Medições de carbono no solo por nêutrons-Gamma análise estática e modos de digitalização

Resumo

Aqui, apresentamos o protocolo para medição em situ de carbono no solo usando a técnica de nêutron-gama para medições de ponto único (modo estático) ou campo médias (modo de digitalização). Também descrevemos a construção do sistema e elaborar procedimentos de tratamento de dados.

Resumo

O aplicativo descrito neste documento do neutrão inelástico dispersando método (INS) para análise de carbono do solo baseia-se no registo e análise de raios gama criado quando nêutrons interagirem com elementos do solo. As peças principais do sistema INS são um gerador de nêutron pulsado, detectores de gama NaI(Tl), dividir eletrônica para separar espectros gama devido a INS e thermo-nêutrons captura (TNC) processos e software para aquisição de espectros de gama e processamento de dados. Este método tem várias vantagens sobre outros métodos em que é um método não-destrutivo em situ que mede o carbono médio conteúdo em volumes grandes do solo, insignificante é afetado por mudanças bruscas locais em carbono no solo e pode ser usado em estacionária ou modos de digitalização. O resultado do método INS é o teor de carbono de um site com uma pegada de ~2.5 - 3 m² no regime estacionário, ou o teor de carbono médio da área de atravessado no regime de verificação. É a faixa de medição do sistema atual de INS > 1,5% de peso de carbono (desvio padrão ± 0.3 w %) na camada do solo superior 10 cm para um 1 hmeasurement.

Introdução

Conhecimento do teor de carbono do solo é necessário para a otimização da produtividade do solo e da rentabilidade, compreender o impacto das práticas de uso de terras agrícolas sobre os recursos do solo e avaliar estratégias para sequestro de carbono^{1, 2,3,4}. Carbono no solo é um indicador universal de solo qualidade⁵. Vários métodos foram desenvolvidos para medições de carbono do solo. Combustão seca (DC) tem sido o método mais utilizado para anos⁶; Este método baseia-se na coleta de amostra de campo e processamento de laboratório e medição que é destrutiva, mão de obra intensiva e demorado. Dois novos métodos são espectroscopia induzida por laser de avaria e perto e meados de espectroscopia de infravermelho⁷. Esses métodos também são destrutivos e analisar apenas a camada de solo muito perto da superfície (0.1 - 1 cm de profundidade de solo). Além disso, esses métodos apenas produzem ponto medições do teor de carbono para os volumes de amostra pequeno (~ 60 cm³ para o método de DC e 0,01-10 cm³ para métodos de espectroscopia de infravermelho). Tais medições ponto tornam difícil extrapolar os resultados para balanças de campo ou paisagem. Desde que estes métodos são destrutivos, medições recorrentes também são impossíveis.

Pesquisadores anteriores no Brookhaven National Laboratory sugeriram aplicar a tecnologia de nêutrons para solo carbono análise (método de INS)^7,8,9. Este esforço inicial desenvolveu a teoria e a prática de utilizar a análise de gama de nêutrons para medição de carbono do solo. A partir de 2013, este esforço foi continuado no USDA-ARS nacional solo Dynamics Laboratory (NSDL). A expansão desta aplicação tecnológica nos últimos 10 anos é devido a dois fatores principais: a disponibilidade de geradores do nêutron comercial relativamente barato, detectores de gama e correspondente eletrônica com software; e bancos de dados de referência da interação do nêutron-núcleos de estado da arte. Este método tem várias vantagens sobre os outros. Um sistema de INS, colocado sobre uma plataforma, poderia ser manobrado sobre qualquer tipo de campo que requer a medição. Este método não-destrutivo in situ pode analisar volumes de solos grandes (~ 300 kg) que podem ser interpolados para um campo inteiro agrícola usando apenas algumas medições. Este sistema de INS também é capaz de operar em um modo de digitalização que determina o teor de carbono médio de uma área com base na verificação sobre uma grade de predeterminados do campo ou da paisagem.

Protocolo

1. construção do sistema de INS

1. usar a geometria de sistema geral INS mostrada na Figura 1.

