Изобретение относится к области сельскохозяйственных технологий и может быть использовано для повышения продуктивности сельскохозяйственных культур.

Из уровня техники известны способы и устройства для стимулирования семян растений электромагнитным излучением, которые обеспечивают одноразовое повышение производительности растений [1 - 15].

В поисках путей увеличения производительности растений учёные многих стран мира в последние 50 лет интенсифицировали исследования по определению условий электромагнитной стимуляции семян растений и влияния её на развитие растений.

Не имея информации о резонансных характеристиках вегетативной и живой клетки как электромагнитной системы, исследователи во многих странах мира экспериментировали в доступном частотном диапазоне электромагнитных волн, проводя облучение посевного и посадочного материала. Результаты этих исследований показывают, что все применяемые методы предпосевной стимуляции посадочного материала дают одноразовое увеличение урожайности культуры в пределах от 10 до 25 процентов [1 - 5].

Все вышеупомянутые методы [1-13] предполагают облучение семян растений перед посевом в течение некоторого времени с помощью различных генераторов электромагнитного излучения в определённом диапазоне частот с определённой интенсивностью излучения. Время экспозиции, частота и интенсивность электромагнитного излучения определяется разработчиком метода опытным путём и указывается в документации оборудования, используемого для этих целей.

В работах [5] - [9] экспериментально доказано, что биологические объекты могут обмениваться квантами электромагнитного излучения различного спектрального диапазона, что послужило основанием для выдвижения гипотезы о существовании биополя и его формообразующей роли в развитии биологических систем.

Широкую известность получили опыты исследователя из г. Хабаровска Цзяна

Каньчжена. Его аппаратура представляет собой две металлические экранирующие камеры, соединённые волноводом. Поместив в одну из камер проросток пшеницы, а в другую проросток кукурузы, и выдержав проростки в камерах некоторое время, он получил, например, трёхстеблевую кукурузу.

Впервые непосредственные измерения биополя были проведены автором совместно с коллегой В. М. Корниенко в 1994 году [14]. Оказалось, что биополе представляет собой слабое электромагнитное излучение биологических систем в миллиметровом диапазоне электромагнитных волн.

Например, непосредственные измерения электромагнитного излучения растений [14] показали, что во время прорастания семени, т.е. в период максимальной митотической активности апикальных меристем побега и корня, растения испускают в диапазоне длин волн 2 мкм - 8 мм электромагнитное излучение с интенсивностью порядка одной десятимиллионной Ватта. Эти величины существенно превышают пороговое значение интенсивности электромагнитного излучения, при превышении которого в принципе возможны биологические эффекты в миллиметровом диапазоне длин электромагнитных волн.

Кинетическая кривая излучения прорастающих растений имела однотипный для различных видов характер и включала два максимума (пика) во времени, длящихся определенный период, причём, как показали экспериментальные высевы облучаемых семян, для передачи наследственных признаков важен второй максимум, спад которого наблюдался тогда, когда вместо процессов деления клеток на первый план выступали процессы их растяжения.

На основании измеренных характеристик излучения растений была разработана технология модифицирования семян растений [14], в которой для достижения эффекта проросток растения-индуктора после окончания первого максимума излучения при замачивании семени (окончание проклёвывания семени) помещают в фокусе эллиптического концентратора микроволнового излучения, а во второй фокальной плоскости концентратора помещают семена растения - реципиента. Во втором фокусе концентратора интенсивность излучения значительно увеличивается.

Длительность экспозиции обеспечивают равной длительности второго максимума излучения растения -индуктора (для семени пшеницы - 7 суток). Во время экспозиции поддерживают необходимую влажность проростка растения- индуктора для предохранения его от высыхания с помощью увлажнения салфетки, лежащей на проростке.

При этом оказалось, что у облучённых семян информация, полученная в процессе облучения, сохраняется в течение долгого времени. Полевые эксперименты с облучёнными семенами показали повышение производительности облучённых растений до 2-3 раз.

20-летний полевой экспериментальный опыт автора был направлен на анализ химического состава, родства, биологических особенностей (отношение к свету, теплу, холоду, удобрениям, обработке почвы, вредителям) и доминантных свойств растений.

