Низькоенергетичні електромагнітні технології для активації насіння тепличних культур

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

СІЛЬСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА ІМЕНІ ПЕТРА ВАСИЛЕНКа

Низькоенергетичні Електромагнітні технології для активації насіння тепличних культур

05.11.17 - біологічні та медичні прилади і системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Никифорова Лариса Євгенівна

Харків - 2009

АНОТАЦІЯ

Никифорова Л.Є. Низькоенергетичні електромагнітні технології для активації насіння тепличних культур. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.11.17 - біологічні та медичні прилади і системи. - Харківський національний технічний університет сільського господарства імені Петра Василенка, Харків, 2009.

Дисертацію присвячено проблемі активації насіння тепличних культур за допомогою низькоенергетичного електромагнітного поля.

Розроблено науково-технічні основи побудови та застосування низькоенергетичних електромагнітних технологій інформаційно-резонансного впливу для активації насіння та підвищення врожайності тепличних культур, що передбачають теоретичне обґрунтування механізму інформаційно-резонансної взаємодії низькоенергетичного електромагнітного випромінювання із структурами рослинної клітини, які відображають інтегральні характеристики і динаміку процесів перетворення поглинутої енергії в окремій насінині, і вирішується шляхом теоретико-експериментальних досліджень, що ґрунтуються на закономірностях електрофізичних характеристик насіннєвої продукції та ресурсоощадних можливостях електротехнологічного процесу активації насіння; теоретично обґрунтувано та експериментально визначено режими опромінення з урахуванням взаємозв'язку електротехнологічних параметрів оброблення насіння, технологічних та екологічних параметрів вирощування рослин з показниками ефективності, що забезпечує активацію насіння, зростання врожайності, вирощених з них тепличних культур, а також сприяє енергозбереженню у технологічних процесах; створені засоби для контролю дії електромагнітного випромінення, методики та спеціалізоване обладнання для оброблення насіння.

Основні результати дисертації знайшли практичне використання в технологічному процессі вирощування овочевих культур в умовах захищеного грунту, а також в реалізації метології побудови низькоенергетичних електромагнітних технологій в рослинництві

Ключові слова: низькоенергетичні електромагнітні технології, інформаційно-резонансний вплив, біотропні параметри, насіння.

ABSTRACT

Nikiforova l.E. Lowenergy electromagnetics technology for activation of seeds of hothouse cultures. - Manuscript.

The dissertation for the doctor's engineering degree in speciality 05.11.17 - biological and medical devices and systems. - Kharkiv national technical universiti of agriculture of the name of Peter Vasilenko, Kharkiv, 2009.

Dissertation is devoted the problem of activating of seed of glass-cultures by lowenergy of the electromagnetic field.

Developed scientifically are technical bases of the use lowenergy electromagnetic technologies of informatively-resonance influence for activating of seed and increase of the productivity of glass-cultures basis of which is made: theoretical ground of mechanism ofinformatively - resonance co-operating of low-energy electromagnetic radiation with the structures of vegetable cage, which represent integral descriptions and dynamics of processes of transformation of eaten up energy in a separate seed, and decides the way of theorist- experimental researches which are based on conformities to the law of electrophysical descriptions of seminal products and resursosaving possibilities of electrotecnological process of activating of seed; theoretical ground and experimental determination of the modes of irradiation taking into account intercommunication of electrotecnological parameters of treatment of seed, technological and ecological parameters of growing of plants with the indexes of efficiency, which provides activating of seed, growth of the productivity, and also renders assists an energy-savings in technological processes; created facilities for control of action of electromagnetic irradiation, methods and specialized equipment for treatment of seed.

The basic results of dissertation found the practical using for development of recommendations on application of low-energy electromagnetic technology in hothouses and hardwares of preseed treatment of seed.

Keywords: lowenergy electromagnetic technologies, informatively is resonance influence, biottrope parameters, seed.

АННОТАЦИЯ

Никифорова Л.Е. Низкоэнергетические электромагнитные технологии для активации семян тепличных культур. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.11.17 - биологические и медицинские устройства и системы. - Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства имени Петра Василенко, Харьков, 2009.

Диссертация посвящена проблеме активации семян тепличных культур с помощью низкоэнергетического электромагнитного поля.

В диссертации разработаны научно - технические основы построения и использования низкоэнергетических электромагнитных технологий информационно - резонансного воздействия для активации семян и повышения урожайности тепличных культур, заключающиеся в теоретическом обосновании механизма информационно-резонансного взаимодействия низкоэнергетического электромагнитного излучения с клеточными структурами семян, отображающие динамику процессов преобразования поглощенной энергии в отдельном семени, и решаются путем теоретико-экспериментальних исследований, основывающиеся на закономерностях электрофизических характеристик семенной продукции и ресурсосберегающих возможностях электротехнологического процесса активации семян.

В работе получены математические модели, позволяющие находить распределение внутренних ЭМП растительного организма под воздействием внешних электромагнитных излучений, а на их базе - закономерности резонансного поглощения ЭМП клеточными структурами семян. Электродинамическая модель структуры посевного материала положена в основу методики определения собственной частоты среды в зависимости от размеров и вида объекта, что явилось теоретической базой для обоснования конструктивных параметров устройства для обработки семян.

Теоретически обоснована и экспериментально проверена методика контроля эффективности воздействия низкоэнергетического электромагнитного облучения растительных биологических объектов, основанная на регистрации биоэлектрических характеристик семян, а также специализированное оборудование для их предпосевной обработки.

Установлено, что максимальная эффективность воздействия низкоэнергетического электромагнитного облучения семян, наиболее распространенных тепличных культур, наблюдается при следующих основных технологических параметрах обработки: для растений огурца - на резонансной частоте 37,25 ГГц, плотности потока мощности 12 мкВт/см², экспозиции 8,5 минут и относительной нестабильности частоты 10^-6; для растений томата - на резонансной частоте 37,705 ГГц, плотности потока мощности 7,5 мкВт/см², экспозиции 8,5 минут и относительной нестабильности частоты 10^-6.

