ЭТУ_Куликова_2014

составляющие монохроматического потока излучения Ф i соответственно.

Интегральные коэффициенты отражения, поглощения и пропускания:

Различные приемники по-разному реагируют на лучистую энергию различных длин волн. Для характеристики приемника вводится понятие спектральная чувствительность приемника излучения.

Энергия излучения поглощенная приемником, преобразуется в другие виды энергии: электрическую, механическую, химическую, биохимическую и теплоту. Величина того или иного вида энергии определяется свойствами приемника и составом излучения, но обычно доминирует какой-либо вид энергии.

Образованный вид энергии называется энергией фотона WФП. Отношение dWФП / Фdt = gS называется полной чувствительностью приемника.

Большинство биологических приемников лучистой энергии являются селективными, т.е. обладают чувствительностью и излучением разной длины волны.

Спектральная чувствительность достигает наибольшего значения при такой длине волны 0, при которой получение определенной реакции приемника достигается наименьшим однородным лучистым потоком. При любой другой длине волны та же реакция достигается при большем потоке.

Относительная спектральная чувствительность:

К g , g 0

где g 0 – максимальная спектральная чувствительность при длине

волны 0 ; g – спектральная чувствительность при какой–то длине волны, отличной от 0 .

Спектральные характеристики некоторых приемников оптического излучения представлены на рисунке 3.3.

Максимальный эффект от воздействия на объект облучения возможен при совпадении длины волны монохроматического излучения источника и длины волны, соответствующей максимальной чувствительности

61

приемника. Реальные источники излучают сложные потоки, состоящие из множества однородных потоков.

Рисунок 3.3 – Спектральные характеристики: 1 – кожи животного; 2 – фотосинтеза; 3 – зеленого листа

Энергия, преобразованная в энергию излучения, затрачивается и на создание потоков, к которым приемник совершенно не чувствителен. Затраты энергии будут минимальными, а эффект облучения максимальным при условии совпадения спектральных характеристик излучателя и приемника. Оценка лучистого потока в ваттах без учета спектральных характеристик не позволяет определить результат облучения. Наиболее полно результат облучения определяется по реакциям приемника, т.е. в системе эффективных единиц измерения.

Фотосинтезный поток – ФФ. Приемник – зеленый лист растения. Единица измерения – фит (1 фит равен 1 Вт монохроматического излучения с длиной волны = 680 нм).

Бактерицидный поток – ФБ. Приемник – бактерии, гибнущие под действием потока ФБ. Единица измерения – бакт (1 бакт равен 1 Вт монохроматического излучения с длиной волны = 254 нм).

Световой поток – ФС. Приемник – глаз человека. Единица измерения – люмен (1 люмен равен 1/680 Вт монохроматического излучения с длиной волны = 555 нм).

Эритемный поток – ФВ. Приемник – кожа животного или человека. Эритема – специфическое покраснение кожи. Единица измерения – эр (1 эр равен 1 Вт монохроматического излучения с длиной волны = 297 нм).

Устройства для передачи лучистой энергии определенной интенсивности и спектрального состава от источника приемнику называется облучательными установками. Энергия излучения, отнесенная величине облучаемой поверхности за время облучения , называется дозой облучения или экспозицией:

62

H Eэф Фэф ,

A

эффективный поток; А – площадь приёмника излучения; – время. Одинаковая доза облучения может быть получена при разных

отношениях облученности и времени облучения. Облучательные установки классифицируются по назначению, типу применяемого источника, взаимному расположению источника и приемника. По назначению облучательные установки подразделяются: установки ультрафиолетового излучения (УФ), установки видимого излучения (ВИ) и установки инфракрасного излучения (ИКИ).

По взаимному расположению источника и приемника: стационарные, передвижные и импульсные.

Типы применяемых источников – разрядные лампы низкого и высокого давления и дуговые ртутные.

3.2. Установки ультрафиолетового облучения

Излучение с длиной волны в диапазоне от 180 до 400 нм называется ультрафиолетовым. Естественным источником ультрафиолетового излучение является солнце. По техническим соображениям ультрафиолетовую радиацию разбивают на три области. Область С – дальняя ультрафиолетовая радиация с длиной волны от 180 до 280 нм. Обладает сильным бактерицидным действием и используется для стерилизации воздуха, воды, посуды и оборудования. В селекции УФ-С используется для получения новых свойств растений.

