Summary
Burada, biz in situ ölçüm için tek noktadan ölçümler (statik modu) nötron-gama teknikle toprak karbon için iletişim kuralı mevcut veya alan (tarama modu) ortalamasını alır. Ayrıca sistem inşaat açıklar ve ayrıntılı veri tedavi yöntemleri.
Abstract
Esnek olmayan nötron saçılma (Ins) yöntemi toprak karbon analizleri için burada açıklanan uygulama kayıt ve gama ışınları nötron toprak öğelerle etkileşim sırasında oluşturulan analizine dayanır. Ana INS sistem elektronik INS ve termo-nötron yakalama (TMK) süreçleri ve gama spektrumları toplama ve veri işleme yazılımı nedeniyle gama spektrumları ayırmak için bölünmüş olan NaI(Tl) Gama dedektörleri, pulsed nötron jeneratör parçalarıdır. Ortalama karbon ölçen bir non-yıkıcı in situ büyük toprak güç içinde içerik yöntemidir, negligibly toprak karbon yerel keskin değişikliklerden etkilenir ve sabit kullanılan bu yöntem diğer yöntemler üzerinde birçok avantajı vardır veya Tarama modu. ~2.5 - 3 m2 sabit rejim bir yer kaplayan bir siteden karbon içeriği veya tarama rejimine geçilen alanında ortalama karbon içeriği INS yöntemi sonucudur. Geçerli INS sistem ölçüm aralığı > 1,5 karbon oranı % (standart sapması ± 0,3 w %) 1 hmeasurement üst 10 cm toprak katmanı.
Introduction
Toprak karbon içeriği bilgisidir optimizasyonu toprak verimlilik ve karlılık, tarımsal arazi kullanımı uygulamalarını toprak kaynakları üzerinde etkisini anlama ve karbon tutma1, stratejileri değerlendirmek için gerekli 2,3,4. Toprak karbon toprak kalitesi5evrensel bir göstergesidir. Toprak karbon ölçümleri için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Kuru yanma (DC) yıl6için en çok kullanılan yöntem olmuştur; Bu yöntem alan örnek koleksiyon ve laboratuvar işleme ve yıkıcıdır, ölçüm emek yoğun ve zaman alıcı dayanmaktadır. İki yeni yöntem lazer kaynaklı arıza spektroskopisi vardır ve yakın ve orta kızılötesi spektroskopi7. Bu yöntemler aynı zamanda yıkıcı ve sadece çok yakın yüzey toprak Katmanı (0.1 - 1 cm toprak derinliği) analiz. Buna ek olarak, bu yöntemler sadece noktası verim karbon içeriği küçük örnek birimlerin (DC yöntemi için ~ 60 cm3 ve kızılötesi spektroskopi yöntemleri için 0.01-10 cm3 ) ölçümleri. Böyle noktası ölçümleri alan veya yatay ölçek sonuçları tahmin güçleşebilir. Bu yöntemler yıkıcı olduğundan, yinelenen ölçümleri de imkansız.
Brookhaven Ulusal Laboratuarı önceki araştırmacılar nötron teknolojinin toprak karbon analizi (INS yöntemi)7,8,9için önerdi. Bu ilk çaba kuram ve uygulama nötron gama analizi toprak karbon ölçüm için kullanarak geliştirdi. 2013 yılında başlayan, bu çaba USDA-ARS Ulusal toprak Dynamics laboratuvar (NSDL adlı) devam edildi. Son 10 yılda bu teknolojik uygulama genişleme nedeniyle iki ana faktör var: nispeten ucuz ticari nötron jeneratörler, gama dedektörleri ve karşılık gelen elektronik yazılım; ve en son teknolojiye nötron-çekirdek etkileşim başvuru veritabanları. Bu yöntem diğer birçok avantajı vardır. Bir platformda yer bir INS sistem ölçüm gerektirir alan her türlü üzerinde manevra. Bu non-yıkıcı in-situ yöntem sadece birkaç ölçümleri kullanarak tüm tarımsal alan için hesaplanan büyük topraklar birimleri (~ 300 kg) analiz edebilirsiniz. Bu INS sistem aynı zamanda bir alan alan veya yatay bir predetermine tablo üzerinde tarama kurulu ortalama karbon içeriği belirler tarama modunda yeteneğine sahiptir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. inşaat INS sisteminin
- şekil 1 ' de gösterilen genel INS sistem geometri kullanın.
