Начиная с 2013 года, эта деятельность была продолжена в лаборатории динамики национальной почвы (NSDL) USDA-ARS. Расширение этого технологические приложения за последние 10 лет из-за двух основных факторов: наличие относительно недорогой коммерческие Нейтронные генераторы, гамма детекторы и соответствующей электроники с программным обеспечением; и состояние искусства нейтронных ядер взаимодействия справочных баз данных. Этот метод имеет несколько преимуществ над другими. МОДУЛИ системы, размещены на платформе, может маневрировать через любой тип поля, который требует измерения. Этот метод неразрушающего in situ можно анализировать большие почвы томов (~ 300 кг), которые может быть интерполяцией целые сельскохозяйственные поля, используя несколько измерений. Эта система INS также способен работать в режиме сканирования, которое определяет содержание средняя углерода в области на основе сканирования через заданный сетке поля или пейзаж.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. построение модулей системы
- используют общие модули системы геометрии, показано на рисунке 1.
Рисунок 1. Модули системы геометрия. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
- использовать дизайн модулей системы, показано на рисунке 2. 10
Рисунок 2. Обзор системы Син.
A) первый блок содержит генератор нейтронов, детектор нейтронов и теплоэнергетики; B) второй блок содержит три Най (Tl) детекторов; C) третий блок содержит оборудование для работы системы; D) общий вид первого блока показаны отдельные компоненты; и E) крупным планом зрения гамма детекторов. 10 пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
- использование трех блоков в системе модулей (см. добавление).
- Для первого блока (A), используйте генератор нейтронов (НГ) и мощность системы ( рис. 2A и 2D). Импульсного нейтронного выхода этого генератора будет 10 7 - 10 н / 8 нейтронов энергией 14 МэВ. Система питания будет состоять из четырех батарей (12 V, 105 Ай), DC-AC инвертора и зарядное устройство. Этот блок будет также содержать железа (10 см х 20 см х 30 см) и борной кислоты (5 x 20 см x 30 см) защитные для защиты детектора гамма от нейтронного облучения.
Примечание: Детектор нейтронов также включены в этот блок для проверки надлежащего функционирования нг. - Для второго блока (B), использовать оборудование для измерения гамма излучения ( Рисунок 2B и 2E). Этот блок будет содержать три 12,7 см х 12,7 см x 15,2 см NaI(Tl) сцинтилляционных детекторов с соответствующей электроники. Внешний размер детекторов с электроникой будет измерять 15,2 x 15,2 см x 46 cm.
- Для третьего блока (C), использовать портативный компьютер, который управляет генератора нейтронов (с ПЦУ программное обеспечение), датчики и система сбора данных ( рис. 2 c).
- Для первого блока (A), используйте генератор нейтронов (НГ) и мощность системы ( рис. 2A и 2D). Импульсного нейтронного выхода этого генератора будет 10 7 - 10 н / 8 нейтронов энергией 14 МэВ. Система питания будет состоять из четырех батарей (12 V, 105 Ай), DC-AC инвертора и зарядное устройство. Этот блок будет также содержать железа (10 см х 20 см х 30 см) и борной кислоты (5 x 20 см x 30 см) защитные для защиты детектора гамма от нейтронного облучения.
2. Осторожность и личные требования
- у каждого пользователя модули профессиональной подготовки системы перевал радиологического. Жетон
- Убедитесь, что каждое лицо, управляющее нг носит радиационного мониторинга. Во время измерений, границы запретной зоне (> 20 мкЗв/ч) вокруг нг будет иметь символ излучения с словами " ОСТОРОЖНОСТЬЮ, излучение области. " всех краев области ограниченного будет не менее 4 м от НГ.
- В чрезвычайных ситуациях, сразу же нажимаем " аварийного прерывания " кнопку на Нг, извлечь ключ из нг и отключите нг от источника питания.