Экспериментальными исследованиями установлено, что при обработке семенного материала имеет место явление неадекватного восприятия растительным организмом ЭМП на определенной частоте, то есть, видовые отличия растений определяют собственные резонансные частоты. Это дает возможность влиять одним и тем же режимом на сортовые смеси, стимулируя ростовые функции у определенного вида растения, или создавать промышленные установки, которые селективно влияют на сортовой материал (с целью выборочной стимуляции, коррекции, селекции).

По результатам теоретического анализа и экспериментальных исследований разработаны методологические принципы и алгоритм построения электромагнитных технологий в растениеводстве, обоснована низкоэнергетическая электромагнитная технология активации семян и технические средства для ее реализации. Данная технология приводит к повышению всхожести тепличных культур на 16 - 20%, энергии роста - на - 13 - 15%, сохранение растений за период вегетации - на - 12%, урожайности - на - 25 - 40%.

Основные результаты диссертации нашли практическое использование в технологическом процессе выращивания овощных культур в условиях защищенного грунта, а также в реализации методологии построения низкоэнергетических электромагнитных технологий в растениеводстве.

Ключевые слова: низкоэнергетические электромагнитные технологии, информационно-резонансное влияние, биотропные параметры, семена.

врожайність тепличний насіння

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У вирішенні продовольчої проблеми України велику роль відіграє виробництво овочевої продукції протягом всього року, що можливе лише при використанні технологій захищеного ґрунту. В Україні на одного мешканця припадає близько 0,25 м² площі захищеного ґрунту, тоді як у Франції - 5,6м², у Нідерландах - 5,4 м² . Тобто, для задоволення потреби населення країни у тепличній продукції, необхідно існуючі площі збільшити у декілька разів. Разом із тим, аналіз літератури та досвід країн із розвинутою галуззю рослинництва свідчать, що перспективним є не просте нарощування посівних угідь, а максимальне підвищення продуктивності рослин.

Середня врожайність огірків та томатів в Україні (найбільш розповсюджених овочів у теплицях) складає 8,5 - 9,0 кг/м², тоді як їх потенційна врожайність може досягти 30 - 35 кг/м². Однак, реалізувати такий потенціал у середньому по країні вдається лише на 20 - 30%. Головними чинниками такого положення є недотримання технології, використання насіння з низькими посівними якостями та відхилення від норми кліматичних факторів, що впливають на ріст та продуктивність тепличних рослин. Частка застосування некондиційного насіння за останні роки виросла до 90%. Внаслідок цього знижується врожайність до 30%, що веде за собою підвищення трудозатрат, енергозатрат та собівартості продукції.

Слід також зазначити, що на отримання всього 1% збільшення врожайності овочевих припадає біля 5% антропогенних витрат, знизити які можливо за умов розроблення нових, менш енергоємних технологій, у тому числі технологій активації насіння. У початковий період свого розвитку рослини тісно пов'язані з насінням, отримуючи від них необхідні для росту та розвитку живильні речовини та будівельний матеріал. У цей період зовнішні фактори роблять найбільш сильний вплив на насіння, викликаючи в них структурні зміни та створюючи передумови для стимуляції або пригнічення процесів життєдіяльності рослин у наступні періоди їх розвитку.

Найбільш ефективними, енергозберігаючими та екологічно чистими є електромагнітні технології передпосівної обробки насіння.

Керуючись інформаційно-резонансною взаємодією електромагнітних випромінювань із біологічними об'єктами, з'являється можливість заміни традиційних технологій на електромагнітні з інформаційним рівнем впливу на насіння тепличних культур з метою підвищення їх урожайності.

Накопичений досвід у вивченні реакцій біологічних об'єктів на вплив низькоенергетичного електромагнітного випромінювання показує, що інформаційна дія електромагнітного поля на метаболічні процеси в біооб'єктах відбувається лише при певному поєднанні його параметрів (частоти, потужності, модуляції, стабільності частоти джерел випромінювання).

Однак, народногосподарська проблема підвищення врожайності культур рослинництва в закритому ґрунті пов'язана зі значними труднощами через відсутність як теоретичних робіт, що досліджують процеси взаємодії низькоенергетичних електромагнітних полів з насінням із урахуванням їх морфологічної будови, електрофізичних властивостей, внутрішніх електромагнітних полів, так і джерел надвисокої частоти з вихідною потужністю 4000 - 5000 мВт та відносною нестабільністю частоти 10^-6 - 10^-7 .

Тому дослідження впливу електромагнітного поля на насіння, визначення технологічних параметрів їх передпосівної обробки та створення нових електромагнітних технологій є актуальними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дослідження за темою дисертаційної роботи проводилися протягом 1993 - 2008 рр. на базі Таврійського державного агротехнологічного університету відповідно до державних українських наукових програм: науково-технічної програми на 1991-1995 роки “Розвиток досліджень і використання НВЧ-енергії в АПК країни”; Постанови кабінету міністрів України від 22.06.1994 р. № 429 ”Про реалізацію пріоритетних напрямків розвитку науки й техніки”; науково-дослідної роботи “НВЧ - електроніка - народному господарству України” (1991-2000 рр.); Постанови кабінету міністрів України від 24 грудня 2001 р. № 1716 ”Про затвердження переліку державних наукових і науково-технічних програм пріоритетних напрямків розвитку науки й техніки на 2002 - 2006 роки”; науково-дослідної роботи ”Нові технології виробництва та переробки сільськогосподарської продукції”.

За планами НДР і ОКР були виконані такі роботи:

- науково-дослідна робота “Розробка засобів для забезпечення продовольчої безпеки Південного регіону України” (ДР №012U000678);

- науково-дослідна робота “Експериментальні дослідження із впливу ЕМП НВЧ-діапазону на біологічні об'єкти в сільському господарстві” (ДР №0107U008951);

- науково-дослідна робота “Аналіз проблем, пов'язаних із побудовою електротехнологій для обробки насіння на основі ЕМП” (ДР №0104U003720);

- науково-дослідна робота “Практичні аспекти застосування низькоенергетичного електромагнітного випромінювання в медицині й сільському господарстві” (ДР №0103U004246).