şekil 1. INS sistem geometri. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
- Şekil 2 ' de gösterilen INS sistem tasarımı kullanın. 10
Şekil 2. INS sistem bakış.
A) ilk blok içerir nötron jeneratörü, nötron detektörü ve güç sistemi; B) ikinci blok içerir üç NaI (Tl) dedektörleri; C) üçüncü blok içeren sistem çalışma için; donatım D) tek tek bileşen; gösterilen ilk blok genel görünümü ve E) gama dedektörleri görünümünü kadar yakın. 10 Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
- INS sisteminde üç blok kullanın (ek bakınız).
- (A) ilk blok, bir nötron jeneratörü (NG) ve güç sistemi ( şekil 2A ve 2B) kullanın. Bu jeneratör pulsed nötron çıkış 10 olacak 7 - 10 8 n/s 14 MeV nötron enerji ile. Güç sistemi dört pil (12 V, 105 Ah), oluşacak bir DC-AC Inverter ve bir şarj cihazı. Bu blok da demir içerecek (10 cm x 20 cm x 30 cm) ve Borik asit (5 cm x 20 cm x 30 cm) Gama dedektörü nötron ışınlama korumak için koruyucu.
Not: Bir nötron detektörü de bu NG düzgün çalıştığını kontrol etmek için bu blok içinde bulunur. - (B) ikinci blok, gama ışını ölçüm cihazı ( şekil 2B ve 2E) kullanın. Bu blok üç 12,7 cm x 12,7 cm x 15,2 cm mercek NaI(Tl) dedektörleri ile ilgili elektronik içerir. Yangın dedektörleri ile elektronik dış boyutunu 15,2 cm x 46 x 15,2 cm ölçer cm.
- (C) üçüncü blok, nötron jeneratörü (ile DNC yazılımı), dedektörleri ve veri toplama sistemi ( şekil 2C) denetleyen bir dizüstü bilgisayar kullanarak.
- (A) ilk blok, bir nötron jeneratörü (NG) ve güç sistemi ( şekil 2A ve 2B) kullanın. Bu jeneratör pulsed nötron çıkış 10 olacak 7 - 10 8 n/s 14 MeV nötron enerji ile. Güç sistemi dört pil (12 V, 105 Ah), oluşacak bir DC-AC Inverter ve bir şarj cihazı. Bu blok da demir içerecek (10 cm x 20 cm x 30 cm) ve Borik asit (5 cm x 20 cm x 30 cm) Gama dedektörü nötron ışınlama korumak için koruyucu.
2. Dikkat ve kişisel gereksinimlerinize
- her kullanıcı INS sistem pass radyolojik eğitim.
- NG çalışan her kişi rozet izleme bir radyasyon taşıyan emin olun. Ölçümler, yasak bölge sınır sırasında (> 20 µSv/h) NG sözlerle radyasyon sembolü olacak " dikkat, radyasyon alan. " yasak bölgedeki tüm kenarları NG en az 4 metre olacak.
- Acil bir durumda, hemen itin " acil kesme " düğmesini NG NG--dan belgili tanımlık anahtar kaldırmak ve NG güç kaynağından çıkarın.
3. Ölçüm için INS sistem hazırlanması
- onay güç sistemi. Güç düzeyi göstergesi şarj üzerinde yeşil olur veya 3'ten fazla kırmızı lambalar aydınlatmak gerekir. Aksi takdirde, þarj cihazýný bir elektrik prizine bağlayın ve pil tam olarak şarj olmak kadar bekleyin (yeşil lamba aydınlatmak) veya bir kabul edilebilir güç düzeyi ulaşılıncaya kadar (≥ 3 kırmızı lambalar aydınlatmak).