3. Подготовка модулей системы для измерения
- Проверка системы питания. Индикатор уровня мощности на зарядном устройстве будет отображаться зеленым цветом, или более чем 3 красных огней должна освещать. Если нет, Подключите зарядное устройство к сетевой розетке и подождать до тех пор, пока аккумуляторы становятся полностью заряжен (загорится зеленая лампа) или пока не будет достигнут уровень приемлемой мощности (≥ 3 красные лампы загорятся).
- Включите инвертор (зеленый индикатор горит) и ноутбук.
- Запустите программу сбора данных на ноутбуке для эксплуатации гамма детекторы и проверить необходимые параметры для каждого детектора. Значения этих параметров будут определены и ранее записанная в тестирование модулей системы.
- Место источника управления Cs-137 (любого типа) в течение 5-15 см от детекторов.
- Начать приобретение спектры для 1-3 мин; проверить центроиды 662 кэВ Cs-137 пик для всех детекторов. Они должны быть на том же канале. Если нет, используйте коэффициент масштаба энергии установка приобретения программы, изменив значение для регулировки 662 кэВ пик центроиды.
- Включите нг с помощью специального ключа. Сигнальная лампа на нг загорится зеленым и желтым.
4. Калибровка системы Син
- подготовить 4 ямы размером 1,5 х 1,5 м х 0,6 м с однородной смеси песка углерода ( рис. 3). Содержание углерода – 0, 2.5, 5 и 10 w %.
Примечание: Бетономешалка используется для изготовления синтетических почвы, состоящий из песка и кокосовой оболочки строительства (100% углерода контента, средняя гранулированных диаметр < 0,5 мм). Однородность этих смесей определяется визуально.
на рисунке 3. Зрения ямы с песком и яма с 10% Cw песчано периклазоуглеродистых смеси. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
- выполняйте измерения через ямы, используя следующие шаги.
- Позиции модулей системы над ямой, вручную или путем буксировки с подходящего транспортного средства. Установите модули системы таким образом, что проекция источник нейтронов центрируется на яму.
- Запускать ПЦУ программное обеспечение на ноутбук, который работает генератор НГ. В столбце ошибки на правой стороне экрана программы DNC все лампы загорятся зеленый; Если нет, нажмите кнопку Очистить. Вставьте следующие параметры: для параметров импульсов - частота 5 кГц, обязанность цикла 25%, задержка 0 МКС, расширение 2 МКС; для пучка - высокое напряжение 50 кв, луч текущего 50 мкА (Обратите внимание, что эти параметры могут быть разными в зависимости от конкретной установки системы INS и задачи).
- Активировать переключатель на экране программы ПЦУ и ждать нг ввести режим работы, где высокого напряжения и луч текущего придет до стабильного значения, соответствующие введенные значения; Водохранилище текущего также придет к стабильной значение.
- Запустить программное обеспечение получения данных на ноутбуке для работы детекторов гамма. Начните приобретение спектры, запустив программу сбора данных за 1 час. Процесс приобретения двух спектров (INS & ТНК и ТНК) будет отображаться на экране.
- После 1 h, остановить приобретение спектры и сохранить спектров на жесткий диск (файл | Сохранить данные MCA | Выберите папку и введите имя файла.
Примечание: Там будет два сохраненные спектры (ТНК и INS) с файла расширения .mca и _gated.mca, соответственно). - Выберите второй детектор (нажмите стрелку в левом верхнем углу) и сохраните спектры для данного детектора. Сделайте то же самое для третьего детектора.
- Выберите файл | Выход, чтобы закрыть программу.
- Отключить программное обеспечение ПЦУ, выключив выключатель на экране программы DNC.
- Повторите шаги 4.2.1 - 4.2.7 для других ямы.
- Отключить нг с помощью специального ключа. Сигнальная лампа на Нг будет высота
- Определить спектры фон модулей системы, подъемные системы в целом INS на расстояние более 4 м над поверхностью земли и от каких-либо крупных объектов и повторить шаги получения данных 4.2.2 - 4.2.9.
