Summary
Qui, presentiamo il protocollo per la misura in situ di carbonio nel suolo usando la tecnica di neutroni-gamma per singolo punto misure (modalità statica) o campo medie (modalità di scansione). Inoltre descriviamo la costruzione del sistema ed elaborare procedure di trattamento dei dati.
Abstract
L'applicazione qui descritto del neutrone anelastico Dispersione metodo (INS) per analisi di carbonio del suolo è basato sulla registrazione e l'analisi di raggi gamma creata quando neutroni interagiscono con gli elementi del terreno. Le parti principali del sistema INS sono un generatore di neutroni pulsati, rilevatori di gamma Nai, dividere elettronica per separare spettri gamma dovuto INS e termo-neutrone cattura (TNC) processi e software per l'acquisizione di spettri di gamma ed elaborazione dei dati. Questo metodo ha diversi vantaggi rispetto ad altri metodi, in quanto esso è un metodo non distruttivo in situ che misura il carbonio medio contenuto in volumi di grande terreno, risente in modo trascurabile locali forti cambiamenti in carbonio nel suolo e può essere utilizzato in stazionario o modalità di scansione. Il risultato del metodo INS è il contenuto di carbonio da un sito con un ingombro di ~2.5 - 3 m2 in regime stazionario, o il contenuto di carbonio medio dell'area attraversata in regime di scansione. Campo di misura del sistema INS attuale è > 1,5% di peso di carbonio (deviazione standard ± 0.3% w) nello strato superiore 10 cm del suolo per un 1 hmeasurement.
Introduction
Conoscenza del contenuto di carbonio del suolo è necessaria per l'ottimizzazione della produttività del suolo e la redditività, comprendere l'impatto delle pratiche di utilizzo di terreni agricoli su risorse del suolo e la valutazione di strategie per il sequestro di carbonio1, 2,3,4. Carbonio nel suolo è un indicatore universale di terreno qualità5. Diversi metodi sono stati sviluppati per le misurazioni di carbonio del suolo. Combustione a secco (DC) è stato il metodo più diffuso per anni6; Questo metodo si basa sulla raccolta del campione di campo e laboratorio di lavorazione e misurazione che è distruttivo, manodopera intensiva e richiede tempo. Due nuovi metodi sono spettroscopia di ripartizione indotta da laser e vicino e metà spettroscopia infrarossa7. Questi metodi sono anche distruttivi e analizzare solo lo strato di terra molto vicino alla superficie (0,1 - 1 cm di profondità di suolo). Inoltre, questi metodi restituiscono solo punto misurazioni del contenuto di carbonio per volumi di campione piccolo (~ 60 cm3 per metodo di DC e 0.01-10 cm3 per i metodi di spettroscopia infrarossa). Tali misurazioni del punto rendono difficile estrapolare risultati alle scale di campo o paesaggio. Poiché questi metodi sono distruttivi, misure ricorrenti anche sono impossibili.
I ricercatori precedenti al Brookhaven National Laboratory ha suggerito applicando la tecnologia di neutroni per suolo carbonio analisi (metodo INS)7,8,9. Questo sforzo iniziale ha sviluppato la teoria e la pratica di usando l'analisi di gamma di neutroni per la misura di carbonio del suolo. A partire dal 2013, questo sforzo è stato continuato a USDA-ARS nazionale suolo Dynamics Laboratory (NSDL). L'espansione di questa applicazione tecnologica negli ultimi 10 anni è dovuta a due fattori principali: la disponibilità di generatori di neutroni commerciale relativamente poco costoso, rilevatori di gamma e corrispondente elettronica con software; e banche dati di riferimento all'avanguardia neutrone-nuclei interazione. Questo metodo ha diversi vantaggi rispetto ad altri. Un sistema di INS, posizionato su una piattaforma, potrebbe essere manovrato su qualsiasi tipo di campo che richiede la misura. Questo metodo non distruttivo in situ può analizzare i volumi di grandi terreni (~ 300 kg) che possono essere interpolati a un campo intero agricolo utilizzando solo alcune misurazioni. Questo sistema di INS è anche in grado di operare in una modalità di scansione che determina il contenuto di carbonio medio di un'area basata sulla scansione sopra una griglia prestabilito del campo o del paesaggio.
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Protocol
1. costruzione del sistema INS
- utilizzare la geometria di sistema INS generale illustrata nella Figura 1.
