CC BY
30
УДК 681.785.57: 58.087
СВЕТОТЕХНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ЛЮМИНОМЕТРА ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ СЕМЯН
БЕЛЯКОВ М.В.,
кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой оптико-электронных систем филиала ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» в г. Смоленске; E-mail: bmw20100@mail.ru.
Реферат. Приведены критерии выбора и результаты расчётов источника излучения, приёмной оптической системы и фотоприёмного устройства светотехнической части анализатора фотолюминесценции, предназначенного для экспресс-контроля качества семян сельскохозяйственных растений. Установлено, что наибольшим эффективным КПД обладают светодиоды N3535U-UNx1, а оптимальным приёмником является фотодиод BPW21R. В качестве приёмной оптической системы выбран и рассчитан эллиптический отражатель.
Ключевые слова: анализатор фотолюминесценции, спектры возбуждения и люминесценции семян, светодиод, фотодиод, эллиптический отражатель, эффективный КПД, актиничность.
LIGHTING PART OF THE LUMINOMETER FOR THE DIAGNOSIS SEED
BELYAKOV M.V.,
candidate of technical Sciences, Associate Professor, head of Department of optical-electronic systems branch of the «National research University «MPEI» in Smolensk; E-mail: bmw20100@mail.ru.
Essay. Given the selection criteria and the results of calculations of the radiation source, a reception optical system and a photodetector of the lighting of the analyzer photoluminescence, is designed for rapid quality control of seeds of agricultural plants. The most effective efficiency have led N3535U-UNx1, and the optimal receiver is a photodiode BPW21R. As the reception optical system is selected and designed elliptical reflector.
Keywords: analyzer, photoluminescence, excitation spectra and luminescence seeds, LED, photodiode, elliptical reflector, the effective efficiency, activecell.
Оптические люминесцентные методы диагностики могут быть использованы для экспресс-контроля таких показателей семян как всхожесть и влажность [1,2]. Реализация этих методов предполагает наличие люми-нометра, светотехническая часть которого включает в себя источник излучения (ИИ), приёмную оптическую систему и приёмник оптического излучения (ПОИ) [3].
Источник излучения должен иметь спектр с максимумом на длине волны максимума спектра возбуждения Пэ(^) или близкой к ней для наибольшей эффективности возбуждения свечения семян [4]. Вторым немаловажным требованием к спектру ИИ является то, чтобы он не перекрывал спектр люминесценции фл(Х) и идентичный ему спектр чувствительности приёмника 5(Х). Эта проблема может быть решена применением скрещенных светофильтров перед источником и приёмником, однако из-за низкого потока люминесценции семян и увеличения стоимости, и массогабаритных показателей целесообразно использовать только один отрезающий или выделяющий светофильтр, устанавливаемый перед ИИ. Другими требованиями, предъявляемыми к ИИ, являются: высокая эффективная отдача излучения, малые габариты и масса и обеспечение требуемого равномерного распределения потока излучения по поверхности семян (облучённости). Наиболее подходящими ИИ считаются светодиоды.
Задачей приёмной оптической системы является сбор максимально возможного потока люминесцентного излучения семян на приёмник. Спектр чувствительности ПОИ должен максимально совпадать со спектром люминесценции исследуемых семян. При этом не желательно корригирование спектра чувствительности с помощью светофильтров из-за увеличения потерь на
отражение и поглощение. Кроме того, необходима высокая интегральная чувствительность и низкий темно-вой ток.
При решении задачи компоновки анализатора необходимо учитывать следующие требования:
1) ИИ следует устанавливать таким образом, чтобы весь (или, по крайней мере, большая часть) поток излучения падал на поверхность с исследуемым материалом;
2) поток люминесценции излучается в верхнюю полусферу диффузно. Поэтому приемник излучения следует устанавливать поверхностью исследуемого материала и применять оптическое устройство, собирающее рассеянный поток на его светочувствительной поверхности;
3) для повышения коэффициента использования потока люминесценции применяют эллипсоидный отражатель, поэтому отверстие для исследуемых образцов и ПОИ должны быть установлены в его фокальных плоскостях;
4) пространство, в котором распространяется излучение, должно быть изолировано светонепроницаемым корпусом;
5) корпус анализатора должен состоять из двух частей: а) основание с эллипсоидным отражателем и отверстием для исследуемых материалов; б) крышка с ИИ, ПОИ и электронными блоками (рисунок 1) [3].