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є підвищення врожайності тепличних культур шляхом застосування електромагнітних технологій передпосівної обробки насіння на базі теоретичних положень активації насіннєвого матеріалу під впливом низькоенергетичного електромагнітного поля.

Для досягнення мети роботи поставлені наступні задачі:

- дослідити частотний діапазон, що викликає активацію насіння тепличних культур, на основі розробки математичної моделі резонансного поглинання низькоенергетичного електромагнітного поля;

- теоретично дослідити процес впливу низькоенергетичного електромагнітного поля на мембранний транспорт речовин у клітинах з метою визначення щільності потоку потужності й експозиції для їх обробки;

- дослідити та розробити високостабільні джерела надвисокочастотного випромінювання, що перебудовуються за частотою, у твердотільному виконанні для використання в електромагнітних технологіях активації насіння;

- дослідити та обґрунтувати метод додавання потужностей декількох джерел надвисокочастотного випромінювання;

- розробити методику й устаткування технічної системи контролю біоелектричних характеристик насіння для прогнозування результатів електромагнітного опромінення тепличних культур;

- провести експериментальні дослідження з впливу низькоенергетичного електромагнітного поля надвисокочастотного діапазону на насіння тепличних культур з метою уточнення технологічних параметрів, що викликають підвищення врожайності тепличних культур рослинництва.

Об'єкт дослідження. Процеси активації насіння тепличних культур під впливом низькоенергетичного електромагнітного поля.

Предмет дослідження. Закономірності впливу низькоенергетичного електромагнітного поля на активацію насіння та врожайність тепличних культур.

Методи дослідження. Теоретична складова розробки науково-технічних основ створення низькоенергетичних електромагнітних технологій активації насіння базується на застосуванні елементів системного аналізу, методів теоретичної й математичної фізики, теоретичних основ електродинаміки, електроніки й радіоавтоматики, методів розв'язування диференціальних і інтегро-диференціальних рівнянь, теоретичних методів біофізики.

Достовірність наукових положень встановлювалась на основі відповідності результатів теоретичних досліджень - математичних моделювань та обчислювальних експериментів результатам експериментальних досліджень та виробничих випробувань.

Експериментальні дослідження виконувались із використанням методу планування повного факторного експерименту з регресійним та дисперсійним аналізом отриманих даних. Проведення обчислювальних експериментів, оброблення експериментальних даних базувались на використанні програмних засобів.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що в даній роботі:

- вперше, на основі розробленої математичної моделі, отримано закономірності резонансного поглинання низькоенергетичного електромагнітного поля в насінні тепличних культур, які дозволяють визначити його частотний діапазон, що забезпечує активацію насіннєвого матеріалу;

- вперше отримано залежності зміни іонного струму в клітинах насіння та мембранного транспорту речовин під впливом низькоенергетичного електромагнітного поля, що дозволяють знайти щільність потоку потужності та експозицію для оборобки тепличних культур;

- одержала подальший розвиток теорія створення високостабільних, що перебудовуються за частотою, пристроїв надвисокочастотних випромінювань для передпосівної обробки насіння;

- вперше розроблен метод додавання потужностей джерел надвисокочастотного діапазону на основі відкритих бочкоподібних резонаторів;

- вперше запропонований метод біоелектричних потенціалів для визначення технологічних параметрів електромагнітного поля, що забезпечують підвищення врожайності тепличних культур;

- вперше математично інтерпретована залежність між біоелектричними потенціалами насіння тепличних культур і параметрами діючого на насіння електромагнітного поля (частота, щільність потоку потужності, експозиція).

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що:

- розроблено ефективну енергозберігаючу, екологічно безпечну електромагнітну технологію й технічні засоби передпосівної обробки насіння тепличних культур низькоенергетичним електромагнітним полем надвисокочастотного діапазону;

- для забезпечення оптимальних режимів обробки насіння тепличних культур, що призводять до підвищення врожайності, встановлено частотний діапазон, щільність потоку потужності та експозицію діючого електромагнітного поля;

- впровадження результатів дисертаційної роботи здійснено у плодоовочевому господарстві "Південна сільськогосподарська компанія", тепличному комплексі "Оксамит" Миколаївської області Жовтневого району, фермерському господарстві Мелітопольського району Запорізької області;

- результати теоретичних і практичних розробок використовуються з 2005 року в навчальному процесі при викладанні курсу „Електротехнології в аграрному виробництві” в Таврійському державному агротехнологічному університеті та Харківському національному технічному університеті сільського господарства імені Петра Василенка.

Особистий внесок здобувача. Нові наукові результати дисертації отримані здобувачем особисто. У наукових працях, написаних у співавторстві, особистий внесок здобувача полягає в такому: у наукових працях [1,2] автору належить розроблення теоретичних положень, пов'язаних із впливом резонансно-періодичного режиму опромінення на розсаду огірків та обґрунтування моніторингу біологічних об'єктів на основі використання в них резонансних явищ; у роботах [11,16] автор провів теоретичні дослідження з розрахунку резонансних частот електромагнітних випромінювань у клітинах рослинних біосистем; у роботі [21] автор обґрунтував електрофізичну модель клітини і її резонансні властивості; у роботі [23,25] обґрунтована інноваційна технологія електромагнітної обробки насіння та технічних засобів експрес-контролю стану рослин.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень і матеріали, що включені до дисертації, доповідались і були обговорені на міжнародних, відомчих та вузівських науково-технічних конференціях, симпозіумах: “Вдосконалення зональних систем машин” (Київ, 1994 р.), “Науково-технічний прогрес в АПК” (м. Мелітополь, 1999-2007 рр.); “Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України” (м. Харків, 2000-2006 рр.); “Землеробська механіка на рубежі сторіч” (м. Мелітополь, 2001 р.); “Применение лазеров в медицине и биологии” (м. Ялта, 2001-2007 рр.); «Проблеми електрифікації та автоматизації сільського господарства», (м. Київ, 2002 р.); ”Научно-технический прогресс в инженерной сфере АПК России - использование и технический сервис машинно-тракторного парка в сельском хозяйстве”. (м. Москва, ГОСНИТИ, 2004 р.); “Автоматизация сельскохозяйственного производства” (м. Углич, РАСХН, ВНИИМЭСХ (ГНУ ВИМ), 2004 р.), «Перспективні інформаційні технології і проблеми управління ризиками на порозі нового тисячоліття» (м. Санкт-Петербург, 2000 р.); “Актуальные проблемы развития АПК” (м. Волгоград 2005 р.); «Науково-інноваційна діяльність і підприємництво в АПК» (м. Мінськ, 2007 р.); “Технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві” (с.м.т. Глеваха, 2007 р.).

