Рентгенографический способ определения качества семян и плодов



В статье приведены результаты исследования рентгенограмм семян грецкого ореха и плодов арахиса с целью определения их качества.

Ключевые слова: рентгеноскопия, рентгенограммы, семена растений

Рентгенографические исследования широко применяются в медицинской сфере для получения информации о внутренних органах человека — флюорография грудной клетки, рентгенографические исследования целостности костей, в компьютерной томографии. Но рентгенография позволяет получать информацию и о дефектах в различных материалах — например, сложные устройства, такие как реактивный двигатели или винты подводных лодок и судов, тоже проходят рентгенографическую дефектоскопию. Используются рентген-исследования и в сельском хозяйстве, и в пищевой промышленности.

Актуальность работы обусловлена тем, что сельскохозяйственные культуры имеют большой удельный вес в мировом растениеводстве и дают основную массу продуктов питания для человека и кормов для животноводства. Эти культуры размножаются в основном семенами, поэтому оценка качества семян имеет исключительное влияние на величину и ценность урожая. С другой стороны, плоды и семена растений используются в пищевой промышленности — и по рентгенограммам можно судить о качестве продуктов питания.

Цель — неинвазивное исследование семян и плодов растений с помощью рентген-аппарата для определения их качества.

В качестве объектов исследования использовались плоды арахиса, грецкие орехи, а для определения наилучших условий эксперимента использовались деревянные фанерные заготовки.

Для достижения поставленной цели необходимо изучить устройство и принцип действия рентгенографического аппарата, ознакомится с предыдущими исследованиями по теме проекта других авторов, научиться пользоваться рентгенографическим аппаратом, определить оптимальные параметры напряжения и тока рентгеновской трубки, получить и проанализировать рентгенограммы используемых образцов.

Рентгеновский луч или рентгеновское излучение- это проникающая форма высокоэнергетического электромагнитного излучения [1]. Благодаря открытию физика Рентгена стало известно, что рентгеновские лучи являются видом электромагнитного излучения, который характеризуется меньшей длиной волн, нежели ультрафиолетовые. Их длина составляет от 70 до 10 нанометров. Основой рентгеновского аппарата является рентгеновская трубка, схема которой приведена рисунке 1.

Рис. 1. Принцип действия рентгеновской трубки: K — катод, А — анод, U _выс. — высокое напряжение, ⊝ — отрицательно заряженные частицы, hv — рентгеновское излучение [2]

Трубка содержит катод и анод — электронные эмиттеры, между которыми создается высокое напряжение. Под действием этого напряжения электронный поток переходит с катода на анод, вызывая высвобождение рентгеновского излучения [3].

Получение рентгенограмм осуществлялось с помощью рентген-аппарат XR 4.0 X-ray [4], основными характеристиками рентгеновской трубки которого являются напряжение до 35 кВ и эмиссионный ток до 1 мА.

В качестве исследуемых объектов были выбраны семена грецких орехов в скорлупе и плоды земляного арахиса. Их выбор обусловлен, в первую очередь, их значительными размерами и возможностью проверки качества объектов путем вскрытия скорлупы.

Для выбора наилучших параметров эксперимента с целью получения наиболее четкой рентгенограммы на экране приборе было проведено исследование. На штатив на пути пучка рентгеновского излучения размещалась стопка деревянных фанерных заготовок толщиной 3 мм каждая, смещенные друг относительно друга. При этом с краев рентгеновское излучение проходило только через одну заготовку, а по центру через все 8 (рисунок 2). Изменяя ток и напряжение на рентгеновской трубке визуально определялось качество снимков-рентгенограмм. Проведенный эксперимент позволил определить оптимальные параметры рентгеновской трубки для получения наиболее четких и контрастных рентгенограмм — напряжение 35 кВ и ток 1 мА.

Рис. 2. Рентгенограмма деревянных объектов при 35 кВ, 0,7 мА [фото автора]

С помощью программного обеспечения ImageJ [5] можно определить значение яркости в точке рентгенограммы, 100 % — объект полностью пропускает рентгеновское излучение, 0 % — объект полностью поглощает рентгеновское излучение. Величина яркости на рентгенограмме измерялась в точках, соответствующих от 1 до 8 фанерных заготовок, и по результатам измерений была построена гистограмма яркости (рисунок 3). Полученная гистограмма позволяет оценить плотность объектов на рентгенограмме в зависимости от определённой яркости объекта.

Рис. 3. Гистограмма исследования фанерных заготовок

При определённых ранее оптимальных параметрах работы рентгеновского аппарата были проведены исследования грецких орехов (рисунок 4). На рисунке слева грецкий орех с ядром — ядро ореха более плотное и поглощает рентгеновские лучи, на рентгенограмме выглядит темнее. На рисунке справа рентгенограмма грецкого ореха, в котором ядро отсутствует (например, поражено заболеванием и истлело). Значения яркости в области внутри ореха с ядром, определенные с помощью программного обеспечения ImageJ, составляют 15 %, а для скорлупы без ореха — 55 %.

Рис. 4. Ренгенограммы грецкого ореха с ядром (слева) и без ядра (справа)

Аналогичные рентгенограммы для хорошего (и вкусного) плода арахиса изображены на рисунке 5 слева, для арахиса, в котором из двух плодов остался один — справа. Плоды темнее, чем скорлупа по причине большей плотности. Яркость плода составляет 21 %, яркость скорлупы без плода 64 %.

Рис. 5. Рентгенограмма плодов арахиса

Таким образом, проведено исследование грецких орехов и плодов арахиса с помощью рентген-аппарата для определения их качества по рентгенограммам. Были изучены устройство и принцип действия рентгенографического аппарата, подобраны наилучшие условия проведения эксперимента и параметры напряжения на катоде и анодного тока рентгеновской трубки, получены рентгенограммы плодов земляного арахиса и семян грецкого ореха. Различие в плотности, а значит и контрастности на рентгенограмме, для хороших и испорченных семян и плодов внутри скорлупы позволяет определить качество этих объектов не вскрывая скорлупу. Для определения качества орехов можно использовать постобработку снимков рентгенограмм — с помощью программного обеспечения и по гистограмме яркости или по значениям яркости можно судить о качестве объектов. В дальнейшем будет проведен эксперимент с семенами меньших размеров — для получения снимков будет использоваться камера с объективом и оптическим зумом. Для некрупных семян качество будет определено путем сравнения схожести семян из различных групп.

Литература:

1. Быстров Ю. А., Иванов С. А. Ускорительная техника и рентгеновские приборы. — М.: Высшая школа, 1983. — 288 с.
2. Строение рентгеновской трубки // triptonkosti.ru: сайт. — URL: https://triptonkosti.ru/6-foto/stroenie-rentgenovskoj-trubki-risunok-84-foto.html (дата обращения: 13.01.2024)
3. Иванов С. А., Щукин Г. А. Рентгеновские трубки технического назначения. — Л.: Энергоатомиздат, 1989. — 200 с.
4. XR 4.0 X-ray Базовая рентгеновская установка, 35 кВ // PHYWE: сайт. –URL: https://www.phywe.com/ru/fizika/sovremennaya-fizika/rentgenovskaya-fizika/xr-4–0-x-ray-35_1557_2488/ (дата обращения: 13.01.2024)
5. ImageJ /ImageJ:сайт — URL: https://imagej.net/ij/ (дата обращения: 28.02.2024)