Mediciones de carbono del suelo por neutrón-Gamma análisis en estática y modos de exploración

Resumen

Aquí, presentamos el protocolo para la medición en situ de carbono del suelo mediante la técnica de neutrón-gamma para mediciones de punto único (modo estático) o campo promedio (modo de exploración). También describimos la construcción del sistema y elaborar procedimientos de tratamiento de datos.

Resumen

La aplicación aquí descrita del neutrón inelástico Dispersión método (INS) para el análisis del carbono del suelo se basa en el registro y análisis de los rayos gamma creado cuando neutrones interactúan con elementos de suelo. Las partes principales del sistema INS son un generador de pulsos de neutrones, detectores gamma de NAI (TL), partida electrónica para separar espectros gamma por los INS y termo-neutrón captura (TNC) procesos y software para la adquisición de espectros gamma y procesamiento de datos. Este método tiene varias ventajas sobre otros métodos que es un método no destructivo en situ que mide la media de carbono contenido en volúmenes grandes de suelo, insignificante se ve afectado por cambios bruscos locales en el carbono del suelo y puede ser utilizado en papelería o modos de exploración. El resultado del método INS es el contenido de carbono de un sitio con una huella de ~2.5 - 3 m² en el régimen estacionario, o el contenido de carbono promedio de la zona importante en el régimen de exploración. Es la gama de la medida del actual sistema de INS > 1,5% peso de carbón (desviación estándar ± 0.3% w) en la capa de suelo superior 10 cm para un 1 hmeasurement.

Introducción

Conocimiento del contenido de carbono del suelo es necesaria para la optimización de la productividad y rentabilidad, entender el impacto de las prácticas de uso de tierras agrícolas en los recursos de suelo y evaluación de estrategias de secuestro de carbono^{1, 2,3,4}. Carbono del suelo es un indicador universal de suelo calidad⁵. Varios métodos han sido desarrollados para la medición de carbono del suelo. Combustión seca (DC) ha sido el método más ampliamente utilizado para los años⁶; Este método se basa en la recolección de muestras de campo y procesamiento de laboratorio y medición que es destructivo, trabajo intensivo y consume mucho tiempo. Dos nuevos métodos son la espectroscopía de descomposición inducida por láser y cerca y espectroscopia infrarroja⁷. Estos métodos también son destructivos y solo analizan la capa de suelo muy cerca de la superficie (profundidad de suelo de 0.1 - 1 cm). Además, estos métodos sólo producen punto de mediciones de contenido de carbono para volúmenes de muestra pequeños (~ 60 cm³ para el método de DC y 0.01-10 cm³ para los métodos de espectroscopia de infrarrojo). Estas mediciones de punto hacen difícil extrapolar resultados a escalas de campo o paisaje. Puesto que estos métodos son destructivos, mediciones recurrentes también son imposibles.

Investigadores anteriores en el laboratorio nacional de Brookhaven sugieren aplicar tecnología de neutrones para suelo carbono análisis (método de INS)^7,8,9. Este esfuerzo inicial desarrolló la teoría y la práctica de utilizar análisis de gamma de neutrones para la medición de carbono del suelo. A partir de 2013, este esfuerzo fue continuado en el USDA-ARS nacional suelo dinámica de laboratorio (NSDL). La expansión de esta aplicación tecnológica en los últimos 10 años es debido a dos factores principales: la disponibilidad de generadores de neutrones comerciales relativamente baratos, los detectores gamma y electrónica correspondiente con el software; y estado del arte bases de datos de referencia de interacción de neutrones núcleos. Este método tiene varias ventajas sobre otros. Un sistema de INS, colocado en una plataforma, podría ser maniobrado sobre cualquier tipo de campo que requiere medición. Este método no destructivo in situ puede analizar los volúmenes de suelos grandes (~ 300 kg) que pueden ser interpolados a un campo totalmente agrícola utilizando pocas mediciones. Este sistema de INS es también capaz de operar en un modo de análisis que determina el contenido de carbono promedio de un área basado en la exploración sobre una cuadrícula predetermine del campo o paisaje.