Розроблена електромагнітна технологія та технічні засоби експонувались на Міжнародній виставці «Урожай - 2004» (м. Мелітополь, 2004 р.); Міжнародній виставці «АГРО-2005» (м. Київ, 2005 р.), VII Московському Міжнародному салоні інновацій та інвестицій (м. Москва, 2007 р.).

Публікації. Основні результати досліджень викладені у 28 друкованих працях, у тому числі 1 патенті на винахід та 1 тезі доповідей наукової конференції.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків та додатків. Повний обсяг дисертації становить 302 сторінки, список використаних джерел містить 224 найменування, має 70 ілюстрацій, 11 таблиць, 5 додатків на 25.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертації, формулюється наукова проблема, що вирішується; розкривається її сутність і стан; висвітлюється зв'язок роботи з програмами, планами та темами науково-дослідної роботи; формулюється мета і наукові задачі дослідження; визначається наукова новизна та практичне значення одержаних результатів; визначається особистий внесок здобувача в надрукованих роботах; надається інформація щодо апробації дисертаційних досліджень; наводиться перелік робіт, що надруковані з теми дисертації.

У першому розділі «Стан та напрямок вирішення проблеми активації насіння і підвищення врожайності тепличних культур» розкривається об'єктивна реальність низької врожайності культур рослинництва в спорудах закритого ґрунту. Середня врожайність, за даними великих підприємств, становить 10 - 15 кг/м², що на 40 - 50% нижча потенційно можливої.

Аналіз літературних джерел показує, що підвищення врожайності тепличних культур можливе за рахунок методів активації насіння. У наш час відомі хімічні, біологічні й фізичні методи активації насіння.

Хімічні методи передбачають оброблення посівного матеріалу регуляторами росту, інгібіторами, мікродобривами, солями макроелементів.

До біологічних методів належать стимулятори ростових процесів на основі продуктів життєдіяльності мікроорганізмів, грибів, суспензій, бактерій, які підвищують урожайність тепличних культур до 10%. До недоліків цих методів варто віднести їх негативний вплив на навколишнє середовище й можливість накопичування в біомасі рослин, що приводить до інтоксикації й хронічних захворювань людини.

До фізичних методів обробки насіння відносять термічний, фізико-механічний, фотоенергетичний, радіаційний, магнітний і енергетичний.

Термічний - передбачає витримку насіння протягом тривалого часу при постійній температурі або його нагрівання підігрітою парою з температурою 150єС. Цей спосіб підвищує стійкість технічних культур до 10%, однак є тривалим і енергоємним.

Фізико-механічний - пов'язаний з обробкою насіння повітрям або киснем. Незважаючи на простоту, цей метод тривалий, важко контролюється та є пожежонебезпечним.

Застосування ультразвуку для передпосівної обробки насіння пов'язане із впливом звукових коливань на внутрішньоклітинні процеси, що відбуваються у насінні. У зв'язку зі своєю неоднозначністю та високою ціною обладнання, він не знайшов широкого застосування.

Фотоенергетичні способи використовуються як для обробки насіннєвого матеріалу, так і вегетучих рослин, дають збільшення врожаю до 11%. Головною перевагою фотоенергетичного методу є екологічна чистота обробки.

Використання радіаційного методу для активації насіння приводить до незначного збільшення врожайності й пов'язане з підвищеним ризиком радіаційного зараження.

Застосування поливної води, обробленої постійним магнітним полем, дозволяє збільшити енергію проростання насіння на 3...8%, а врожайність - до 16%. Однак, цей метод не знайшов масового використання.

Аналіз електромагнітних технологій у сільському господарстві показав, що в рослинництві екологічно чистою, ефективною та енергозберігаючою, сприяючою підвищенню врожайності тепличних культур на 40 - 50%, може бути електромагнітна технологія на основі низькоенергетичних електромагнітних полів.

Попередніми дослідженнями встановлено, що при низькоенергетичному впливі електромагнітного поля на насіння бажаний біологічний ефект може бути отриманий тільки при оптимальному поєднанні його технологічних параметрів (частоти, потужності, експозиції, модуляції).

Теоретичні й експериментальні дослідження останніх років, що проведені під керівництвом Н.Д. Девяткова, Є.М. Нефедова, Ф.І. Ізакова, І.І. Мартиненко, І.Ф. Бородіна, Г.Б. Іноземцева, Л.С. Червінського, Л.Ф. Кучина, О.Д. Черенкова, А.С. Черепньова та інших свідчать, що метаболічні процеси в біологічному об'єкті пов'язані з наявністю інформаційних процесів на основі електромагнітних полів міліметрового діапазону довжин хвиль.

Біофізичний аналіз процесів на молекулярному рівні в біооб'єктах показав, що інформаційна дія низькоэнергетичного електромагнітного поля спрямована на азотисті структури ДНК, з якими пов'язаний механізм спадковості й мутацій, причому граничне значення енергії електромагнітного поля повинно перевищувати рівень слабких нековалентних зв'язків у макромолекулі: іонних взаємодій, водневих зв'язків і вандервальсових взаємозв'язків. При цьому платність потоку потужності повинна знаходитись в інтервалі від десятків мкВт/см² до одиниць мВт/см². Біологічна дія низькоенергетичного електромагнітного поля надвисокочастотного діапазону виявлена на клітинному рівні та пов'язана з резонансним характером поглинання електромагнітних випромінювань. Резонансний характер поглинання визначається тим, що між ядром і клітинною оболонкою, заряджених різнополярно, перебувають білки-вібратори, відповідальні за резонансне приймання електромагнітного випромінювання.