- Обработка данных
- использовать программу электронных таблиц для открытия файлов данных, сохраненные на шаге 4.2.4. Найти значения для вывода и ввода количество ставок (OCR и МЦР) и режиме реального времени (RT) в строках 28, 27 и 30, соответственно.
- Расчет времени жизни (LT) для модулей & ТНК и ТНК спектры для всех измерений как
LT я = OCR, я / ICR я ·RT я (1),
где OCR, я и МГП, я вывода и ввода количество ставок для i го измерения и RT, я реальный время измерения i й. - Вычислить гамма-спектров в подсчитывает в секунду (cps) путем деления спектры (33-2080 в таблице строк), соответствующий лейтенант
- Расчета чистой INS спектров от соответствующих измерений для каждого ямы как
NET модули спектра = (INS & TNC - TNC) ПС - (INS & TNC - TNC) Bkg (2) - найти гамма пики 1.78 МэВ (28 Si) и 4.44 МэВ (12 C) в спектре Net модули для каждой ямы и вычислить пик областях (4.44 МЭВ C пик Площадь, площадь пика 1.78 МЭВ Si) с помощью программного обеспечения Игорь.
- Открытое программное обеспечение, дважды щелкнув значок. Вставьте таблицу первый чистый спектр INS.
- Нажмите кнопку Windows | Новый граф | От цели | " файла " | Сделай это. Спектр появляется в окне графика. Щелкните граф | Показать информацию. Окна с A и B маркеры появляется под окном граф.
- Поместить указатель мыши на знак A, нажмите левую кнопку мыши и перетащите курсор в спектре на левой стороне пик 1.78 МэВ. Поместите указатель мыши на знак B, нажать левую кнопку мыши и перетащите курсор в спектре на правой стороне пик 1.78 МэВ.
- Нажмите кнопку анализ | Мульти пик Fit | Начать новый мульти пик Fit | От цели | Продолжить. В всплывающем окне отмечен курсор график использования | Базовые линейные | Auto найдите пики сейчас | Сделать это | Пик результаты. Во всплывающем окне появится область пика.
- Повторить те же операции для пик 4.44 МэВ.
- Повторите все предыдущие операции с оставшихся чистые спектры INS.
- Найти чистый углерод пик области для каждой ямы уравнением
Net C пик области я = 4.44 МЭВ C пик области я - 0,058 · 1.78 МЭВ Si пик области я (3) - строить линии калибровки для модулей системы прямого Проп ortional зависимость площади пика чистого углерода против концентрации углерода, выраженная в % вес.
- Открыть новую таблицу в Игорь программного обеспечения: щелкните окно | Новая таблица. Введите значения концентрации углерода яму в первом столбце и соответствующие площади пика нетто C во втором столбце.
- Участок чистой C пик области против Пит концентрация углерода: нажмите Windows | Новый граф. Выберите Net C площади пика как YWave и концентрации углерода как XWave. Нажмите сделать это. На графике появляются точки.
- Строить линии калибровки: нажмите анализ | Кривой установки | Функция - линия | От цели | Сделай это. Калибровка линии и коэффициент калибровки (k) появится в окне.
5. Проведение полевых измерений почвы в статическом режиме
- подготовить систему к INS для измерения согласно п.3.
- Поместите системы сайта, требующие анализа содержания углерода почвы вручную или путем буксировки с помощью подходящего транспортного средства. Установите модули системы таким образом, что проекция источник нейтронов центрируется на сайте измеряемого.
- Осуществлять действия, следующие шаги 4.2.2 - 4.2.9 и 4.4.1 - 4.4.6 для определения чистой C пик области для исследования сайтов.
