Модификация физико-химических свойств органических материалов (на примере семян хлопчатника) ионной трансплантацией тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

СГ5

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ ИМЕНИ У. А. АРИФОВА

гг;

а I

На правах рукописи

УДК 621.382:633.51

МАНСУРОВ Бахтиёр Кахрамонович

МОДИФИКАЦИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОРГАНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ (на примере семян хлопчатника) ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИЕЙ

01.04.04. — Физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ТАШКЕНТ—1997

Работа выполнена в Центральном проектно-конструкторском и технологическом бюро научного приборостроения Академии наук Республики Узбекистан, НПО «Академприбор».

Научный руководитель: академик АН РУз, доктор физико-математических наук, профессор Раджабов Т. Д.

Официальные оппопенты: доктор физико-математических наук

Чирва В. П.,

кандидат технических наук Назаров А.

Ведущая организация: Ташкентский Государственный технический

Университет.

Защита состоится « . » . 199 <5 г- в г-?30

часов на заседании Специализированного Совета Д.015.23.01 в институте Электроники им. У. А. Арифова по адресу: 700143, г. Ташкент, ул. Файзуллы Ходжаейа, 33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеках ТашГТУ (700011, г. Ташкент, ул. Навои, 13) и института Электроники им. У. А. Арифова.

Автореферат разослан » . ^ 199 # г.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор технических наук

ХАМИДОВ Н.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Вакуумная ионно-лучевая модификация материалов, основанная на взаимодействии ускоренных потоков заряженных атомных частиц с твердым телом, в настоящее время получила исключительно широкое распространение, особенно в современной микроэлектронике, оптике, материаловедении и металлургии. применением ионно—лучевой . имплантации достигнуты значительные успехи в направленном улучшении таких физико-химических свбЙств поверхности, как коррозионная и кавитациокная стойкость, износостойкость, михротвердость. Применение метода ионной имплантации позволяет осуществлять локальное окисление полупроводниковых слоев для создания межкомпонентной изоляции, формирования в них открытых изолирующих и проводящих структур, превращать поверхностный слой материала в другое химическое соединение, повышать критическую температуру сверхпроводников и та

Наряду с традиционно используемыми материалами, такими как полупроводники, металлы, диэлектрики, вызывает особый интерес имплантация полимерных материалов и природных органических материалов, по которым отсутствует пока какая-либо подробная информация. В связи с этим представляют большую актуальность исследования и разработка методов обработки органических соединений, имея в виду практическое использование ускоренных ионов в сельском хозяйстве, например, в хлопководстве. ' '

Важно не только • выращивать новые сорта в хлопководстве, растениеводстве, но и выявлять в свете последних научных достижений перспективые методы и способы предпосевной обработки уже известных и хорошо зарекомендовавших себя сортов хлопчатника, а также риса, пшеницы и других культур.

ИОНЛИ ИМПЛАНТАЦИЯ килиш УЧУН МРЛЖАЛЛАНГАН ОРГАНИК МАТЕРИАЛЛАРИНИНГ

ФИЗИКАВИЙ ВА ХИМИЯВИЙ ХОЛАТААРИ. Г»?.-?-(Кискача мазмуни) -------------

■лм < Б.К.' Майоров ■ 5 1?кт зг киниот;;

Диссертация иши гузаиинг цобигсиз уругининг уругликКй^^лпШ'рНй'и: яхшилаи мацсадида унга 1оцори аМергетик ион нурлг.ри'-'бшйШ ишХе>Ш5*-бёрощ-имкониятларини. урганишга багишлаиган." ча э •* а иг П-'

Шу мацсадда 10 Па тартибидаги Вакуум чрразкасиыинг Ва бакуумда ушлаш Вадоинина таъсири, муспадил газ даразкасо. плазмаси, "ВезувиО-2" туридаги катор тезлатгичларда уругларга иоам! ишлоВ берилиши буоича текшируВляр утказилди. Руза уругига ионли имплантациянииг таъсирини урганишда дала шароитида текшириладиган уруглар лабораторияларда таллил нилипди, улар даттиздиги, биохимияВий холати аниданди, оптик Ва электрон микроскопия усуллари кулланилди. . . ш

Анихландики, азошнинг серхаракат иоилари окимини Ва кислородничнуллаш иули билан ишлоб берилган "гуза уруглари уларнинг тез усицшга. Ва серхосил булишига олиб келади. (1-5)х1014 см"2 улчовли мицдордаги ораликда азот ионлари Ва кислород билан ишлсв берилган уруглар 30-50 фоизга униш имкониятини оширади, пахта хосилдорлиги эса 10 фоизга купаяди.