Пошуки первинних механізмів впливу низькоенергетичного електромагнітного поля на клітину йдуть паралельно з вивченням молекулярних принципів будови й функціонування мембран. Причому специфічні механізми впливу електромагнітного поля визначають відповідні електричні й магнітні властивості мембран молекул і процесів з їхньою участю.

При дослідженні взаємодії електромагнітного поля із біооб'єктами рослинного походження особливе значення має вибір параметрів, що характеризують стан насіння і рослин на різних стадіях органогенезу. З порівняльного оцінювання існуючих методів і способів контролю біооб'єктів було встановлено, що найбільш інформативним є метод біоелектричних потенціалів. Величина біоелектричних потенціалів відображає реальні процеси обміну речовин і нерозривно пов'язана з фізіологічним станом рослин.

Аналіз літературних джерел також показав, що для створення електромагнітних технологій передпосівної обробки насіння тепличних культур необхідні джерела надвисокочастотних коливань із високими вимогами за спектрально-флуктуаційними та енергетичними характеристиками, які можуть бути створені на основі лавино-пролітних діодів.

На основі проведеного аналізу, зроблено висновок про те, що застосування низькоенергетичного електромагнітного поля для підвищення врожайності рослин пов'язане з найменшими витратами енергії, у порівнянні з іншими методами, при найвищому впливі на інформаційні процеси в насінні і рослинах, оскільки основою життя є обмін речовин, енергії та інформації.

Таким чином, народногосподарська проблема підвищення врожайності культур рослинництва в закритому грунті при мінімальних енергозатратах залишається невирішеною. Для її вирішення необхідно розв'язати науково-прикладну проблему теоретичного обгрунтування застосування низькоенергетичних електротехнологій для передпосівної обробки насіння. Проведений теоретичний аналіз виконаних досліджень в даному напрямку дозволив нам висунути гіпотезу - якщо застосувати низькоенергетичне електромагнітне поле для активації насіння з певними технологічними параметрами, узгодженими з внутрішніми біологічними процесами, що протікають всередині рослинного організму, то можна очікувати максимального підвищення врожайності тепличних культур при мінімальних енергозатратах.

У другому розділі «Моделювання взаємодії електромагнітного випромінювання надвисокочастотного - діапазону з насінням тепличних культур» вирішувались перша та друга завдача досліджень, для чого розглянуто вплив низькоенергетичних коливань надвисокочастотного діапазону на біоенергетичні процеси, які відбуваються на клітинному рівні.

Одним з можливих факторів позитивної дії низькоенергетичного електромагнітного випромінювання на розвиток рослин є його вплив на транспорт іонів через мембрану клітини і живильних речовин із ендосперму всередину зернівки. Дослідження цього процесу можливо лише в тому випадку, коли відомо як розподіляється діюче електромагнітне поле на даних структурах.

Насіння тепличних культур подано у наближеному вигляді як сфера, що заповнена ендоспермом із зернівкою всередині. Сфера оточена тонкою шкіркою. Якщо розглядати дану систему як низько-добротний резонатор, то очевидно, що вона має спектр резонансних частот.

Визначення розподілу електромагнітного поля всередині зернівки зводилось до розв'язання задачі про розсіювання падаючої електромагнітної хвилі на багатошаровій структурі, що має форму вкладених сфер.

Для одержання необхідних результатів приймалось, що центр насіння збігається з центром прямокутної декартової системи координат, а плоска хвиля поширюється нормально до поверхні насіння, а її електричний вектор направлений по дотичній до поверхні. Крім того, для спрощення припускалось, що центр зернівки збігається з центром насіння.

Вважалось, що кожний з шарів насіння є однорідним, тобто має постійну діелектричну проникність. Діелектричну проникність середовища, що оточує насіння, позначено е₀, так само позначено і проникність шкірки; проникність ендосперму позначено е₁, а зернівки - е₂ .

Для розвязання задачі падаюче поле розкладалось за двома векторними сферичними хвильовими функціями і .

Функції й отримувались з і за допомогою заміни на функцію Ханкеля другого роду напівцілого порядку , при цьому слід зазначити, що знак плюс ставився до падаючих полів, а мінус - до розсіяних.

З урахуванням деформації зернівки, був отриманий розв'язок для електричної й магнітної складової внутрішнього поля зернівки

Ступінь викривлення розподілу, що розглядається, буде залежати від ступеня деформації зернівки, тобто від величини параметра б.

Таким чином, на основі математичної моделі отримані закономірності резонансного поглинання електромагнітного поля в насінні тепличних культур, які дозволяють визначити його частотний діапазон, що забезпечує активацію насіння. Для тепличних культур він складає 37 - 38 ГГц.

Для визначення щільності потоку потужності й експозиції електромагнітного поля, що впливає на насіння тепличних культур, було проведено теоретичне дослідження дії даного поля на мембранний транспорт речовин.

У результаті теоретичних досліджень було отримано вираз для іонного струму, обумовленого дією надвисокочастотного поля:

Чисельний аналіз виразу дозволив визначати щільності потоку потужності і експозицію електромагнітного поля для обробки насіння.

Таким чином, на підставі теоретичних досліджень з впливу низькоенергетичного електромагнітного поля на мембранний транспорт речовин в рослинах, отримані залежності зміни іонного струму в клітинах насіння, що дозволило визначити щільність потоку потужності та експозицію діючого електромагнітного поля. Для тепличних культур щільність потоку потужності складає 10 - 15 мкВт/см², експозиція - 10 - 15 хвилин.

У третьому розділі «Теоретичне обґрунтування створення високостабільних за частотою джерел надвисокочастних випромінювань у твердотільному виконанні» вирішувалась третя та четверта задачі досліджень. Було проведено обгрунтування зі створення джерел надвисокочастотних випромінювань для передпосівного оброблення насіння тепличних культур з визначенням вимог за спектральними та флуктуаційними характеристиками. Показано, що традиційно відомі методи побудови радіоелектронних пристроїв не відповідають високим вимогам, специфічним для електромагнітних технологій у рослинництві. Тому було розглянуто питання створення джерел надвисокочастотних випромінювань у твердотільному виконанні, які поряд з вихідною потужністю повинні задовольняти вимогам за стабільністю частоти.

