Summary
Her presenterer vi protokollen for i situ måling av jord karbon med Nøytron-gamma teknikk for enkeltpunkt målinger (statisk modus) eller feltet gjennomsnitt (skanning-modus). Vi beskriver også systemet konstruksjon og utdype data behandling prosedyrer.
Abstract
Her beskrives anvendelsen av uelastisk neutron spredning (INS) metode for jord karbon analyse er basert på registrering og analyse av gammastråling opprettet når nøytroner samhandler med jord elementer. De viktigste delene av INS systemet er en pulserende neutron generator, NaI(Tl) gamma detektorer, delt elektronikk skille gamma spectra INS og thermo-neutron fange (TNC) prosesser og programvare for gamma spectra oppkjøp og databehandling. Denne metoden har flere fordeler sammenlignet med andre metoder i at det er en ikke-destruktiv i situ metode som måler gjennomsnittlig karbon innholdet i store jord volumer, påvirkes negligibly av lokale skarpe endringer i jord karbon og kan brukes i stasjonære eller skanning moduser. Resultatet av metoden INS er karbon innholdet fra et område med et fotavtrykk av ~2.5 - 3 m2 i stasjonære regimet, eller gjennomsnittlig karbon innholdet i traverserte området i skanning regimet. Måling av dagens INS system er > 1,5 karbon vekt % (standardavvik ± 0,3 w %) i øvre 10 cm laget for en 1 hmeasurement.
Introduction
Kunnskap om jord karbon innholdet kreves for optimalisering av jord produktiviteten og lønnsomheten, forstå virkningen av jordbruksland bruk praksis på jord ressurser, og vurdere strategier for carbon sequestration1, 2,3,4. Jord karbon er en universell indikator jord kvalitet5. Flere metoder har blitt utviklet for jord karbon målinger. Tørr forbrenning (DC) er den mest brukte metoden for år6; Denne metoden er basert på feltet prøvetaking og laboratoriet behandling og mål som er destruktive, arbeidskraft intensiv og tidkrevende. To nyere metoder er laser-indusert sammenbrudd spektroskopi, og nær og infrarødspektroskopi7. Disse metodene er også ødeleggende og bare analysere svært nær overflaten laget (0,1 - 1 cm jord dybde). Dessuten, disse metodene bare gi punkt målinger av karboninnhold lite utvalg volumer (~ 60 cm3 for DC metoden og 0,01-10 cm3 for infrarød spektroskopi metoder). Slike punkt målinger gjør det vanskelig å ekstrapolere resultatene til feltet eller liggende skalaer. Siden disse metodene er destruktive, er regelmessige målinger også umulig.
Tidligere forskere ved Brookhaven National Laboratory foreslått bruk neutron teknologi for jord karbon analyse (INS metode)7,8,9. Denne innledende innsats utviklet teori og praksis av bruker neutron gamma analyse for jord karbon mål. Oppstart i 2013, fortsatte dette arbeidet på den USDA-ARS National jord Dynamics Laboratory (NSDL). Utvidelse av teknologisk programmet de siste 10 årene er to hovedfaktorer: tilgjengeligheten av relativt rimelige kommersielle neutron generatorer, gamma detektorer og tilsvarende elektronikk med programvaren; og toppmoderne Nøytron-kjerner samhandling referanse databaser. Denne metoden har flere fordeler sammenlignet med andre. En INS system, plassert på en plattform, kan være manøvrerte over alle typer felt mål. Denne ikke-destruktiv på plass metoden kan analysere store jord volumer (~ 300 kg) som kan være interpolert til en helt landbrukssektoren bruker kun målinger. INS systemet er likeledes dugelig å operere en skanningsmodus som bestemmer gj.snittlige karbon innholdet på et område basert på skanning over et predetermine rutenett for feltet eller landskap.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. bygging av INS
- bruke generelle INS systemet geometrien vist i figur 1.
figur 1. INS System geometri. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
- bruke INS systemdesign vist i figur 2. 10
figur 2. Oversikt over INS systemet.