- İnverter (yeşil lamba yanar) ve dizüstü açın.
- Veri satın alma programı gamma dedektörleri çalışır ve her Dedektör için gerekli parametreleri denetlemek için dizüstü bilgisayarda çalıştırın. Bu parametrelerin değerlerini tanımlanan ve INS sistem testleri daha önce kaydedilmiş.
- 5-15 cm dedektörleri içinde Cs-137 Denetim Kaynağı (her türlü) yerleştirin.
- Başlamak spectra alımı için 1-3 dk; 662 cisimlerin kontrol keV Cs-137 tepe tüm dedektörleri için. Aynı kanalda olmalılar. Aksi takdirde, kulenin satın alma programı enerji katsayısı ölçeğini değiştirerek 662 keV tepe cisimlerin ayarlamak için kullanın.
- NG özel anahtarını kullanarak açın. NG gösterge lambası yeşil ve sarı yanacaktır.
4. Kalibrasyon INS sisteminin
- 4 hazırlamak çukurlar boyutlu 1,5 m x 1.5 m x 0,6 m ile homojen kum-karbon karışımları ( şekil 3). Karbon içeriği olduğunu 0, 2.5, 5 ve 10 w %.
Not: Sentetik toprak inşaat kum ve Hindistan cevizi kabuğunun oluşan yapmak için bir Beton-karıştırıcı used (% 100 karbon içerik, taneli çapı ortalama < 0,5 mm). Bu karışımlar polimerlerin görsel olarak belirlenir.
şekil 3. Kum ve 10 Cw % kum-karbon karışımı ile çukur çukur görünümünü. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
- take ölçümleri aşağıdaki adımları kullanarak çukurlar üzerinde.
- Pozisyon INS sistem çukur el ile veya çekme ile uygun bir araç. Öyle ki nötron kaynağı projeksiyon pit ortalanır INS sistem getirin.
- NG jeneratör çalışır dizüstü bilgisayarda DNC yazılımı çalıştırın. DNC program ekranın sağ tarafında hataları sütun, tüm lambaları yeşil yanacaktır; Eğer değilse, Temizle düğmesini tıklatın. Aşağıdaki parametreleri girin: darbe parametreler - frekans için 5 kHz, görev döngüsü % 25, gecikme 0 µs, uzantısı 2 µs; Işın - yüksek gerilim 50 için kV, ışın geçerli 50 µA (Not Bu parametreler görev ve INS sistem kurulumunuza bağlı olarak farklı olabilir).
- Anahtarı DNC programı ekranında etkinleştirmek ve yüksek gerilim ve ışın geçerli değerler girilen değerler için karşılık gelen kararlı için nereye gelecek çalışma rejimi girmek NG bekleyin; Rezervuar geçerli de istikrarlı bir değere gelecek.
- Veri toplama yazılımı gama dedektörleri çalıştırmak için dizüstü bilgisayarda çalıştırın. Spectra edinme 1 h için veri satın alma programı çalıştırarak başlatın. İki spectra edinme işlemleri (INS & TNC ve TMK) üstünde belgili tanımlık perde-ecek gözükmek.
- Sonra 1 h, spectra satın durdurmak ve spectra sabit diske kaydedin (dosya | MCA veri kaydetmek | klasörü seçin ve dosya adını girin.
Not: Orada-ecek var olmak iki kaydedilmiş spectra (TMK ve INS) dosya adı uzantıları .mca ve _gated.mca, sırasıyla). - İkinci dedektörü (sol üst köşedeki oku tıklatın) seçin ve spectra bu bulmak için kaydedin. Aynı şeyi üçüncü dedektörü için.
- 'I tıklatın dosya | Belgili tanımlık bilgisayar yazılımı kapatmak için çıkış.
- DNC programı ekranında anahtardaki kapatarak DNC yazılımı açın.