Область В - средняя ультрафиолетовая радиация с длиной волны от 280 до 320 нм. Вызывает загар и эритему, оказывает общее благотворное воздействие на организм животных. Обладает антирахитным действием, т.к. способствует превращению провитамина D в активно действующий витамин D, управляющий отложением солей кальция в костных тканях животных.

Область А - ультрафиолетовая радиация с длиной волны от 320 до 400 нм. Применяется для люминесцентного анализа и возбуждения светящихся веществ в сигнальных устройствах. Биологическая активность излучения в области А относительно мала.

Установки ультрафиолетового излучения в области С (УФ-С) наели наибольшее применение в свиноводческих комплексах и комплексах КРС,

атакже на птицефабриках.

Вчас свиноводческий комплекс на 108 тысяч свиней выбрасывает в окружающую среду 1,5млрд. микробов, 159 кг аммиака, 145 кг сероводорода и 26 кг пыли от кормов, а птицефабрика на 720 тыс. голов

63

производит 175 млрд. микробов, что представляет серьезную экологическую опасность.

В установках УФ-С используются лампы типа ДБ, ДРБ, ЛЭ, ЛЭР, ЛЭО, ДРВЭД и ДРТ мощностью от 30 до 1000 Вт. Наиболее распространенные бактерицидные дампы ДБ (низкого давления с разрядом в парах ртути) имеют 80 % излучений на длине волны 254 нм.

Цилиндрическая колба ламп изготавливается из увиолевого стекла (40 % кварца), хорошо пропускающего УФ излучение. УФ излучение ионизирует воздух, а ионы, соединяясь с взвешенными частицами, утяжеляют их, что способствует очистке воздуха.

При установке бактерицидных ламп в помещениях необходимо исключить воздействие излучения на людей и животных.

Обеззараживание воды в потоке осуществляется на установках ОП-1П (рисунок 3.4).

Рисунок 3.4 – Установка обеззараживания воды: 1 – лампа Дб; 2 – кварцевый чехол; 3 – корпус облучателя

Лампа ДБ-30 концентрично расположена в металлической трубе большого диаметра и отделена от потока воды чехлом из кварцевого стекла.

Процесс отмирания бактерии протекает по экспоненциальному закону

экспоненциальному закону:

Eh E0e ah ,

64

где Е0 , Eh – облучаемость на поверхности среды и на глубине h; a – показатель поглощения, см; 0 – коэффициент пропускания бактерицидного потока. 0 exp ah .

Методика расчета состоит в определении времени облучения, если известны объем или площадь облучения и выбран источник излучения.

Ультрафиолетовое излучение в области В (УФ-В) имеет большое значение в образовании и поддержании жизни на Земле. Недостаток ультрафиолетового облучения особенно сказывается на развитии молодых организмов и может привести к заболеванию, в первую очередь к рахиту. Витамин D, регулирующий рост и развитие скелета животных и кроветворных органов, получается из неактивного провитамина D под действием УФ-В. В естественных условиях радиация УФ-В достаточна и составляет несколько процентов в спектре солнечного излучения. Помещения практически полностью изолируют живые организмы от УФ-В излучения.

УФ-недостаточность заметно снижает продуктивность всех видов животных. К кожному покрову УФ-излучение проникает через покров шерсти, которая работает как своеобразный волновод. Куры воспринимают УФ - излучение гребешком и сережками.

УФ-излучение должно строго дозироваться.

Начальное облучение составляет 25 % от нормированной дозы и увеличивается постепенно до полной дозы. Рекомендуется делать перерыв на 2...3 дня после каждых 5...7 дней облучения.

УФ-излучение используется для лечения кожных заболеваний (стригущий лишай, нарывы, чесотка), а также при легочных заболеваниях, заболеваниях крови и других воспалительных процессах. В этих случаях используют ударные дозы для отдельных участков кожи.

Стационарные (или передвижные) установки УФ–излучения ОРК и ЛРК комплектуется лампами ДРТ (рисунок 3.5).

