Производство и получение высококачественного посевного и посадочного материала является важнейшей задачей развития агропромышленного комплекса. В настоящее время все более широкое распространение в сельском хозяйстве получают рентгенографические методы контроля качества плодов и семян. Основные достоинства этих методов: высокие скорость анализа и информативность, надёжность и точность, распознавание скрытых дефектов семян и выявление вредителей.
На сегодняшний день сформировались два основных способа рентгенографии: контактный и с увеличением изображения [1, с. 23–24; 2].
Для реализации первого, контактного способа съёмки, используется источник рентгеновского излучения с протяженным фокусным пятном, объект съемки при этом располагается на достаточно большом расстоянии от источника излучения и вплотную к приемнику рентгеновского изображения.
Для реализации съёмки с увеличением используется источник излучения с точечным фокусным пятном, поэтому этот метод называется микрофокусной рентгенографией. Объект съемки располагается на определенном расстоянии, как от источника излучения, так и от приемника изображения, а соотношение этих расстояний определяет коэффициент увеличения изображения объекта.
Микрофокусная рентгенография позволяет получить увеличенное изображение объекта, именно поэтому данный метод является предпочтительным при рентгенографии семян, так как получаются резкие, увеличенные в десятки раз, изображения семян, что невозможно при контактной рентгенографии. Таким образом, метод микрофокусной рентгенографии позволяет надежно выявлять разнообразные дефекты семян, в том числе их разную степень выполненности, поражение вредителями, трещиноватость, а затем отделить некачественные семена от качественных (выполненных, полнозёрных) [3, с. 10–12; 4; 5, с. 18–23].
В целом использование метода рентгенографии для изучения внутренней структуры растений и семян древесных пород как за рубежом, так и в нашей стране используется достаточно давно [6].
Так, работы ученых ФГБНУ «Агрофизический научно-исследовательский институт» и ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт растениеводства» показали, что рентгенография является одним из наиболее перспективных методов регистрации скрытых дефектов у растительных организмов, позволяющим визуализировать все его внутренние формообразующие структуры, а следовательно, и их плотностные, объемные и линейные аномалии [7, 8].
Как видно из приведенного краткого литературного обзора, отечественные ученые, в частности коллективы ученых из СПБГЭТУ, АФИ, ВИР, АЗОС, БИН, и их зарубежные коллеги имеют довольно обширный опыт по применению интроскопических методов оценки и регистрации внутреннего состояния растительных организмов, а также качественных показателей семенного материала, предназначенного для дальнейшего размножения, на основе анализа полученного рентгеновского изображения.
В процессе исследований учеными СПБГЭТУ были созданы микрофокусные рентгеновские установки для исследования растительных организмов (ПРДУ-02, РМ-01, ПАРДУС). Однако основной недостаток этих приборов состоит в том, что работа с ними требует присутствия оператора, обладающего специфическими знаниями по рентгенологии исследуемых растительных объектов, а так как специалисты с такими знаниями – явление довольно редкое, использование подобных установок весьма ограничено.
В связи с этим было принято решение о разработке рентгеновского сепаратора семян, способного при минимальном участии оператора самостоятельно проводить сортировку исследуемых образцов.
Материалы и методы исследования
Для разделения качественных и некачественных семян была предложена модель рентгеновского сепаратора семян. В данной установке рентгеновское излучение используется для получения теневого изображения объектов, после чего выполняется цифровая обработка снимка. На основе полученных данных принимается решение, повреждено семя или нет, и, соответственно, поврежденные семена отделяются от неповрежденных.
Макет рентгеновского сепаратора семян включает в себя рентгенозащитную камеру 1, перестраиваемый микрофокусный источник рентгеновского излучения 2, систему перемещения источника 3, приемник рентгеновского излучения 4, состоящий из сцинтиллятора 5 и матрицы фоточувствительных транзисторов 6, систему подачи семян 7, магнитную фокусирующую систему 8, блок обработки и управления 9. Блок обработки и управления соединен с приемником излучения, источником излучения и магнитной фокусирующей системой. Схема макета показана на рис. 1.
Рис. 1. Схема макета рентгеновского сепаратора семян
Макет управляется оператором, который загружает объекты исследования в систему подачи семян, а также контролирует работу самого сепаратора.
Коэффициент увеличения изображения задается при указании оператором типа исследуемых семян. Он рассчитывается исходя из минимального размера дефектов, которые могут присутствовать в этих семенах, по следующим формулам:
А = а·f2/f1, (1)
Н = d·(f2 – f1) /f1 , (2)
где а – размер дефекта (мм); А – размер изображения дефекта (мм); Н – нерезкость изображения дефекта (мм); d – размер фокусного пятна микрофокусного источника рентгеновского излучения (мм); f1 – расстояние от фокусного пятна до семени (см); f2 – расстояние от фокусного пятна до плоскости приемника излучения (см).
Сепаратор работает следующим образом: оператор задает тип исследуемых семян, автоматически устанавливаются рабочее напряжение и ток рентгеновской трубки, в зависимости от типа семян изменяется расстояние от источника излучения до объекта исследования, меняя таким образом коэффициент увеличения изображения. Рентгеновское излучение, генерируемое микрофокусным источником, проходит сквозь семена и неравномерно ослабляется элементами их структуры. Сформированное за семенем теневое рентгеновское изображение регистрируется и преобразуется в цифровой электрический сигнал приемником рентгеновского излучения. Блок обработки и управления с помощью специального программного обеспечения обрабатывает цифровое изображение каждого семени и определяет качество партии семян.