Protocolo

1. construcción del sistema de INS

1. usar la geometría del sistema INS general se muestra en la figura 1.

figura 1. INS sistema geometría. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

2. utilizar el diseño del sistema INS se muestra en la figura 2. ¹⁰

figura 2. Resumen del sistema INS.
A) primer bloque contiene generador del neutrón, detector de neutrones y del sistema de poder; B) segundo bloque contiene tres detectores de NaI (Tl); C) tercer bloque contiene equipo para la operación del sistema; D) vista general del primer bloque que muestra los componentes individuales; y E) cerrar vista de los detectores gamma. ¹⁰ por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

3. utilizar tres bloques en el sistema de INS (ver Apéndice).
   1. Para el primer bloque (A), utilice un generador de neutrones (NG) y sistema de alimentación ( figura 2A y 2D). Neutrón pulsado de este generador producirá 10 ⁷ - 10 ⁸ n/s con energía de neutrones del MeV 14. El sistema de energía consistirá en cuatro baterías (12 V 105 Ah), un inversor DC-AC y cargador. Este bloque también contiene hierro (10 cm x 20 cm x 30 cm) y ácido bórico (5 cm x 20 cm x 30 cm) de protección para proteger el detector gamma de irradiación de neutrones.
      Nota: Un detector de neutrón también se incluye en este bloque para comprobar que funciona correctamente el NG.
   2. Para el segundo bloque (B), utilizar equipos de medición de rayos gamma ( figura 2B y 2E). Este bloque contiene detectores de NAI (TL) de centelleo tres 12,7 x 12,7 cm x 15,2 cm con electrónica correspondiente. El tamaño exterior de los detectores con electrónica mide 15,2 x 15,2 cm x 46 cm.
   3. Para el tercer bloque (C), utilizar una computadora portátil que controla el generador de neutrones (con software DNC), detectores y sistema de adquisición de datos ( figura 2).

2. PRECAUCIÓN y necesidades personales

1. que cada usuario de la formación radiológica INS sistema paso.
2. Asegurarse de que cada persona que utilice el NG lleva un monitoreo de radiación de la divisa. Durante las mediciones, el límite de área restringida (> 20 μSv/h) alrededor de la NG tendrá el símbolo de radiación con las palabras " PRECAUCIÓN, radiación área. " todos los bordes de la zona restringida será no menos de 4 m de la GN.
3. En caso de emergencia, inmediatamente Presione la " interrumpir la emergencia " el botón de la NG, quitar la llave de la NG y desenchufe el NG de la fuente de energía.

3. Elaboración de INS sistema de medición

1. Compruebe el sistema de alimentación. El indicador de nivel de energía del cargador será verde, o deben iluminar más de 3 luces rojas. Si no, conecte el cargador a una toma de corriente y espere hasta que las baterías se cargan completamente (la lámpara verde se ilumina) o hasta alcanza un nivel de potencia aceptable (≥ 3 luces rojo se iluminarán).
2. Encienda el inversor (lámpara verde se ilumina) y ordenador portátil.
3. Ejecutar el programa de adquisición de datos en el ordenador portátil para operar los detectores gamma y compruebe los parámetros requeridos para cada detector. Los valores de estos parámetros serán definidos y registrados previamente en la prueba del sistema de INS.
   1. Colocar una fuente de control de Cs-137 (cualquier tipo) dentro de los 5-15 cm de los detectores.
   2. Iniciar la adquisición de espectros de 1-3 min; Compruebe los centroides de las 662 keV pico de Cs-137 para todos los detectores. Deben estar en el mismo canal. Si no, utilice la escala de coeficiente de energía del programa de adquisición de datos cambiando el valor para ajustar los centroides de pico 662 keV.
4. Encender la NG, utilizando la llave especial. Indicador en el NG se encenderá el verde y amarillo.

4. Calibración del sistema de INS

1. 4 preparar hoyos de tamaño 1,5 x 1,5 m x 0,6 m con mezclas de arena-carbono homogéneos ( figura 3). Contenido de carbono es 0, 2.5, 5 y 10% w.
   Nota: Un mezclador de concreto se utiliza para hacer suelo sintético compuesto de cáscara de coco y arena de construcción (100% carbono contenido, promedio del diámetro granular < 0,5 mm). Homogeneidad de estas mezclas se determina visualmente.

figura 3. Vista del hoyo con arena y hoyo con 10 Cw % arena carbón mezcla. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

