На правах рукописи

Чудин Сергей Александрович

ПРЕДПОСЕВНАЯ ОБРАБОТКА СЕМЯН ЛЮЦЕРНЫ

С ПОМОЩЬЮ ОПТИЧЕСКОГО КВАНТОВОГО ГЕНЕРАТОРА

Специальность 05.20.02. – Электротехнологии и

электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Краснодар - 2008

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Магеровский Владимир Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Газалов Владимир Сергеевич кандидат технических наук, профессор Симонов Николай Михайлович

Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет»

Защита состоится 24 сентября 2008 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 220.038.08. при Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет» по адресу: 350044, г. Краснодар, ул. Калинина 13, КубГАУ, корпус факультета энергетики и электрификации, ауд.

№4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет».

Автореферат размещен на сайте http://www.kubagro.ru Автореферат разослан 24 августа 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор С.В. Оськин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Решением многих проблем АПК и основным условием дальнейшего развития животноводства является создание прочной кормовой базы. Для выполнения этой задачи важно не только увеличение валового сбора кормов, которые в достаточном количестве содержат белки, незаменимые аминокислоты, витамины, минеральные вещества, но и повышение их питательной ценности. В кормах Северного Кавказа, состоящих в основном из кукурузы, соломы зерновых хлебов и корнеплодов содержится недостаточное количество протеина, что снижает усваиваемость питательных веществ, ведет к перерасходу кормов на единицу животноводческой продукции. Поэтому в решении этой проблемы имеет место расширение посевных площадей и повышение урожайности многолетних бобовых трав: люцерны, эспарцета, клевера красного.

Люцерна – основная бобовая культура, дающая высокобелковые корма, сено, сенаж, травяную муку, гранулы, которые используют в кормлении различных видов животных и птиц. Посевная площадь люцерны в Краснодарском крае составляет около 400тыс. га. Это 10,3% от общей посевной площади в России.

Главная задача - повышение урожайности культур за счет рационального использования посевных угодий и получение экологически чистых продуктов. В этом плане в научных центрах уделяется большое внимание разработке методов воздействия на сельскохозяйственные культуры различными физическими факторами, оказывающими стимулирующее влияние на рост и развитие растений и, в конечном счете, на урожайность самих культур.

Растения или их семена облучают светом современных искусственно созданных источников излучения - лазеров. Вопросы предпосевной обработки освещены в работах академика И.Ф. Бородина, сегодня понимание биоэнергетических процессов дает стимул казалось бы далеким друг от друга отраслям – нанотехнологии, биоэнергетике и сельскому хозяйству. Можно с уверенностью сказать, что «фотонная накачка» семян оборачивается весомой прибавкой урожая, и осуществляется она с помощью комплекса методов – приемов лазерной агротехники. Определение режимов и параметров предпосевной обработки семян люцерны, построение новых установок является актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является улучшение посевных качеств люцерны путем воздействия на семена лазерного излучения синей области спектра с разработкой конструктивных и режимных параметров установки для предпосевной обработки семян сельскохозяйственных культур.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследований:

1. Разработать математическую модель внутрирезонаторных процессов лазерной системы для предпосевной обработки 2. Определить рациональные типы кристаллов для построения лазерной системы для предпосевной обработки семян 3. Определить способы анализа математической модели внутрирезонаторных процессов.

предпосевной обработки семян люцерны.

5. Экспериментально определить степень влияния лазерного излучения синей области спектра на посевные качества 6. Разработать установку для эффективной предпосевной экспериментальное исследование.

7. Произвести технико-экономическое обоснование применения предпосевной обработки семян лазерным излучением синей области спектра.

Объектом исследования является лазерная система, излучающая в синей области спектра, технологический процесс по предпосевной обработке лазерным излучением синей области спектра семян люцерны сорта Славянская.

Предмет исследования: характеристики лазерной системы, режимы и параметры предпосевной обработки семян люцерны лазерным излучением.

Методы исследований базируются на теоретических основах оптики, электроники, электротехники, биологии, вычислительной математики, компьютерного программирования и моделирования, теории планирования эксперимента, методах теории вероятности и математической статистики.

Рабочая гипотеза: улучшение всхожести семян люцерны может быть достигнуто путем улучшения посевных качеств при предпосевной обработке с использованием лазерного излучения синей области спектра - 457 нм.

Научная новизна заключается в следующем:

внутрирезонаторных процессов в лазерной системе для предпосевной обработки семян люцерны, состоящей из двух элементов - Nd:LSB (скандоборат лантана, активированный ионами неодима - Nd3+:LaSc3(BO3)4) и КТP (калий-титанил фосфат KTiOPO4), излучающей в синей области спектра - 457нм.

прорастания и всхожести, определяющие рациональные параметры предпосевной обработки семян люцерны лазерным излучением синей области спектра.