Figura 1. INS sistema geometria. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
- utilizzare la progettazione del sistema INS illustrata nella Figura 2. 10
Figura 2. Panoramica del sistema INS.
A) primo blocco contiene generatore di neutroni, rilevatore di neutroni e sistema di alimentazione; B) secondo blocco contiene tre rivelatori NaI (Tl); C) terzo blocco contiene l'apparecchiatura per il funzionamento del sistema; D) vista generale del primo blocco risultati singoli componenti; e E) primi piani vista dei rivelatori gamma. 10 fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
- utilizzare tre blocchi nel sistema INS (Vedi appendice).
- Per il primo blocco (A), utilizzare un generatore di neutroni (NG) e sistema di alimentazione ( Figura 2A e 2D). Uscita di neutroni pulsati di questo generatore sarà 10 7 - 10 8 n/s con energia del neutrone di 14 MeV. Il sistema di potere sarà composto da quattro batterie (12 V, 105 Ah), un Inverter DC-AC e un caricabatterie. Questo blocco contiene anche ferro (10 x 20 cm x 30 cm) e acido borico (5 x 20 cm x 30 cm) schermatura per proteggere il rilevatore di gamma da irradiazione del neutrone.
Nota: Un rivelatore di neutroni è anche incluso in questo blocco per controllare che funzioni correttamente il NG. - Per il secondo blocco (B), utilizzare strumenti di misura di raggi gamma ( Figura 2B e 2E). Questo blocco contiene rivelatori di tre 12,7 x 12,7 cm x 15,2 cm scintillazione Nai con elettronica corrispondente. La dimensione esterna dei rivelatori con elettronica misurerà 15,2 x 15,2 cm x 46 cm.
- Per il terzo blocco (C), utilizzare un computer portatile che controlla il generatore di neutroni (con software DNC), rivelatori e sistema di acquisizione dati ( Figura 2).
- Per il primo blocco (A), utilizzare un generatore di neutroni (NG) e sistema di alimentazione ( Figura 2A e 2D). Uscita di neutroni pulsati di questo generatore sarà 10 7 - 10 8 n/s con energia del neutrone di 14 MeV. Il sistema di potere sarà composto da quattro batterie (12 V, 105 Ah), un Inverter DC-AC e un caricabatterie. Questo blocco contiene anche ferro (10 x 20 cm x 30 cm) e acido borico (5 x 20 cm x 30 cm) schermatura per proteggere il rilevatore di gamma da irradiazione del neutrone.
2. Attenzione ed esigenze personali
- che ogni utente della formazione radiologica INS sistema pass.
- Assicurarsi che ogni persona che opera il NG trasporta una distintivo di monitoraggio delle radiazioni. Durante le misurazioni, il confine di area riservata (> 20 µSv/h) intorno il NG avrà il simbolo di radiazione con le parole " attenzione, radiazioni zona. " tutti i bordi dell'area riservata sarà non meno di 4 m dal NG.
- In caso di emergenza, premere immediatamente il " Interrupt emergenza " pulsante la ng, togliere la chiave dal NG e scollegare il NG dalla fonte di alimentazione.
3. Preparazione del sistema INS per la misura
- Controlla che il sistema di potere. L'indicatore del livello di potenza sul caricabatterie sarà verde, o più di 3 lampade rosse devono illuminare. Se non, collegare il caricabatterie a una presa di corrente e attendere che le batterie diventano completamente carica (la spia verde si illumina) o fino a quando non viene raggiunto un livello di potenza accettabile (≥ 3 lampade rossi si illumineranno).
- Accendere l'inverter (spia verde si accende) e computer portatile.
- Eseguire il programma di acquisizione di dati sul portatile per operare i rivelatori gamma e controllare i parametri necessari per ogni rivelatore. I valori di questi parametri saranno definiti e registrati in precedenza al test del sistema di INS.
- Mettere una fonte di controllo di Cs-137 (qualsiasi tipo) entro 5-15 cm dai rivelatori.
- Avvia acquisizione di spettri per 1-3 min; controllare i baricentri del 662 keV picco di Cs-137 per tutti i rivelatori. Esse devono corrispondere al canale stesso. Se non, utilizzare la scala di coefficiente energetico del programma di acquisizione di dati modificando il valore per regolare i centroidi di picco 662 keV.