A) første inneholder neutron generator, neutron detektor og kraftsystemet; B) andre blokken inneholder tre NaI (Tl) detektorer; C) tredje kvartal inneholder utstyr for systemet operasjonen. D) oversikt over den første blokken viser individuelle komponenter; og E) nært hold visning av gamma-detektorer. 10 Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
- bruke tre blokker i INS-systemet (se vedlegg).
- For første blokken (A) bruke en neutron generator (NG) og kraftsystemet ( figur 2A og 2D). Pulserende neutron produksjon av denne generatoren blir 10 7 - 10 8 n/s neutron energi av 14 MeV. Strømkilde system består av fire batterier (12 V, 105 Ah), en DC-AC Inverter, og en lader. Denne blokken vil også inneholde jern (10 cm x 20 cm x 30 cm) og borsyre (5 cm x 20 cm x 30 cm) skjerming for å beskytte gamma detektoren mot neutron bestråling.
Merk: En neutron detektor er også inkludert i denne blokken for å sjekke at NG fungerer. - For andre blokken (B) bruke gamma-ray måleutstyr ( figur 2B og 2E). Denne blokken inneholder tre 12,7 cm x 12,7 cm x 15.2 cm scintillation NaI(Tl) detektorer med tilsvarende elektronikk. Utvendig størrelsen på detektorer med elektronikk måler 15.2 cm x 15.2 cm x 46 cm.
- For tredje blokken (C) bruke en bærbar datamaskin som styrer den neutron generator (med DNC programvare), detektorer og data oppkjøpet system ( figur 2C).
- For første blokken (A) bruke en neutron generator (NG) og kraftsystemet ( figur 2A og 2D). Pulserende neutron produksjon av denne generatoren blir 10 7 - 10 8 n/s neutron energi av 14 MeV. Strømkilde system består av fire batterier (12 V, 105 Ah), en DC-AC Inverter, og en lader. Denne blokken vil også inneholde jern (10 cm x 20 cm x 30 cm) og borsyre (5 cm x 20 cm x 30 cm) skjerming for å beskytte gamma detektoren mot neutron bestråling.
2. Forsiktighet og personlige behov
- hver bruker av INS systemet pass radiologisk trening.
- Sikrer at hver person opererer NG bærer en stråling overvåking merke. Under målinger, område grensen (> 20 µSv/h) rundt NG har stråling symbolet med ordene " VARSOMHET RADIATION området. " alle kantene av området begrenset blir ikke mindre enn 4 m fra NG.
- i nødstilfelle umiddelbart presse det " Emergency avbryte " for NG, fjerne nøkkelen fra NG, og koble NG fra strømkilden.
3. Utarbeidelse av INS systemet for måling
- Sjekk strømkilde system. Nivå strømindikatoren på laderen er grønt, eller mer enn 3 røde lamper må belyse. Hvis ikke, koble laderen til en stikkontakt og vente til batterier blir fulladet (grønne lampen vil lyse) eller til et akseptabelt nivå er nådd (≥ 3 røde lamper vil lyse).
- Aktivere inverter (grønn lampe lyser) og bærbar.
- Kjøre data oppkjøpet program på den bærbare datamaskinen å operere gamma-detektorer og Sjekk de nødvendige parameterne for hvert detektor. Verdiene for parameterne er definert og tidligere registrert på INS systemtesting.
- Sett en Cs-137 Kontrollkilde (alle typer) innen 5-15 cm fra detektorer.
- Start spectra oppkjøpet i 1-3 min; sjekk centroids av 662 keV Cs-137 peak for alle detektorer. De må være på samme kanal. Hvis ikke, bruk energi koeffisienten omfanget av thedata oppkjøpet program ved å endre verdien til å justere 662 keV topp centroids.
