Измерения почвенного углерода путем анализа нейтронного гамма в статических и режимы сканирования

Резюме

Здесь мы представляем протокол в situ измерения почвенного углерода с использованием метода нейтронного гамма для одной точки измерения (статический режим) или поле в среднем (режим сканирования). Мы также описывают системы строительства и разработки процедур обработки данных.

Аннотация

Здесь описано применение неупругого нейтронного рассеяния (INS) метод для анализа почвы углерода основан на регистрации и анализа гамма-лучей, созданный когда нейтроны взаимодействуют с элементами почвы. Основные части модулей системы являются импульсного нейтронного генератора, NaI(Tl) гамма детекторы, Сплит электроники для разделения гамма-спектров благодаря INS и термо нейтронного захвата (ТНК) процессов и программного обеспечения для гамма-спектров сбора и обработки данных. Этот метод имеет ряд преимуществ перед другими методами, в том, что это метод неразрушающего на месте , который измеряет среднее углерода контента в больших почвы томах, ничтожно затронуты местных резкие изменения почвенного углерода и может использоваться в стационарном или режимы сканирования. Результатом метода INS является содержание углерода от сайта с след ~2.5 - 3 m² в стационарном режиме, или средняя углерода области пройденный в режиме сканирования. Диапазон измерения текущей системы Син > 1,5 мас. % углерода (стандартное отклонение ± 0,3 Вт %) в верхней 10 см слое почвы на 1 hmeasurement.

Введение

Требуется знание содержания углерода почвы для оптимизации продуктивности почв и прибыльности, понимание влияния практики использования сельскохозяйственных земель на почвенных ресурсов и оценке стратегий секвестрации углерода в^{1, 23,,4}. Углерода в почве-это универсальный индикатор качества почвы⁵. Несколько методов были разработаны для почвы углерода измерений. Сухой сгорания (DC) был наиболее широко используемый метод для⁶лет; Этот метод основан на поле образец коллекции и лаборатории обработки измерения, что является разрушительным, труда интенсивной и много времени. Две новые методы лазерно индуцированным разбивка спектроскопии и вблизи и середине инфракрасной спектроскопии⁷. Эти методы также являются разрушительными и только анализировать слой очень близко к поверхности почвы (0,1 - 1 см Глубина почвы). Кроме того, эти методы только условным пределом измерения содержания углерода для небольшой образец томов (³ ~ 60 см для метода DC и 0,01-10 см³ для инфракрасной спектроскопии). Такие точки измерения сделать это трудно экстраполировать результаты для поля или пейзаж весы. Так как эти методы являются разрушительными, повторяющихся измерений также невозможно.

Предыдущие исследователи в Брукхейвенской национальной лаборатории предложил, применяя технологию нейтронов для почвы углерода анализ (метод INS)^7,8,9. Этот первоначальный усилий разработана теория и практика использования нейтронов гамма анализа для измерения углерода почвы. Начиная с 2013 года, эта деятельность была продолжена в лаборатории динамики национальной почвы (NSDL) USDA-ARS. Расширение этого технологические приложения за последние 10 лет из-за двух основных факторов: наличие относительно недорогой коммерческие Нейтронные генераторы, гамма детекторы и соответствующей электроники с программным обеспечением; и состояние искусства нейтронных ядер взаимодействия справочных баз данных. Этот метод имеет несколько преимуществ над другими. МОДУЛИ системы, размещены на платформе, может маневрировать через любой тип поля, который требует измерения. Этот метод неразрушающего in situ можно анализировать большие почвы томов (~ 300 кг), которые может быть интерполяцией целые сельскохозяйственные поля, используя несколько измерений. Эта система INS также способен работать в режиме сканирования, которое определяет содержание средняя углерода в области на основе сканирования через заданный сетке поля или пейзаж.

протокол

1. построение модулей системы

1. используют общие модули системы геометрии, показано на рисунке 1.