- Расчет концентрации углерода в % веса, используя коэффициент калибровки как
6. проведение измерения поля почвы в режиме сканирования
- оценить путь, по которому система INS отправится на поле во время Бухгалтерский учет для скорость передвижения (≤ 5 км/ч), поле Размер, модули системы след (радиус ~ 1 м) и время измерения (1 h) таким образом, что перемещение траектории в конечном итоге охватывает все области. Для удобства, место флаги на включение точек по периметру поля.
- Подготовить систему к INS для измерения согласно п.3.
- Осуществлять действия, следующие шаги 4.2.2 - 4.2.3.
- Следуйте по пути предопределило путешествия за 1 ч.
- Осуществлять действия, следующие шаги 4.2.4 - 4.2.9 и 4.4.1 - 4.4.6 для определения чистой C пик областях для поля изучал.
- Расчет концентрации углерода в вес % коэффициент калибровки с помощью уравнения 4.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Почвы INS & ТНК и ТНК гамма-спектров
Общий вид почвы измеренная гамма-спектров показан на рисунке 4. Спектры состоят из набора пиков на фоне непрерывного. Основные пики интерес у центроиды 4.44 МэВ и 1,78 МЭВ в Син & спектры ТНК. Второй пик можно отнести кремния ядер, содержащихся в почве, и первый пик является перекрытие пик от ядер углерода и кремния. Процедура для чистого углерода пик области извлечения из этих спектров описана выше. Эта процедура должна использоваться во всех случаях для определения площади пика чистого углерода благодаря исключительно ядер углерода. 11
Рисунок 4. Типичные гамма-спектров для почвы измеряется системе INS. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
МОДУЛИ системы фон измерения
NET модули спектры измеряется на различных высотах системы высота над поверхностью земли показано на рисунке 5. 11 зависимостей пик областей с центроиды 1.78 МэВ, 4.44 МэВ и 6.13 МэВ (пик кислорода) с высоты приведены на рисунке 6. Как показано на этом рисунке, спектры больше не изменить на высотах более 4 м над поверхностью земли. Соответственно спектры на высотах более 4 м может объясняться гамма-спектров, которые появляются из-за взаимодействия нейтронов с системы строительных материалов. Мы использовали один из этих спектров (при Н = 6 м) в качестве фонового спектра системы в нашей обработке данных.
Рисунок 5. ) Net-INS спектры в различных модулей системы высот над землей; b) фрагмент net-INS спектров около 1.78 МэВ; и c) фрагмент net-INS спектров около 4.44 МэВ. Стрелка обозначает увеличение высоты. 11 пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 6. D. Зависимости районы пиков с центроиды 1.78, и 4.44 МЭВ в Net-INS спектры для модулей системы с изменением высоты выше Groun пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Калибровка
Чистой INS спектры, созданные во время калибровки системы модули показаны на рис. 7a. 11 фрагментов спектров чистой INS вблизи 1.78 МэВ и 4.44 МЭВ пиков показаны в более широких масштабах в цифры 7b и 7 c, соответственно. Как видно, пик с центроид 4.44 МЭВ увеличивается с увеличения содержания углерода в яму. В то же время пик с центроид на 1,78 МЭВ слегка уменьшается углерода в яму увеличивается. Зависимость от чистого углерода площади пика (рассчитывается от этих спектров) с содержанием углерода в ямы (выраженная в % веса) показано на рисунке 8. 11 как видно, это может быть представлено прямой пропорциональной зависимости, проходящей через начало координат (0, 0 точка) в пределах экспериментальной ошибки. Эта зависимость была использована для калибровки дальнейших измерений.