Многолетний опыт показал, что максимальные результаты получаются при облучении семян излучением таких же семян, при этом во всех случаях сокращается время до созревания растения на 20-25 суток.

С помощью рассмотренных способов и устройств достигаются существенные результаты в повышении продуктивности растений, однако, во всех случаях использования электромагнитного излучения растений, критичным является величина интенсивности электромагнитного излучения растений, а при замене излучения растения на излучение технического средства при необходимости облучения нескольких видов семян-приемников требуется для каждого вида семян - приёмников исследовать спектры их излучения и изготавливать и переустанавливать на магнетрон дифракционные фильтры, что вызывает увеличение трудоёмкости процессов. Сезонность роста растений также критична для их использования в качестве излучателя.

Устройство [14] «Способ предпосевной обработки семян растений и установка для его осуществления» состоит из тонкостенной алюминиевой камеры в форме эллипсоида вращения, в одном из фокусов которого помещен объект- излучатель, а в другом фокусе объекты-приемники. В качестве объекта -излучателя выступает прорастающее семя растения, свойства которого необходимо передать другим растениям (объектам-приемникам). После обработки семян у растений появляются новые свойства (повышается урожайность, устойчивость, содержание полезных веществ и т.п.). Способ и устройство [1] позволяет обрабатывать 20 грамм семян растений в течение семи суток. Низкая производительность процесса (большая длительность обработки и малое количество обрабатываемых семян) приводит к необходимости использования большого количества устройств-аналогов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является устройство для предпосевной обработки семян [15]. Оно было взято за прототип.

В прототипе - устройстве для предпосевной обработки семян, включающем рабочую камеру для передачи с концентрацией излучения от излучателя на семена- приемники, выполненную в форме объемной фигуры из проводящего материала, внутри камеры расположены два объема из радиопрозрачного материала для размещения излучателя и семян-приемников, в качестве излучателя использован источник электромагнитного излучения, выполненный в виде магнетрона с длиной волны излучения 3 мм, вокруг антенны магнетрона, разнополярно с основным антенным магнитом магнетрона, через изоляционную прокладку располагают дополнительный магнит с осевой намагниченностью не менее 1,2 Тесла, выполненный в виде втулки, внутренний диаметр которой вдвое превышает наружный диаметр антенны, а длина в 5 раз больше длины антенного магнита магнетрона, при этом над торцевой поверхностью дополнительного магнита устанавливают дифракционный фильтр, выполненный из немагнитного проводящего материала с отверстиями, размеры и количество которых выбирают в зависимости от вида используемых семян - приемников.

Прототип обладает несколькими недостатками:

1. При необходимости облучения нескольких видов семян-приемников требуется для каждого вида исследовать их спектры излучения и изготавливать и/или переустанавливать в магнетроне соответствующие дифракционные фильтры, что вызывает увеличение трудоёмкости процесса и снижает эффективность обработки разных семян.

2. Установка дополнительного магнита вокруг излучающей антенны магнетрона способствует к его ускоренному размагничиванию, что приводит к скорому выходу из строя устройства.

3. Малый объем обрабатываемых семян (5кг). 4. Большая величина массы дополнительных магнитов из-за их размеров.

Задачей заявленного изобретения является устранение указанных недостатков прототипа.

Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении эффективности обработки семян за счет воздействия на них электромагнитным излучением в одном частотном диапазоне вне зависимости от вида семян. Также за счет предлагаемой конструкции магнетрона уменьшена масса используемых магнитов и достигается их замедленное размагничивание.

Указанный результат обеспечивается за счет предлагаемого способа обработки семян, в котором на семена воздействуют электромагнитной волной с частотой, находящейся в диапазоне частот от 21,13 ГГц до 26,75 ГГц.

Оптимальным является воздействие мощностью излучения 1-100 мВт в течение 10-40 минут.

Для генерации излучения в диапазоне от 21,13 ГГц до 26,75 ГГц для обработки семян предлагается устройство генерации, содержащее источник излучения в виде магнетрона, имеющего антенный излучатель и блок генерации, и рабочую камеру, в котором блок генерации магнетрона генерирует СВЧ излучение в диапазоне частот от 21,13 ГГц до 26,75 ГГц, поступающее в рабочую камеру, содержащую по меньшей мере 2 резонатора, настроенные на полосу частот от 21,13 ГГц до 26,75 ГГц, через которые выходит излучение. Выходящее из резонаторов рабочей камеры излучение направляется на семена для их обработки.