Имплантация килингап уругларнинг экиш . ва хосил берищ хусусиятлари нурланишга, олган энергиясига Ва ионлар турига боглин.

Пахжачиликда фойдаланиш учун кулаО булган уругларга нур бериш улчоби белгилаб утилган. ТузилмаВиО, микромеханик Ва биохимик Лщатдан утказилган текшируОлар асосида- ионли импланпщиянинг пахта уругига ,8а(.бош*а> тур:; техиикаВий усимликларга курсатадиган шкобиО тагсири таклиф эшилган.

Якун тарифа сида шу нарса айтиладики, ионли нурлар билан имплантация килиш усули кишлок хркалик экинлари уругига олдиндан ишлоВ беришдаги янги усул хисобланади.

хлопчатника.

2. Обработка семян хлопчатника з плазме самостоятельного газового разряда в течение 1—2 минут при давлении 10 Па и плотности тока 0,1—0,2 мА/'см2 не изменяет всхожесть семян и урожайность хлопчатника.

3. Впервые определено, что облучение семян хлопчатника потоками газовых ионов высокой энергии (80—125 кэВ) приводит к существенному изменению их всхожести и урожайности Выявлена явно выраженная зависимость лабораторной а полевей всхожести семян от дозы облучения и энергии ионоп Обработка ионами азота и кислорода в интервале доз (1+5)хЮ14см~2 позволяет увеличить всхожесть семян на 18-21% и урожайность 'хлопчатника до 10%.

4. Оптимальными дозами облучения для семян хлопчатника являются дозы 1014—1015 ион/см2 при энергии ионов 100-120 кэВ. Выявлено, что внедрение и имплантация в толщу кожуры семян ионов кислорода приводит к большему эффекту улучшения биологических потенций семян, чем бомбардировка этих же семян ионами азота.

5. Впервые проведены структурные и микромеханические ис—. :ледования кожуры семян, подвергнутых- ионной обработке. В приповерхностных слоях обнаружены мельчайшие нарушен; гя сплошности, юзникающие, по-видимому, в результате радиационных явлений в кожуре I влияющие положительно на всхожесть и энергию прорастания семян. Показано, что микротвердость наружных слоев кожуры семян в процессе IX обработки конами кислорода и азота уменьшается, что доказывает иижекие прочностных характеристик кожуры при ионной имплантации.

6. Впервые установлено, что эффект предпосевной ионной обработки «мян хлопчатника стимулирующими дозами проявляется в активизации зотного, углеводного и фосфорного обменов. В имплантированных »астениях, в отличие от контрольных, более интенсивен рост, особенно га первых этапах онтогенеза, выше содержание нуклеиновых кислот. 1онная имплантация не изменяет свойств конечных продуктов (масла,

целлюлозы и др.), получаемых из имплантированных семян хлопчатника, 7. Анализ полученных результатов исследований позволяет утверждать о том, что выявлена новая область применения метода ионной имплантации в качестве эффективного способа предпосевной обработки осиян различных сельскохозяйственных хультур. Влияние ионной имплантации на улучшение посевных характеристик семян зависит от особенностей строения семешюй оболочки.

Практическая ценность работы. Трехлетние полевые испытания имплантированных семян хлопчатника сорта С—6524 и АН—Баяут—2 с их одновременным физиолого-биохимическим анализом показали, что вакуумная ионко—лучевая обработка, как никакая другая, - дает наибольшую достоверную прибавку урожая хлопка—сырца. Обладая большой энергией для внедрения в верхние слои семенной кожуры, имплантированные ноны, которые могут быть заданной природы, значительно улучшают аэрацию зародыша семени, облегчают доступ к нему воды, усиливают интенсивность дыхания и всхожесть. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что ионная имплантация оказывает влияние и на макромолекулярные комплексы клеточных структур в проростках. При современных возможностях техники и промышленности широкое практическое использование полученных нами результатов не вызывает сомнений. На основе проведенных исследований разработан практический полупромышленный способ предпосевной обработки семян хлопчатника, на который получено авторское свидетельство и подана заявка на патент.

