Name: measurements of soil carbon by neutron-gamma analysis in static and scanning modes
Uploaded: 2017-08-24T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Measurements of Soil Carbon by Neutron-Gamma Analysis in Static and Scanning Modes at JoVE.com

Författarna är skuldsatta Barry G. Dorman, Robert A. Icenogle, Juan Rodriguez, Morris G. Welch och Marlin Siegford för tekniskt stöd i experimentella mätningar, och Jim Clark och Dexter LaGrand för hjälp med datorsimuleringar. Vi tackar XIA LLC för att tillåta användning av sin elektronik och detektorer i detta projekt. Detta arbete fick stöd av NIFA ALA forskning kontrakt nr ALA061-4-15014 ”Precision geospatial kartläggning av jord kolhalt för jordbrukets produktivitet och lifecycle management”.

1. byggandet av INS systemet <ol><li>använda allmänna INS systemet geometrin visas i figur 1.</li></ol>
 <img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56270/56270fig1.jpg" /> figur 1. INS systemet geometrin. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56270/56270fig1large.jpg" target="_blank"> Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
<ol start="2"> <li>använda INS sy...

<ol>
	<li>Potter, K. N., Daniel, J. A., Altom, W., Torbert, H. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stocking+rate+effect+on+soil+carbon+and+nitrogen+in+degraded+soils.">Stocking rate effect on soil carbon and nitrogen in degraded soils.</a> J. Soil Water Conserv. 56, 233-236 (2001).</li><li>Torbert, H. A., Prior, S. A., Runion, G. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Impact+of+the+return+to+cultivation+on+carbon+(C)+sequestration.">Impact of the return to cultivation on carbon (C) sequestration.</a> J. Soil Water Conserv. 59 (1), 1-8 (2004).</li><li>Stolbovoy, V., Montanarella, L., Filippi, N., Jones, A., Gallego, J., Grassi, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Soil sampling protocol to certify the changes of organic carbon stock in mineral soil of the European Union. Version 2. , (2007).</li><li>Smith, K. E., Watts, D. B., Way, T. R., Torbert, H. A., Prior, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Impact+of+tillage+and+fertilizer+application+method+on+gas+emissions+(CO2,+CH4,+N2O)+in+a+corn+cropping+system.">Impact of tillage and fertilizer application method on gas emissions (CO2, CH4, N2O) in a corn cropping system.</a> Pedosphere. 22 (5), 604-615 (2012).</li><li>Seybold, C. A., Mausbach, M. J., Karlen, D. L., Rogers, H. H., Lal, R., Kimble, J., Stewart, B. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantification+of+soil+quality.">Quantification of soil quality.</a> Soil processes and the carbon cycle. , 387-404 (1997).</li><li>Nelson, D. W., Sommers, L. E., Sparks, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Total+carbon,+organic+carbon,+and+organic+matter.">Total carbon, organic carbon, and organic matter.</a> Methods of Soil Analysis., Part 3, Chemical Methods. , 961-1010 (1996).</li><li>Wielopolski, L., Carayannis, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nuclear+methodology+for+non-destructive+multi-elemental+analysis+of+large+volumes+of+soil.">Nuclear methodology for non-destructive multi-elemental analysis of large volumes of soil.</a> Planet Earth: Global Warming Challenges and Opportunities for Policy and Practice. , (2011).</li><li>Wielopolski, L., Yanai, R. D., Levine , C. R., Mitra, S., Vadeboncoeur, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid,+non-destructive+carbon+analysis+of+forest+soils+using+neutron-induced+gamma-ray+spectroscopy.">Rapid, non-destructive carbon analysis of forest soils using neutron-induced gamma-ray spectroscopy.</a> Forest Ecol. Manag. 260, 1132-1137 (2010).</li><li>Mitra, S., Wielopolski, L., Tan, H., Fallu-Labruyere, A., Hennig, W., Warburton, W. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Concurrent+measurement+of+individual+gamma-ray+spectra+during+and+between+fast+neutron+pulses.">Concurrent measurement of individual gamma-ray spectra during and between fast neutron pulses.</a> Nucl. Sci. 54 (1), 192-196 (2007).</li><li>Yakubova, G., Wielopolski, L., Kavetskiy, A., Torbert, H. A., Prior, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Field+testing+a+mobile+inelastic+neutron+scattering+system+to+measure+soil+carbon.">Field testing a mobile inelastic neutron scattering system to measure soil carbon.</a> Soil Sci. 179, 529-535 (2014).</li><li>Yakubova, G., Kavetskiy, A., Prior, S. A., Torbert, H. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Benchmarking+the+inelastic+neutron+scattering+soil+carbon+method.">Benchmarking the inelastic neutron scattering soil carbon method.</a> Vadose Zone J. 15 (2), (2016).</li><li>Knoll, G. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Radiation Detection and Measurement. , (2000).</li><li>Mitra, S., Dioszegi, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Unexploded+Ordnance+identification+-+A+gamma-ray+spectral+analysis+method+for+Carbon,+Nitrogen+and+Oxygen+signals+following+tagged+neutron+interrogation.">Unexploded Ordnance identification - A gamma-ray spectral analysis method for Carbon, Nitrogen and Oxygen signals following tagged neutron interrogation.</a> Nucl. Instrum. Meth. A. 693, 16-22 (2012).</li></ol>