Устройство генерации может дополнительно содержать волновой канал, обеспечивающий направление излучения от антенного излучателя магнетрона через дифракционный фильтр в рабочую камеру.

В одном из вариантов изобретения предлагается конструкция магнетрона, настроенного на излучение в диапазоне частот от 21,13 ГГц до 26,75 ГГц, в котором блок генерации магнетрона содержит два антенных магнита, между которыми расположен анодный блок, и регулировочный магнит, установленный, например, между антенным магнитом и анодным блоком, а между регулировочным магнитом и анодным блоком расположена изолирующая прокладка, при этом в магнетрон дополнительно установлен соосно с другими магнитами подстроечный магнит, имеющий с двух сторон изолирующие прокладки и расположенный с противоположной от антенного излучателя стороны блока генерации.

Для использования заявленного способа обработки семян не требуется установка магнитов больших размеров. Применение дополнительных магнитов в виде регулировочного и подстроечного с установкой изолирующих прокладок позволяет настроить магнетрон на генерацию микроволн в нужном диапазоне частот. А их расположение не над излучателем позволяет сохранить намагниченность.

На представленной фигуре изображен один из вариантов используемого в заявленном устройстве генерации магнетрона, конструкция которого доработана для излучения его в диапазоне частот 21,13 - 26,75 ГГц.

Раскрытие изобретения

При разработке заявленного изобретения были исследованы спектры излучения однодольных и двудольных растений. В качестве однодольных были выбраны кукуруза, пшеница, овёс, рожь, а в качестве двудольных - огурец, фасоль, подсолнечник, гречиха.

Ранее было обнаружено влияние предпосевной стимуляции электромагнитным излучением семян на изменение их наследственных признаков, что проявляется в урожайности выращенных растений (см. [14]). Дальнейшая работа в данном направлении подтвердила перспективность развития предлагаемого подхода к повышению урожайности сельскохозяйственных культур.

В процессе своего существования живые клетки могут являться источниками и приемниками когерентного излучения миллиметрового диапазона. В исходном состоянии гомеостаза (при отсутствии внешних раздражающих воздействий и функциональных нарушений) клетки генерируют некогерентное шумоподобное излучение, обусловленное происходящими в них процессами метаболизма. При появлении различного рода отклонений, способных вызвать изменения в их функционировании, в частности при воздействии на них в течение небольшого времени внешним когерентным излучением, имеющим мощность, превышающую некоторый пороговый уровень, создаются условия для возбуждения в клеточных мембранах определенных резонансных частот. Это приводит, с одной стороны, к синхронизации колебаний тех адгезированных с мембранной белковых молекул, резонансные частоты которых совпадают или близки к преимущественно возбуждаемым в мембранах частотам, а с другой стороны - к стягиванию к мембранам из цитоплазмы белковых молекул и формированию на них за счет сил адгезии подструктур, изменяющих резонансные частоты колебаний мембран и увеличивающих интенсивность колебаний на этих резонансах.

Как известно, спектры собственного излучения растений расположены в миллиметровом диапазоне. Дальнейшее исследование семян растений показало возможность возбуждения их собственных частотных спектров при воздействии на них электромагнитным излучением в частотном диапазоне 21,13 - 26,75 ГГц (резонансное взаимодействие). В результате такого воздействия на семена, после их посева было зафиксировано усиление свойств растений в сравнением с необлученными семенами, например, увеличение размеров проростков в 2-3 раза.

Проведенные полевые испытания с модифицированными семенами пшеницы и чеснока показали следующие результаты:

- всхожесть семян - более 90%;

- колошение пшеницы наступает раньше на три недели;

-урожайность пшеницы увеличена в 1.5 раза, а чеснока в два раза; -увеличена морозостойкость пшеницы.

При этом оказалось, что облученные предлагаемым способом семена сохраняют полученные в первом поколении изменения на последующие поколения. Например, семена томатов сохранили свойства раннего созревания в течении четырех поколений.