Практическая значимость результатов работы:

- на основе лабораторных опытов и регрессионных моделей определены режимы и параметры предпосевной обработки семян люцерны лазерным излучением синей области спектра, позволяющие улучшить посевные качества;

- на основе теоретической модели внутрирезонаторных процессов и расчетов параметров макетного образца разработана и изготовлена лазерная система выходной мощностью 30 мВт, излучающая в синей области спектра 457 нм;

- на основе разработанной и изготовленной лазерной системы с учетом режимов и параметров предпосевной обработки предложена установка для предпосевной обработки семян люцерны лазерным излучением.

На защиту выносятся следующие положения:

- математическая модель внутрирезонаторных процессов в лазерной системе, излучающей в синей области спектра, экспериментальное исследование спектральных и энергетических характеристик данной системы;

параметров обработки лазерным излучением на посевные качества семян люцерны.

Реализация и внедрение результатов работы. Данные, представленные в работе, подтверждены актом внедрения технологического процесса предпосевной обработки семян люцерны лазерным излучением синего диапазона (крестьянское хозяйство «АНИСИМОВА Л.В.», с. Первореченское Динского района Краснодарского края), полевые испытания способа обработки семян люцерны проводились в течение трех лет, с 2003 по 2006 годы.

Апробация работы. Основные результаты исследований представлены автором на Четвертой Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике, Санкт-Петербург, 2002; Международной научно-практической конференции, Новочеркасск, 2003; Третьей межвузовской научной конференции, Краснодар, 2004; на теоретических семинарах Кубанского государственного аграрного университета.

Публикации. По теме диссертационных исследований опубликовано 12 научных работ, включая два свидетельства РФ о государственной регистрации программы для ЭВМ, одна статья опубликована в издании, рекомендованном ВАК.

Структура диссертационной работы и ее объем.

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и приложений. Основной текст изложен на 147 страницах, включая 28 таблиц, 27 рисунков. Перечень цитируемых источников содержит 130 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрывается актуальность темы исследований.

сельскохозяйственном производстве и проведен анализ лазерных агротехнологий, рассмотрена теория взаимодействия света на биологические системы растительного происхождения. Проведен анализ литературных источников в области предпосевной обработки семян физическими факторами. Ведущими организациями в России в данной области являются МГАУ, КубГАУ, СтГАУ, АЧГАА, ВНИПТИМЭСХ и др. Вопросы предпосевной обработки освещены в работах И.Ф. Бородина, Н.В. Цугленка, Г.П.

Стародубцевой, С.В. Оськина, В.В. Магеровского, В.С. Газалова, Н.М.

Симонова, Н.В. Ксенза, С.В. Вербицкой, М.Г. Барышева, Р.Б.

Севостьянова, Р.Б. Гольдман и других ученных.

Изучен опыт практического использования лазерных агротехнологий в СССР и России (Инюшин, 1973,1986; Бельский, 1987; Букатый, Карманчиков, 1999; Букатый, 2007, 2008), а также за рубежом.

Рассмотрены используемые в настоящее время установки предпосевной обработки семян, длина волны лазерного излучения для которых составляет 0,63-067 мкм (красная область спектра) и мощность лазерного излучения 20 – 50 мВт. К таким установкам относятся КЛ -11, КЛ-11М, КЛ-13, «Львов - 1 Электроника» [54], УЛПОС (Тула), ЛОС-25М, «БИОЛАЗЕР».

Указанные установки относят к типу КЛ (Красный Луч).

Учеными основное внимание уделялось действию на биологические системы широких участков спектра, различных по чистоте и условно обозначаемых как «красный» и «синий».

Впервые еще К. А. Тимирязев обнаружил, что фотосинтез зеленых растений имеет два пика: первый - в красной, а второй - в синей области спектра. Если потоки красного и синего света выровнять по энергии, то можно четко установить, что эффективность синих и красных лучей различна. Для фотосинтеза эффективны красные лучи, а для поглощения кислорода - синие (Инюшин, 1986).

Энергетический заряд кванта синего света оказывается почти вдвое сильней чем у красного кванта. Синие, более «мощные»

кванты могут поднимать электроны в возбужденных молекулах на более высокие энергетические уровни и давать им возможность преодолевать высокие энергетические барьеры в фотохимических реакциях. Синий свет активирует синтез азотсодержащих веществ.

Излучение синей области спектра более эффективно для обработки семян сельскохозяйственных растений перед посевом.

Также возможно комплексное воздействие синего света лазера при обработке семян.

Опираясь на литературные источники различных авторов, проводивших исследования процесса фотосинтеза и других процессов в растениях и семенах, можно сделать вывод, что более эффективное воздействие на посевные качества семян может оказать лазерное излучение синей области спектра. В связи с этим сформулирована цель и поставлены задачи исследований.