- Slår på NG ved hjelp av spesielle nøkkelen. Indikatorlampen på NG vil lyse grønt og gult.
4. Kalibrering av INS
- forberede 4 groper størrelse 1,5 x 1,5 m x 0.6 m med homogen sand-karbon blandinger ( Figur 3). Karbon innholdet er 0, 2.5, 5 og 10 w %.
Merk: En Betongblandemaskin brukes til å lage syntetiske jord består av bygging sand og kokos skall (100% karbon innhold, gjennomsnittlig detaljert diameter < 0,5 mm). Homogenitet av disse blandinger bestemmes visuelt.
Figur 3. Visning av Pit med Sand og gropen med 10 Cw % Sand-karbon blanding. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
- ta målingene gropene på følgende måte.
- Plasser INS systemet over gropen manuelt eller ved tauing med en egnet bil. Plasser INS systemet slik at projeksjon av neutron kilden er sentrert på gropen.
- Kjøre DNC programvaren på PCen som opererer NG generatoren. I feil-kolonnen på høyre side av skjermen for programmet for DNC vil alle lamper lyse grønne; Hvis ikke, velger du Fjern. Sett inn følgende parametere: for puls parametere - frekvens 5 kHz, plikt syklus 25%, forsinkelse 0 µs, utvidelse 2 µs; for bjelken - høy spenning 50 kV, strålen gjeldende 50 µA (Merk at disse parametrene kan være forskjellig avhengig av bestemt INS systemoppsett og aktivitet).
- Aktiveres bryteren på DNC programmet skjermen og vente på NG inn arbeider regimet hvor høy spenning og bjelken gjeldende kommer til stabile verdier for de angitte verdiene; Reservoaret gjeldende også vil komme til en stabil verdi.
- Kjører den oppkjøp programvaren på den bærbare datamaskinen å operere gamma-detektorer. Starte spectra oppkjøpet av running data oppkjøpet program for 1t. To spectra oppkjøpet prosesser (INS & TNC og TNC) vises på skjermen.
- Etter 1 h, stoppe spectra oppkjøpet og lagre spectra til harddisken (filen | Lagre MCA | Velg mappen og angi filnavnet.
Merk: Det vil være to lagrede spectra (TNC og Moduler) med filnavnet utvidelser .mca og _gated.mca, henholdsvis). - Velge andre detektor (Klikk pilen øverst til venstre) og lagre til spectra for denne merker. Gjør det samme for tredje detektor.
- Klikk fil | Avslutt å lukke programvaren.
- Deaktivere DNC programmet ved å slå av bryteren på skjermen for programmet DNC.
- Gjenta 4.2.1 - 4.2.7 for andre gropene.
- Slå av NG ved hjelp av spesielle nøkkelen. Indikatorlampen på NG vil mål
- Fastsette INS systemet bakgrunn spectra ved å løfte hele INS systemet til en større avstand enn 4 m over bakken overflaten og fra store objekter og gjenta data oppkjøpet 4.2.2 - 4.2.9.
- Databehandling
- bruke et regnearkprogram åpne datafiler i trinn 4.2.4. Finne verdier for utdata og input teller priser (OCR og ICR) og sanntid (RT) i rader 28, 27 og 30, hhv.
- Beregnet livet tid (LT) moduler & TNC og TNC spektra for alle målinger som
LT jeg = OCR jeg / ICR jeg ·RT jeg (1),
der OCR jeg og ICR jeg er output og input prisene for i-th måling og RT jeg er ekte klokkeslett i th målingen. - Beregne til gamma spectra i antall per sekund (cps) ved spectra (rader 33-2080 i regnearket) med tilsvarende lt
- Beregne netto INS spectra fra tilsvarende målene for hver brønn som
Netto INS spektrum = (INS & TNC - TNC) Pit - (INS & TNC - TNC) Bkg (2) - finne gamma topper 1,78 MeV (28 Si) og 4,44 MeV (12 C) i Net INS spektrum for hver gropen, og beregne de høyeste områdene (4,44 MeV C peak området, 1,78 MeV Si peak området) bruker IGOR programvare.