Аналіз методів стабілізації частоти таких джерел показав, що для цілей електромагнітних технологій варто використовувати метод стабілізації частоти за допомогою високодобротних зовнішніх резонаторів. Для задоволення вимог за найбільшою вихідною потужністю 4000 - 5000 мВт і відносною нестабільністю частоти 10^-6 - 10^-7 була досліджена схема генератора на лавино-пролітному діоді (ЛПД) з резонатором, увімкнутим за схемою на відбиття. Для оптимізації енергетичних, спектральних і конструктивних характеристик генератора, активним елементом якого є ЛПД, було отримано значення активної й реактивної провідності ЛПД з урахуванням параметрів корпусу:

Для дослідження частотних і енергетичних характеристик генератору на ЛПД було обрано радіально-хвилеводну систему.

Коливальна система генератора на ЛПД являє собою прямокутний хвилевід перерізом 7,2Ч3,4 мм, у центрі якого розташовані циліндричні металеві стрижні з радіусом r₁ і r_2. На торці стрижня з радіусом r₁ у Н-площині укріплений диск радіусом . Положення диска впливає на частоту й потужність коливань, що генеруються. Для визначення резонансних частот генератора на ЛПД було отримано рівняння:

Зміна вихідної потужності генератора на ЛПД у діапазоні частот 36 - 39 ГГц для різних розмірів диска було отримано з виразу:

Чисельний аналіз отриманих результатів показав, що зі збільшенням висоти радіальної лінії (h) частота генерації зменшується, а зменшення діаметра диска приводить до збільшення частоти генерації. Максимальна смуга частот перебудови при зміні h від 0,2 мм до 0,6 мм становить 20%. Максимальний рівень вихідної потужності становить 620 мВт при висоті радіальної лінії h = 0,4 мм і відношенні d/a = 0,52, при цьому коефіцієнт корисної дії генератора становить 14%.

Таким чином, для розроблення генератора на лавинопролітних діодах з вихідною потужністю 4 - 5 Вт в діапазоні частот 36 - 39 ГГц запропоновано використовувати радіально-хвилеводний резонатор з параметрами: радіальна висота лінії h = 0,4 мм; відношення діаметра диска до ширини хвилеводу .

Для стабілізації частоти генератора на ЛПД був застосований зовнішній високодобротний резонатор, що може збільшувати стабільність частоти генератора до двох порядків. Для аналізу стабільності частоти була розглянута еквівалентна схема генератора на ЛПД.

Елементи L_ш, C_ш, C_вт, C_в характеризують параметри штиря у хвилеводі, величина яких визначається розрахунковим шляхом. ЛПД поданий елементами C_k, L_s, R_s, C_j, G_d. Зовнішній резонатор характеризується елементами G_p, C_p, L_p. Відстань від осі струмопровідного штиря до площини отвору зв'язку враховано відрізком лінії l₁, а наявність діафрагми зв'язку відбито введенням ідеального трансформатора й додатковою лінією l₂. Ступінь зв'язку резонатора з хвилеводним трактом визначалася відношенням Q₀/Q_в (Q₀ і Q_в - зовнішня й власна добротності резонатора, відповідно). Навантаження генератора Z_в приймається узгодженим.

Для визначення втрат потужності (L) на стабілізацію частоти, коефіцієнта S і зовнішньої добротності генератора були отримані вирази:

де G_C2 й G_H2 - відповідні активні складові провідності надвисокочастотної системи і навантаження генератора на клемах 2-2';

індекс с₂ ставиться до стабілізованого, а н₂ - до генератора із закороченим зовнішнім резонатором;

щ₀ - частота нестабілізованого генератора.

З аналізу залежностей витікає, що при перебудові частоти зовнішнього резонатора втрати потужності на стабілізацію (L) на ділянці щ_р/щ₀ < 1 кривої менші, ніж на ділянці щ_р/щ₀ > 1. Крім того, на відрізку щ_р/щ₀ > 1 є ділянка, де втрати на стабілізацію частоти практично незмінні.

Проведені розрахунки показують, що за рахунок зовнішнього стабілізуючого резонатора відносна нестабільність частоти генератора на ЛПД може становити 10^-6 - 10^-7 .

Отже, для отримання відносної нестабільності частоти генератора на лавинопролітних діодах у межах 10^-6 - 10^-7 запропоновано зовнішній стабілізуючий резонатор із власною добротністю - (2 - 5) *10³, зовнішньою - 10³.

Як суматор потужності декількох ГЛПД був використаний високодобротний відкритий бочкоподібний резонатор (ВБР). Концентрація поля в азимутальній площині визначається радіусом кривизни R₁, а в меридіанному напрямку радіусом кривизни R₂. Таким чином, форма резонатора нагадує бочку і правильний вибір радіусів R₁ і R₂ забезпечує малі втрати й високе значення добротності резонатора.

Для визначення власних частот ВБР було прийнято вираз:

Як видно із залежностей можливі індекси порушуваної моди коливань для частоти 37,5 ГГц будуть рівні: m = 5; p = 3; q = 1, для частоти 37,3 ГГц - m = 11; p = 1; q = 1.

Таким чином, для одержання потужності 4 - 5 Вт у діапазоні частот 36 - 39 ГГц, запропоновані як суматори потужності відкриті бочкоподібні резонатори з параметрами: радіус резонатора в середній площині - 20 мм; у меридіональному перерізі - 40 мм; порушувані моди коливань m = 5, р = 3, q = 1 (частота 37,5 ГГц) та m = 11, р = 1, q = 1 (частота 37,3 ГГц).

Задача з розміщення ЛПД у ВБР пов'язана з визначенням структури електромагнітного поля.

У результаті перетворень було отримано вирази для компонентів поля у ВБР для хвилі ТМ-коливання:

З топології структури поля витікає, що ЛПД варто розташовувати в пучності ЕМП (темне засвічення), а підстроювання за частотою здійснювати зміною напруги зсуву на одному з діодів.