- Accendere il NG utilizzando la chiave speciale. La spia il NG si illumina in verde e giallo.
4. Calibrazione del sistema INS
- preparare 4 pozzi di dimensioni 1,5 m x 1,5 m x 0,6 m con miscele sabbia-carbonio omogenee ( Figura 3). Contenuto di carbonio è 0, 2,5, 5 e 10% di w.
Nota: Una betoniera viene utilizzata per rendere terreno sintetico composto da costruzione rivestimento sabbia e cocco (100% carbonio contenuto, media diametro granulare < 0,5 mm). Omogeneità di queste miscele è determinata visivamente.
Figura 3. Vista del pozzo con sabbia e Pit con miscela di sabbia-carbonio % Cw 10. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
- prendere misure sopra i pozzi attenendosi alla seguente procedura.
- Posizionare il sistema INS sopra il pozzo manualmente o da traino con un veicolo adatto. Posizionare il sistema INS, in modo tale che la proiezione della sorgente di neutroni è centrata sul pit.
- Eseguire il software DNC sul portatile che funziona il generatore di NG. Nella colonna errori sul lato destro della schermata del programma DNC, tutte le lampade si illumineranno di verde; in caso contrario, fare clic sul pulsante Cancella. Inserire i seguenti parametri: per i parametri di impulso - frequenza 5 kHz, duty cycle 25% ritardo 0 µs, estensione 2 µs; per il fascio - alta tensione 50 kV, fascio corrente 50 µA (Nota che questi parametri possono essere diversi a seconda della particolare configurazione del sistema INS e attività).
- Attivare l'interruttore sulla schermata del programma DNC e attendere che il NG entrare il regime di lavoro dove l'alta tensione e fascio attuale verrà a stabile valori corrispondenti ai valori inseriti; Serbatoio corrente verrà anche a un valore stabile.
- Eseguire il software di acquisizione dati sul portatile per operare i rivelatori gamma. Avvia acquisizione di spettri eseguendo il programma di acquisizione dati per 1 h. I processi di acquisizione di due spettri (INS & TNC e TNC) apparirà sullo schermo.
- Dopo 1 h, fermare l'acquisizione di spettri e spettri di salvare sul disco rigido (File | Salvare i dati MCA | scegliere la cartella e immettere il nome del file.
Nota: Ci sarà due spettri salvati (TNC e INS) con il nome del file con estensione. MCA e _gated.mca, rispettivamente). - Selezionare secondo rilevatore (fare clic sulla freccia nell'angolo superiore sinistro) e salvare gli spettri per questo rivelatore. Fare lo stesso per il terzo rivelatore.
- Fare clic su File | Exit per chiudere il software.
- Disattivare il software DNC disattivando l'interruttore sulla schermata del programma DNC.
- Ripetere i passaggi da 4.2.1 - 4.2.7 per altri box.
- Disabilita i NG utilizzando la chiave speciale. La spia il NG sarà Dim.
- Determinare gli spettri di sfondo del sistema INS elevando l'intero sistema di INS a una distanza maggiore di 4 m sopra la superficie del terreno e lontano da eventuali oggetti di grandi dimensioni e ripetere i passaggi da acquisizione dati 4.2.2 - 4.2.9.
- Elaborazione dati
- utilizzare un foglio di calcolo per aprire i file di dati salvati nel passaggio 4.2.4. Trovare i valori per l'output e input tariffe totali (OCR e ICR) e in tempo reale (RT) nelle righe 28, 27 e 30, rispettivamente.
- Calcolare il tempo di vita (LT) per INS & TNC e spettri TNC per tutte le misurazioni come
LT ho = OCR ho / ICR ho ·RT ho (1),
dove OCR io e ICR io sono i tassi di conteggio di output e l'input per la misurazione i-esimo e RT è reale tempo di misura l'i-esimo. - Calcolare gli spettri di gamma nei conteggi al secondo (cps), dividendo gli spettri (righe 33-2080 nel foglio di calcolo) per il corrispondente LT.
- Calcolare gli spettri di INS netti dalle misure corrispondenti per ogni pozzo come
NET INS spettro = (INS & TNC - TNC) Pit - (INS & TNC - TNC) Bkg (2) - trovare la gamma picchi 1,78 MeV (28 Si) e 4,44 MeV (12 C) nello spettro INS netto per ogni buca e calcolare le aree dei picchi (4,44 MeV C picco area, area del picco Si 1,78 MeV) utilizzando software di IGOR.