- Åpne programmet ved å dobbeltklikke ikonet. Første netto INS spektrum inn tabellen.
- Klikk Windows | Ny graf | Fra målet | " filnavn " | gjør det. Spekteret vises i vinduet grafen. Klikk diagrammet | Vis Info. Vinduene med A og B markører vises under vinduet graf.
- Plasserer musepekeren på skilt A, trykk venstre museknapp og dra markøren til spekteret venstre på 1,78 MeV toppen. Plasser musepekeren på skiltet B, trykk venstre museknapp og dra markøren til spekteret høyre 1,78 MeV toppen.
- Klikk analyse | Flere peak Fit | Starte nye multi peak Fit | Fra målet | Fortsette. I hurtigvinduet merket bruk graf markøren | Planlagte lineær | Auto-Finn topper nå | Gjøre det | Peak resultater. Arealet av toppen vises i hurtigvinduet.
- Gjenta de samme operasjonene for 4,44 MeV peak.
- Gjenta alle tidligere operasjoner med de gjenværende netto INS Spectra.
- Finne netto karbon peak områder for hver brønn ved ligningen
Net C peak området jeg = 4,44 MeV C peak området jeg - 0.058 · 1,78 MeV Si peak området jeg (3) - bygge kalibrering linjen for INS systemet som en direkte nærheten ortional avhengighet av netto karbon peak området vs co konsentrasjonen i vekt prosent.
- Åpne nye tabellen i IGOR programvare: Klikk vinduet | Ny tabell. Angi grav karbon konsentrasjon verdier i første kolonne og tilsvarende Net C peak området i den andre kolonnen.
- Plot Net C peak område vs gropen co konsentrasjonen: Klikk Windows | Ny graf. Velg Net C peak området som YWave og karbondioksid konsentrasjoner som XWave. Klikk gjøre det. Punktene vises i diagrammet.
- Bygge den kalibrering: Klikk analyse | Kurven passende | Funksjon - line | Fra målet | gjør det. Kalibrering linjen og kalibrering koeffisient (k) vises i vinduet.
5. Gjennomføre feltet jord målinger i statisk modus
- forberede INS systemet for måling etter trinn 3.
- Plasserer systemet over webområdet krever jord karbon innholdsanalyse manuelt eller ved tauing bruke egnet kjøretøy. Plasser INS systemet slik at projeksjon av neutron midtstilles over området blir målt.
- Implementere handlinger følgende 4.2.2 - 4.2.9 og 4.4.1 - 4.4.6 for å bestemme Net C peak områder for webområdene studie.
- Beregner carbon konsentrasjon vekt % bruker kalibrering koeffisient som
6. gjennomføre feltet jord målinger i skanning modus
- beregne banen som INS systemet vil reise over feltet mens regnskap for kjørehastighet (≤ 5 km/t), felt størrelsen, INS systemavtrykk (radius ~ 1 m), og målet tid (1 h) slik at flytte banen til slutt dekker hele feltet området. For bekvemmelighet sted flagg på slå punkter langs feltet omkretsen.
- Forberede INS systemet for måling etter trinn 3.
- Implementere handlinger følgende 4.2.2 - 4.2.3.
- Følge forhåndsbestemt reise for 1 h.
- Implementere handlinger følgende 4.2.4 - 4.2.9 og 4.4.1 - 4.4.6 for å bestemme Net C peak områder for feltet studerte.