- Tekrar adımları 4.2.1 - diğer çukurlar için 4.2.7.
- NG özel anahtar kullanarak kapatın. Gösterge lambası NG edecek ölçü
- 4 m zemin yüzeyi yukarıda ve herhangi bir büyük nesnelerden uzakta daha büyük bir mesafe için bütün INS sistem yükseltme tarafından INS sistem arka plan spectra belirlemek ve tekrar veri alma adımları 4.2.2 - 4.2.9.
- Veri işleme
- bir elektronik tablo programına 4.2.4. adımda kaydettiğiniz veri dosyalarını açmak için kullanın. Değerleri bulmak için çıkış ve giriş sayısı oranları (OCR ve ICR) ve gerçek zamanlı (RT) 28, 27 ve 30, satırlardaki sırasıyla.
- Bileşenler için yaşam süresi (LT) hesaplamak & TNC ve TNC spectra tüm ölçümler için
LT ben = ben OCR / ICR ben ·RT ben (1),
nerede OCR ben ve ICR ben i-th ölçüm için çıkış ve giriş sayısı oranları ve RT ben gerçek i-th ölçüm zamanı. - / Saniye (cps) spectra (33-2080 elektronik tablodaki satırlar) karşılık gelen Teğmen tarafından bölünerek sayıları gama spektrumları hesaplamak
- Net INS spectra dan her çukur karşılık gelen ölçülerini hesaplamak
INS spektrum net = (INS & TNC - TNC) Pit - (INS & TNC - TNC) Bkg (2) - gamma 1.78 MeV (28 Si) doruklarına ve her biri için Net INS spektrumda 4,44 MeV (12 C) çukur ve pik alanları (4,44 MeV C üst noktası hesaplamak bul alanı, 1.78 MeV Si pik alanı) Igor yazılım kullanarak.
- Açık Yazılım çift simgesini tıklatarak. İlk Net INS spektrum tablo ekleme.
- 'I tıklatın Windows | Yeni bir grafik | Hedef | " dosya adı " | Yap. Spektrum grafik penceresinde görünür. Grafiği tıklatın | Bilgi göster. Windows a ve B işaretçileri görünür grafik penceresi altında.
- Yer işareti A, sol fare düğmesine basın ve imleç için spektrum 1.78 MeV tepe sol tarafında sürükleyin fare işaretçisini. Tabelada B fare işaretçisini yerleştirin, sol fare düğmesine basın ve sağ tarafında 1.78 MeV tepe spektrum için imleci sürükleyin.
- 'I tıklatın analiz | Çok tepe Fit | Yeni çok tepe uyum başlatmak | Hedef | Devam edin. Açılan pencerede kullanım grafik imleç işaretli | Temel doğrusal | Auto-bulmak zirveleri şimdi | Bunu | Tepe sonuçları. Zirve alanında açılan pencerede görünür.
- 4,44 MeV zirve için aynı işlemleri tekrarlayın.
- Kalan Net INS Spectra ile tüm önceki işlemleri tekrar.
- Net karbon en yüksek alanlarda her için denklemi tarafından buluruz
Net C en yüksek alan ben 4,44 MeV C en yüksek alan ben = - 0,058 · 1.78 MeV Si en yüksek alan ı (3) - INS sistem olarak doğrudan bir pervane için kalibrasyon yolun inşa ortional bağımlılık ağırlık yüzde olarak ifade edilen karbon konsantrasyonu vs Net karbon pik alanının.
- Açık yeni tablo Igor yazılım: penceresiGörünüm | Yeni tablo. İlk sütun ve ikinci sütuna karşılık gelen Net C en yüksek alan çukur karbon konsantrasyon değerleri girin.
- Arsa Net C en yüksek alan vs pit karbon konsantrasyonu: tıkırtı pencere eşiği | Yeni bir grafik. NET C pik alanı olarak YWave ve Karbon konsantrasyonları XWave olarak seçin. Yap'ı tıklatın. Grafikte noktaları görünür.
