Toprak karbon nötron-gama analizi statik ve modları tarama tarafından ölçümleri

Özet

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.

Özet

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.

Giriş

Toprak karbon içeriği bilgisidir optimizasyonu toprak verimlilik ve karlılık, tarımsal arazi kullanımı uygulamalarını toprak kaynakları üzerinde etkisini anlama ve karbon tutma^1, 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.

Protokol

1. inşaat INS sisteminin

1. şekil 1 ' de gösterilen genel INS sistem geometri kullanın.

şekil 1. INS sistem geometri. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

2. 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.

3. INS sisteminde üç blok kullanın (ek bakınız).
   1. (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.
   2. (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.
   3. (C) üçüncü blok, nötron jeneratörü (ile DNC yazılımı), dedektörleri ve veri toplama sistemi ( şekil 2C) denetleyen bir dizüstü bilgisayar kullanarak.

2. Dikkat ve kişisel gereksinimlerinize

1. her kullanıcı INS sistem pass radyolojik eğitim.
2. 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.
3. 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

1. 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).
2. İnverter (yeşil lamba yanar) ve dizüstü açın.
3. 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.
   1. 5-15 cm dedektörleri içinde Cs-137 Denetim Kaynağı (her türlü) yerleştirin.
   2. 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.
4. NG özel anahtarını kullanarak açın. NG gösterge lambası yeşil ve sarı yanacaktır.

4. Kalibrasyon INS sisteminin

1. 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.

2. take ölçümleri aşağıdaki adımları kullanarak çukurlar üzerinde.
   1. Pozisyon INS sistem çukur el ile veya çekme ile uygun bir araç. Öyle ki nötron kaynağı projeksiyon pit ortalanır INS sistem getirin.
   2. 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).
      1. 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.
   3. 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.
   4. 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).
   5. İkinci dedektörü (sol üst köşedeki oku tıklatın) seçin ve spectra bu bulmak için kaydedin. Aynı şeyi üçüncü dedektörü için.
   6. 'I tıklatın dosya | Belgili tanımlık bilgisayar yazılımı kapatmak için çıkış.
   7. DNC programı ekranında anahtardaki kapatarak DNC yazılımı açın.
   8. Tekrar adımları 4.2.1 - diğer çukurlar için 4.2.7.
   9. NG özel anahtar kullanarak kapatın. Gösterge lambası NG edecek ölçü
3. 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.
4. Veri işleme
   1. 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.
   2. 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.
   3. / Saniye (cps) spectra (33-2080 elektronik tablodaki satırlar) karşılık gelen Teğmen tarafından bölünerek sayıları gama spektrumları hesaplamak
   4. Net INS spectra dan her çukur karşılık gelen ölçülerini hesaplamak
      INS spektrum net = (INS & TNC - TNC) _Pit - (INS & TNC - TNC) _Bkg (2)
   5. 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.
      1. Açık Yazılım çift simgesini tıklatarak. İlk Net INS spektrum tablo ekleme.
      2. '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.
      3. 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.
      4. '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.
      5. 4,44 MeV zirve için aynı işlemleri tekrarlayın.
      6. Kalan Net INS Spectra ile tüm önceki işlemleri tekrar.
   6. 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)
   7. INS sistem olarak doğrudan bir pervane için kalibrasyon yolun inşa ortional bağımlılık ağırlık yüzde olarak ifade edilen karbon konsantrasyonu vs Net karbon pik alanının.
      1. 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.
      2. 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.
      3. 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

1. Adım 3 göre ölçüm için INS sistem hazırlayın.
2. 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.
3. 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.
4. Hesaplamak karbon konsantrasyonu olarak kalibrasyon katsayısı kullanarak ağırlık %
   

6. iletken alan toprak ölçümlerde tarama modu

1. 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.
2. Adım 3 göre ölçüm için INS sistem hazırlayın.
3. Uygulamak eylemler aşağıdaki adımları 4.2.2 - 4.2.3.
4. 1 h. önceden belirlenmiş seyahat yolunu izleyin
5. 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.
6. Oranı % 4 denklemle kalibrasyon katsayısı kullanarak karbon konsantrasyonu hesaplayın.

Sonuçlar

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 çeki...

Tartışmalar

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 derinli...

Malzemeler

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