Рисунок 7. ) Net INS спектры для ямы с песком углерода смеси на 0, 2.5, 5 и 10 углерода w % (однородную смесь); b) фрагмент чистой INS спектров около 1.78 МэВ; c) фрагмент чистой INS около 4.44 МэВ. 11 пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 8. Зависимость области Net углерода пик концентрации углерода в ямы (очков с погрешностей) и модули системы калибровки линия (сплошная линия). 11 пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Полевые измерения содержания углерода в статическом режиме
Содержание углерода измерений в статическом режиме были проведены в нескольких местах. В таблице 1представлены результаты от Алабама сельскохозяйственной опытной станции Пьемонт исследовательское подразделение, лагерь Хилл, Аль (110 x 30 м). Полевые измерения проводились на пересечениях 3 к 5 сетки с равные расстояния между линиями сетки (всего 15 сайтов). Как видно из таблицы, содержание углерода для отдельных пересечения варьировала от 1.4 до 3,1 w % с стандартное отклонение всех измерений, будучи ~0.3 w %. Для сравнения образцы разрушительной почвы были также приняты в каждом месте службы для определения содержания углерода почвы с использованием стандартного метода DC. Также эти данные представлены в таблице 1. Сравнение двух наборов данных показал хорошее согласие между обоими методами для каждого местоположения и среднее значение за все поле.
| Местоположение | INS измерения | Сухой сгорания измерения | |||||
| Сайт # | |||||||
| C | |||||||
Таблица 1. Средний вес % в верхний слой почвы сухой сгорания и INS методами.
Это интересно сравнить карты распределения углерода поля, основанные на методы INS и DC (рис. 9 и 10). Обе карты очень похожи, но следует отметить, что 2 дня были потрачены на модулей сопоставления, хотя требуется процесс образцы для создания карты DC ~ 2 месяца.
Рисунок 9. Карта распределения углерода поля лагерь Хилл, основанную на методе Син. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 10. Карта распределения углерода поля лагерь Хилл, основанную на методе DC. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Полевые измерения содержания углерода в режиме сканирования
Почвоведы часто заинтересованы в определении содержания углерода для больших площадей (например, 100 x 100 м). Вместо определения углерода в местах 10 м друг от друга (требующих час за измерений с помощью INS), это можно определить содержание средняя углерода для поля 100 х 100 м, с помощью режима сканирования INS. В режиме сканирования, можно взять модули измерения во время прохождения через все поле. Это сканирование измерение может проводиться в такое же количество времени, необходимое для измерения в одном месте в статическом режиме (1 ч). В этой статье демонстрируются доказательство и принцип режима сканирования INS.
Следует отметить, что первая попытка для измерения углерода в режиме сканирования было менее чем удовлетворительным. Приобретенные сканирования спектры заметно отличались от Син & ТНК и ТНК спектры статический режим; пики интерес были более широкие и короткие с пик районах гораздо меньше, чем в статическом режиме. Расследования установлено, что это искажение под влиянием магнитного поля земли на детектор гамма фотоэлектронный умножитель12. Для решения этой проблемы, магнитный экран (му металл) был использован для сокрытия гамма детектор. Тестирование показало, что почти идентичны независимо от ориентации экранированный гамма-детектор гамма-спектров источника управления Co-60 (вертикальных, горизонтальных, наклонных), время пик вершины и центроиды ширины, меняются в зависимости от ориентации незащищенных детектор. Эти результаты показали, что влияние магнитного поля земли на фотоумножителе могут быть подавлены с помощью магнитного экрана. Магнитные скрининг устранены пик расширение и производится сканирование гамма-спектров, которые выглядели очень похож на статический режим спектров.
Чтобы сравнить режимы статические и сканирования, статические измерения содержания углерода были проведены (по 1 ч.) в 5 случайных местах в поле 15 m x 45 m и измерений в режиме (всего 1 h) сканирования были исполнены на том же поле, который был довольно однородный углерода содержание. Карта поля показаны расположения отдельных измерений и пути сканирования иллюстрируется на рисунке 11. На рисунке 12показаны чистые спектры INS 5 мест статический режим и что режим сканирования. Как показано на рисунке 12, сканирования спектра режим похож на статический режим спектры и падает в средней ценовой категории всех статических спектров.