Основные положения, выносимые на защиту. Ь Возможность использования за счет модернизации стандартного имплантатора типа "Везувий-2" для ионной обработки семян хлопчатника и семян других сельскохозяйственных культур, разработка и изготовление специальных устройств и приспособлений к нему для проведения ионной имплантации кислорода, азота, аргона.

2. Разработка технологии ионно—лучевой имплантации оголенных семян хлопчатника и определение оптимальных параметров обработки.

■3. Проведение исследований по ионной бомбардировке семян сельскохозяйственных культур (на примере ссмяп хлопчатника) как принципиально нового метода улучшения биологических потенций (посевных качеств) семян.

Другие возможные области применения ионпо—лучевой имплантации: семена зерновых, бобовых, бахчевых и др. культур.

4. Результаты исследований структурных и микромеханичесхих изменений кожуры сешш хлопчатшпеа вследствие воздействия на нее бомбардировки газовыми ионами.

5. Результаты физиолого-биохимичесхого анализа предпосевной обработки семян хлопчатника биологически активными ионами кислорода и азота, в которых было показано, что эффект пргдпосгвной ионной обработки ссмяп оптимальными дозами заключается в активизации азотного, углеводородного и фосфорного обменоа

6. Разработка возможных механизмов влпяння ионной обработки на посевные и урожайные свойства семян .хлопчатника.

Апробация работы.

Основные результаты по теме диссертации докладывались па 11-ой Международной конференции по ионной модификации материалов, г. Катания (Италия), октябрь 1986; Международной конференции по микроэлектронике, Бейджшгг (Китай), октябрь 1989. (Пекин)

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в публикациях, список которых приведен в конце автореферата, и авторском свидетельстве. • •

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Содержит 153 стргппщы машинописного текста, 35 рисунков, 14 таблиц .и список литературы из 119 наименовании.

Содержание работы.

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертации, сформулирована цель работы и ее практическая ценность.

В первой главе диссертации представлен обзор литературы по основам метода ионной имплантации, рассмотрены основные закономерности процесса бомбардировки твердых тел ускоренными ионами, показаны уникальные преимущества метода ионной имплантации над известными способами обработки материалов с целью улучшения их свойств. На конкретных материалах, большей частью на полупроводниковых, рассмотрен ряд практических применений иош эй имплантации. Особое внимание уделено весьма немногочисленным работам по использованию ионной имплантации к семенам сельскохозяйственных культур, а именно: пшеницы, риса, горчуцы, — и тем феноменальным эффектам, которые возникали у семян п результате их обработки ионами кислорода и азота Так, например, степень прорастания семян пшеницы, имплантированной азотом к кислородом, увеличилась на 51 и 82% соответственно, масса зерен в одном растении возросла на 50% (по данным работы китайских ученых). Наблюдалось у растений сильное кущение, увеличение высоты и мощное развитие корневой системы, благодаря которой пшеница имела высокую засухоустойчивость.

На основе литературных данных и выводов, вытекающих из экспериментов с семенами сельскохозяйственных растений, в конце главы сформулированы основные задачи, решаемые в диссертации.

Вторая глава посвящена описанию аппаратуры, установки и устройств, использовавшихся для имплантации семян хлопчатника, а также методик их исследования.