- Apri il software facendo doppio clic sull'icona. Inserire il primo netto INS spettro nella tabella.
- Fare clic su Windows | Nuovo grafico | Da Target | " nome del file " | Fallo. Lo spettro viene visualizzato nella finestra del grafico. Fare clic su grafico | Visualizza Info. Le finestre con A e marcatori B viene visualizzato sotto la finestra del grafico.
- Posiziona il mouse sul segno A, premere il pulsante sinistro del mouse e trascinare il cursore per lo spettro sul lato sinistro del picco 1,78 MeV. Posizionare il puntatore del mouse sul segno B, premere il pulsante sinistro del mouse e trascinare il cursore per lo spettro sul lato destro del picco MeV 1,78.
- Fare clic su analisi | Multi-picco Fit | Avviare nuova Fit multi-picco | Da Target | Continuare. Nella finestra a comparsa contrassegnato uso grafico cursore | Linea di base lineare | Auto-individuare picchi ora | Farlo | Risultati di picco. L'area del picco appare nella finestra pop-up.
- Ripetere le stesse operazioni per picco 4,44 MeV.
- Ripetere tutte le operazioni precedenti con gli spettri netto rimanente di INS.
- Trovare il carbonio netto le aree dei picchi per ogni pozzo dall'equazione
Net C picco zona ho = 4,44 MeV C picco zona ho - 0,058 · 1,78 MeV Si picco zona ho (3) - costruire la linea di calibratura per il sistema INS come un puntello diretto ortional dipendenza delle aree dei picchi di carbonio netto vs concentrazione di carbonio espresso in percentuale di peso.
- Aprire la nuova tabella in software di IGOR: fare clic su finestra | Nuova tabella. Immettere i valori di concentrazione di carbonio pit nella prima colonna e l'area di picco C netto corrispondente nella seconda colonna.
- Trama il C netto picco zona vs concentrazione di carbonio del pozzo: fare clic su Windows | Nuovo grafico. Scegliere area di picco netto C come YWave e le concentrazioni di carbonio come XWave. Scegliere di farlo. I punti vengono visualizzati nel grafico.
- Costruire la linea di calibrazione: fare clic su analisi | Curva di raccordo | Funzione - linea | Da Target | Fallo. La linea di calibratura e il coefficiente di taratura (k) apparirà nella finestra.
5. Misurazioni del terreno di campo in modalità statica
- preparare il sistema INS per misurazione secondo la fase 3.
- Posiziona il sistema del sito che richiedono analisi di contenuto di carbonio del suolo manualmente o da traino utilizzando il veicolo adatto. Posizionare il sistema INS in modo tale che la proiezione della sorgente di neutroni è centrata sopra il sito misurato.
- Implementare azioni come segue 4.2.2 - 4.2.9 e 4.4.1 - 4.4.6 per determinare le aree dei picchi C netto per i siti di studio.
- Calcolare la concentrazione di carbonio in peso % utilizzando il coefficiente di taratura come
6. condurre misurazioni sul campo del suolo in modalità scansione
- stimare il percorso che il sistema di INS si recherà sul campo mentre contabilità per velocità di traslazione (≤ 5 km/h), campo size, footprint di sistema INS (raggio ~ 1 m) e tempo di misura (1 h) tale che la traiettoria di movimento alla fine copre l'area di tutto il campo. Per comodità, posto bandiere a trasformare punti lungo il perimetro del campo.
- Preparare il sistema INS per misurazione secondo la fase 3.
- Implementare azioni come segue 4.2.2 - 4.2.3.
- Seguire il percorso di viaggio predeterminato per 1 h.
- Implementare azioni come segue 4.2.4 - 4.2.9 e 4.4.1 - 4.4.6 per determinare zone di picco netto C per il campo studiato.
- Calcolare la concentrazione di carbonio in peso % utilizzando il coefficiente di taratura di equazione 4.
