CC BY
44
НТП И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА
УДК 621.374
Чёрная Мария Александровна, асп.
Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства им. Петра Василенко, ул. Артёма,
44, г. Харьков, Украина, 61002
АНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РЕЗОНАТОРНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ХЕМИЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ СЕМЯН ПОДСОЛНУХА
Проведен энергетический анализ резонаторной системы для измерения сверхслабого свечения семян подсолнуха.
Ключевые слова: семена подсолнуха; частота ЭМП; резонаторная система; хемилюминесценция семян. УДК 621.374
Чорна Марія Олександрівна, асп.
Харківський національний технічний університет сільського господарства ім. Петра Василенка, вул. Артема, 44, м. Харків, Україна, 61002
АНАЛІЗ ЕНЕРГЕТИЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК РЕЗОНАТОРНОЇ СИСТЕМИ ДЛЯ ВИМІРУ ХЕМІЛЮМІНЕСЦЕНЦИІ НАСІННЯ СОНЯШНИКУ
Проведено енергетичний аналіз резонаторної системи для вимірювання надслабкого світіння насіння соняшника.
Ключові слова: насіння соняшника; частота ЕМП; резонаторна система; хемілюмінесценція насіння. УДК 621.374
Chornaya Mariya Aleksandrovna, Ph. D., student
Kharkov national technical university of agriculture the name of P. Vasilenko, Kharkov, st. Artema, 44, Ukraina 61002
ANALYSIS OF ENERGY CHARACTERISTICS OF RESONATOR SYSTEM FOR MEASUREMENT OF CHEMILUMINISCENSE OF SUNFLOWER SEEDS
The paper makes an analysis of a resonator system for measuring superweak luminescence of sunflower seeds.
Key words: sunflower seeds; EMF frequency; resonator systems; chemiluminescence of seeds.
Введение
Экономический анализ показывает, что в настоящее время в Украине средняя урожайность сельскохозяйственных культур снизилась на 20...25 %, в том числе и подсолнечника, из-за высокой стоимости и недостатка минеральных удобрений и средств защиты растений от вредителей. Поэтому актуальной задачей является разработка новых экономичных, эффективных и экологически безопасных технологий, направленных на повышение урожайности и качества семян подсолнечника. Одним из путей решения данной задачи является использование информационного ЭМП КВЧ диапазона. Предварительные теоретические и экспериментальные исследования показывают, что желаемые изменения хода информационных процессов в биологическом объекте (семенах) возможно только при оптимальном сочетании значений биотропных параметров воздействующего
электромагнитного поля. Определить оптимальные параметры ЭМП с использованием общепринятых методов агротехники довольно трудно и, кроме того, для определения требуются интервалы времени, исчисляемые годами. Одним из путей решения данной проблемы является разработка математической модели, на основе которой определялся бы возможный диапазон изменения биотропных параметров, а оптимизацию этих параметров проводить с помощью специальных автоматизированных систем. Из анализа существующих методов измерения параметров материалов и веществ следует, что для определения биотропных параметров семян подсолнечника, находящихся под воздействие
информационного ЭМИ, необходимо использовать метод измерения хемилюминесценции.
62
№7 (125) 2014 ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ • ЭНЕРГЕТИКА • ЭНЕРГОАУДИТ
НТП И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА
Анализ предшествующих исследований
При изучении воздействия ЭМП на биологические объекты существенную информацию может дать такое явление, как сверхслабое свечение [1].
В настоящее время проблема регистрации световых потоков малой интенсивности решается использованием фотометрических установок, главным элементом которых является фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), на основе которого создан целый ряд специальных фотометрических, радиоэлектронных и теплофизических устройств [2-4].
Из проведенного анализа можно заключить, что большинство рассмотренных устройств для регистрации хемилюминесценции не могут обеспечить высокой чувствительности; для них характерно отсутствие унификации и единой метрологии и, кроме того, ни одно из рассмотренных устройств не позволяет регистрировать как спонтанную, так и индуцированную различными физическими факторами хемилюминесценцию, проводить измерения в реальном масштабе времени при непосредственном воздействии ЭМП СВЧ диапазона на биологические объекты.
Цель статьи - определить мощность генератора для воздействия на семена подсолнуха в измерительном резонаторном устройстве при измерении сверхслабого свечения.