Figura 1. Geometria sistema INS. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

2. usar o design de sistema de INS mostrado na Figura 2. ¹⁰

Figura 2. Visão geral do sistema de INS.
A) primeiro bloco contém gerador de nêutrons, detector de nêutrons e sistema de energia; B) segundo bloco contém três detectores de NaI (Tl); C) terceiro bloco contém equipamento para operação do sistema; D) visão geral do primeiro bloco mostrando os componentes individuais; e E) close-up vista dos detectores de gama. ¹⁰ , por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

3. use três blocos no sistema INS (ver apêndice).
   1. Para o primeiro bloco (A), use um gerador de nêutrons (NG) e o sistema de alimentação ( Figura 2A e 2D). Nêutron pulsado de saída deste gerador será 10 ⁷ - 10 ⁸ n/s com energia de nêutrons de 14 MeV. O sistema de energia será composto de quatro baterias (12 V, 105 Ah), um Inversor DC-AC e um carregador. Este bloco também irá conter ferro (10 x 20 cm x 30 cm) e ácido bórico (5 x 20 cm x 30 cm) blindagem para proteger o detector gama de irradiação do neutron.
      Nota: Um detector de nêutrons também está incluído neste bloco para verificar que o NG está funcionando corretamente.
   2. Para o segundo bloco (B), usar equipamento de medição de raios gama ( Figura 2B e 2E). Este bloco conterá detectores de NaI(Tl) de cintilação de três 12,7 cm x 12,7 cm x 15,2 cm com eletrônica correspondente. O tamanho exterior dos detectores com eletrônica medirá 15,2 x 15,2 cm x 46 cm.
   3. Para o terceiro bloco, (C), usar um computador portátil que controla o gerador de nêutrons (com software DNC), detectores e sistema de aquisição de dados ( Figura 2).

2. Cautela e exigências pessoais

1. ter cada usuário da formação INS sistema pass radiológica.
2. , Certifique-se de que cada pessoa que opera o NG carrega uma distintivo de monitoramento de radiação. Durante as medições, o limite de área restrita (> 20 µSv/h) em torno do NG terá o símbolo de radiação com as palavras " cuidado, radiação área. " todas as bordas da área restrita será nada menos do que 4 m do NG.
3. Em caso de emergência, pressione imediatamente o " de emergência interromper " botão sobre o NG, remova a chave do NG e desconecte o NG da fonte de energia.

3. Preparação do sistema INS para medição

1. verificar o sistema de poder. O indicador de nível de energia do carregador ficará verde, ou mais de 3 lâmpadas vermelhas devem iluminar. Se não, ligue o carregador a uma tomada elétrica e espere até que as pilhas tornam-se totalmente carregadas (lâmpada verde acende) ou até que seja atingido um nível de energia aceitável (≥ 3 lâmpadas vermelhas acende).
2. Ligar o inversor (lâmpada verde acende-se) e laptop.
3. Executar o programa de aquisição de dados no laptop para operar os detectores gama e verifique os parâmetros necessários para cada detector. Os valores desses parâmetros serão definidos e gravados anteriormente no INS teste do sistema.
   1. Colocar uma fonte de controle de Cs-137 (qualquer tipo) dentro de 5 a 15 cm de detectores de.
   2. Iniciar a aquisição de espectros para 1-3 min; Verifique os centroides da 662 keV pico de Cs-137 para todos os detectores. Devem estar no mesmo canal. Se não, use a escala de coeficiente de energia do programa de aquisição de aoAssistente, alterando o valor para ajustar as 662 keV centroides de pico.
4. Ativar o NG usando a chave especial. A lâmpada indicadora do ng acende verde e amarelo.

4. Calibração do sistema de INS

1. preparar 4 boxes tamanho 1,5 m x 1,5 m x 0,6 m com misturas homogéneas de areia-carbono ( Figura 3). Conteúdo de carbono é 0, 2,5, 5 e 10% de w.
   Nota: Um misturador de concreto é usado para fazer o solo sintético composto de casca de coco e areia de construção (conteúdo, 100% de carbono médio diâmetro granular < 0,5 mm). Homogeneidade dessas misturas é determinada visualmente.