Рисунок 1. Модули системы геометрия. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

2. использовать дизайн модулей системы, показано на рисунке 2. ¹⁰

Рисунок 2. Обзор системы Син.
A) первый блок содержит генератор нейтронов, детектор нейтронов и теплоэнергетики; B) второй блок содержит три Най (Tl) детекторов; C) третий блок содержит оборудование для работы системы; D) общий вид первого блока показаны отдельные компоненты; и E) крупным планом зрения гамма детекторов. ¹⁰ пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

3. использование трех блоков в системе модулей (см. добавление).
   1. Для первого блока (A), используйте генератор нейтронов (НГ) и мощность системы ( рис. 2A и 2D). Импульсного нейтронного выхода этого генератора будет 10 ⁷ - 10 н / ⁸ нейтронов энергией 14 МэВ. Система питания будет состоять из четырех батарей (12 V, 105 Ай), DC-AC инвертора и зарядное устройство. Этот блок будет также содержать железа (10 см х 20 см х 30 см) и борной кислоты (5 x 20 см x 30 см) защитные для защиты детектора гамма от нейтронного облучения.
      Примечание: Детектор нейтронов также включены в этот блок для проверки надлежащего функционирования нг.
   2. Для второго блока (B), использовать оборудование для измерения гамма излучения ( Рисунок 2B и 2E). Этот блок будет содержать три 12,7 см х 12,7 см x 15,2 см NaI(Tl) сцинтилляционных детекторов с соответствующей электроники. Внешний размер детекторов с электроникой будет измерять 15,2 x 15,2 см x 46 cm.
   3. Для третьего блока (C), использовать портативный компьютер, который управляет генератора нейтронов (с ПЦУ программное обеспечение), датчики и система сбора данных ( рис. 2 c).

2. Осторожность и личные требования

1. у каждого пользователя модули профессиональной подготовки системы перевал радиологического.
Жетон
2. Убедитесь, что каждое лицо, управляющее нг носит радиационного мониторинга. Во время измерений, границы запретной зоне (> 20 мкЗв/ч) вокруг нг будет иметь символ излучения с словами " ОСТОРОЖНОСТЬЮ, излучение области. " всех краев области ограниченного будет не менее 4 м от НГ.
3. В чрезвычайных ситуациях, сразу же нажимаем " аварийного прерывания " кнопку на Нг, извлечь ключ из нг и отключите нг от источника питания.

3. Подготовка модулей системы для измерения

1. Проверка системы питания. Индикатор уровня мощности на зарядном устройстве будет отображаться зеленым цветом, или более чем 3 красных огней должна освещать. Если нет, Подключите зарядное устройство к сетевой розетке и подождать до тех пор, пока аккумуляторы становятся полностью заряжен (загорится зеленая лампа) или пока не будет достигнут уровень приемлемой мощности (≥ 3 красные лампы загорятся).
2. Включите инвертор (зеленый индикатор горит) и ноутбук.
3. Запустите программу сбора данных на ноутбуке для эксплуатации гамма детекторы и проверить необходимые параметры для каждого детектора. Значения этих параметров будут определены и ранее записанная в тестирование модулей системы.
   1. Место источника управления Cs-137 (любого типа) в течение 5-15 см от детекторов.
   2. Начать приобретение спектры для 1-3 мин; проверить центроиды 662 кэВ Cs-137 пик для всех детекторов. Они должны быть на том же канале. Если нет, используйте коэффициент масштаба энергии установка приобретения программы, изменив значение для регулировки 662 кэВ пик центроиды.
4. Включите нг с помощью специального ключа. Сигнальная лампа на нг загорится зеленым и желтым.

4. Калибровка системы Син

1. подготовить 4 ямы размером 1,5 х 1,5 м х 0,6 м с однородной смеси песка углерода ( рис. 3). Содержание углерода – 0, 2.5, 5 и 10 w %.
   Примечание: Бетономешалка используется для изготовления синтетических почвы, состоящий из песка и кокосовой оболочки строительства (100% углерода контента, средняя гранулированных диаметр < 0,5 мм). Однородность этих смесей определяется визуально.