Bygga på den grund som fastställts av tidigare forskare, behandlas NSDL personalen frågor som är kritiska till praktiska och framgångsrik användning av denna teknik i verkliga världen Fältinställningar. Inledningsvis visat NSDL forskare nödvändigheten att ta hänsyn till INS systemet bakgrund signalen när fastställandet av nettobindning av koldioxid peak områden. 11 ett nytt försök visade att nettobindning av koldioxid toppens präglar de genomsnittliga koldioxidutsläpp viktprocen...

Kunskap om markens kolinnehåll krävs för optimering av markens produktivitet och lönsamhet, förstå effekterna av jordbruksmark användarpraxis på markresurserna och utvärdera strategier för kol kvarstad1, 2,3,4. Kol i marken är en universell indikator på markens kvalitet5. Flera metoder har utvecklats för jord carbon mätningar. Torr förbränning (DC) har varit den mest använda metoden för år6. Denna metod är baserad på fältet provsamling och laboratorium bearbetning och mätning som är destruktiv, labor intensiv och tidskrävande. Två nyare metoder är laserinducerad uppdelning spektroskopi och nära och mid infraröd spektroskopi7. Dessa metoder är också destruktiva och endast analysera den mycket ytnära jordlager (0.1 - 1 cm jord djup). Dessutom, dessa metoder endast ge punkt mätning av kolhalten för små provvolymer (~ 60 cm3 för DC metod och 0,01-10 cm3 för infraröd spektroskopi metoder). Sådan punkt mätningar gör det svårt att extrapolera resultat i fält eller liggande fjäll. Eftersom dessa metoder är destruktiva, är återkommande mätningar också omöjligt.
Tidigare forskare vid Brookhaven National Laboratory föreslog neutron-tekniken för jord kol analys (INS-metoden)7,8,9. Detta inledande arbete utvecklat teorin och övar av använda neutron gamma analys för jord carbon mätning. Från och med 2013, fortsatte denna ansträngning på den USDA-ARS nationella jord Dynamics laboratorium (NSDL). Utbyggnaden av detta tekniska program under de senaste 10 åren beror på två huvudfaktorer: tillgången till relativt billiga kommersiella neutron generatorer, gamma detektorer och motsvarande elektronik med programvaran; och toppmoderna neutron-kärnor interaktion referensdatabaser. Denna metod har flera fördelar över andra. Ett system för INS, placeras på en plattform, kunde manövreras över någon typ av fält som kräver mätning. Icke-förstörande in situ - metoden kan analysera stora jordar volymer (~ 300 kg) som kan interpoleras till en hela jordbruksområdet med bara några mätningar. Detta INS system är också kan arbeta i skanningsläge som bestämmer genomsnittliga kolinnehållet i ett område baserat på Skanna över ett predetermine rutnät i fältet eller landskap.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="717">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:195px;">Neutron Generator</td>
			<td style="width:327px;">Thermo Fisher Scientific, Colorado Springs, CO 
			DNC software</td>
			<td style="width:125px;">MP320</td>
			<td style="width:72px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Gamma-detector:</td>
			<td></td>
			<td>na</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">- NaI(Tl) crystal</td>
			<td>Scionix USA, Orlando, FL</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">- Electronics</td>
			<td>XIA LLC, Hayward, CA</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">- Software</td>
			<td>ProSpect</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Battery</td>
			<td>Fullriver Battery USA, Camarillo, CA</td>
			<td>DC105-12</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Invertor</td>
			<td>Nova Electric, Bergenfield, NJ</td>
			<td>CGL 600W-series</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Charger</td>
			<td>PRO Charging Systems, LLC, LaVergne, TN</td>
			<td>PS4</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Block of Iron</td>
			<td>Any</td>
			<td>na</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Boric Acid</td>
			<td>Any</td>
			<td>na</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Laptop</td>
			<td>Any</td>
			<td>na</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">mu-metal</td>
			<td>Magnetic Shield Corp., Bensenville, IL</td>
			<td>&#160;MU010-12</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Construction sand</td>
			<td>Any</td>
			<td>na</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Coconut shell</td>
			<td>General Carbon Corp., Patterson, NJ</td>
			<td>GC 8 X 30S</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;">Reference Cs-137 source</td>
			<td>Any</td>
			<td>na</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