Проведений аналіз показав, що для одержання потужності 4 - 5 Вт, у діапазоні частот 36 - 39

Таким чином, встановлено, що у суматорі потужності на основі відкритих бочкоподібних резонаторів (добротність до 70•10³) можна розташовувати в пучностях електромагнітного поля до 10 лавинопролітних діодів.

У четвертому розділі «Експериментальні дослідження з впливу низькоенергетичного електромагнітного надвисокочастотного поля на насіння тепличних культур» вирішуются п'ята та шоста завдачі дослідження, для чого проведені експериментальні дослідження з реалізації електротехнічного комплексу, що складається з джерела надвисокочастотного випромінювання, технологічного обладнання для розміщення насіння та програмно-апаратного комплексу для контролю реакції рослинного організму на дію зовнішнього електромагнітного поля та результати передпосівного обробки насіння тепличних культур.

Для передпосівної обробки насіння у лабораторних умовах (за результатами теоретичних і експериментальних досліджень) було розроблено генератор на ЛПД, що перебудовується за частотою з параметрами: частотний діапазон 36 - 39 ГГц; короткочасна нестабільність частоти ; вихідна потужність 5000 мВт; ККД 13%.

Для визначення оптимальних технологічних параметрів низькоенергетичного електромагнітного поля, що забезпечують підвищення врожайності тепличних культур, запропоновано метод біоелектричних потенціалів.

Для експериментальних досліджень із рослинами обрано насіння томатів і огірків. Метою досліджень було вивчення дії низькоенергетичних електромагнітних полів надвисокочастотного діапазону на первинні процеси метаболізму рослини для уточнення технологічних параметрів електромагнітного поля. Застосовувалось повнофакторне планування другого порядку. Як функція відгуку була прийнята різниця біоелектричних потенціалів між зародком та просторово-протилежною локальною областю оболонки насіння. Як вхідні контрольовані фактори обрані частота, щільність потоку потужності та експозиція.

Після проведення виміру й розрахунків були отримані рівняння регресії для огірків і томатів:

У результаті експерименту були отримані оптимальні параметри електромагнітного поля для передпосівного оброблення насіння огірків і томатів:

Х_1oг = 37,25 ГГц; Х_{2 oг} = 11,8 мкВт/cм²; Х_{3 oг} = 8,35 хв.;

Х_1тoм = 37,705 ГГц; Х_{2 том} = 7,35 мкВт/см²; Х_{3 том} = 8,55 хв.

Вплив електромагнітного поля із визначеними технологічними параметрами на хромосомні аберації насіння огірків і томатів було вивчено в лабораторіях Харківського національного аграрного університету ім. В. В. Докучаєва було вивчено

Як видно із проведеного експерименту, хромосомні аберації насіння огірка були максимальними на частоті 37,25 ГГц і склали 10,6 ± 0,01%. На частотах 36,25 ГГц і 38,25 ГГц відсоток хромосомних аберацій значно зменшився порівняно із частотою 37,25 ГГц і склав 5,3% і 6%, відповідно.

Результати досліджень з насінням томата показали, що хромосомні аберації рослини на частоті 36,705 ГГц склали 5,8%, на частоті 38,705 ГГц - 6,2%, а на частоті 37,705 ГГц - 11,3 0,01%.

У контрольному насінні хромосомні аберації не перевищували величини 2,6 0,01%.

Польовий експеримент показав, що схожість насіння огірка була максимальною на частоті 37,25 ГГц з експозицією 8,5 хв., щільністю потоку потужності 11,8 і склала 89%. Контрольна партія мала цей показник на рівні 65%. На частотах 36,25 ГГц і 38,25 ГГц вона відрізнялася від контрольної на 5 - 8%.

Результат: встановлено параметри, що забезпечують активацію життєдіяльності насіння огірків: частота - 37,25 ГГц; щільність потоку потужності - 12 мкВт/см², відносна нестабільність частоти 10^-6; експозиція 8,5 хв.

В експерименті з насінням томатів схожість була максимальною на частоті 37,705 ГГц і склала 88% для експозиції 8,5 хв. і щільності потоку потужності 1,5 . У контрольному насінні даний показник дорівнював 67%.

Результат: отримано параметри, що забезпечують активацію життєдіяльності насіння томатів: 37,705 ГГц; щільність потоку потужності - 7,5 мкВт/см², відносна нестабільність частоти - 10^-6; експозиція - 8,5 хв.

Експериментальні дослідження кількості хлорофілу «а» у листі огірків сорту «ТСХА-575» показали, що при обробленні їх насіння електромагнітним полем з частотою 37,25 ГГц з експозицією 8,5 - 12 хвилин було отримане збільшення вмісту хлорофілу у порівнянні з контрольним насінням - на 0,98 мг/г. Зі зменшенням експозиції до 5 хвилин вміст хлорофілу «а», відносно контрольного насіння, склав менше 0,13 мг/г. У контрольному насінні цей показник був на рівні 0,24 мг/г.

Вміст хлорофілу «а» у кільчиках томату з насіння, опромінених електромагнітним полем з частотою 37,705 ГГц збільшився, в порівнянні з контролем, на 1 мг/г. При експозиції 12 хв. відзначено збільшення хлорофілу «а» усього на 0,12 мг/г у порівнянні зі вмістом хлорофілу при експозиції 8,5 хв. і на 1,12 мг/г - у порівнянні з контролем.

При зміні щільності потоку потужності як для огірків, так і для томатів не було виявлено істотних розходжень у вмісті хлорофілу в кільчиках при опроміненні насіння електромагнітним полем з експозицією 10 хв. з частотою 37,25 ГГц (для культури огірка) і з частотою 37,705 ГГц (для томата). У процесі експерименту із кільчиками було встановлено, що низькоенергетичні електромагнітні поля надвисокочастотного діапазону впливають на кількість азоту й фосфору в рослинах, що отримані з опроміненого насіння.

Порівнюючи вміст азоту в кільчиках огірків, насіння яких були оброблені електромагнітним випромінюванням з частотою 37,25 ГГц зі щільністю потоку потужності 11,8 протягом 5 хв., 8,5 хв., 12,0 хв. встановлено, що відсоток вмісту азоту у цих варіантах був вищий, ніж в контрольному насінні на 0,3%, 1,8%, 2,1%, відповідно. Вміст азоту в контрольному насінні кільчиків огірка складав 3,9%.