- Kalibrasyon hattı inşa: tıklatın analiz | Eğri uydurma | İşlev - line | Hedef | Yap. Kalibrasyon satır ve Kalibrasyon katsayısı (k)-ecek gözükmek içinde belgili tanımlık pencere.
5. Statik mod alan toprak ölçümlerde iletken
- Adım 3 göre ölçüm için INS sistem hazırlayın.
- Sistem el ile veya çekme uygun araç kullanarak toprak karbon içeriği analiz gerektiren site üzerine getirin. Öyle ki nötron kaynağı projeksiyon ölçülen sitesi üzerinden ortalanır INS sistem getirin.
- Uygulamak aşağıdaki adımları 4.2.2 - 4.2.9 ve 4.4.1 - eylemler çalışma siteleri için Net C tepe alanları belirlemek için 4.4.6.
- Hesaplamak karbon konsantrasyonu olarak kalibrasyon katsayısı kullanarak ağırlık %
6. iletken alan toprak ölçümlerde tarama modu
- INS sistem alan seyahat edecek yolu tahmin hız için muhasebe (≤ 5 km/h), alan boyutu, INS sistem alanı (RADIUS ~ 1 m) ve ölçüm süresi (1 h) öyle ki hareketli yörünge sonunda tüm alanı alanı kaplamaktadır. Kolaylık sağlamak için bayraklar yer alan çevre boyunca noktaları açmak.
- Adım 3 göre ölçüm için INS sistem hazırlayın.
- Uygulamak eylemler aşağıdaki adımları 4.2.2 - 4.2.3.
- 1 h. önceden belirlenmiş seyahat yolunu izleyin
- Uygulamak aşağıdaki adımları 4.2.4 - 4.2.9 ve 4.4.1 - eylemler Net C en yüksek alanlarda okudu alanının belirlenmesi için 4.4.6.
- Oranı % 4 denklemle kalibrasyon katsayısı kullanarak karbon konsantrasyonu hesaplayın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Toprak INS & TNC ve TNC gama spektrumları
Ölçülen toprak gama spektrumları genel bir görünümünü şekil 4' te gösterilmiştir. Spectra doruklarına sürekli bir arka plan üzerinde bir dizi oluşur. Faiz ana doruklarına cisimlerin 4,44 MeV ve 1.78 MeV Bileşenlerinde var & TNC spectra. İkinci en yüksek toprakta bulunan silikon çekirdeği bağlanabilir ve ilk en yüksek karbon ve Silisyum çekirdeği gelen örtüşen bir tepedir. Bu spectra net karbon en yüksek alan çıkarılması için yordam yukarıda açıklanan. Net karbon pik alanı belirlemek için bu yordamı her durumda kullanılması nedeniyle sadece karbon çekirdekleri. 11
Şekil 4. Toprak için tipik gama spektrumları INS sistem tarafından ölçülen. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
INS sistem arka plan ölçümleri
Ölçü vasıl çeşitli sistem ayrıcalık yükseklikleri zemin yüzeyi yukarıda net INS spectra şekil 5' te gösterilmektedir. 11 bağımlılıkları ile 1.78 MeV, 4,44 MeV ve 6.13 MeV (oksijen tepe) cisimlerin yüksekliği olan en yüksek alanların şekil 6' da gösterilmiştir. Bu şekilde gösterildiği gibi spectra artık zemin yüzeyi üzerinde 4 m den büyük yüksekliklerde değiştirin. Buna göre 4 m daha büyük yüksekliklerde spectra nötron sistem yapı malzemeleri ile etkileşim nedeniyle gama spektrumları bağlanabilir. Biz bu spectra (H = 6 m), biri bizim veri işleme sistemi arka plan spektrum kullanılır.