на рисунке 3. Зрения ямы с песком и яма с 10% Cw песчано периклазоуглеродистых смеси. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

2. выполняйте измерения через ямы, используя следующие шаги.
   1. Позиции модулей системы над ямой, вручную или путем буксировки с подходящего транспортного средства. Установите модули системы таким образом, что проекция источник нейтронов центрируется на яму.
   2. Запускать ПЦУ программное обеспечение на ноутбук, который работает генератор НГ. В столбце ошибки на правой стороне экрана программы DNC все лампы загорятся зеленый; Если нет, нажмите кнопку Очистить. Вставьте следующие параметры: для параметров импульсов - частота 5 кГц, обязанность цикла 25%, задержка 0 МКС, расширение 2 МКС; для пучка - высокое напряжение 50 кв, луч текущего 50 мкА (Обратите внимание, что эти параметры могут быть разными в зависимости от конкретной установки системы INS и задачи).
      1. Активировать переключатель на экране программы ПЦУ и ждать нг ввести режим работы, где высокого напряжения и луч текущего придет до стабильного значения, соответствующие введенные значения; Водохранилище текущего также придет к стабильной значение.
   3. Запустить программное обеспечение получения данных на ноутбуке для работы детекторов гамма. Начните приобретение спектры, запустив программу сбора данных за 1 час. Процесс приобретения двух спектров (INS & ТНК и ТНК) будет отображаться на экране.
   4. После 1 h, остановить приобретение спектры и сохранить спектров на жесткий диск (файл | Сохранить данные MCA | Выберите папку и введите имя файла.
      Примечание: Там будет два сохраненные спектры (ТНК и INS) с файла расширения .mca и _gated.mca, соответственно).
   5. Выберите второй детектор (нажмите стрелку в левом верхнем углу) и сохраните спектры для данного детектора. Сделайте то же самое для третьего детектора.
   6. Выберите файл | Выход, чтобы закрыть программу.
   7. Отключить программное обеспечение ПЦУ, выключив выключатель на экране программы DNC.
   8. Повторите шаги 4.2.1 - 4.2.7 для других ямы.
   9. Отключить нг с помощью специального ключа. Сигнальная лампа на Нг будет высота
3. Определить спектры фон модулей системы, подъемные системы в целом INS на расстояние более 4 м над поверхностью земли и от каких-либо крупных объектов и повторить шаги получения данных 4.2.2 - 4.2.9.
4. Обработка данных
   1. использовать программу электронных таблиц для открытия файлов данных, сохраненные на шаге 4.2.4. Найти значения для вывода и ввода количество ставок (OCR и МЦР) и режиме реального времени (RT) в строках 28, 27 и 30, соответственно.
   2. Расчет времени жизни (LT) для модулей & ТНК и ТНК спектры для всех измерений как
      LT _я = OCR, _я / ICR _я ·RT _я (1),
      где OCR, _я и МГП, _я вывода и ввода количество ставок для i го измерения и RT, _я реальный время измерения i й.
   3. Вычислить гамма-спектров в подсчитывает в секунду (cps) путем деления спектры (33-2080 в таблице строк), соответствующий лейтенант
   4. Расчета чистой INS спектров от соответствующих измерений для каждого ямы как
      NET модули спектра = (INS & TNC - TNC) _ПС - (INS & TNC - TNC) _Bkg (2)
   5. найти гамма пики 1.78 МэВ (²⁸ Si) и 4.44 МэВ (¹² C) в спектре Net модули для каждой ямы и вычислить пик областях (4.44 МЭВ C пик Площадь, площадь пика 1.78 МЭВ Si) с помощью программного обеспечения Игорь.
      1. Открытое программное обеспечение, дважды щелкнув значок. Вставьте таблицу первый чистый спектр INS.
      2. Нажмите кнопку Windows | Новый граф | От цели | " файла " | Сделай это. Спектр появляется в окне графика. Щелкните граф | Показать информацию. Окна с A и B маркеры появляется под окном граф.
      3. Поместить указатель мыши на знак A, нажмите левую кнопку мыши и перетащите курсор в спектре на левой стороне пик 1.78 МэВ. Поместите указатель мыши на знак B, нажать левую кнопку мыши и перетащите курсор в спектре на правой стороне пик 1.78 МэВ.
      4. Нажмите кнопку анализ | Мульти пик Fit | Начать новый мульти пик Fit | От цели | Продолжить. В всплывающем окне отмечен курсор график использования | Базовые линейные | Auto найдите пики сейчас | Сделать это | Пик результаты. Во всплывающем окне появится область пика.
      5. Повторить те же операции для пик 4.44 МэВ.
      6. Повторите все предыдущие операции с оставшихся чистые спектры INS.
   6. Найти чистый углерод пик области для каждой ямы уравнением
      Net C пик области _я = 4.44 МЭВ C пик области _я - 0,058 · 1.78 МЭВ Si пик области _я (3)
   7. строить линии калибровки для модулей системы прямого Проп ortional зависимость площади пика чистого углерода против концентрации углерода, выраженная в % вес.
      1. Открыть новую таблицу в Игорь программного обеспечения: щелкните окно | Новая таблица. Введите значения концентрации углерода яму в первом столбце и соответствующие площади пика нетто C во втором столбце.
      2. Участок чистой C пик области против Пит концентрация углерода: нажмите Windows | Новый граф. Выберите Net C площади пика как YWave и концентрации углерода как XWave. Нажмите сделать это. На графике появляются точки.
      3. Строить линии калибровки: нажмите анализ | Кривой установки | Функция - линия | От цели | Сделай это. Калибровка линии и коэффициент калибровки (k) появится в окне.