Рисунок 11 . Карта поля показаны статические измерения расположения (звезд) и сканирование пути (линии). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 12 . Net INS спектры для статических и сканирование режимы; врезные представляет собой фрагмент чистой INS спектров около 4.44 МЭВ. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
В таблице 2показаны результаты расчетов области пик чистого углерода. Как видно из представленных данных, значение площади пика чистого углерода, измеренные в режиме сканирования соглашается с Средний статический режим значение в пределах экспериментальной ошибки. Эти результаты доказывают, что модули сканирования режим измерения может использоваться для определения содержания углерода в среднем в поле. Важно отметить, что 5 h были потрачены, определения содержания средняя углерода в статическом режиме, тогда как в режиме сканирования требуется только 1 час.
| Режим | Сайт # | Чистого углерода | STD, | В среднем поле |
| Площадь пика, cps | CPS | ±STD, cps | ||
| Статический | 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 | ||
| Сканирование | над полем | 64,4 |
Таблица 2. Площади пика net углерода для статических и сканирование режимы.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Опираясь на фундаменте, заложенном в предыдущие исследователи, NSDL персонала вопросы критической для практических и успешного использования этой технологии в реальном мире параметры поля. Первоначально NSDL исследователи продемонстрировали необходимость учета модулей системы фонового сигнала при определении областей пик чистого углерода. 11 другой усилий показали что площади пика чистого углерода характеризует % веса средняя углерода в верхней 10 см слое почвы (независимо от формы распределения глубина углерода), прямая пропорциональная зависимость. Кроме того оборудование, необходимое для модулей системы калибровки (т.е., 1,5 х 1,5 м x 0,6 м ямы с различных смесей песка углерода) был построен и калибровки процедур, необходимых для реальных приложений были разработаны и выполнены. Результирующая калибровка линии оказывает можно определить содержание углерода почвы из района пика измеренных чистого углерода. Хотя исследователи NSDL включили много модулей системы улучшения дизайна, недавнее добавление экранирования магнитного поля гамма детекторов позволяет для практического использования модулей системы сканирования режим для крупномасштабного исследования почвенного углерода.
Опыт применения метода INS для почвы углерода анализ выявил несколько критических протокол шаги. Для получения правильных результатов, важно тщательно проверить и настроить параметры детекторов с помощью справочных источников; Это очень важно для стабильности системы и воспроизведения результатов измерений. Фон и калибровки измерений системы являются также важные шаги для точного определения содержания углерода в почве. Обратите внимание, что параметры детектора должно быть одинаковым для обеих системы фон и калибровки измерений. Это целесообразно проводить калибровку измерений (ямы и системы фона) на несколько часов для повышения точности калибровки коэффициентов. Установка магнитных экранов на детекторы имеет решающее значение для точного измерения в режиме сканирования, так как незащищенных детекторы производят очень большие ошибки под влиянием магнитного поля Земли. Кроме того магнитные скрининг улучшает результаты в статическом режиме.
Значение с помощью метода INS против метод DC «золотой стандарт» был продемонстрирован в ходе сопоставления полей. Скорость определения содержания углерода методом Син был ~ 30 раз больше, чем метод постоянного тока. Другие преимущества метода INS были обсуждены в разделе Введение.
Несмотря на продемонстрированную соглашение между методами INS и DC («золотой стандарт») текущие изменения INS техники имеет один главный ограничение, которое является минимальный уровень хрусталику (1,5 w %). Поскольку содержание углерода в почве может быть меньше, чем это, будущие усилия будут сосредоточены на повышение чувствительности модули системы путем увеличения числа гамма детекторов и оптимизации общий дизайн системы или путем применения методов нейтронной целевой. 13
Несмотря на это ограничение текущие модификации модулей системы может быть рекомендован для почвы углерода определения отдельных мест и картирования распределения углерода полевых участков. Возможная будущая работа, с использованием метода INS может исследовать измерения других почвы элементов, таких как азот, железо и водорода.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы не имеют ничего сообщать.