Изложение основного материала
Анализ энергетических соотношений в резонаторной системе, для измерения
хемилюминесценции семян подсолнуха, сводится к определению уровня мощности генератора на входе системы, которая обеспечивала бы обработку семян в кювете ЭМ излучением с определёнными биотропными параметрами ЭМП. Для определения уровня мощности на входе резонаторной системы необходимо определить потери энергии и величину запасённой энергии в элементах резонаторной системы (рис. 1).
1
А/
А-А
2
Рис. 1. Эскиз резонаторной системы для измерения хемилюминесценции семян подсолнуха: 1 - сферическое зеркало; 2 - плоское зеркало; 3 - отрезок сверхразмерного волновода; 4 - кювета с семенами подсолнуха; 5 - поршень настройки
Омические потери ОР, который является составной частью резонаторной системы для измерения хемилюминесценции семян подсолнуха, определяются суммой потерь на сферическом и плоском зеркалах ОР [5, 6].
Компонента электрического поля E в цилиндрической системе координат для данного случая будет определяться выражением:
ЕМ = Ecpexp■f(3/w), (1)
где Еср - амплитудный коэффициент;
№7 (125) 2014 ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ • ЭНЕРГЕТИКА • ЭНЕРГОАУДИТ
63
64
НТП И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА
w - радиус пятна поля основного колебания на том зеркале резонатора, на котором определяются омические потери.
Поскольку 2аі>>Л, то при вычислении омических потерь апертуры зеркал будем
считать бесконечными, и интегрировать будем в цилиндрической системе координат. С учетом сказанного и соотношения (1) запишем выражения, которые определяют омические потери на сферическом зеркале [6].
Омические потери ОР, который является составной частью резонаторной системы для измерения хемилюминесценции семян подсолнуха, определяются суммой потерь на сферическом и плоском зеркалах ОР [5, 6]:
, <х>2ж , p t
dpdp.
R
Р0ф _ -2т\Ео|2 JJpexp
2 0 0
f 2p2 Л
w-
R^ |2 “2ж
РПМ _^-|ЕоГ J J pexp
2 0 0
2p
1
2 \
W0
dpd@.
(2)
(3)
Используя табличный интеграл [7]:
" 1 V
J хе-мх -2vx dx=-
запишем выражения (2) и (6) в следующем виде:
R
Г~ V2 ( \ г
- е М 1 - Ф V
М _
|argv|<y, Re^> 0
РОІ=-Й E0r^w,2
—
рпл _пs I Е
ОМ 4 р(
0 -w0 .
(4)
(5)
Входящие в выражения (4) и (5) радиусы пятен полей на сферическом Wi и на плоском W0 зеркалах можно определить из соотношений [8]:
w.
.2 Л
R
L/R
ж \1 -(L/R )
, 2 Л
L
w 02 _— RJ —I 1 - —
L
(6)
- . (7)
ж \ R ^ R где Л_ 8,152 мм - рабочая длина волны;
-=100 мм - радиус кривизны сферического отражателя;
L/R_0,716 - нормированное расстояние между зеркалами ОР для типа колебаний ТЕМ0017.
Вычислив из выражений (6) и (7) радиусы пятен полей и учитывая, что сферическое зеркало изготовлено из меди (Rs =0,050 Ом), а плоское - из латуни (Rs =0,103 Ом), выражения (4) и (5) примут вид:
РОМ _| Е0|216,539 X10-6, РОМ _| Е0|29,676 х 10 -6.
(8)
Теперь с учетом выражений (8) можем определить омические потери в полусферическом ОР с типом колебаний ТЕМ0017:
Ром _ РСМ+РZ _| Е0|22,622 х 10-5.
(9)
№7 (125) 2014 ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ • ЭНЕРГЕТИКА • ЭНЕРГОАУДИТ
2
НТП И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА
Как было отмечено выше, режим максимальной добротности в ОР имеет место тогда, когда дифракционные потери примерно равны омическим. Таким образом, собственные потери рассматриваемого ОР можем представить в виде:
РОР =Ром + Рдиф *2Ра„ =| ЕоГ 5,243 X10-5.
(10)
Поскольку мы рассматриваем ОР (см. рис. 1), то необходимо учесть, что в центре плоского зеркала расположен сверхразмерный прямоугольный волновод с поперечными размерами 31,4*21,8 мм. Это говорит о том, что омические потери на плоском зеркале ОР фактически будут меньше. Для того, чтобы вычислить эти потери, запишем выражение (1), которое определяет составляющую электрического поля Е, в декартовой системе координат:
{ -.2 , 2 Л
Е (x, у )=Е о exp
X + у
w
(11)
Теперь с учетом (11) можем записать выражение для омических потерь в прямоугольнике с указанными выше размерами в центре плоского зеркала ОР:
2
15,7 10,9
РПМ =^НоГ I I exp
Ґ 2 . 2 ^
2 x + 2 у
-15,7 -10,9
Wn
dxdy.