- Beregner carbon konsentrasjon vekt % benytter kalibrering koeffisient av ligningen 4.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Jord INS & TNC og TNC gamma spectra
En oversikt over målt jord gamma spectra er vist i Figur 4. Til spectra består av et sett med topper på kontinuerlig bakgrunn. De viktigste toppene rundt har centroids 4,44 MeV og 1,78 MeV i Modulene & TNC spectra. Andre toppen kan tilskrives silisium kjerner i jord, og den første toppen er en overlappende topp fra karbon og silisium kjerner. Fremgangsmåten for netto co peak området utvinning fra disse spectra er beskrevet ovenfor. Denne prosedyren skal brukes i alle tilfeller for å bestemme netto karbon peak området utelukkende på grunn av karbon kjerner. 11
Figur 4. En typisk Gamma Spectra for jord målt ved INS systemet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
INS systemet bakgrunn målinger
Netto INS spectra målt i ulike system heving høyden over bakken overflaten er vist i figur 5. 11 avhengigheter av topp områder med centroids på 1,78 MeV, 4,44 MeV og 6.13 MeV (oksygen peak) med høyde er illustrert i figur 6. Som vist i figuren, endre til spectra ikke lenger høyder større enn 4 m over bakken overflaten. Følgelig til spectra på heights større enn 4 m kan tilskrives gamma spectra som vises på grunn av samspillet av nøytroner med bygging materialer. Vi brukte en av disse spectra (på H = 6 m) som systemet bakgrunn spekteret i våre databehandling.
Figur 5. en) Net-INS spectra på ulike INS systemet høyder fra bakken. b) av nett-INS spectra rundt 1,78 MeV; og c) av nett-INS spectra rundt 4,44 MeV. Pil angir økende høyde. 11 Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 6. Avhengigheter av toppene områder med Centroids på 1,78, og 4,44 MeV i Net-INS Spectra for INS System med endre høyder over Ground. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Kalibrering
Til netto INS spectra generert under INS systemet kalibrering vises i figur 7a. 11 fragmenter av til netto INS spectra nær 1,78 MeV og 4,44 MeV topper vises på en større skala i tallene 7b og 7 c, henholdsvis. Som kan sees, øker toppen med en centroid av 4,44 MeV med økende CO2-innholdet i gropen. Samtidig reduseres toppen med en centroid på 1,78 MeV litt som i pit øker. Avhengighet av netto karbon peak området (beregnet fra disse spectra) med karboninnhold i groper (uttrykt i vekt %) er vist i Figur 8. 11 som kan sees, dette kan være representert av en direkte proporsjonal avhengighet som går gjennom origo (0, 0 poeng) innenfor eksperimentelle feil. Denne avhengigheten ble brukt til videre målinger.
Figur 7. en) netto INS spectra for groper med sand-karbon blandinger på 0, 2.5, 5 og 10 karbon w % (uniform blanding); b) av til netto INS spectra rundt 1,78 MeV; c) av netto INS rundt 4,44 MeV. 11 Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 8. Avhengighet av nettet karbon Peak området med co konsentrasjonen i groper (poeng med feilfelt) og INS System kalibrering linje (heltrukket linje). 11 Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Feltet målinger av karboninnhold i statisk modus
Carbon innhold målinger i statisk modus ble gjennomført på flere feltet steder. Resultatene fra Alabama landbruket eksperiment stasjon Piemonte Research Unit, Camp Hill, AL (110 x 30 m) er presentert i tabell 1. Feltet målinger ble utført ved veikryssene en 3 av 5 rutenettet med samme avstand mellom rutenettlinjer (totalt 15 nettsteder). Som kan sees fra tabellen, karbon innholdet for individuelle skjæringspunkter varierte mellom 1,4 til 3,1 w % med standardavvik av alle målinger blir ~0.3 w %. Til sammenligning ble destruktive jordprøver også tatt på hvert sted for å bestemme jord karbon innholdet med DC standardmetoden. Disse dataene er også presentert i tabell 1. Sammenligning av de to datasettene viste god avtale mellom begge metodene for hver lokasjon og for gjennomsnittsverdien over hele feltet.
| Beliggenhet | INS målinger | Tørr forbrenning målinger | |||||
| Site # | |||||||
| C | |||||||
Tabell 1. Gjennomsnittlig vekt prosent i øvre laget av tørr forbrenning og INS metoder.