measurements of soil carbon by neutron-gamma analysis in static and scanning modes

Häri beskrivs tillämpningen av oelastisk neutronen spridning (INS) metod för analys av jord carbon bygger på registrering och analys av gammastrålar som skapas när neutroner interagera med jord element. De viktigaste delarna av INS systemet är en pulsad neutron generator, NaI(Tl) gamma detektorer, split elektronik att separera gamma spectra på grund av INS och thermo-neutron capture (TNC) processer och programvara för gamma spectra förvärv och databehandling. Denna metod har flera fördelar jämfört med andra metoder i att det är en icke-förstörande i situ -metod som mäter den genomsnittliga kol innehåll i stora jord volymer, påverkas obetydligt av lokala skarpa ändringar i kol i marken och kan användas i stationära eller skanningslägen. Resultatet av metoden INS är kolhalten från en webbplats med ett fotavtryck av ~2.5 - 3 m2 i det stationära systemet eller genomsnittliga kolinnehållet i området genomkorsas i skanning regimen. Mätområdet för det nuvarande INS-systemet är &#62; 1,5 kol vikt % (standardavvikelsen ± 0,3 w %) i det övre 10 cm jord lagret för en 1 hmeasurement.

Jord INS &#38; TNC och TNC gamma spectra
En allmän bild av uppmätta jord gamma spektra visas i figur 4. Spektra består av en uppsättning toppar på en kontinuerlig bakgrund. De huvudsakliga topparna av intresse har centroids 4,44 MeV och 1.78 MeV i modulerna &#38; TNC spectra. Den andra toppen kan hänföras till kisel kärnor som finns i marken, och den första toppen är en överlappande topp från kol och ki...

Watch this Scientific Journal Video about Measurements of Soil Carbon by Neutron-Gamma Analysis in Static and Scanning Modes at JoVE.com

Measurements of Soil Carbon by Neutron-Gamma Analysis in Static and Scanning Modes

Mätningar av kol i marken av Neutron-Gamma analys i statisk och Scanning lägen

Här presenterar vi protokollet för i situ mätning av kol i marken med hjälp av neutron-gamma tekniken för enda punkt mätningar (statiskt läge) eller fältet medelvärden (sökningsläge). Vi beskriver också Systemkonstruktion och utarbeta data behandling förfaranden.

The herein described application of the inelastic neutron scattering (INS) method for soil carbon analysis is based on the registration and analysis of ...