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Representative Results
Del suolo INS & TNC e TNC spettri gamma
Una visione generale degli spettri gamma suolo misurata è illustrata nella Figura 4. Lo spettro consiste di una serie di picchi su uno sfondo continuo. Le vette principali di interesse sono centroidi 4,44 MeV e 1,78 MeV all'INS & spettri TNC. Il secondo picco può essere attribuito ai nuclei di silicio contenuti nel suolo, e il primo picco è un picco sovrapposto dai nuclei di carbonio e silicio. La procedura per l'estrazione di zona del picco di carbonio netto da questi spettri è descritto sopra. Questa procedura deve essere utilizzata in tutti i casi per determinare l'area del picco di carbonio netto dovuto unicamente alla nuclei di carbonio. 11
Nella figura 4. Una tipica Gamma Spectra per suolo misurati dal sistema INS. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Misure di sfondo sistema INS
Spettri di INS netti misurati a varie altezze di elevazione di sistema sopra la superficie del terreno sono illustrati nella Figura 5. 11 le dipendenze delle zone con i centroidi a 1,78 MeV, 4,44 MeV e 6,13 MeV (picco di ossigeno) con altezza picco sono illustrate nella Figura 6. Come mostrato in questa figura, gli spettri più cambiano alle altezze superiore a 4 m sopra la superficie del terreno. Di conseguenza, gli spettri ad altezze superiori ai 4 m possono essere attribuiti agli spettri di gamma che compaiono a causa dell'interazione di neutroni con materiali di costruzione del sistema. Abbiamo utilizzato uno di questi spettri (alle H = 6m) come lo spettro di sfondo di sistema nella nostra elaborazione dei dati.
Nella figura 5. un) spettri di Net-INS a diverse altezze di sistema INS sopra la terra; b) frammento degli spettri net-INS circa 1,78 MeV; e c) frammento degli spettri net-INS circa 4,44 MeV. Freccia indica altezza crescente. 11 Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Nella figura 6. Dipendenze delle cime aree con centroidi a 1,78 e 4,44 MeV negli spettri Net-INS per INS sistema con cambiando altezze sopra the Ground. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Calibrazione
Gli spettri di INS netti generati durante la calibrazione del sistema INS sono mostrati in Figura 7a. 11 frammenti degli spettri INS netti vicino il MeV 1,78 e picchi di 4,44 MeV sono mostrati su scala più ampia in figure 7b e 7C, rispettivamente. Come si può vedere, il picco con un centroide di 4,44 MeV aumenta con crescente contenuto di carbonio nella fossa. Allo stesso tempo, il picco con un baricentro a 1,78 MeV diminuisce leggermente come carbonio nel pozzo aumenta. La dipendenza della zona di picco carbonio netto (calcolata da questi spettri) con contenuto di carbonio nei pozzi (espressa in % di peso) è illustrata nella Figura 8. 11 come si può vedere, questo può essere rappresentato da una dipendenza diretta proporzionale, passando per l'origine (0, 0 punto) entro i limiti di errore sperimentale. Questa dipendenza è stata utilizzata per calibrare ulteriori misure.
Nella figura 7. un) netto INS spettri per pozzi con miscele sabbia-carbonio a 0, 2,5, 5 e 10 carbonio w % (miscela uniforme); b) frammento degli spettri INS netti circa 1,78 MeV; c) frammento del INS netto circa 4,44 MeV. 11 Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 8. Dipendenza dell'Area Net carbonio picco con concentrazione di carbonio in pozzi (punti con barre di errore) e INS sistema calibrazione linea (linea continua). 11 Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Misure in campo di contenuto di carbonio in modalità statica
Misura del carbonio contenuto in modalità statica sono stati condotti presso diversi siti di settore. L'Alabama Agricultural Experiment Station Piemonte Research Unit, Camp Hill, AL (110 m x 30 m) i risultati sono presentati nella tabella 1. Misurazioni sul campo sono stati condotti presso le intersezioni di una griglia di 3 da 5 con distanze uguali tra le linee della griglia (Totale 15 siti). Come si può vedere dalla tabella, il contenuto di carbonio per i punti di intersezione individuali variava tra 1.4 a 3,1 w % con la deviazione standard di tutte le misurazioni essendo ~0.3 w %. Per confronto, campioni di terreno distruttivo anche sono state prese in ogni posizione per determinare il contenuto di carbonio del suolo utilizzando il metodo standard di DC. Questi dati vengono anche presentati nella tabella 1. Confronto tra due insiemi di dati ha mostrato buon accordo tra entrambi i metodi per ogni posizione e per il valore medio sopra l'intero campo.
| Posizione | Misure INS | Misurazioni di combustione a secco | |||||
| Sito n. | |||||||
| C | |||||||
Tabella 1. Media peso % nello strato superiore del terreno da combustione asciutta e metodi INS.