Figura 3. Vista do poço com areia e poço com 10 Cw % mistura de areia-carbono. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

2. tomar medidas sobre as covas, usando as seguintes etapas.
   1. Posicione o sistema INS sobre o poço, manualmente ou por reboque com um veículo adequado. Posicionar o sistema INS-como a projeção da fonte de neutrões é centralizada no poço.
   2. Executar o software DNC no laptop que opera o gerador de NG. Na coluna do lado direito da tela programa DNC falhas, todas as lâmpadas acende verde; Se não, clique no botão limpar. Insira os seguintes parâmetros: para parâmetros de pulso - frequência de 5 kHz, ciclo de trabalho 25%, atrasar 0 µs, extensão 2 µs; para feixe - alta tensão de 50 kV, feixe atual 50 µA (Observe que esses parâmetros podem ser diferentes dependendo da configuração específica do sistema do INS e tarefas).
      1. Ativar o interruptor na tela do programa DNC e esperar que o NG introduzir o regime de trabalho onde a alta tensão e corrente de feixe virá a estável de valores correspondentes a valores inseridos; Reservatório atual também virá com um valor estável.
   3. Executar o software de aquisição de dados no laptop para operar os detectores de gama. Inicie a aquisição de espectros executando o programa de aquisição de dados por 1h. Os processos de aquisição de dois espectros (INS & TNC e TNC) aparecerá na tela.
   4. Depois de 1 h, parar a aquisição de espectros e espectros de salvar no disco rígido (arquivo | Salvar dados MCA | escolha a pasta e digite o nome do arquivo.
      Nota: Haverá dois espectros salvos (TNC e INS) com o nome do arquivo extensões .mca e _gated.mca, respectivamente).
   5. Selecione o segundo detector (clique na seta no canto superior esquerdo) e salvar os espectros para este detector. Faça o mesmo para o terceiro detector.
   6. Clique em arquivo | Sair para fechar o software.
   7. Desativar o software DNC, desligando o interruptor na tela do programa DNC.
   8. Repita etapas 4.2.1 - 4.2.7 para outras boxes.
   9. Desativar o NG usando a chave especial. A lâmpada indicadora do ng será escurecerá
3. Determinar o espectro de fundo do sistema INS elevando todo o sistema do INS para uma distância superior a 4 m acima da superfície do terreno e longe de quaisquer objetos grandes e repita os passos de aquisição de dados 4.2.2 - 4.2.9.
4. Processamento de dados
   1. usa um programa de planilha eletrônica para abrir os arquivos de dados salvos no passo 4.2.4. Encontrar valores para saída e entrada taxas de contagem (OCR e ICR) e em tempo real (RT) em linhas 28, 27 e 30, respectivamente.
   2. Calcular o tempo de vida (LT) para INS & TNC e espectros TNC para todas as medições como
      LT _eu OCR _eu = / ICR _eu ·RT _eu (1),
      onde OCR _eu e ICR, são as taxas de saída e entrada de contagem para a medição do i-ésimo e RT, é real hora da medição i-th.
   3. Calcular os espectros gama em contagens por segundo (cps) dividindo os espectros (linhas na planilha de 33-2080) pela Tenente correspondente.
   4. Calcular os líquido espectros INS de medições correspondentes para cada poço como
      NET INS espectro = (INS & TNC - TNC) _Pit - (INS & TNC - TNC) _Bkg (2)
   5. encontrar os raios gama picos 1,78 MeV (²⁸ Si) e 4,44 MeV (¹² C) no espectro Net INS para cada poço e calcular as áreas de pico (pico de 4,44 MeV C área, a área do pico Si 1,78 MeV) usando software de IGOR.
      1. Abrir o software por duplo clique no ícone. Inserir o primeiro líquido INS espectro na tabela.
      2. Clique em Windows | Novo gráfico | De alvo | " FileName " | Faça isso. O espectro aparece na janela do gráfico. Clique em gráfico | Mostre informação. O windows com o A e marcadores B aparece sob a janela do gráfico.
      3. Ponteiro de mouse de lugar no sinal A, aperte o botão esquerdo do mouse e arraste o cursor para o espectro do lado esquerdo do pico do MeV 1,78. Coloque o ponteiro do mouse sobre o símbolo B, pressione o botão esquerdo do mouse e arraste o cursor para o espectro no lado direito do pico do MeV 1,78.
      4. Clique em análise | Multi-pico Fit | Iniciar novo multi-pico Fit | De alvo | Continue. Na janela pop-up marcada Cursor gráfico de uso | Linha de base Linear | Autolocalizar picos agora | Fazê-lo | Resultados-picos. A área do pico aparece na janela pop-up.
      5. Repetir as mesmas operações para o pico de 4,44 MeV.
      6. Repetir todas as operações anteriores com os espectros restantes de INS Net.
   6. Encontrar o carbono líquido áreas de pico para cada poço pela equação
      Net C pico área _eu = 4,44 MeV C pico área _eu - 0.058 · MeV 1,78 Si pico área _eu (3)
   7. construir a linha de calibração para o sistema de INS como apoio directo ortional dependência da área de pico de carbono líquido vs. concentração de carbono, expressada em percentagem de peso.
      1. Abrir a nova tabela no software de IGOR: clique janela | Nova tabela. Insira valores de concentração de carbono poço na primeira coluna e a área do Pico C Net correspondente na segunda coluna.
      Concentração de carbono do poço
      2. enredo da Net C pico área vs: clique em Windows | Novo gráfico. Escolha a área do Pico C Net como YWave e as concentrações de carbono como XWave. Clique em fazê-lo. Os pontos aparecem no gráfico.
      3. Construir a linha de calibração: análise clique | Encaixe de curva | Função - linha | De alvo | Faça isso. A linha de calibração e o coeficiente de calibração (k) aparecerá na janela.