1 2

4 3

Рисунок 3.5 – Устройство лампы ДРТ: 1 – кварцевая трубка; 2 – вольфрамовый электрод; 3 – держатель; 4 – лента из медной фольги Лампа ДРТ (дуговая ртутная) имеет колбу в виде трубки,

изготовленной из кварцевого стекла 1, впаянных электродов с оксидным покрытием 2, ленты из медной фольги 3 и держателей 4.

Зажигание лампы происходит при холодных электродах, что требует высокого напряжения зажигания.

Схема включения лампы приведена на рисунке. 3.6, а.

65

При замыкании кнопки SB ток течет через дроссель LL и конденсатор

С1.

Импульс напряжения для зажигания лампы возникает при размыкании предварительно замкнутой кнопки SВ, т.к. при сворачивании магнитного потока в обмотке дросселя LL наводится э.д.с. самоиндукции, значительно превышающая напряжение сети . Полоска фольги, включенная последовательно с конденсатором С2, служит для облегчения зажигания за счет электрического воздействия на разрядное пространство лампы.

Рисунок 3.6 – Схема включения (а) и спектр излучения (б) лампы ДРТ Спектр излучения – линейчатый и в его состав входит бактерицидное и

видимое излучение (рисунок 3.6,б). В установках ОБУ1х30 м и ББП01хЗО м используются лампы ДБ-30, а в установках ОЭСП02 – лампа ЛЭР-40 и

ЛБР-40.

Характеристики ламп УФ -излучения приведены в таблица 3.1.

При эксплуатации ламп УФ - излучения интенсивность излучения снижается из-за их старения и необходимо увеличивать время облучения, чтобы доза облучения оставалась постоянной.

Применение УФ - установок позволяет снизить падение молодняка животных на 70...80 %, увеличить продуктивность взрослых животных в стойловый период на 7...8 % .

Эффективность бактерицидных установок определяется при сравнении с другими способами обеззараживания.

Для ультрафиолетового облучения животных и птицы промышленность выпускает облучатели и установки, в которых используются эритемные лампы ЛЭ-30-1 и ЛЭР-40 и ртутно-кварцевая лампа ДРТ-375.

Эритемный облучатель типа ЭО-1-30 используется для облучения поросят, телят, коров, а также при содержании на полу цыплят и кур. В облучателе одна лампа ЛЭ-30-1.С помощью подвесок облучатель крепится к потолку и при высоте подвеса 2...2,2 м облучает 18...20 м площади пола. Облучатели изготавливается со стартерной (Э01-Э0С) и бесстартерной схемой включения (Э01-Э0М). Питание от сети переменного тока напряжением 220 В.

Механизированная подвесная установка УО-4М для облучения коров,

66

телят, поросят, а также при содержании на полу цыплят и кур. Установка состоит из четырех облучателей с ртутно-кварцевыми лампами ДРТ-375, устройства для подвески и перемещения облучателей, приводной станции и кабеля.

Таблица 3.1. - Характеристики ламп УФ -излучения

Ртутные лампы высокого давления: спектр (эритемный, видимый, ближний ИК) близок к солнечному

Облучатели перемещаются по двум стальным струнам диаметром 5…6 мм вдоль животноводческого помещения на высоте 2,8...3 м от пола. Питание ламп осуществляется по кабелю ШРПС-Зх1,5 мм, подвешенному на кольцах к струне («шторка»), от сети переменного тока напряжением 220 В. Возвратно-поступательное движение облучателей обеспечивается приводной станцией через трос со скоростью 0,3 м/мин. Площадь облучения 60х12 м.

Светильник – облучатель СП02-2х40/п5х01 предназначен для освещения животноводческих помещений и ультрафиолетового облучения находящихся в них животных. Для освещения используется одна лампа ЛБР-40, для облучения – одна эритемная лампа ЛЭР-40. Лампы включаются раздельно, схема бесстартерная.

Самоходная установка с ртутно-кварцевыми УОК-1 применяется для облучения кур при их содержании в клетках. Источник УФ - излучения – две лампы ДРТ-375, установленные на вертикальной металлической стойке, закрепленной на тележке. Электропривод и пульт управления смонтирован на основании тележки. Скорость движения тележки – 0,5 и 1 м/мин. Питание от сети переменного тока через гибкий кабель с резиновой изоляцией типа ШРПСЗх1.5-1х1 мм. Одна установка облучает 20 тыс. кур.