È interessante confrontare le mappe di distribuzione del carbonio del campo sulla base dei metodi aggiuntivi e DC (Figura 9 e 10). Entrambe le mappe sono molto simili, ma va notato che 2 giorni sono stati spesi sulla mappatura INS, mentre ~ 2 mesi erano tenuti a campioni di processo per creare la mappa di DC.
Nella figura 9. Carbonio distribuzione Mappa del campo di Camp Hill basato sul metodo INS. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Nella figura 10. Carbonio distribuzione Mappa del campo di Camp Hill basato sul metodo DC. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Misure di campo del carbonio contenuto in modalità di scansione
Gli scienziati del suolo sono spesso interessati a determinare il contenuto di carbonio per grandi aree (ad es., 100 x 100 m). Invece di stabilire il carbonio in località 10 m di distanza (che richiede 1h a misura utilizzando INS), è possibile determinare il contenuto di carbonio medio per un campo di 100 x 100 m utilizzando la modalità di scansione INS. In modalità di scansione, è possibile prendere le misure INS mentre passando sopra l'intero campo. Questa misura di scansione può essere condotta nella stessa quantità di tempo necessaria per misurare una posizione singola in modalità statica (1 h). In questo articolo vengono illustrati la prova e il principio della modalità di scansione INS.
Si deve osservare che il primo tentativo per la misurazione del carbonio in modalità di scansione era meno soddisfacente. Gli spettri di scansione acquisiti erano visibilmente diversi dall'INS & TNC e TNC spettri modalità statica; i picchi di interesse erano più ampio e più breve con aree di picco essendo molto meno osservato in modalità statica. Le indagini determinato che questa distorsione era dovuto all'influenza del campo magnetico della terra su fotomoltiplicatore12 di rilevatore gamma. Per risolvere questo problema, uno schermo magnetico (mu-metal) è stato utilizzato per proteggere il rilevatore gamma. Test hanno dimostrato che gli spettri di gamma di una fonte di controllo Co-60 era quasi identico indipendentemente dall'orientamento del rivelatore gamma schermato (verticale, orizzontale, inclinata), mentre il picco centroidi e picchi larghezze cambiate a seconda dell'orientamento della rilevatore non schermati. Questi risultati hanno dimostrato che l'effetto del campo magnetico terrestre il fotomoltiplicatore può essere soppresso mediante uno schermo magnetico. Schermatura magnetica eliminato picco ampliando e prodotto una scansione spectra gamma che sembrava molto simile agli spettri di modalità statica.
Per confrontare modalità statica e scansione, misure statiche del tenore di carbonio sono state eseguite (1h ciascuna) a 5 posizioni casuali all'interno di un campo di 15 m x 45 m e misura nella scansione modalità (1 h totale) sono stati effettuati sullo stesso campo che aveva un contenuto di carbonio abbastanza uniforme. Una mappa del campo risultati punti di misura individuali e il percorso di scansione è illustrata nella Figura 11. Gli spettri di INS netti 5 posizioni di modalità statica e che la modalità di scansione sono illustrate nella Figura 12. Come illustrato nella Figura 12, lo spettro di modalità scansione sembra simile agli spettri di modalità statica e cade in mid-range di tutti gli spettri statici.
Figura 11 . Mappa del campo risultati misurazione posizioni statiche (stelle) e il percorso di scansione (linee). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 12 . Spettri netto INS per elettricità statica e scansione modalità; inserto è un frammento degli spettri INS netti circa 4,44 MeV. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Risultati dei calcoli di zona di carbonio netto picco sono riportati nella tabella 2. Come si può vedere dai dati presentati, il valore della zona di picco di carbonio netto misurato in modalità scansione concorda con il valore di modalità statica media entro i limiti di errore sperimentale. Questi risultati dimostrano che INS modalità misure in scansione può essere utilizzato per definire il contenuto di carbonio medio in un campo. È importante notare che h 5 sono stati spesi Determinazione carbonio medio contenuto in modalità statica, mentre solo 1 h è stato richiesto in modalità scansione.
| Modalità | Sito n. | Carbonio netto | STD, | Campo Media |
| Area del picco, cps | CPS | ±STD, cps | ||
| Statica | 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 | ||
| Scansione | sopra il campo | 64,4 |
Tabella 2. Area del picco di carbonio net per statica e modalità di scansione.