Обработка семян ионами проводилась на модернизированной промышленной установке ионно-лучевого легирования типа "Везувий—2Б". Установка представляла собой линейный ускоритель ионов с энергией однозарядных ионов в интервале 30-150 кэВ. В установке был модерни—

зирован источник ионоп плазматрошгого типа. Изменена геометрия диафрагм плазмокамеры и экстрагирующего электрода, изменена конструкция катодного узла и крепления катода источника ионов. В ионный трахт введены дополнительные диафрагмы, ограничивающие поток сепарируемых ионов. Применительно к семенам' хлопчатника изменена конструкция приемной части установки, введены секторное механическое сканирование приемного контейнера с обрабатываемыми образцами; дополнительный счетчик дозы облучения и устройство для интеграции заряда. Изготовлена специальная оснастка ;для крепления обрабатываемых семян на контейнере установки; что позволяло за один цикл подвергнуть ионной обработке до 1000-2000 семян хлопчатника в вакууме 10_3—5х№~4 Па. Ускоряющее напряжение регулировалось с точностью ±5 кВ. Средняя плотность ионного тока составляла 0,5—2,0 мкА/см2 для потока ионов гипа 0""",Ы+^2+,Аг+, а также их смесей. Обработка оголенных семян хлопчатника проводилась при вращении контейнера со скоростью 2,25 оборотов в минуту и при механическом сканировании потока ионов в секторе.

Учитывая форму семян и конструкцию кассет для их обработки, облучению подвергалось 40% площади каждого семени.

Для исследования эффекта ионной обработки семян хлопчатника использовался комплекс методов: лабораторные, полевые, микромеханические, физиолого-биохимические, оптикомикроскопические и электронномикроскопические исследования

Лабораторные испытания на всхожесть проводились при фиксированной температуре, влажности более 90% и освещенности 750 люкс в стерильной среде согласно существующему ГОСТу. В условиях полевых испытаний по стандартным методикам определялись темпы появления всходов, полевая всхожесть, энергия прорастания, высота растений, количество ветвей и завязей, время созревания и урожайность (на опытных участках ВНИИСХ им. Зайцева).

Для кппфоыйханичесюк испытаний влияния ионнсй обработки на семяна хлопчатника использовался, метод микротвердосш, позволяющий п( микроскопическим отпечаткам алмазной пирамиды Виккерса, наносимых с помощью прибора ПМТ-3, определять твердость поверхностных слоен кожурь оголенных семян как до, так и после ионной имплантации с точностью дс ОЯ кг/мм2.

Биохимическим анализом (методом Шмидта и Тгнгаузера) исследовали эффект предпосевной ионной обработки семян на протекание фосфорного, азотного и углеродного обменов в имплантированных растениях.

С помощью оптического микроскопа МИМ—8 и растрового элект— роннного микроскопа РЭМ-200 исследовали строение наружного эпидермиса кожуры семян до и после бомбардировки газовыми ионами.

В заключении главы приведены экспериментальные результаты по отработке рабочих характеристик и параметров ионного источника.

В третьей главе представлены экспериментальные результаты, получении выдержкой в вакууме, в плазме газового разряда и при имплантации ионами азота, кислорода и их смесями семян хлопчатника разновидности АН—Баяут—2 и С—6524.

Обработка оголенных семян хлопчатника потоком положительнс заряженных высокоэнергстнчных газовых ионов производилась в вакуум« 1х10-3+5хЮ~4 Па при плотности ионного тока ОД0,5 мхА/см2, энергш ионов от 50 до 130 кэВ, варьированием дозы облучения от 1013 д< 101* ион/см2.

После соответствующей экспозиции рабочая камера установки перекрывалась затвором и развакуумировалась. Семена выгружали из барабан! и засыпали в приготовленные пакеты, которые передавали в лаборатории семеноведения, где на опытных участках проводились полевые 1 лабораторные испытания..

Лабораторные испытания исходных семян и семян, прошедших обработку, проводили в основном при .использовании такого субстрата как песок, который согласно ГОСТу просеивали,' стерилизовали и засыпали в специальные ванночки После увлажнения песка до 50% его полной плагоемкости семена вдавливали на глубину 2—3 см, ванночки помещали в камеру—термостат, в котором поддерживалась постоянная температура +25°С.

Продолжительность испытаний составляла 5 суток, т.е. столько, сколько необходимо было до полной всхожести большинства семян образцоа Энергию прорастания устанавливали на 2 сутки, всхожесть на 4-5 сутки. Затем измеряли длину проростков, определяли соотношение нормальных проростков и проростков, имевших различные повреждения. Результаты, полученные на обработанных ускоренными ионами сбразцах, сравнивали с результатами контрольных (необработанных) семян хлопчатника.