Во второй главе представлена теория лазерных систем, рассмотрена теория трехчастотных взаимодействий в лазерных системах, показан вывод укороченных уравнений. Сделан анализ активных, активно- нелинейных, нелинейных сред, которые возможно использовать при построении лазеров. Описан лазер, работающий по четырехуровневой схеме, изложены основные концепции моделирования лазерной системы. Записаны укороченные уравнения в приближении заданной интенсивности и заданного поля. При моделировании используется приближение заданной интенсивности. Описана четырехуровневая схема для активного элемента Nd:LSB. Описаны волны в лазерной системе.

ЛД АЭ НЭ

Рисунок 1 - Функциональная схема лазера, моделируемого в данной работе, ЛД – лазерный диод, АЭ – активный элемент, НЭ – Решена задача, показывающая зависимость показателя преломления от длины волны излучения, проходящего через лазерный материал. Аппроксимация дисперсии главных значений показателя преломления проведена полиномом Селмейера вида:

Полученные результаты использовались при моделировании лазерной системы на основе экспериментальных данных зависимости показателя преломления от длины волны излучения проходящего через кристалл, используя имеющиеся в наличии экспериментальные данные для используемых в системе элементов. Компьютерная программа – решение данной задачи реализована на языке С.

Также решена система уравнений – балансные (лазерные) плюс укороченные уравнения, записанные в приближении заданной интенсивности. Описание волн в системе приведено на рис 2.

Интенсивность пучка накачки определяется по формуле:

В системе имеются шесть волн: три прямых и три обратных.

Ip – интенсивность волны накачки;

I1 – интенсивность прямой волны с частотой 1;

I2 – интенсивность прямой волны с частотой 2;

a3 – амплитуда прямой волны с частотой 3;

I4 – интенсивность обратной волны с частотой 1;

I5 – интенсивность обратной волны с частотой 2;

a6 – амплитуда обратной волны с частотой 3.

В процессе ап - конверсии принимают участие все волны, имеющиеся в лазерной сисиеме.

Система уравнений записывается в виде:

После ряда преобразований, учитывая условия сопряжения на зеркалах, получаем:

Эта задача относится к краевым задачам методов математической физики. Численный метод, использованный при решении, - метод Рунге-Кутта-Мерсона. В данной главе приведены результаты численных расчетов зависимости КПД лазерной системы от ее параметров (на рис. 3 показана зависимость КПД лазерной системы от сечения пучка излучения накачки. Расчеты для плоскости ХУ кристалла KTP, процесса о+е->е.).

На рис. 4 показана область рациональных с технической точки зрения параметров лазерной системы.

Полученные результаты необходимо учитывать при построении лазеров. Расчеты выполнены для кристаллов – АЭ Nd:LSB, НЭ- KTP.

Рисунок 3 - Зависимость КПД лазерной системы от сечения Рисунок 4 - Поверхность, показывающая зависимость КПД системы от сечения пучка излучения накачки и длины исследования характеристик лазерной системы. При помощи спектрометра МДР-23 и SDL были исследованы спектральные характеристики выходного излучения лазерной системы (рис. 5), и при помощи прибора «Фотон-1М» была замерена мощность лазерной системы – она составила 30мВт. Лазер работает в одномодовом режиме, ширина спектральной линии излучения составляет 0,2 нм (уровень половины максимальной интенсивности излучения). Максимум приходится на длину волны 457,2нм, что удовлетворяет условиям поставленной задачи. Для данной задачи – обработки семян сельскохозяйственных растений - такое отклонение оказывается некритичным, также как и ширина спектральной линии излучения 0,2нм.

Рисунок 5 - Спектральные характеристики выходного Описаны экспериментальные исследования воздействия лазерного излучения синей области спектра на семена сельскохозяйственных растений - люцерны сорта Славянская.

Лабораторные исследования энергии прорастания и всхожести семян люцерны проводились согласно действующим в настоящее время стандартам. Экспериментально установлено, что при обработке семян люцерны сорта Славянская, районированных в Краснодарском крае, лазерным излучением с длиной волны 457 нм наблюдается увеличение всхожести семян. Всасывание влаги и относительное изменение массы 100 прорастающих семян, обработанных лазерным излучением, выше, чем у контрольных.

Зависимость всхожести от времени воздействия излучения лазера и излучения неоновой лампы носит характер насыщения.

Проведено планирование эксперимента. Дисперсия длины ростков люцерны минимальна при обработке семян излучением неоновых ламп 10 секунд и лазером синего света 10 секунд.

Получены уравнения регрессии для энергии прорастания и всхожести в зависимости от времени воздействия физических факторов: y 72,24 0,58 x1 0,24 x 2 0,37 x1 x 2 1,74 x1 - для энергии прорастания ; y 73,81 0,13 x1 x 2 2,54 x1 - для всхожести.

Составлены адекватные теоретические модели зависимости энергии прорастания от времени действия излучения неоновых ламп и лазера синего света. Исследования моделей на экстремум показали, что функция энергии прорастания не имеет экстремума в области варьирования факторов, а функция всхожести имеет максимум y =73,81. Данные, полученные по теоретической модели, согласуются с экспериментальными данными по критерию Фишера