2. tomar medidas sobre los hoyos de los siguientes pasos.
   1. Coloque el sistema de INS sobre el hoyo manualmente o por remolque con un vehículo adecuado. Coloque el sistema de INS tal que la proyección de la fuente de neutrones está centrada en el hoyo.
   2. Ejecutar el software DNC en el ordenador portátil que funciona el generador de NG. En la columna de fallos en el lado derecho de la pantalla de programa DNC, todas las lámparas iluminarán de verde; Si no es así, haga clic en el botón borrar. Introduzca los siguientes parámetros: pulso parámetros - frecuencia de 5 kHz, ciclo de trabajo 25%, retardo 0 μs, extensión 2 μs; para viga - alta tensión de 50 kV, viga actual 50 μA (nota que estos parámetros pueden ser diferentes dependiendo de la configuración particular del sistema de INS y tarea).
      1. Activar el interruptor en la pantalla de programa DNC y esperar a que el NG entrar en el régimen de trabajo donde el alto voltaje y corriente de rayo vendrá a estable de valores correspondientes a los valores introducidos; Depósito actual también llegará a un valor estable.
   3. Ejecutar el software de adquisición de datos en el ordenador portátil para operar los detectores gamma. Iniciar la adquisición de espectros ejecutando el programa de adquisición de datos durante 1 hora. Los procesos de adquisición de dos espectros (INS & CNC y CNC) aparecerá en la pantalla.
   4. Después de 1 h, detener la adquisición de espectros y guardar espectros en el disco duro (archivo | Guardar datos MCA | elige la carpeta y escriba el nombre de archivo.
      Nota: Habrá dos espectros guardados (TNC y INS) con extensiones de nombre de archivo .mca y _gated.mca, respectivamente).
   5. Seleccionar segundo detector (haga clic en la flecha en la esquina superior izquierda) y guardar los espectros para este detector. Lo mismo para el tercer detector.
   6. Haga clic en archivo | Salida para cerrar el programa.
   7. Desactivar el software DNC girando el interruptor en la pantalla de programa DNC.
   8. Repetir los pasos 4.2.1 - 4.2.7 para los otros hoyos.
   9. Apagar el NG por utilizando la llave especial. La lámpara indicadora en el NG a DIM
3. Determinar los espectros de fondo del sistema de INS elevando todo el sistema de INS a una distancia superior a 4 m sobre la superficie del suelo y lejos de cualquier objeto grande y repita los pasos de adquisición de datos 4.2.2 - 4.2.9.
4. Informática
   1. usa un programa de hoja de cálculo para abrir archivos de datos que guardó en el paso 4.2.4. Encuentra los valores de salida y entrada de las tasas de recuento (ICR y OCR) y en tiempo real (RT) en filas 28, 27 y 30, respectivamente.
   2. Calcular el tiempo de vida (LT) para INS & CNC y espectros TNC para todas las mediciones como
      LT = OCR / ICR ·RT (1),
      donde OCR y ICR son las tarifas de salida y entrada de la cuenta para la medición de la i-ésima y RT es real tiempo de la medida i-th.
   3. Calcular los espectros gamma en cuentas por segundo (cps) dividiendo los espectros (filas 33-2080 en la hoja de cálculo) por el teniente correspondiente
   4. Calcular los espectros de INS netos de las mediciones correspondientes para cada hoyo como
      Red INS espectro = (INS & TNC - TNC) _Pit - (INS & TNC - TNC) _Bkg (2)
   5. encontrar la gamma picos 1,78 MeV (²⁸ Si) y 4,44 MeV (¹² C) en el espectro de INS neto para cada hoyo y calcular las áreas de pico (pico de 4,44 MeV C área, área de pico Si de 1,78 MeV) utilizando el software de IGOR.
      1. Abierto el software haciendo doble clic en el icono. Insertar el primer espectro de INS neto en la tabla.
      2. Haga clic en Windows | Nuevo gráfico | De destino | " nombre de archivo " | Hazlo. El espectro aparece en la ventana de gráfico. Haga clic en gráfico | Mostrar información. Las ventanas con una y los marcadores B aparece bajo la ventana de gráfico.
      3. Puntero de lugar en la muestra A, pulse el botón izquierdo del ratón y arrastre el cursor al espectro en lado izquierdo del pico de 1,78 MeV. Coloque el puntero del ratón en la muestra B, pulse el botón izquierdo del ratón y arrastre el cursor para el espectro del lado derecho del pico de 1,78 MeV.
      4. Haga clic en análisis | Ajuste múltiple pico | Iniciar nuevo ajuste multi-pico | De destino | Continuar. En la ventana emergente marcado uso gráfico Cursor | Base lineal | Función de localización automática de picos ahora | Hacerlo | Resultados picos. El área del pico aparece en la ventana emergente.
      5. Repita las mismas operaciones para pico de 4,44 MeV.
      6. Repetir todas las operaciones anteriores con los restantes espectros de INS red.
   6. Encontrar el carbono neto áreas de pico para cada hoyo por la ecuación
      neto C pico área = 4,44 MeV C pico zona - 0.058 · MeV 1,78 Si pico zona (3)
   7. construir la línea de calibración para el sistema del INS como un apoyo directo ORTIONAL dependencia de la zona de máxima neta de carbono vs concentración de carbono expresada en % de peso.
      1. Abrir la tabla nueva en software IGOR: haga clic en ventana | Nueva tabla. Introduzca los valores de concentración de carbono hoyo en la primera columna y el área de pico de C Net correspondiente en la segunda columna.
      Hoyo de
      2. trama de la red C pico área vs concentración de carbono: haga clic en Windows | Nuevo gráfico. Elegir zona de pico de C Net como YWave y las concentraciones de carbono como XWave. Haga clic en hacerlo. Los puntos aparecen en el gráfico.
      3. Construir la recta de calibrado: haga clic en análisis | Ajuste de la curva | Función - línea | De destino | Hazlo. La línea de calibración y el coeficiente de calibración (k) aparecerá en la ventana de.