Det er interessant å sammenligne karbon distribusjon kart over feltet basert på metodene INS og DC (figur 9 og 10). Begge kart ligner, men det bør bemerkes at 2 dager ble brukt på INS kartlegging, mens ~ 2 måneder ble pålagt å prosessen prøver å lage DC kartet.
Figur 9. Karbon distribusjon kart over feltet Camp Hill basert på metoden INS. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 10. Karbon distribusjon kart over feltet Camp Hill basert på DC metoden. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Feltet målinger av karboninnhold i skannemodus
Jord forskere er ofte interessert i å bestemme karboninnhold for store områder (f.eks, 100 x 100 m). I stedet for å bestemme karbon steder 10 m fra hverandre (krever 1 h per måling bruke INS), er det mulig å bestemme gjennomsnittlig CO2-innholdet for en 100 x 100 m felt med INS skanning-modus. I skannemodus, er det mulig å ta INS mål mens passerer over hele feltet. Skanning målingen kan utføres på samme tiden det tar å måle en enkel plassering i statisk modus (1 h). Bevis og prinsippet om INS skannemodus er vist i denne artikkelen.
Det bør bemerkes at første forsøk for å måle karbon i skanningsmodus var mindre enn tilfredsstillende. De ervervet skanning spectra var synlig forskjellige fra INS & TNC og TNC statisk modus spectra; toppene rundt var bredere og kortere med topp områder blir mye mindre enn observert i statisk modus. Undersøkelser fastslått at dette forvrengning på grunn av påvirkning av jordens magnetfelt på gamma detektorens photomultiplier12. Du kan løse dette problemet ved ble en magnetisk skjerm (mu-metal) brukt til å skjerme gamma-detektoren. Tester viste at gamma spektra av en Co-60 Kontrollkilde var nesten identisk uavhengig av retningen på vist gamma detektoren (vertikal, horisontal, tilbøyelig), stund topp centroids og topper bredde endres avhengig av retningen på det uskjermede detektoren. Disse gir vist at effekten av jordens magnetfelt på photomultiplier kan undertrykkes ved hjelp av en magnetisk skjerm. Magnetisk screening eliminert peak utvide og produsert en skanning gamma spectra som ser veldig lik til statisk modus spectra.
For å sammenligne statisk og skanning, statisk målinger av karboninnhold ble utført (1 h hver) på 5 tilfeldige steder innen en 15 x 45 m og måling i skannemodus (1 h totalt) ble utført på det samme feltet som hadde en ganske uniform karboninnhold. Kart over feltet viser enkeltmål steder og skanning banen er illustrert i Figur 11. Netto INS spektra av 5 statisk modus steder og at skannemodus er vist i Figur 12. Som vist i Figur 12, skanning modus spekteret ligner til statisk modus spectra og faller i mellomtoner til alle statiske spectra.
Figur 11 . Kart over feltet viser statisk måling steder (stjerner) og skanning banen (linje). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 12 . Net INS spectra for statisk og skanning f innfelt er et fragment av til netto INS spectra rundt 4,44 MeV. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Resultatene av netto karbon peak området beregninger er vist i tabell 2. Som kan sees fra presentert data, enig verdien av området for netto co-topp målt i skannemodus med gjennomsnittlig statisk modus verdien innenfor rammene av eksperimentelle feil. Disse resultatene viser at INS skanning modus målinger kan brukes til å definere gjennomsnittlig CO2-innholdet i et felt. Det er viktig å merke seg at 5t ble brukt bestemme gjennomsnittlig karboninnhold i statisk modus, mens bare 1t var nødvendig i skannemodus.