Полевые испытания имплантированных семян в сравнении с контрольными проводили на опытных участках лаборатории семеноведения ВНИИСХ им. Г.С Лай цена. Каждая грулпа семян, обработанных разными дозами ионов высеивалась на отдельную грядку, которая маркировалась с записью всех данных в рабочий хсурнал. Наблюдения велись регулярно в течение всего периода роста и развития растений. Велся подсчет количества дней от дня высева до 50% всхожести, цветения и созревания. Производился подсчет темпа появления всходов, измерения роста растений, количества плодоносящих ветвей, завязей, сформировавшихся коробочек, время созревания и раскрытия коробочек. Снимались 1-й и 2-й урожаи, выявляли общую урожайность Затем сравнивали результаты, полученные от высева обработанных и контрольных семян. Данные обрабатывали и анализировали с целью выявления оптимальных доз и энергий, приводящих к повышению урожайности хлопчатника и выработки технологии предпосевной обработки семян хлопчатника.

Как показали исследования, ионная имплантация замстнд отражается на посевных качествах . семян.

Установлено:

- обработка семян в вакууме порядка 10 Па в течение 1-50 часов практически не отражается на их всхожести и урожайности хлопчатника,

— обработка семян в плазме самостоятельного газового разряда в течение 1—2 минут при давлении порядка 10 Па и плотности тока ОД+0,2 мкА/ см2 также мало изменяет всхожесть ссмяк и урожайность хлопчатника, г облучение семян хлопчатника ионами высокой энергии (100-125 кэВ) привод1гг к существенному изменению их всхожести н урожайности.

Как показали исследования, имеется явно выраженная зависимость лабораторной и полевой всхожести семян, а также урожайности хлопчатника от дозы и энергии ионов данного типа (рис.1—рис.2).

По сравнению с контрольной партией прирост нолевой всхожести ссмян после их ионной обработки составил в среднем 13-22%. Однако анализ экспериментальных данных выявил, что обработка семян хлопчатника ионами кислорода влияет сильнее на все показатели посевных качеств семян и развившихся из них растений (таблицы 1—3). По сравнению с контролем полевая всхожесть семян в этом случае увеличивается на 21—25%, возрастает количество коробочек на каждом растении, что приводит к увеличению урожайности хлопка на 9-12 ц/га. Результаты полевых испытаний показали, что эффект воздействия ионов не зависит от сортовой разновидности семян хлопчатника и определяется при фиксированной энергии ионов дозой облучения поверхности оголенного семени и видом ионов.

Анализ данных, полученных в течение 1989-1992 годов, показывает, что оптимальными дозами обработки ионами азота и кислорода для оголенных сухих семян хлопчатника являются величины от 5х1014 до 1х1015 см-2 при энергии ионов 100-120 кэВ.

Как уже упоминалось, метод шжротвердости - единственный способ,

90

70

<!С

50

й

•и

* в о

«

ч

и

4

<*

5 ?

I

40

90 /оо /10 /20 /30 ХэЗ Энергия ионов Рис.1. Зависимость полевой всхожести семян хлопчатника разновидности 0-6524 от энергии бомбардирующих ионов при дозе Д~1х1015 нон/см2.

£ У

45

■в к о

| 43 •а

3

ю

• /

1-Г/5

10

10

16 Доза.

Рис.2. Зависимость урожайности хлопчатника разновидности АН-Баяут-2 от дозы ионной обработки семян при Е=125 кэВ.

1 — при обработке ионами кислорода,

2 — при обработке ионами азота.

. Сравнительные результаты полевых испытаний семян АН—Баяут—2 после обработки их ионами кислорода и азота с энергией Е=100 кэВ.