Şekil 5. bir) Net-INS spectra farklı INS sistem yüksekliklerde yerden; b) parçası net-INS spectra yaklaşık 1.78 MeV; ve c) net-INS spectra 4,44 MeV civarında parçası. Ok artan yükseklik belirler. 11 Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 6. Bağımlılıkları zirveleri ile 1,78, ve Groun yukarıda yükseklikleri değişen INS sistem için Net-INS Spectra 4,44 MeV cisimlerin alanlarıö Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Kalibrasyon
Net INS spectra INS Sistem kalibrasyon sırasında oluşturulan şekil 7aiçinde gösterilir. 11 parçaları net INS spectra ürününün 1.78 MeV yakınındaki ve 4,44 MeV doruklarına rakamlar 7b ve 7 c, daha büyük bir ölçekte sırasıyla gösterilir. Görüldüğü gibi çukurda artan karbon içerikli ile 4,44 MeV centroid zirve artırır. Aynı zamanda, en yüksek bir centroid 1.78 MeV, ile biraz çukur artar karbon olarak azaltır. (Bu spectra hesaplanır) net karbon pik alanı (ağırlık % ifade edilir) çukurlara karbon içerikli bağımlılık şekil 8' de gösterildiği. 11 görüldüğü gibi bu kaynağı (0, 0 noktası) geçen doğrudan orantılı bağımlılıkla deneysel hata sınırları içinde gösterilebilir. Bu bağımlılığı daha da ölçümler ayarlamak için kullanıldı.
Şekil 7. bir) 0, 2.5, 5, kum-karbon karışımları ile çukurlar için Net INS spectra ve 10 karbon w % (Tekdüzen karışımı); b) parçası net INS spectra yaklaşık 1.78 MeV; c) net INS 4,44 MeV civarında parçası. 11 Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 8. Bağımlılık karbon konsantrasyonu çukurları (hata çubukları ile puan) ve INS Sistem kalibrasyon hattı (düz çizgi) ile Net karbon pik alanının. 11 Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Karbon içeriği statik modda alan ölçümleri
Statik modu karbon içerik ölçümlerde birkaç alan sitelerinde yapılmıştır. Alabama tarımsal deney istasyonu Piedmont araştırma birimi, Camp Hill, AL (110 m x 30 m) sonuçları tablo 1' de sunulmaktadır. Saha ölçümleri bir 3 x 5 kılavuz kılavuz çizgileri (Toplam 15 siteleri) arasında eşit uzaklıklarda ile kavşaklarda yapılmıştır. Tablodan görüleceği üzere, bireysel kavşak noktaları için karbon içeriği 1.4 için w % 3.1 ~0.3 olmak tüm ölçümlerin arasında standart sapma ile çeşitli w %. Karşılaştırma için yıkıcı toprak örnekleri da toprak karbon içeriği standart DC yöntemi kullanarak belirlemek için her yeri alınmıştır. Bu veriler Tablo 1' de sunulmaktadır. İki veri kümesi karşılaştırılması her konum için ve tüm alanı üzerinden ortalama değeri için her iki yöntem arasındaki iyi anlaşma gösterdi.
| Konumu | INS ölçümleri | Kuru yanma ölçümleri | |||||
| Site # | |||||||
| C | |||||||
Tablo 1. Ortalama ağırlığı yüzde üst toprak katmanında kuru yanma ve INS yöntemleri.
Alanı INS ve DC yöntemleri üzerinde (Şekil 9 ve 10) göre karbon dağıtım haritaların karşılaştırmak ilginç. Her iki haritalar çok benzeyen ancak ~ 2 ay işlemi örnekleri için DC harita oluşturmak için gerekli iken 2 gün INS haritalama, harcandı unutulmamalıdır.
Şekil 9. Karbon dağıtım harita Camp Hill alanının temel bileşenler yöntemi. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 10. Karbon dağıtım harita Camp Hill alanının temel DC yöntemi. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Saha ölçümleri karbon içerik tarama modunda
Toprak bilim adamlarının çoğu kez karbon içeriği geniş alanlar için belirlemede baktılar (örneğin, 100 m x 100 m). Karbon (gerektiren bileşenleri kullanarak ölçüm 1 h) 10 m ayrı yerlerde belirlemek yerine, INS tarama modunu kullanarak 100 m x 100 m alan ortalama karbon içeriği saptamak mümkündür. Tarama modunda, alanın tamamı geçen süre INS ölçümler almak mümkündür. Statik modu (1 h) tek bir yerde ölçmek için gerekli zaman aynı miktarda bu tarama ölçüm yapılabilir. Kanıt ve INS tarama modunu prensibi bu makalede gösterilen.