Research

JoVE Journal

Engineering

Fabrication, Densification, and Replica Molding of 3D Carbon Nanotube Microstructures

Tillverkning, Förtätning och Replica Formning av 3D mikrostrukturer Nanorör

The introduction of new materials and processes to microfabrication has, in large part, enabled many important advances in microsystems, lab-on-a-chip ...

Speciation and Bioavailability Measurements of Environmental Plutonium Using Diffusion in Thin Films

Speciering och biotillgänglighet Mätningar av miljö Plutonium Använda Diffusion i Thin Films

The biological uptake of plutonium (Pu) in aquatic ecosystems is of particular concern since it is an alpha-particle emitter with long half-life which can ...

Quantification of Hydrogen Concentrations in Surface and Interface Layers and Bulk Materials through Depth Profiling with Nuclear Reaction Analysis

Kvantifiering av vätgaskoncentrationer i Surface och gränssnitts Lager och strömaterial genom djupprofilering med kärnreaktionen Analys

Nuclear reaction analysis (NRA) via the resonant 1H(15N,&#945;&#947;)12C reaction is a highly effective method of depth profiling that quantitatively and ...

In Depth Analyses of LEDs by a Combination of X-ray Computed Tomography (CT) and Light Microscopy (LM) Correlated with Scanning Electron Microscopy (SEM)

In Depth Analyses of LEDs by a Combination of X-ray Computed Tomography CT and Light Microscopy LM Correlated with Scanning Electron Microscopy SEM

I Djup Analyser av lysdioder genom en kombination av röntgen Computed Tomography (CT) och ljusmikroskop (LM) korrelerad med svepelektronmikroskop (SEM)

In failure analysis, device characterization and reverse engineering of light emitting diodes (LEDs), and similar electronic components of ...

Comprehensive Characterization of Extended Defects in Semiconductor Materials by a Scanning Electron Microscope

Omfattande karakterisering av Extended Defekter i Halvledarmaterial med en svepelektronmikroskop

Extended defects such as dislocations and grain boundaries have a strong influence on the performance of microelectronic devices and on other applications ...

Scanning SQUID Study of Vortex Manipulation by Local Contact

Scanning SQUID Studie av Vortex Manipulation av Lokalt Kontakt

Local, deterministic manipulation of individual vortices in type 2 superconductors is challenging. The ability to control the position of individual ...

Two-way Valorization of Blast Furnace Slag: Synthesis of Precipitated Calcium Carbonate and Zeolitic Heavy Metal Adsorbent

Tvåvägs valoriseringen av masugnsslagg: Syntes av utfällt kalciumkarbonat och zeolitiska Heavy Metal Adsorbent

The aim of this work is to present a zero-waste process for storing CO2 in a stable and benign mineral form while producing zeolitic minerals with ...

Precision Milling of Carbon Nanotube Forests Using Low Pressure Scanning Electron Microscopy

Precision Fräsning av Nanorör skogar Använda Lågtrycks Svepelektronmikroskopi

A nanoscale fabrication technique appropriate for milling carbon nanotube (CNT) forests is described. The technique utilizes an environmental scanning ...

High Temperature Fabrication of Nanostructured Yttria-Stabilized-Zirconia (YSZ) Scaffolds by In Situ Carbon Templating Xerogels

High Temperature Fabrication of Nanostructured Yttria-Stabilized-Zirconia YSZ Scaffolds by In Situ Carbon Templating Xerogels

High Temperature Fabrication av nanostrukturerade yttriumoxidstabiliserad-zirkonium (YSZ) Ställningar av<em&gt; In Situ</em&gt; Carbon schablon xerogeler

We demonstrate a method for the high temperature fabrication of porous, nanostructured yttria-stabilized-zirconia (YSZ, 8 mol% yttria - 92 mol% zirconia) ...

Fabrication of 3D Carbon Microelectromechanical Systems (C-MEMS)

Fabrication of 3D Carbon Microelectromechanical Systems C-MEMS

Tillverkning av 3D-kol-mikroelektromekaniska system (C-MEMS)

A wide range of carbon sources are available in nature, with a variety of micro-/nanostructure configurations. Here, a novel technique to fabricate long ...