7 > •
-«¿^ I_
70 \
Щ6 т
Рисунок 1 - Схема анализатора фотолюминесценции
Для сбора диффузно рассеянного излучения люминесценции применяют эллипсоидный отражатель 2, в нижней фокальной плоскости которого имеется отверстие 4, выполняющее функцию предметного столика, а во второй фокальной плоскости - приемник излучения. ПОИ 5 устанавливают в верхней части камеры соосно с отверстием и совмещают со второй фокальной плоскостью отражателя параллельной предметному столику. Источники 3 (светодиоды) устанавливают в фокальной плоскости (или несколько выше) таким образом, чтобы поток излучения их не попадал на приемник излучения. Оси световых пучков светодиодов ориентируют на осевую точку предметного столика. Светофильтры 6, отрезающие длинноволновое излучение устанавливают перед светодиодами. Размеры эллипсоида необходимо подбирать из тех соображений, чтобы на поверхность, находящуюся в фокальной плоскости можно было поместить фотоприемник 5, диаметром примерно 20-50 мм и не менее двух светодиодов 3 с диаметром 5-10 мм. Размер поверхности, находящийся в одной фокальной плоскости, на которую необходимо поместить приемник и источники излучения должен быть не менее 70-80 мм. Размер отверстия должен быть также не менее 70 мм. Корпус 1 имеет цилиндрическую форму, высота которого зависит от высоты эллипсоида (84,4 мм). С учетом того, что в корпусе 1, помимо эллипсоида, необходимо расположить электронные блоки 7, 8 и другие вспомогательные элементы, то примем высоту корпуса не менее 150 мм. При юстировке системы приемник излучения может быть расфокусирован - смещен вдоль оси. Электронные блоки 7 и 8 и другие вспомогательные компоненты размещают в верхней части корпуса.
Главным критерием выбора ИИ является соответствие спектра его излучения спектру чувствительности исследуемых объектов (семян) - спектру возбуждения люминесценции пэ(Х). При этом получается максимальный эффективный КПД источника. Однако, при создании прибора необходимо, чтобы диапазон излучения и спектр чувствительности приемника излучения не перекрывались.
Примем в качестве спектральной чувствительности семян типовую кривую, представленную в [3]. Спектр излучения источника должен находиться в пределах 380...460 нм. Наиболее целесообразным представляется поиск источника с максимумом 410.420 нм. Этот диапазон близок к длине волны максимума кривой пэ(Х), но и больше отстоит от диапазона кривой люминесценции 420.660 нм.
Для сравнения вычислим эффективный КПД излучения для ламп различных типов и светодиодов (СД) с различными максимумами. Считая спектр излучения одинаковым во всех направлениях и облучённость пропорциональной потоку излучения, эффективный КПД излучения определим по формуле:
Фэ Еэ Пэ,Ш„ = ГГ = ТГ =
Ям» (|е^М^Х + ^Е^),
ФЕ
~ П
| е(Х)а+£ Ех
(1)
где Фе и Фэ - соответственно полный и эффективный потоки излучения источников, Ее и Еэ - полная и эффективная облучённость, создаваемая источником излучения на рабочей поверхности, 5"макс - максимальное значение характеристики возбуждения семян, 5(Х) -спектральная характеристика возбуждения семян, е (X) - спектральная плотность облучённости рабочей поверхности.
Аналогично системам бактерицидного и эритемно-го действия излучения, примем 5"макс=1 и эффективный поток излучения будем определять в эффективных ваттах. Взяв значения спектральных распределений потока излучения из [5] и заменив интегрирование суммированием, получим следующие результаты (таблица 1).
Можно отметить, что наиболее эффективный КПД излучения имеют ультрафиолетовые светодиоды, спектр излучения которых в значительной части лежит в области возбуждения семян. Для разрядных ламп отдача существенно ниже - до 35,8 %, что объясняется значительно более широким спектром излучения, большая часть которого расположена в длинноволновой области.