5. Realización de mediciones de suelo de campo en modo estático

1. preparar el INS sistema de medición según el paso 3.
2. Coloque el sistema sobre el sitio que requieren análisis de contenido de carbono de suelo manualmente o por uso adecuado vehículo de remolque. Coloque el sistema de INS tal que la proyección de la fuente de neutrones está centrada sobre el sitio se mide.
3. Implementar acciones siguiendo pasos 4.2.2 - 4.2.9 y 4.4.1 - 4.4.6 para la determinación de áreas de pico C neto para los sitios de estudio.
4. Calcular la concentración de carbono en % de peso utilizando el coeficiente de calibración como
   

6. realización de mediciones de suelo de campo en el modo de exploración

1. estimar la ruta que recorrerá el sistema del INS sobre el campo mientras representa la velocidad de desplazamiento (≤ a 5 km/h), campo tamaño, INS sistema huella (radio de ~ 1 m) y tiempo de medición (1 h) tal que la trayectoria de movimiento eventualmente cubre el área entera. Para mayor comodidad, lugar banderas en convertir los puntos del perímetro del campo.
2. Preparar el INS sistema de medición según el paso 3.
3. Implementar acciones siguiendo pasos 4.2.2 - 4.2.3.
4. Seguir el camino de recorrido predeterminado de 1 h.
5. Implementar acciones siguiendo pasos 4.2.4 - 4.2.9 y 4.4.1 - 4.4.6 para la determinación de áreas de pico C neto del campo estudiado.
6. Calcular la concentración de carbono en % de peso utilizando el coeficiente de calibración por la ecuación 4.

Resultados

Suelo INS & CNC y CNC espectros gamma

Una visión general de los espectros gamma de suelo medido se muestra en la figura 4. Los espectros consisten en un conjunto de picos sobre un fondo continuo. Las principales cumbres de interés tienen centroides en 4,44 MeV y 1,78 MeV en el INS & espectros TNC. El segundo pico puede ser atribuido a los núcleos de silicio contenidos en el suelo, y el primer pico es una...

Discusión

Partiendo de la base establecida por los investigadores anteriores, el personal NSDL abordó preguntas fundamentales para el uso práctico y exitoso de esta tecnología sobre el terreno del mundo real. Inicialmente, los investigadores NSDL demostraron la necesidad de tener en cuenta la señal de fondo del sistema de INS al determinar las áreas de pico netos de carbono. ¹¹ otro esfuerzo demostró que el área de pico de carbono neto caracteriza el porcentaje de peso media de carbono en la capa de ...

Materiales

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