Bu karbon tarama modunda ölçmek için ilk girişim daha az tatmin edici olması gerekmektedir. Edinsel tarama spectra INS'den gözle görülür farklı & TNC ve TNC statik modu spectra; faiz doruklarına daha çok olmak tepe alanları ile daha geniş ve daha kısa az statik modda görülmektedir. Araştırmalar bu bozulma gama dedektörü'nın photomultiplier12Dünya'nın manyetik alan etkisi nedeniyle olduğunu tespit ettik. Bu sorunu gidermek için manyetik ekran (mu-metal) Gama-Dedektör kalkan için kullanıldı. Testi gösterdi bir Co-60 Denetim Kaynağı gama spektrumları filtrelenmiş gama dedektörü yönünü ne olursa olsun hemen hemen aynı (dikey, yatay, eğimli), süre zirve cisimlerin ve tepeler genişlikleri yönünü bağlı olarak değişti zırhsız dedektörü. Bu sonucu Dünya'nın manyetik alan etkisi photomultiplier manyetik bir ekran kullanarak bastırılmış gösterdi. Manyetik tarama tepe genişletmektedir ortadan ve statik modu spectra çok benzer baktı bir tarama gama spektrumları üretti.
Statik ve tarama modları karşılaştırmak için karbon içeriği statik ölçümleri (1 h her) 15 m x 45 m alan içinde 5 rastgele yerlerde gerçekleştirilen ve tarama modunda (1 h toplam) ölçüm oldukça üniforma karbon içeriği vardı aynı sahada gerçekleştirilen. Bireysel ölçüm yerleri ve tarama yolu gösterilen alan Haritası Şekil 11' de gösterilmiştir. Şekil 12' net INS spectra 5 statik modu yerlerin ve bu tarama modu gösterilir. Şekil 12' de gösterildii gibi tarama modu spektrum statik modu spectra benzer görünüyor ve tüm statik spectra orta sınıf içinde düşüyor.
Şekil 11 . Harita alanı gösterilen statik ölçüm yerleri (yıldız) ve tarama yolu (satır). Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 12 . Net INS spectra statik ve tarama modları; iç metin 4,44 MeV civarında net INS spectra ürününün bir parçası olan. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Net karbon en yüksek alan hesaplama sonuçlarını Tablo 2' de gösterilir. Sunulan verilerden görüldüğü gibi tarama modu ölçülen net karbon en yüksek alan değeri deneysel hata sınırları içinde ortalama statik mod değeri kabul eder. Bu sonuçlar tarama modu ölçümleri bileşenleri bir alanda ortalama karbon içeriği tanımlamak için kullanılan kanıtlamak. O 5 h harcandı ortalama karbon içeriği statik modda belirlenmesi ise sadece 1 h tarama modu gerekli olduğunu unutmamak gerekir.