(12)
Применяя табличный интеграл [9], и опуская промежуточные выкладки, запишем соотношение (12) в окончательном виде:
РОМ =| E()|29,191x 10-6 Вт.
(13)
Таким образом, собственные омические потери мощности в рассматриваемом ОР будут определяться выражением (14):
Р?,Р =рЕ -РОМ1 =N2 x 10-5(5,243-0,919)=|Е0|24,324x 10-5Вт. (14)
За тем, для решения поставленной задачи вычислим накопленную энергию в рассматриваемой резонаторной системе. Для этого воспользуемся соотношением [5]:
WH,
Є0Є
2
I
E
dV
(15)
Накопленная энергия будет складываться из энергий, запасенных в ОР, сверх размерном волноводе и в кювете для семян.
Величина накопленной энергии в ОР, с учётом соотношений (15,1). В цилиндрической системе координат будет определятся следующим выражением:
W
ОР
Є0Є
'IЕ 0
2
ах2л L Г 2р2 Ї
I I |РЄХР
0 0 0 1 w )
dp dy dz
(16)
где fl?1 =50 мм - радиус апертуры зеркал рассматриваемого ОР (см. рис. 1);
L =0,716R =71,6 мм - расстояние между зеркалами резонатора:
w2 =(w2 + w0 )/2=(421,162 +119,61)2=270,386 мм2 - усредненный радиус пятна поля
колебания ТЕМ0017 в ОР рассматриваемой геометрии; є' = 1, как и выше, в случае воздушного заполнения.
2
Рассмотрим интеграл в выражении (16). Если сделаем замену переменных t=p , то тогда, опуская промежуточные выкладки, можем записать:
№7 (125) 2014 ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ • ЭНЕРГЕТИКА • ЭНЕРГОАУДИТ
65
2
0
2
НТП И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА
а1
F {p)=\pexp
( 2р2 ^
w'
dp =
( w2 ^
V 4 У
exp
( 2а? Л
V w 2 У
-1
И тогда выражение (16) примет вид:
W°F =s„ \Е„I2 лЬ х 10
- 9
W
2
exp
(_ 2а?2 ^
V w 2 У
-1
= E0Г5,346 х 10
-17
(17)
4
Как было отмечено выше, напряженность электрического поля Е для эффективного воздействия КВЧ излучения на семена сельскохозяйственных культур должна составлять ~ 12,7 в/м. Используя выражение (15), найдем величины накопленной энергии в волноводе W ^ и измерительной кювете W'H2 с учетом того, что для волновода є' = 1, а для кюветы с семенами є' = 3,5 :
WH\ = 1,264 х 10-3є0 =1,119 х 10-14, Дж (18)
WH2 = 3,494 х 10-4 є0 =3,092 х 10-15, Дж (19)
Таким образом, накопленная энергия в волноводе с измерительной кюветой, при необходимой напряженности электрического поля, составляет WH=1,428 х 10 -14 Дж. За
один период колебаний генератора T = 1/f = 2,778 х 10 -11 с, в сверхразмерном волноводе накопленная энергия составит 5,14*10-4 Вт, а за время экспозиции, равное пяти минутам, она возрастет до ~ 150 мВт.
При этом, как видно из выражений (17) и (19), накопленные энергии в ОР и волноводе одного порядка. Поэтому мы незначительно ошибемся, если будем считать, то в ОР за время экспозиции накопленная энергия составит также ~ 150 мВт. Следовательно, за пять минут в резонаторной системе с измерительной кюветой (см. рис.1), накопленная энергия составит ~ 300 мВт.
Проведенные экспериментальные исследования показали, что коэффициент отражения по полю Гр от щелевого элемента связи, расположенного в центре сферического зеркала
(см. рис. 1), при возбуждении в резонансной системе колебания TEM00q лежит в пределах (0,4...0,5). С другой стороны, коэффициент отражения от резонатора определяется геометрическими размерами элемента связи и рабочей длиной волны. Поэтому, если накопленная в резонаторе мощность Рр составляет 300 мВт, то мы можем определить
мощность генератора Рг, необходимую для проведения измерений в резонансной системе. Для этого воспользуемся выражением:
Рг = Рр /(1- Гр )=300/[1-(0,476)]=390 мВт. (20)
Таким образом, в результате проведенных исследований мы определили мощность задающего генератора, необходимую для исследования хемилюминесценции семян подсолнуха.