Переносной получатель с ртутно-кварцевой лампой ДРТ-375 для облучения инкубационных яиц и цыплят в первые дни после вывода. Облучатель состоит из лампы с отражателем и пускорегулирующего устройства, соединенных между собой гибким кабелем длиной 20 м.

Установка для инактивации микрофлоры молока УФ-излучением выполнено на базе молочного сепаратора ОСТ-3.Установка (рис. 3.7) состоит из ротора 1, закрепленного на вертикальном валу 2. Ротор 1 состоит из двух соосных цилиндров внешнего 3, изготовленного из кварцевого стекла и внутреннего 4, выполненного из нержавеющей стали. В центральной части ротора установлен цилиндр 5 малого диаметра (полый вал), предназначенный для подачи молока в рабочую камеру барабана 7 через впускные отверстия 13. Отвод обработанного молока производится через отверстия 8 и патрубок 9. По периферии ротора на кожухе 11 установлены ультрафиолетовые лампы 10. Молоко принудительно через вертикальный входной патрубок 12 подается через отверстия 13 в рабочую камеру 7 ротора центрифуги 1.

При вращении ротора 1 под действием центробежных сил бактерии, находящиеся в дисперсной среде и имеющие плотность большую, чем плотность этой среды, перемещаются от центра к периферии и располагаются тонким слоем (толщина слоя определяется размерами бактерий) на внутренней поверхности внешнего кварцевого цилиндра. Этот слой обличается УФ - лампами 10. Корпус 11 служит защитным экраном от УФ - излучения. Для полной инактивации микроорганизмов

68

3.3.Установки видимого излучения

Вконце 18-го века английские и голландские учёные пришли к выводу, что растения питаются водой, воздухом, светом и в малой части почвой. Путём серии опытов они открыли явление фотосинтеза. Фотосинтез - главный процесс жизнедеятельности растений, отвечающий за их рост и развитие. Более 95% сухого вещества растений создаётся в результате этого процесса. Управление фотосинтезом - наиболее эффективный путь воздействия на продуктивность и урожайность растений. Русский исследователь К.А. Тимирязев доказал, что источником энергии для фотосинтеза служит преимущественно длинноволновая часть спектра (красные лучи), а влияние коротковолновой части (сине-зелёной) менее существенно.

Проводились и другие исследования воздействий излучения видимой части спектрального диапазона на растения. В работе исследовали влияние интенсивности и спектрального состава света на эффективность фотосинтеза и продуктивность различных растений. У растений за поглощение света отвечают специальные пигменты. Основные из них - хлорофиллы a и b и каротиноиды. Хлорофиллы поглощают свет синего и красного диапазонов, а каротиноиды - синего диапазона. Свет, полученный разными пигментами, расходуется на разные цели: пигменты с пиком чувствительности в красной области спектра отвечают за развитие корневой системы, созревание плодов, цветение растений; пигменты с пиком поглощения в синей области отвечают за увеличение зелёной массы; зелёная часть спектра излучения полезна для фотосинтеза плотных листьев и листьев нижних ярусов, куда синие и красные лучи почти не проникают. Остальные части спектра растениями практически не используются.

В результате исследований было показано, что наиболее благоприятными для выращивания светолюбивых растений являются интенсивности в пределах 150-220 Вт/м2, а оптимальный состав излучения имеет следующее соотношение энергий по спектру: 30% - в синей области (380-490 нм), 20% - в зелёной (490—590 нм) и 50% - в красной области (600-700 нм). С использованием такого искусственного освещения получены урожаи, в несколько раз более высокие, чем при обычном освещении, причём за более короткие (в 1,5-2 раза!) сроки.[5]

Диапазон видимого излучения 400...780 нм используется для освещения, т.е. создания условий видимости и для технологического воздействия на биологические объекты: растения, животных и птиц.

Требования к осветительным установкам в светотехнике и технике облучения различны (таблице. 3.2).

Технологические установки видимого излучения в основном используются в растениеводстве при выращивании рассады, но большую

70