Результаты исследования и их обсуждение
Для определения качества семян была проведена предварительная работа по определению оптимальных режимов съемки семян разного видового состава. В этой работе были использованы коллекционные образцы некоторых видов семян растений, которые произрастают на территории парка-дендрария Ботанического сада Петра Великого БИН РАН (Санкт-Петербург), основным требованием к растениям, участвовавшим в исследованиях, было наличие разного вида семян (боб, орешек, двураздельная семянка), что позволяло индивидуально для каждого вида подбирать режимы съемки, получая наиболее информативные и достоверные результаты.
В результате проведенной работы был собран банк эталонных изображений. При разработке технологии сепарации семян была получена и использована база изображений семян различных видов растений. Всего для исследований были отобраны семена почти 40 различных видов растений (некоторые рода, указанные в таблице, были представлены разными видами). Для проведения исследований использован микрофокусный источник излучения РАП50, имеющий диапазон изменения анодного напряжения рентгеновской трубки 5…50 кВ, диапазон изменения анодного тока: 20…200 мкА.
Параметры рентгенографии для семян различных видов
|
Латинское название рода |
Анодное напряжение трубки, кВ |
Анодный ток трубки, мкА |
Время экспозиции, с |
|
Abies |
16 |
100 |
1 |
|
Acer |
22 |
150 |
1 |
|
Berberis |
18 |
180 |
1 |
|
Carpinus |
18 |
140 |
1 |
|
Colutea |
26 |
200 |
1 |
|
Cotoneaster |
21 |
100 |
2 |
|
Ecbalium |
17 |
200 |
1 |
|
Echinacea |
15 |
120 |
1 |
|
Foeniculum |
15 |
120 |
1 |
|
Gladiolus |
15 |
200 |
2 |
|
Heracleum |
19 |
150 |
1 |
|
Holodiscus |
24 |
120 |
2 |
|
Hydrangea |
21 |
100 |
1 |
|
Incarvillea |
22 |
200 |
2 |
|
Iris |
25 |
160 |
1 |
|
Juniperus |
18 |
150 |
1 |
|
Lablab |
22 |
120 |
2 |
|
Lespedeza |
16 |
120 |
1 |
|
Malus |
16 |
100 |
1 |
|
Mangifera |
17 |
60 |
1 |
|
Mespilus |
21 |
200 |
1 |
|
Phytolaca |
23 |
200 |
1 |
|
Picea |
22 |
150 |
1 |
|
Platicladus |
18 |
130 |
1 |
|
Ptelea |
19 |
150 |
1 |
|
Pterocaria |
24 |
130 |
2 |
|
Pyrus |
22 |
100 |
1 |
|
Quercus |
29 |
120 |
2 |
|
Rhaponticum |
15 |
120 |
1 |
|
Ricinus |
15 |
60 |
1 |
|
Robinia |
25 |
90 |
1 |
|
Rosa |
18 |
120 |
2 |
|
Silybum |
19 |
90 |
1 |
|
Sorbaria |
18 |
90 |
1 |
Для каждого вида семян были рассчитаны оптимальные параметры съёмки, получены рентгенографические изображения, после чего параметры съемки были уточнены. При рентгенографическом контроле семян объекты исследования, как правило, расположены на карточках, в строгом порядке, как показано на рис. 2. Карточка имеет рабочее поле из рентгенпрозрачного материала площадью, допускающей размещение всей анализируемой партии семян.
Рис. 2. Образцы карточек с семенами, приготовленные для рентгенографии
При получении банка изображений семян также использовали картонные карточки. Однако, так как при разбраковке семян при помощи сепаратора они не будут расположены отдельно друг от друга, в строгом порядке, были проведены эксперименты, которые позволили выяснить, что и в хаотично расположенных семенах (рис. 3), что имеет место в сепараторе, все скрытые дефекты надежно распознаются.
а б
Рис. 3. Рентгеновские снимки неупорядоченно расположенных семян яблони (а) и ели (б)
Анализ полученных изображений проводится в программе с рабочим названием Агротест 3.0 (рис. 4). Программа в автоматическом режиме проводит обработку снимка, идентифицирует виды скрытых дефектов семени, выделяет семена с различными видами дефектов, а также проводит автоматический учет и формирует отчет в отдельный файл.
Рис. 4. Рабочее окно программы Агротест 3.0
Выводы
В ходе выполнения исследований собран банк рентгеновских изображений семя различных видов растений, представителей разных семейств.
Определены основные параметры разрабатываемого рентгеновского сепаратора семян. Показано, что в сепараторе должна быть предусмотрена возможность изменять напряжение рентгеновской трубки от 14 до 30 кВ, а ток трубки от 60 до 200 мкА во всем диапазоне рабочих напряжений, коэффициент увеличения изображения должен изменяться от 3 до 5. Производительность у использованного макета сепаратора семян составляет несколько кг в час с точностью сортировки на уровне 85–90 %. У производственного образца может быть достигнута производительность до нескольких тонн в час.
Предложенная методика автоматической рентгеновской сепарации плодов и семян позволяет упростить работу и снизить трудозатраты по очистке семенного материала, получить результаты оперативно и без проверки качества семян традиционными способами.
Было подтверждено, что методика без потери качества может использоваться для семян, различных по плотности и размерам. Предложенная методика, конечно же, не заменяет стандартную проверку лабораторной и грунтовой (полевой) всхожести, но позволяет быстро сделать предварительную оценку качества партии плодов и семян и разработать направления дальнейших исследований.