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Discussion
Sulla base la Fondazione creata da precedenti ricercatori, il personale NSDL rivolto domande critiche per l'uso pratico e di successo di questa tecnologia in impostazioni del campo di mondo reale. Inizialmente, i ricercatori NSDL ha dimostrato la necessità di rappresentare il segnale di fondo del sistema INS quando determinare zone di picco di carbonio netto. 11 un altro sforzo ha mostrato che l'area del picco di carbonio netto caratterizza la percentuale di peso medio carbonio nello strato superiore 10 cm del suolo (a prescindere dalla forma di distribuzione di carbonio profondità) di dipendenza diretta proporzionale. Inoltre, attrezzature necessarie per la calibrazione del sistema INS (cioè, 1,5 m x 1,5 m x 0,6 m pozzi con diverse miscele sabbia-carbonio) è stata costruita e le procedure di taratura necessarie per applicazioni del mondo reale sono state sviluppate ed eseguite. La linea di calibratura risultante rende possibile determinare il contenuto di carbonio del suolo da area di picco misurato carbonio netto. Mentre i ricercatori NSDL hanno incorporato molti miglioramenti di progettazione del sistema di INS, la recente aggiunta di campo magnetico schermatura di rivelatori gamma consente l'uso pratico del sistema INS scansione modalità per le indagini su larga scala del carbonio nel suolo.
Esperienza nell'applicazione del metodo di INS per analisi di carbonio del suolo ha rivelato parecchi passaggi critici protocollo. Per ottenere risultati precisi di misura, è fondamentale controllare attentamente e regolare i parametri del rivelatore utilizzando fonti di riferimento; Questo è molto importante per la stabilità del sistema e riprodurre risultati di misurazione. Le misurazioni di sfondo e calibrazione di sistema sono anche passaggi critici per la determinazione accurata del contenuto di carbonio nel suolo. Si noti che i parametri del rivelatore devono essere lo stesso per entrambe misure di sfondo e calibrazione del sistema. È opportuno effettuare delle misurazioni di calibrazione (Cave e sfondo di sistema) per diverse ore aumentare l'accuratezza dei coefficienti di calibrazione. Installando schermi magnetici sui rivelatori è fondamentale per la misurazione accurata in modalità di scansione poiché non schermati rivelatori producono errori molto grandi a causa dell'influenza del campo magnetico della terra. Inoltre, lo screening magnetico migliora i risultati in modalità statica.
Il significato di utilizzare il metodo INS contro il metodo di DC "gold standard" è stato dimostrato durante la mappatura del campo. La velocità di definizione del contenuto di carbonio dal metodo INS era ~ 30 volte maggiore rispetto al metodo di DC. Altri vantaggi del metodo INS sono state discusse nella sezione Introduzione.
Nonostante l'accordo dimostrata tra i metodi di INS e DC ("gold standard"), l'attuale modifica della tecnica INS ha una limitazione principale che è il livello minimo di Amozone (1,5 w %). Poiché il contenuto di carbonio del suolo può essere meno di questo, futuro si concentrerà sul miglioramento della sensibilità del sistema INS aumentando il numero di rivelatori di gamma e ottimizzando la progettazione complessiva del sistema o applicando metodi di neutroni di destinazione. 13
Nonostante questa limitazione, l'attuale modifica del sistema INS può essere consigliata per la determinazione del carbonio del suolo delle posizioni individuali e per la mappatura di distribuzione di carbonio dei terreni del campo. Lavoro futuro possibile utilizzando il metodo INS può esplorare altri elementi del terreno come azoto, Ferro e l'idrogeno di misura.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla a rivelare.
Acknowledgments
Gli autori sono indebitati per Barry G. Dorman, Robert A. Icenogle, Juan Rodriguez, Morris G. Welch e Siegford di Marlin per assistenza tecnica in misure sperimentali e per Jim Clark e Dexter LaGrand per assistenza con simulazioni al computer. Ringraziamo XIA LLC per consentire l'uso di rivelatori e loro elettronica in questo progetto. Questo lavoro è stato supportato da catino ALA ricerca contratto No ALA061-4-15014 "Mappatura di geospatial di precisione del contenuto di carbonio del suolo per la gestione della produttività e del ciclo di vita agricola".
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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