| Modus | Site # | Netto karbon | STD, | Feltet gjennomsnitt |
| Peak området, cps | CPS | ±STD, cps | ||
| Statisk | 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 | ||
| Skanning | over feltet | 64.4 |
Tabell 2. Net karbon Peak området for statisk og skanning moduser.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Bygge på grunnlag av tidligere forskere, adressert NSDL personalet spørsmål kritisk til praktisk og vellykket bruk av denne teknologien i virkelige verden innstillinger. Først viste NSDL forskerne nødvendigheten konto for INS systemet bakgrunn signal når netto karbon peak områder. 11 et forsøk viste at netto karbon peak området karakteriserer gjennomsnittlig karbon vekt prosent i øvre 10 cm laget (uavhengig av karbon dybde distribusjon form) av direkte proporsjonal avhengighet. I tillegg utstyr som kreves for INS systemet kalibrering (dvs., 1,5 x 1,5 m x 0.6 m groper med forskjellige sand-karbon blandinger) ble konstruert og kalibrering prosedyrer som er nødvendige for virkelige verden programmer ble utviklet og utført. Den resulterende kalibrering linjen gjør det mulig å fastslå jord karboninnhold fra målt netto karbon peak området. Mens NSDL forskere har tatt mange INS systemforbedringer, kan den nylige tillegg av Magnetisk skjerming av gamma detektorer for praktisk bruk av INS skannemodus for storskala undersøkelser av jord karbon.
Erfaring i å bruke metoden INS for jord karbon analyse viste flere kritiske protokollen trinn. For å få korrekt måler resultatene, er det viktig å nøye kontrollere og justere detektor parametere med referansekilder; Dette er svært viktig for systemets stabilitet og gjengi måleresultatene. Systemet bakgrunn og kalibrering målingene er også avgjørende skritt for nøyaktig bestemmelse av jord karboninnhold. Merk at parameterne detektor bør være den samme for både systemet bakgrunn og kalibrering mål. Det er nødvendig å gjennomføre kalibrering mål (groper og systemet bakgrunn) i flere timer å øke nøyaktigheten av kalibrering koeffisienter. Installere magnetiske skjermer på detektorer er avgjørende for nøyaktig måling i skanning modus siden uskjermede detektorer produsere svært store feil på grunn av påvirkning av jordens magnetfelt. I tillegg forbedrer magnetiske screening resultater i statisk modus.
Betydningen av bruker metoden INS versus metoden "gold standard" DC ble demonstrert under felttilordning. Hastigheten på avgrensning karbon av metoden INS var ~ 30 ganger større enn metoden DC. Andre fordeler av metoden INS var omtalt i delen innføring.
Til tross for demonstrert avtalen mellom metodene INS og DC ("gull standard) har gjeldende endring av INS teknikken en viktigste begrensningen som er minimal detectible nivået (1,5 m %). Siden jord karbon innholdet kan være mindre enn dette, arbeidet vil konsentrere seg om å forbedre følsomheten på INS systemet ved å øke antall gamma detektorer og optimalisere systemutformingen eller bruke målet neutron metoder. 13
Til tross for denne begrensningen kan gjeldende endring av INS anbefales for jord karbon fastsettelse av individuelle lokasjoner og karbon distribusjon tilordning av feltet terreng. Mulig fremtidig arbeid med metoden INS kan utforske måle andre jord elementer som nitrogen, jern og hydrogen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne ikke avsløre.
Acknowledgments
Forfatterne er gjeld til Barry G. Dorman, Robert A. Icenogle, Juan Rodriguez, Morris G. Welch og Marlin Siegford teknisk assistanse i eksperimentell målinger og Jim Clark og Dexter LaGrand for hjelp med datasimulering. Vi takker XIA LLC for tillater bruk av deres elektronikk og detektorer i dette prosjektet. Dette arbeidet ble støttet av NIFA ALA forskning kontrakt No ALA061-4-15014 "Presisjon geospatiale kartlegging jord karbon innhold for landbruket produktivitet og 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
- 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).