Выводы
1. Энергетический анализ рассматриваемой резонансной системы показал, что при времени экспозиции равной 300c, мощность задающего генератора должна быть не меньше 390 мВт, а плотность потока мощности не менее 21,5 мкВт/см2 .
Список литературы
1. Мамедов Т. Г. Биохемилюминесценция клеток и тканей / Мамедов Т. Г. - Баку, 1982. - 250 с.
2. Сидорик Е. П. Применение радиоэлектроники в области медицинских и биологических исследований / Сидорик Е. П., Карнаух Н. М., Баглей Е. А. и др. - Киев: Наукова думка, 1976. - С. 172 - 173.
66
№7 (125) 2014 ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ • ЭНЕРГЕТИКА • ЭНЕРГОАУДИТ
НТП И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА
3. Владимиров Ю. А. Исследование сверхслабых свечений в биологических системах/ Владимиров Ю.
А., Литвинов Ф. Ф. // Биофизика, 1959. - С. 15.
4. Коровякова Т. И. Современные приборы для изучения биохемилюминесценции:
Биохемилюминесценция в сельском хозяйстве / Коровякова Т. И. - М.: МВА, 1986. - 30 с.
5. Вольман В. И. Техническая электродинамика / В.И. Вольман, Ю.В. Пименов; под ред. Б.З. Айзенберга. - М.: Связь, 1971. - 488 с.
6. Глоге Д. Расчет оптических резонаторов и линзовых систем / Д. Глоге; пер. с нем. и англ. под ред. Б. З. Каценеленбаума и В.В. Шевченко // Квазиоптика. - М.: Мир, 1966. - С. 280 - 314.
7. Бурштейн Э.Л. О мощности, принимаемой антенной при падении на нее неплоской волны / Э.Л. Бурштейн // Радиотехника и электроника. - 1958. - Т. 3, № 2. - С. 186 - 189.
8. Тарасов Л. В. Физика процессов в генераторах когерентного оптического излучения / Л. В. Тарасов. -М.: Радио и связь, 1981. - 440 с.
References
1. Mamedov, T. G. (1982), Biochemiluminescence of cells and tissues [Biokhemilyuminestsentsiya kletok i tkaney], Baku, 250 p.
2. Sidomik, E. P., Kamaukh, N. M., Bagley E. A. et al (1976), Application of Radioelectronics in the field of medical and biological research [Primenenie radioelektroniki v oblasti meditsiny i biologicheskikh issledovaniy], Naukova Dumka, Kyiv, P. 172-173.
3. Vladimirov, Yu. A., Litvinov F. F. (1959), “Research of superweak luminescence in biological systems” [“Issledovanie sverkhslabykh svecheniy v biologicheskikh sistemakh”], Biofizika, P.15.
4. Korovyakova, T.I. (1986), Modern instruments for studying biochemiluminescence: Biochemiluminescence in agriculture [Sovermennye pribory dlya izucheniya biokhemilyuminestsentsii: Biokhemilyuminestsensiya v selskov khozayystve], MVA, Moscow, 30 p.
5. Volman, V. I., Pimenov, Yu. V., Ayzenberg B. Z. (ed) (1971), Engineering Electrodynamics [Tekhnicheskaya elekrodinamika], Svyaz, Moscow, 488 p.
6. Gloge, D. (1966), "Calculation of optic resonators and lens systems". Trans. from Germ. and Eng. edited by B. Z. Katzenelenbaum and V. V. Shevchenko ["Raschet opticheskikh rezonatorov i linzovykh sistem". Per. s nem. i angl. pod red. B.Z. Katzenelenbaum i V.V. Shevchenko], Kvazioptika, Mir, Moscow, P. 280-314.
7. Burshtein, E. L. (1958), "On power received by antenna when hit by nonplane wave" ["O moshchnosti, prinimaemoy antennoy pri padenii na nee neploskoy volny"], Radiotekhnik i elekronika, Vol. 3, No. 2 P. 186-189.
8. Tarasov, L. V. (1981), Physics of processes in generators of coherent optical radiation [Fizika processov v generatorakh kogerentnogo opticheskogo izlucheniya], Radio i Svyaz, Moscow, 440 p.
Поступила в редакцию 20.05 2014 г.
№7 (125) 2014 ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ • ЭНЕРГЕТИКА • ЭНЕРГОАУДИТ
67