Таким образом, экспериментальным путем было выявлено влияние воздействия электромагнитных волн в частотном диапазоне 21,13 - 26,75 ГГц на характеристики семян растений путем возбуждения их собственного излучения.

В результате различных исследований было выявлено, что наиболее оптимальное воздействие на семян происходит при мощности излучения в пределах 1-100 мВт и времени воздействия от 10 до 40 минут.

При превышении мощности излучения свыше 100 мВт возникает вероятность порчи семян, а при мощности менее 1 мВт происходит недостаточное влияние на изменения наследственных признаков семян, в связи с чем образуется низкий положительный эффект от обработки. При этом в случае малого времени обработки семян также не наблюдается положительного эффекта при их посеве, а длительное облучение, например, более 40 мин, нецелесообразно, поскольку не приносит иного дополнительного эффекта и при некоторых обстоятельствах может повредить семя.

Указанная мощность в диапазоне 1-100 мВт относится к мощности, непосредственно воздействующей на семена и замеряемой у их поверхности, а не к мощности источника излучения.

Также мощность излучения 1-100 мВт обеспечивает безопасность обслуживающего персонала.

Предлагаемый способ обработки семян желательно применять перед их посевом. Также возможен вариант обработки проросших семян.

Для осуществления заявленного способа обработки семян предлагается устройство генерации, содержащее источник излучения микроволн и рабочую камеру. В одном из вариантов, излучение от излучателя может передаваться в рабочую камеру через волновой канал.

Источником излучения микроволн в частотном диапазоне 21,13 - 26,75 ГГц выбран магнетрон, поскольку он является наиболее совершенным генератором сверхвысоких частот большой мощности. Преимуществом его является также то, что помимо основной электромагнитной волны («рабочей волны»), также автоматически излучается 10 гармоник этой волны за счет высокого напряжения на аноде магнетрона (порядка 3-4 кВ), которые оказывают благоприятное влияние обрабатываемые семена.

В настоящее время известно огромное количество различных магнетронов, отличающихся между собой мощностью излучения, частотой излучения и режимом работы (непрерывное или импульсное). Однако они все имеют одинаковую конструкцию, состоящую из следующих частей: анодного элемента, представляющего собой толстостенный цилиндр из металла, в стенках которого имеются отверстия (резонаторы), необходимые для образования кольцевой колебательной системы; цилиндрического катода, во внутренней полости которого встроен подогреватель; электромагнита или внешнего магнита, создающего магнитное поле; проволочной петли, которая крепится к резонатору и служит для вывода энергии (антенный излучатель).

Излучение от антенного излучателя магнетрона поступает в рабочую камеру. Рабочая камера служит в качестве объемного смесителя электромагнитных волн, при этом одна из ее стенок содержит по меньшей мере 2 резонатора, изготовленные из немагнитного проводящего материала, например из алюминиевого сплава, обеспечивающих пропускание излучения в частотном диапазоне 21,13 - 26,75 ГГц, через которые выходит излучение, используемое для дальнейшего облучения семян растений. От количества резонаторов в рабочей камере зависит площадь обрабатываемых семян.

Излучение в рабочую камеру может подаваться с использованием волнового канала через его дифракционный фильтр. Дифракционный фильтр обеспечивает прохождение электромагнитных волн от магнетрона с частотой 21,13 - 26,75 ГГц и изготавливается из немагнитного проводящего материала, например из алюминиевого сплава, в котором выполнены отверстия, размеры и количество которых рассчитаны на пропускание в указанном частотном диапазоне.

Поверхность стенок рабочей камеры может быть выполнена из любого металла, обеспечивающего отражение микроволн в указанном частотном диапазоне, например из стали.

В одном из вариантов изобретения в качестве магнетрона, используемого в устройстве генерации для излучения в необходимом частотном диапазоне от 21,13 ГГц до 26,75 ГГц, был выбран магнетрон, применяемый в современных микроволновых печах. В связи с тем, что большинство СВЧ-печей работает на частоте 2,45 ГГц, необходимо было модернизировать конструкцию их магнетронов.

На фигуре схематично представлен пример модернизированного магнетрона серии 2М214, излучающего в частотном диапазоне 21,13 - 26,75 ГГц.