5. Realização de medições de solo de campo no modo estático

1. preparar o sistema de INS para medição de acordo com o passo 3.
2. Colocar o sistema no local que exigem análise de conteúdo de carbono do solo, manualmente ou por reboque utilizando veículo adequado. Posicionar o sistema INS-como a projeção da fonte de neutrões é centralizada sobre o local que está sendo medido.
3. Implementar ações seguindo passos 4.2.2 - 4.2.9 e 4.4.1 - 4.4.6 para determinar áreas de pico C líquidos para os locais de estudo.
4. Calcular a concentração de carbono em peso, usando o coeficiente de calibração como %
   

6. realização de medições de solo de campo no modo de digitalização

1. estimar o caminho que o sistema de INS vai viajar para o campo enquanto contabilização de velocidade de viagem (≤ 5 km/h), campo do tamanho, INS sistema pegada (~ 1 m de raio) e o tempo de medição (1 h) tal que a trajetória movendo eventualmente abrange a área de campo. Para sua conveniência, sinalizadores de lugar para transformar pontos ao longo do perímetro do campo.
2. Preparar o sistema de INS para medição de acordo com o passo 3.
3. Implementar ações seguindo passos 4.2.2 - 4.2.3.
4. Siga o caminho predeterminado viagens por 1 h.
5. Implementar ações seguindo passos 4.2.4 - 4.2.9 e 4.4.1 - 4.4.6 para determinar áreas de pico C líquido para o campo estudado.
6. Calcular a concentração de carbono em peso % usando o coeficiente de calibração pela equação 4.

Resultados

Do solo INS & TNC e TNC espectros gama

Uma visão geral dos espectros de gama de solo medido é mostrada na Figura 4. Os espectros consistem de um conjunto de picos em um fundo contínuo. Os principais picos de interesse têm centroides 4,44 MeV e 1,78 MeV no INS & espectros TNC. O segundo pico pode ser atribuído aos núcleos de silício contidos no solo, e o primeiro pico é um pico de sobreposição de n...

Discussão

Construindo sobre a Fundação criada por pesquisadores anteriores, o pessoal NSDL abordou questões críticas para o uso prático e bem sucedido desta tecnologia em configurações de campo do mundo real. Inicialmente, NSDL pesquisadores demonstraram a necessidade de contabilizar o sinal de fundo do sistema INS ao determinar as áreas de picos de carbono líquido. ¹¹ outro esforço mostrou que a área do pico de carbono líquido caracteriza a porcentagem de peso médio de carbono na camada do sol...

Materiais

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