РОЗДІЛ 2
АНАЛІЗ ЕФЕКТИВНОСТІ ДЖЕРЕЛ ВИПРОМІНЮВАННЯ
ДЛЯ СВІТЛОКУЛЬТУРИ РОСЛИН
2.1 Визначення ефективності джерел випромінювання за параметрами приймача
Поглинання і перетворення енергії випромінювання, яке використовується у
фотобіологічних процесах, має дискретний характер. Кількість структурних
частинок речовини, якими є фоточутливі пігменти та фоточутливі хімічні
комплекси, що провзаємодіяли з фотонами протягом часу t, визначається так [79,
141]:
(2.1)
де М – кількість структурних частинок речовини, які вступили в реакцію з
фотонами протягом часу t;
n – кількість фотонів, поглинутих біологічним об’єктом за час t;
hкв – квантовий вихід процесу перетворення випромінювання.
Для монохроматичного випромінювання (таким випромінюванням може виступати
лазерне випромінювання, випромінювання напівпровідникових джерел світла)
рівняння (2.1) можна записати у вигляді:
(2.2)
або на одиницю площі опромінювальної поверхні
(2.3)
де m – кількість структурних частинок речовини, які вступили в реакцію з
фотонами протягом часу на одиниці площі опромінювальної поверхні ;
Qa(l) – енергія поглинутого монохроматичного випромінювання;
Q(l) – енергія цього ж випромінювання, яке попадає на біологічний об’єкт
протягом часу t;
– показник поглинання монохроматичного випромінювання;
r(l) – спектральний коефіцієнт відбивання опромінювальної поверхні;
Е(l) – спектральна густина опромінення біологічного об’єкта;
hкв(l) – квантовий вихід процесу перетворення випромінювання з довжиною
хвилі l.
Швидкість процесу перетворення випромінювання дорівнює
(2.4)
Для більшості біологічних об’єктів (рослини, водорості, фоточутливі бактерії)
квантовий вихід процесу перетворення випромінювання, показник поглинання та
коефіцієнт відбивання випромінювання є функціями довжини хвилі, що визначає
селективність чутливості приймачів випромінювання. Крім того, в процесі
перетворення енергії випромінювання, необхідно враховувати непродуктивні її
втрати. Ці втрати визначаються двома факторами:
а) не всі поглинуті фотони беруть участь у процесах перетворення енергії;
б) частина енергії поглинутого фотона іде на нагрівання взаємодіючої з
випромінюванням речовини.
Таким чином, середнє значення втрат енергії в процесі перетворення кожного
фотона під час фотобіологічних технологій можна визначити як середнє значення
ККД елементарного процесу перетворення hс(l) [141, 142].
Використовуючи поняття hс(l), можна записати ефективне значення енергії процесу
перетворення монохроматичного випромінювання як добуток кількості структурних
частинок речовини, які вступили в реакцію, на ефективне значення енергії
кожного елементарного процесу перетворення фотона:
(2.5)
або
(2.6)
де Qe(l) – ефективне значення енергії процесу перетворення протягом всього часу
дії випромінювання;
qe(l) – густина ефективного значення енергії на опромінювальній поверхні;
hс(l) – середнє значення ККД процесу перетворення монохроматичного
випромінювання.
Використовуючи рівняння (2.2) і (2.3), можна виразити ефективні значення
енергії процесу перетворення через енергетичні характеристики однорідного
випромінювання:
(2.7)
або
(2.8)
де – коефіцієнт використання монохроматичного випромінювання;
– енергетичний вихід перетворення монохроматичного випромінювання.
Ефективне значення енергії складного випромінювання на ділянці спектру
(l1...l2), яка діяло на фоточутливу речовину протягом часу від t1 до t2,
визначається як
(2.9)
або
(2.10)
де j(l,t) – миттєве значення спектральної густини потоку випромінювання;
е(l,t) – миттєве значення спектральної густини опромінення речовини.
Якщо фоточутливу речовину біологічного об’єкту, яка реагує на поглинуте
випромінювання, розглядати як приймач оптичного випромінювання, то її
чутливість визначається відношенням ефективного значення енергії до енергії
падаючого на приймач випромінювання:
(2.11)
де – спектральна функція чутливості об’єкта;
С – коефіцієнт пропорційності, який визначається вибором одиниць вимірювання
Qe.
Отже, продуктивність світлотехнічної установки для опромінення біологічних
об’єктів можна охарактеризувати ефективним значенням енергії фотобіологічного
процесу за час дії установки від t1 до t2:
(2.12)
де S – площа світлочутливої поверхні об’єкта.
При рівномірному опроміненні світлочутливої поверхні біологічного об’єкта
питома продуктивність ОУ акумулюючої дії визначається як
(2.13)
якщо не змінюється з часом, то
(2.14)
де – постійна в часі густина опромінення об’єкта ефективним потоком.
Наведені вище рівняння (2.12)-(2.14), згідно з якими визначається
продуктивність світлотехнічних установок при опроміненні біологічних об’єктів,
що акумулюють енергію випромінювання, показують лінійну залежність їх
продуктивності від поглинутої ефективної енергії. Така залежність
спостерігається лише в тих випадках, коли оптичні властивості речовини, на яку
діє випромінювання, і концентрація фоточутливих частинок залишаються незмінними
протягом всього часу дії випромінювання.
Із (2.13) випливає, що продуктивність ОУ визначається ефективною енергією
випромінювання або кількістю ефективного опромінення приймача. Це правило для
установок фотохімічної дії називають законом Бунзена-Роско. Він виконується
лише тоді, коли протягом часу дії випромінювання залишаються незмінними
показник поглинання випромінювання і ефективне значення густини опромінення
е(l). Умова =const для будь-якої ділянки спектру визначається незмінністю
концентрації поглинаючих центрів в речовині.
При рівнях опромінення, які досягаються при вирощуванні рослин у закрито
- Київ+380960830922