| Modu | Site # | NET karbon | STD, | Alan ortalama |
| En yüksek alan, cps | CPS | ±STD, cps | ||
| Statik | 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 | ||
| Tarama | alanın üzerine | 64.4 |
Tablo 2. Statik ve tarama modları için net karbon en yüksek alan.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Önceki araştırmacılar tarafından kurulan temel üzerine bina, NSDL personel gerçek dünya alan ayarları'nda bu teknolojinin pratik ve başarılı kullanmak için kritik sorular ele. Başlangıçta, NSDL araştırma net karbon en yüksek alanlarda belirlerken INS sistem arka plan sinyal için hesap zorunluluk göstermek. 11 tarafından doğrudan orantılı bağımlılık net karbon en yüksek alan ortalama karbon ağırlığı yüzde üst 10 cm toprak Katmanı (ne olursa olsun karbon derinlik dağıtım şekli) karakterize başka bir çaba gösterdi. Buna ek olarak, INS Sistem kalibrasyon (Yani, 1.5 m x 1.5 m x 0.6 m çukurlar farklı kum-karbon karışımları ile) için gerekli ekipman inşa edilmiştir ve kalibrasyon işlemleri gerçek dünya uygulamaları için gerekli geliştirip gerçekleştirilen. Sonuç kalibrasyon satır olası ölçülen net karbon tepe bölgesinden toprak karbon içeriği belirlemek işler. NSDL araştırmacılar birçok INS sistem tasarım geliştirmeleri dahil olması iken, manyetik alan gama dedektörleri koruyucu son ek tarama modu toprak karbon büyük ölçekli araştırmalar için INS sistem pratik kullanımı için izin verir.
Toprak karbon analizi bazı kritik Protokolü adımları ortaya için INS yöntemi uygulayarak deneyim. Doğru ölçüm sonuçları elde etmek için dikkatli bir şekilde kontrol edin ve referans kaynakları kullanarak dedektörü parametrelerini ayarlamak için önemlidir; Sistem kararlılık ve ölçüm sonuçları üreten açısından çok önemlidir. Sistem arka plan ve Kalibrasyon ölçümleri toprak karbon içeriği doğru tespiti için de önemli adımlardır. Not dedektörü parametreler her iki sistemi arka plan ve Kalibrasyon ölçümleri için aynı olması gerekir. Kalibrasyon katsayıları doğruluğunu artırmak için birkaç saat için kalibrasyon ölçümleri (çukurlar ve sistem arka) yapmak uygun. Zırhsız dedektörleri Dünya'nın manyetik alan etkisi nedeniyle çok büyük hataları üretmek beri manyetik ekranlar dedektörleri üzerinde yükleme tarama modunda doğru ölçüm için önemlidir. Buna ek olarak, manyetik tarama sonuçları statik modda geliştirir.
"Altın standart" DC yöntemi karşı INS yöntemi kullanmanın önemini alan eşleme sırasında gösterilmiştir. DC yönteminden daha ~ 30 kat daha fazla karbon içeriği INS yöntemi tarafından tanımlama hızlıydı. Diğer avantajları INS yöntemi giriş bölümünde ele alındı.
INS ve DC ("altın standart") yöntemleri arasında gösterdiği anlaşma rağmen geçerli değişiklik INS tekniğinin en az detectible düzeyi (1,5 w %) bir ana sınırlaması vardır. Toprak karbon içeriği bu daha az olabilir bu yana, gelecekteki çabalar gama dedektörleri sayısını arttırmak ve genel sistem tasarımı en iyi duruma getirme veya hedef nötron yöntemleri uygulayarak INS sistem duyarlılığını geliştirmeye konsantre. 13
Bu sınırlamaya rağmen INS sisteminin geçerli değişiklik toprak karbon tayin edilmesi bireysel konumları ve alan arazilerde, karbon dağıtım eşleştirilmesine tavsiye edilebilir. INS yöntemini kullanarak olası gelecekteki çalışma azot, demir ve hidrojen gibi diğer toprak öğeleri ölçme keşfetmek.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar ifşa gerek yok.
Acknowledgments
Yazarlar Barry G. Dorman, Robert A. Icenogle, Juan Rodriguez, Morris G. Welch ve Marlin Siegford için deneysel ölçümler teknik yardım ve Jim Clark ve Dexter LaGrand bilgisayar simülasyonları hakkında yardım almak için borçlu bulunmaktadır. XIA LLC bu projede onların elektronik ve dedektörleri kullanımına izin için teşekkür ederiz. Bu eser NIFA ALA araştırma Sözleşme No ALA061-4-15014 tarafından desteklenen "Hassas Jeo uzamsal eşleme tarımsal verimlilik ve yaşam döngüsü yönetimi için toprak karbon içeriği".
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).