Стандартный магнетрон серии 2М214 (мощностью 900 Вт) содержит антенный излучатель 1, блок генерации 2 и электронный блок 3. Блок генерации 2 представляет собой корпус, в котором находятся два антенных магнита 4, между которыми располагается анодный блок 5. Анодный блок 5 содержит анод, катод и резонаторы магнетрона. Также он может иметь на поверхности ребра, обеспечивающие его охлаждение. Антенные магниты 4 обычно изготавливают из ферритов. При подаче напряжения из электронного блока 3 на блок генерации 2 происходит генерация сверхвысокочастотного излучения, выходящего через антенный излучатель 1 и далее поступающее в рабочую камеру микроволновой печи.

Для увеличения в несколько раз частоты микроволн, излучаемых известным магнетроном, в его блок генерации 2 устанавливается дополнительный магнит 6, являющийся регулировочным, например, между антенным магнитом 4 и анодным блоком 5, как показано на фигуре. Благодаря регулировочному магниту возможно увеличить частоту излучения на 1000 %. Между регулировочным магнитом 6 и анодным блоком 5 находится изолирующая прокладка 7 из фторопласта. Эта прокладка 7 обеспечивает защиту от температурного воздействия анодного блока 5 на регулировочный магнит 6, так как повышенная температура может размагнитить его. Также за счет выбора толщины прокладки 7 можно регулировать генерируемую частоту магнетрона, что может являться дополнительным инструментом для ее подстройки в необходимый диапазон - увеличение толщины прокладки снижает частоту излучения.

Установка регулировочного магнита 6 в блок генерации 2 магнетрона не всегда бывает достаточной для задания его работы в нужном частотном диапазоне - имеется необходимость в незначительной подстройке его частоты излучения.

Для решения этой задачи был использован еще дополнительный магнит 8, являющийся подстроечным. Подстроечный магнит 8 устанавливается вне блока генерации 2 соосно с его магнитами с противоположной от выхода антенного излучателя стороны. Удаленное его расположение от анодного блока 2 позволяет незначительно изменять рабочую частоту магнетрона. На фигуре предложен вариант его размещения после электронного блока 3, однако он может также находится и между блоком генерации 2 и электронным блоком 3. Количество подстроечных магнитов 8 может быть несколько - в зависимости от необходимой величины смещения рабочей частоты. На фигуре представлен вариант, когда подстроечный магнит 8 состоит из двух магнитов. Подстроечный магнит 8 с двух сторон обложен изолирующими прокладками 9, выполненными из второпласта.

Процесс модернизации магнетрона 2М214 происходил следующим образом. В блок генерации 2 устанавливался регулировочный магнит 6 с изолирующей прокладкой 7 возле антенного излучателя 1, как показано на фигуре. После его установки магнетрон через электронный блок 3 подключали к сети и замеряли частотомером частоту излучения. Если частота соответствует диапазону 21,13 - 26,75 ГГц, то магнетрон устанавливался в устройство генерации и использовался для обработки семян.

В случае небольшого несоответствия замеренной частоты до необходимого диапазона, устанавливают подстроечный магнит 8. В приведенном примере установлено два дополнительных магнита в качестве подстроечного магнита 8 с изолирующими прокладками 9 с двух сторон. При замере частоты частотомером было выявлено излучение магнетрона в диапазоне 21,13 - 26,75 ГГц.

В качестве регулировочного магнита был использован неодимовый магнит размером 50x25x5 с намагниченностью в 1,2 Тл, а в качестве подстроечных магнитов были выбраны ферритовые магниты размером 52x25x7 с намагниченностью 0,4 Тл. Эти магниты были установлены с сохранением единого направления магнитных полюсов.

В результате модернизации магнетрона была получена мощность излучения на выходе антенного излучателя в 8 Вт при напряжении в 220 В.

Для практической реализации заявленного изобретения был использован модернизированный магнетрон 2М214, излучающий на частоте 24 ГГц. Электронный блок магнетрона подключался к сети через последовательно подключенный конденсатор с параметрами 10-25 мкФ, 450 В, что обеспечивало мощность излучения на выходе магнетрона 8 Вт.