Характеристика качества семян и растений Из необработанных (контрольных) семян Имплантация

азотом 1хЮ14 см"2 кислородом ЫО14 см"2

Темп появления всходов

(%*

через 7 суток 16,5 33 40

через 10 суток 37, 44 49

Сроки от посева до 50%

цветения 80 78 74

От посева до созревания 126 125 125

Полевал всхохесть, % 51,0 56,0 76,0

Развитие растений:

высота, см - 644 68,9 70,5

количество коробочек 5.6 6,9 7,8

количество ветвей 10,7 12,2 12,8

количество растений,

тыс./га 86,3 86,0 963

урожайность, ц/га 23,5 26,6 354

Таблица 2

Данные полевых испытаний семян хлопчатника сорта С-6524 в 1991 году с ионной обработкой при Е=100 кэЗ

К-во дней от Темпы появления По- Рост и развитие Урожай Общий

Варианты опыта. посева до 50% всходов в % на г' ле- растений урожай

доза (ион/см2) всхо- цве- соз- вая вы- к-ао К-БО К-ЕО 1-го 11-го ц/га

дов те- рева- 4/У 6/У 8/У 10/У вех. со- плод. сфор за- сбо- сбо-

ния ния % та, см ветв. шт. кор., шт. вязей бу- тонов ра, а/га ра, ц/га

Контроль - без

обработки 13 80 147 14,0 59,5 92,0 99.0 80,1 76,3 11,4 4,5 10,9 25,9 13,6 33,5

1х1014 азот 12 81 148 11,5 51,5 87,5 98,0 75,4 75,5 11,3 4,4 11,0 •25,0 13,0 33,0.

1х1015 азот 12 80 146 25,0 67.5 97.5 100 84,1 76.5 11,6 4.4. • 10,2 22,4 13,6 39,3

1Х101® азот 1х1014 12 81 147 20.0 70,0 90,0 98,5 77,0 75,5 21,6 4.5 10,7 24,4 12,7 37,8

(азот+кислород) 1х1016 12 80 148 42,5 83,5 99.5 99.5 84.1 78,7 11,3 4,9 11.2 27.3 14,3 44,6

(азот+кислород) 12 82 148 21,0 73.0 99,5 100 85,2 72,8 11,6 4,6 10,5 21,1 10,2 34.7

5ч1014 кислород 12 81 146 28,5 78,0 94,0 99,0 Б0.6 73,2 11,7 5.2 11,7 29,5 14,3 43,8

1х101^ кислород 12 81 147 8,5 53,0 92,5 98,5 78,1 78,4 12,2 4.6 12,2 . 25,9 13,6 42,1

Полевая всхожесть семян хлопчатника сорта С—6524 после их обработки ионами кислорода

Параметры обработки Полевая всхожесть, %

Энергия, кэВ Доза, ион/см2

0 0 51,2

100 1х1015 61,5

110 1х1015 70,1

120 1х1013 76,0

125 1х1015 75,0

125 5х1013 48,5

125 1x104 ' 65,1

125 1х1016 77,0

125 5хЮ16 58,0

позволяющий почувствовать одновременно структурные и физико-химические изменения, которые возникнут в поверхностных слоя: кожуры семян хлопчатника в результате воздействия на них ионны: потоков. Измерения микротвердости (таблица 4) наружных слоев кожурь семян, после их ионной имплантации, выявили во всех случаях значима (на 8-9%) уменьшение микротвердости, что свидетельствует о снижешн прочностных характеристик семенной кожуры, связанном с химическим! и структурными ее изменениями.

Оптические и электронномикроскопические исследования поверхности кожуры при ионной имплантации показали, что наиболее чстк< структурные изменения наблюдаются на семенах хлопчатника получивших оптимальные дозы обработки (ионы кислорода и азота < Е=100-120 кэВ и Д=5х1014-1х1015 ион/см2).

После имплантации на поверхности кожуры семян наблюдалис] мелкие ямки-каверны. Расположение их хаотично. На . поверхносп наружного эпидермиса кроме того фиксировались микротрещины. Иногд;

Микротвердость кожуры оголенных семян хлопчатника АН-Баяут-2 до и после их обработки ионами кислорода с Е-100 кэВ и Д-ЬсЮ^ кон/см2

Средние значения микротйер Среднеквадратичное Разница в

Семя дости коЖуры семян,кг/мм' отклонение в значениях

номер без ионноП после ионной без ионной после ионной мнкротигр-

обработки обработки обработки обработки доети,кг/мм2

1 18Д 16,2 0,4 0,6 - 14?