5. Проведение полевых измерений почвы в статическом режиме

1. подготовить систему к INS для измерения согласно п.3.
2. Поместите системы сайта, требующие анализа содержания углерода почвы вручную или путем буксировки с помощью подходящего транспортного средства. Установите модули системы таким образом, что проекция источник нейтронов центрируется на сайте измеряемого.
3. Осуществлять действия, следующие шаги 4.2.2 - 4.2.9 и 4.4.1 - 4.4.6 для определения чистой C пик области для исследования сайтов.
4. Расчет концентрации углерода в % веса, используя коэффициент калибровки как
   

6. проведение измерения поля почвы в режиме сканирования

1. оценить путь, по которому система INS отправится на поле во время Бухгалтерский учет для скорость передвижения (≤ 5 км/ч), поле Размер, модули системы след (радиус ~ 1 м) и время измерения (1 h) таким образом, что перемещение траектории в конечном итоге охватывает все области. Для удобства, место флаги на включение точек по периметру поля.
2. Подготовить систему к INS для измерения согласно п.3.
3. Осуществлять действия, следующие шаги 4.2.2 - 4.2.3.
4. Следуйте по пути предопределило путешествия за 1 ч.
5. Осуществлять действия, следующие шаги 4.2.4 - 4.2.9 и 4.4.1 - 4.4.6 для определения чистой C пик областях для поля изучал.
6. Расчет концентрации углерода в вес % коэффициент калибровки с помощью уравнения 4.

Результаты

Почвы INS & ТНК и ТНК гамма-спектров

Общий вид почвы измеренная гамма-спектров показан на рисунке 4. Спектры состоят из набора пиков на фоне непрерывного. Основные пики интерес у центроиды 4.44 МэВ и 1,78 МЭВ в Син & спектры ТНК. Втор...

Обсуждение

Опираясь на фундаменте, заложенном в предыдущие исследователи, NSDL персонала вопросы критической для практических и успешного использования этой технологии в реальном мире параметры поля. Первоначально NSDL исследователи продемонстрировали необходимость учета модулей системы фоновог...

Материалы

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