Acknowledgments
Авторы признательны Барри г. Дорман, Роберт а. Icenogle, Хуан Родригес, Моррис G. Уэлч и Марлин Siegford для оказания технической помощи в экспериментальных измерений и Джим Кларк и Декстер Лагранд для помощи с компьютерного моделирования. Мы благодарим ся ООО за разрешение использовать их электроники и детекторы в этом проекте. Эта работа была поддержана, НИФА Ала исследований контракт № ALA061-4-15014 «Точность геопространственных сопоставление содержания углерода почвы для сельскохозяйственной производительности и управления жизненным циклом».
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
- Potter, K. N., Daniel, J. A., Altom, W., Torbert, H. A. Stocking rate effect on soil carbon and nitrogen in degraded soils. J. Soil Water Conserv. 56, 233-236 (2001).
- Torbert, H. A., Prior, S. A., Runion, G. B. Impact of the return to cultivation on carbon (C) sequestration. J. Soil Water Conserv. 59 (1), 1-8 (2004).
- Stolbovoy, V., Montanarella, L., Filippi, N., Jones, A., Gallego, J., Grassi, G. Soil sampling protocol to certify the changes of organic carbon stock in mineral soil of the European Union. Version 2. , Office for Official Publications of the European Communities. Luxembourg. ISBN: 978-92-79-05379-5 (2007).
- Smith, K. E., Watts, D. B., Way, T. R., Torbert, H. A., Prior, S. A. Impact of tillage and fertilizer application method on gas emissions (CO2, CH4, N2O) in a corn cropping system. Pedosphere. 22 (5), 604-615 (2012).
- Seybold, C. A., Mausbach, M. J., Karlen, D. L., Rogers, H. H. Quantification of soil quality. Soil processes and the carbon cycle. Lal, R., Kimble, J., Stewart, B. A. , CRC Press. Boca Raton, FL. 387-404 (1997).
- Nelson, D. W., Sommers, L. E. Total carbon, organic carbon, and organic matter. Methods of Soil Analysis., Part 3, Chemical Methods. Sparks, D. L. , SSSA and ASA. Madison, WI. 961-1010 (1996).
- Wielopolski, L. Nuclear methodology for non-destructive multi-elemental analysis of large volumes of soil. Planet Earth: Global Warming Challenges and Opportunities for Policy and Practice. Carayannis, E. , ISBN: 978-953-307-733-8 (2011).
- Wielopolski, L., Yanai, R. D., Levine , C. R., Mitra, S., Vadeboncoeur, M. A. Rapid, non-destructive carbon analysis of forest soils using neutron-induced gamma-ray spectroscopy. Forest Ecol. Manag. 260, 1132-1137 (2010).
- Mitra, S., Wielopolski, L., Tan, H., Fallu-Labruyere, A., Hennig, W., Warburton, W. K. Concurrent measurement of individual gamma-ray spectra during and between fast neutron pulses. Nucl. Sci. 54 (1), 192-196 (2007).
- Yakubova, G., Wielopolski, L., Kavetskiy, A., Torbert, H. A., Prior, S. A. Field testing a mobile inelastic neutron scattering system to measure soil carbon. Soil Sci. 179, 529-535 (2014).
- Yakubova, G., Kavetskiy, A., Prior, S. A., Torbert, H. A. Benchmarking the inelastic neutron scattering soil carbon method. Vadose Zone J. 15 (2), (2016).
- Knoll, G. F. Radiation Detection and Measurement. , 3rd, Inc. John Willey & Sons. New York. (2000).
- Mitra, S., Dioszegi, I. Unexploded Ordnance identification - A gamma-ray spectral analysis method for Carbon, Nitrogen and Oxygen signals following tagged neutron interrogation. Nucl. Instrum. Meth. A. 693, 16-22 (2012).