Для избегания перегрева устройства он включался на среднюю мощность, т.е. происходило чередование непродолжительного времени работы с перерывом, как в работе современных домашних микроволновых печах. В случае непрерывной работы магнетрон быстро нагревался, что способствовало к возможному преждевременному выходу из строя его элементов, в частности магнитов и анодного блока.

Генерируемое магнетроном излучение через дифракционный фильтр волнового канала направлялось в рабочую камеру, в стенке которой были установлены резонаторы с отверстиями диаметром 3,5 мм, 3 мм и 2,8 мм по 9 резонаторов каждого диаметра, изготовленные из алюминиевого сплава.

На горизонтальной площади в 6 кв. м. насыпали семена огурцов (шириной - до 2 м, длиной - до 3 м и толщиной - до 0,5 см) на расстоянии 20 см от стенки рабочей камеры. Для увеличения рабочего пространства обрабатываемой площади устройство генерации было приподнято от площадки на расстояние 0,5 метра.

Семена обрабатывались в течение 30 мин., что составило производительность 48 кг/ч.

Результаты обработки семян огурцов предложенным устройством показали увеличение массы проростков в 2-3 раза, а время созревания уменьшилось на 30 %.

Список литературы

1. Асеев В.Ю. ; Левин В. И. Действие предпосевной обработки лазерным излучением и магнитным полем на посевные качества семян и рост проростков [Опыты с яровой пшеницей] Сб.науч.тр.аспирантов, соискателей и сотрудников Ряз.гос.с.-х.акад., 1997; Т.1, - С. 24-27

2. Бобрышев Ф.И.; Стародубцева Г.П.; Попов В.Ф. Эффективные способы предпосевной обработки семян [Действие поля униполярного коронного электрического разряда, постоянного и градиентного магнитных полей и инфракрасного облучения] Земледелие, 2000; N 3, - С. 45

3. Ксенз Н.В.; Качеишвили С. В. Анализ электрических и магнитных воздействий на семена. Механизация и электрификация сел.хоз-ва, 2000; N 5, - С. 30

4. Левин В.И.; Тормышова Н.М. Эффективность предпосевной обработки семян ячменя лазерным излучением и градиентным магнитным полем. Сб.науч.тр.аспирантов, соискателей и сотрудников Ряз.гос.с.-х.акад. им. проф. П.А.Костычева. - Рязань, 1998, - С. 36-37

5. Rochalska М. Wplyw zmiennego pola magnetycznego na kielkowanie nasion kukurydzy (Zea mays L.) w niskiej temperaturze [Влияние обработки переменным магнитным полем на прорастание семян кукурузы при оптимальной и низкой положительной температуре] Intern.Agro physics, 1999; Vol.l3,N 2, - Р. 241-243.

6. Гурвич А.Г., Гурвич Л.Д. Введение в учение о митогенезе. M.,AMH СССР,

1943.

7. Казначеев В.П., Михайлова Л.П. Слабые излучения в межклеточных взаимодействиях. Новосибирск, Наука, 1981.

8. Марченко И.С. Биополе лесных экосистем. Брянск, 1973.

Э.Мостовников В.А., Хохлов И. В. Взаимодействие клеток человека с помощью электромагнитных волн оптического диапазона. Препринт N° 128. Минск, Институт физики АН БССР, 1977. 10. Патент РФ N° 1828665 Способ изменения наследственных признаков биологического объекта и устройство для направленной передачи наследственной информации.

11. Патент РФ N° 2069949 Устройство для направленной передачи наследственной информации. Б. С. Котов, Ю.В. Гавинский и др. - Бюл. изобр. N° 34, 1996.

12. Бецкий О. В. Миллиметровые волны в биологии и медицине. Радиотехника и электроника, 1993, т.38, вып. 10, с.1760-1782,

13. Патент РФ N° 2090062 Способ получения новых форм растений и устройство для направленной передачи наследственной информации, опубл. 20.09.1997.

14. Патент РФ N° 2108028. Способ предпосевной обработки семян растений и установка для его осуществления, опубл. 10.04.1998.

15. Патент РФ N° 2487520 Устройство для предпосевной обработки семян, опубл. 20.07.13