Вміст фосфору в кільчиках огірка, отриманих з насіння, що оброблено електромагнітним полем з частотою 37,25 ГГц та експозицією 5 хв., 8,5 хв. і 12,0 хв. склав збільшення стосовно контрольної партії на рівні 0,4%, 2,1%, 2,3%, відповідно. У контрольній партії кількість фосфору не перевищувало 6,1%.

Результати процентного вмісту азоту в кільчиках томату «Rinato» з насіння, опромінених електромагнітним полем з частотою 37,705 ГГц з експозицією 5 хв., 8,5 хв., 12,0 хв показали, що стосовно контрольних кільчиків вміст азоту в дослідних кільчиках був вищий на 0,25%, 2,5%, 2,6 %, відповідно. У контрольних кільчиках вміст азоту не перевищував 4,5%.

З результатів урожайності огірків і томатів видно, що передпосівне оброблення насіння огірків і томатів електромагнітним полем з певними параметрами збільшує врожай огірків і томатів стосовно контрольного насіння на 39% і 24,6%, відповідно.

Висновок: експериментально встановлено, що передпосівне оброблення насіння огірків і томатів низькоенергетичними електромагнітними полями надвисокочастотного діапазону підвищує проростання на 16 - 20%; енергію росту - на 13 - 15%; урожайність - на 25...40% порівняно з контрольним насінням.

У п'ятому розділі «Практична реалізація роботи» на основі проведених досліджень розроблені технічні пристрої й методика передпосівного оброблення насіння тепличних культур у виробничих умовах.

Для передпосівного оброблення насіння тепличних культур електромагнітним полем у виробничих умовах створена установка з такими технічними характеристиками:

- діапазон робочих частот 37 - 38 ГГц;

- вихідна потужність 4,5 Вт;

- відносна нестабільність частоти 10^-7;

- крутизна електронної перебудови 40 МГц/мА;

- установлена потужність 50 Вт;

- кількість оброблюваного матеріалу 20 кг/год;

- маса 5 кг.

ВИСНОВКИ

1. Вплив електромагнітного поля на насіння з метою його активації є не до кінця визначеним. У роботі досліджено проблему активації насіння тепличних культур під дією низькоенергетичних електромагнітних полів.

2. На основі математичної моделі отримано закономірності резонансного поглинання електромагнітного поля в насінні тепличних культур, які дозволяють визначати його частотний діапазон, що забезпечує активацію насіння. Для тепличних культур він складає 37 - 38 ГГц.

3. На підставі теоретичних досліджень з впливу низькоенергетичних електромагнітних полів на мембранний транспорт речовин в рослинах, отримано залежності зміни іонного струму в клітинах насіння, що дозволяють визначати щільність потоку потужності та експозицію діючого електромагнітного поля. Для тепличних культур щільність потоку потужності складає 10 - 15 мкВт/см², експозиція - 10 - 15 хв.

4. Запропоновано, для розроблення генератора на лавинопролітних діодах з вихідною потужністю 4 - 5 Вт в діапазоні частот 36 - 39 ГГц, використовувати радіально - хвилеводний резонатор з параметрами: радіальна висота лінії h = 0,4 мм; відношення діаметра диска до ширини хвилеводу .

5. Для отримання відносної нестабільності частоти генератора на лавинопролітних діодах у межах 10^-6 - 10^-7 запропоновано зовнішній стабілізуючий резонатор із власною добротністю - (2 - 5)·10³, зовнішньою - 10³.

6. Для одержання потужності 4 - 5 Вт у діапазоні частот 36 - 39 ГГц запропоновані як суматори потужності відкриті бочкоподібні резонатори з параметрами: радіус резонатора в середній площині - 20 мм; у меридіональному перерізі - 40 мм; порушувані моди коливань m = 5, р = 3, q = 1 (частота 37,5 ГГц) та m = 11, р = 1, q = 1 (частота 37,3 ГГц).

7. Встановлено, що у суматорі потужності на основі відкритих бочкоподібних резонаторів (добротність до 70• 10³) можна розташовувати в пучностях електромагнітного поля до 10 лавинопролітних діодів.

8. Для визначення оптимальних технологічних параметрів низькоенергетичного електромагнітного поля, що забезпечують підвищення врожайності тепличних культур, запропоновано метод біоелектричних потенціалів.

9. Встановлено параметри, що забезпечують активацію життєдіяльності насіння огірків: частота - 37,25 ГГц; щільність потоку потужності - 12 мкВт/см², відносна нестабільність частоти 10^-6 ; експозиція 8,5 хв.

10. Встановлено параметри, що забезпечують активацію життєдіяльності насіння томатів: 37,705 ГГц; щільність потоку потужності - 7,5 мкВт/см², відносна нестабільність частоти - 10^-6 ; експозиція - 8,5 хв.

11. Експериментально встановлено, що передпосівне оброблення насіння огірків і томатів низькоенергетичними електромагнітними полями надвисокочастотного діапазону підвищує проростання - на 16 - 20%; енергію росту - на 13 - 15%; урожайність - на 25 - 40% , у порівнянні з контролем.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Никифорова Л.Є. До пошуку режимів та діапазонів ефективного впливу на життєдіяльність сільськогосподарських біологічних об'єктів / Л.Є. Никифорова, А.Г. Сабо // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. - Мелітополь, 2000. - Вип. 1, Т. 11. - С. 44 - 47.

2. Никифорова Л.Є. Використання резонансних явищ для моніторингу і впливу на життєдіяльність сільськогосподарських біологічних об'єктів / Л.Є. Никифорова, А.Г. Сабо // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. - Мелітополь, 2001. - Вип. 1, Т. 18. - С. 56 - 60.

3. Никифорова Л.Є. Багатоканальний автоматичний пристрій для діагностування стану сільськогосподарських біооб'єктів / Л.Є. Никифорова // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. - Мелітополь, 2001. - Вип. 1, Т. 19. - С. 88 - 91.

...