Таблица 1 - Эффективный КПД излучения некоторых источников
Источник излучения пэ, изл,% Источник излучения пэ, изл,% Источник излучения Пэ, изл,%
ДКсТ 12,0 МГЛ (Dy,Ho,Tm) 30,1 СД400 63,0
ДРТ 14,6 ЛЭ 32,0 СД403 67,6
ДРЛ 26,3 ДРШ 34,4 СД409 73,0
МГЛ(Na,Tl,In) 26,9 МГЛ(Na,Sc,Th) 35,8 СД418 91,0
В качестве S0(X) примем типовую кривую люминесценции [3], а в качестве приёмников излучения выберем фотодиоды BPW21R [7], S1133 и селеновый фотоэлемент ФЭС-10. В результате расчета получены следующие значения актиничности: для фотодиода BPW21R Aj=0,98; для фотоэлемента ФЭС-10 А2=0,81; для фотодиода S1133 А3=0,56, т. е. фотодиод BPW21R является наилучшим.
Выводы. Таким образом, получили светотехническую часть люминометра для диагностики семян растений, включающую современные свето- и фотодиоды, согласованные по спектральным характеристикам с кривыми возбуждения и люминесценции семян, а также асферический эллипсоидный отражатель, осуществляющий сбор излучения в своей фокальной плоскости. С использованием разработанной светотехнической части может быть спроектирован компактный энергоэкономичный прибор экспресс-контроля параметров семян сельскохозяйственных растений.
Список использованных источников
1. Беляков М. В. Исследование люминесцентных свойств пшеницы и овса различной всхожести // Вестник ВИЭСХ. - 2016. - № 1 (22). - С. 30-33.
2. Беляков, М. В. Оптические спектральные свойства семян растений различной влажности // Вестник НГИЭИ. - 2016. - № 4(59). - С. 38-50.
3. Gavrilenkov V., Belyakov M., Chulakova V. The synthesis of the optical system, the model analyzer photoluminescence. // XIII International scientific and practical conference «International scientific review of the problems and prospec ts of modern science and education». - Chicago, USA. - International scientific review. - 2016. - № 5 (15). - P. 27- 30.
4. Беляков М. В. Типовые спектральные характеристики люминесценции семян растений // Естественные и технические науки. - 2015. - № 11. - С.521-525.
5. Справочная книга по светотехнике / Под. ред. Ю. Б. Айзенберга. - 3-е изд. - М.: Знак, 2006. - 972 с.
6. Светодиод N3535U-UNx1. Каталог производственной фирмы «Semileds». Паспортные данные. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.semileds.com/system/files/N3535U-UNx1.pdf. Дата обращения: 24.08.2016.
7. Фотодиод BPW21R. Каталог производственной фирмы «Vishay». Паспортные данные [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.vishay.com/docs/81519/bpw21r.pdf Дата обращения: 24.08.2016.
List of sources used
1. Belyakov M. V. the Study of fluorescent properties of wheat and oat variety germination // Bulletin of VIESH. -2016. - № 1 (22). - P. 30-33.
2. Belyakov, M. V. Optical spectral properties of seeds of different moisture content // Herald of NGIEI, 2016, №4(59), pp. 38-50.
3. Gavrilenkov V., Belyakov M., Chulakova V. The synthesis of the optical system, the model analyzer photoluminescence. // XIII International scientific and practical conference «International scientific review of the problems and prospec ts of modern science and education». - Chicago, USA. - International scientific review. - 2016. - № 5 (15), - P. 27- 30.
4. Belyakov M.V. Model the spectral characteristics of the luminescence of seed plants // Natural and technical Sciences. - 2015. - № 11. - P. 521-525.
5. The reference book on light engineering / Edited. ed. by B. Eisenberg. - Moscow: Znak, 2006. - 972 p.
6. Led N3535U-UNx1. Catalog of the production company «Semileds». Passport data. [Electronic resource]. - Mode of access:http://www.semileds.com/system/files/N3535U-UNx1.pdf. Date of access: 24.08.2016.
7. Photodiode BPW21R. Catalog of the production company «Vishay». Passport data [Electronic resource]. - Mode of access: http://www.vishay.com/docs/81519/bpw21r.pdf date of access: 24.08.2016.
Светодиоды с максимумами на 409 и 418 нм имеют тип Ш535и-Шх1 и производятся SEMILEDS.
Главный критерий выбора приемника излучения: спектр его чувствительности должен совпадать со спектром люминесценции исследуемых объектов.
Для выбора наиболее подходящего фотоприемника рассчитаем актиничность.
}Ф(Щ (Х)<И
А = -,
о
где - функция спектральной чувствительности
приемника излучения, £о(Х) - спектральная характеристика люминесценции семян, ф(Х) - функция спектра излучения образцового источника типа А. При расчёте заменим интегралы соответствующими суммами, при этом йХ заменим на ДХ =10 нм.