2 17,0 15,3 0,6 0,5 - 1,7

3 173 163 0,6 - 1,0

4 17,6 16,2 0,5 1,0 " М

5 16,0 14,4 0,5 0,4 . - 1,6

6 20,4 173 0,8 03 - 2,6

Среднее

значение

по об- 17,81 ■16Д1 . 0,61 0,65 - 1,7

разцу

они располагались в виде цепочек или разнообразных скоплений. На распыленных плоских участках кожуры семян выявлялась мелкая ячеистая структура, отражающая особенности внутреннего строения наружного слоя семетюй оболочки. В целом поверхность кожуры имплантированных семян становится еще более капиллярно-пористой.

На основании проведенных исследований были сделаны следующие основные выводы.

1. Вакуумная ионно—лучевая предпосевная обработка оголенных семян хлопчатника ускоренными ионами кислорода и азота, а также их смесями, заметно влияет на посевные параметры семян и урожайность хлопчатника. Позволяет при оптимальных режимах обработки увеличить всхожесть семян на 20-25%, урожайность хлопчатника на 9-12 ц/га.

2. Оптимальными дозами облучения для оголенных семян являются дозы 1x10й-г 1х1015 ион/см2 при энергии ионов 100-120 кэВ.

3. Выявлено, что имплантацня ионов кислорода в семена хлопчатника приводит к большему эффекту улучшения исходных посевных качеств семян, чем бомбардировка этих же семян ионами азота.

4. Обработка семян в вакууме порядка 10 Па в течение 1+50 часов и в плазме самостоятельного - газового разряда в течение 1—3 минут при том же вакууме и плотности ионного тока ОД-0,2 мкА/см2 практически не отражается на их всхожести и урожайности хлопчатника.

5. В процессе ионно-лучевой обработки мнкротъердость наружных слоев кожуры семян хлопчатника уменьшается, что свидетельствует о снижении прочностных характеристик семенной кожуры при таком воздействии.

В четвертой главе обсуждаются возможные механизмы изменения свойств семян хлопчатника в результате ионной имплантации.

Полученные совокупные экспериментальные и теоретические данные позволяют предположить, что возможными механизмами влиянш облучения иысокоэнергетичными ионами на оемена являются радиационно-химические эффекты, обусловленные особыми свойствами атомариоп кислорода и азота как частиц с массами 12—14 а.с.м. и играющих рол! биокатализаторов. Радиационные эффекты в семенной оболочке изменяю-при ее набухании проницаемость (скорость диффузии) различных вещесп входящих в состав кожуры, во внутрисемейную полость семян. Облада; большой энергией, ионы внедряются сначала в верхние слои кожург семян, образуя большую концентрацию, затем за счет радиационн стимулированной диффузии из верхних слоев семенной оболочк] попадают в пространство между кожурой и ядром, улучшая аэраади зародыша.

Предпосевная ионная обработка семян (например, смесью ионов азот и кислорода) вызывает в них сложную физиологическую реакцию. Эффек предпосевной ионной обработки семян проявляется в активизаци азотного, углеводного и фосфорного обменов при их проращивании.

появляющихся растениях хлопчатника, как показал биохимический анализ

(таблицы 5-6), в отличие от необлученных, более интенсивный рост,

особенно на первых этапах онтогенеза, выше содержание нуклеиновых

кислот. В эндосперме имплантированных семян, как правило, была

повышена активность почти всех исследуемых ферментов дыхашвд, тогда

• . • - * как в проростках (без эндосперма) повышена активность только

некоторых ферментов. Например, в проростках, выращагаых из

имплантированных семян, активность пироксидазы выше, активность же

асхорбиноксидазы и пэлифенслкслдаЗы в разные сроки прорастания ниже,

чем в контрольных. Такте образом,, под влиянием имплантации в

эндосперме усиливаются процессы распада запасных белков и углеводов,

происходит более интенсивная миграция их растворимых форм ■ в

проростки, где они используются для построения конституционных белков

и осуществления физиологических процессоа Обращает на себя внимание

то,что проростки из имплантированных семян на 10-й день имели более

заметное повышение в содержании белкового азота сравнительно с

контрольными проростками хлопчатника, где обнаруживалось высокое

содержание растворенных соединений азота.

Таким образом, эффект предпосевной обработки хлопковых оголенных семян стимулирующими дозами 1х1014+5х1014 ион/см2 проявляется сразу же на самых ранних стадиях их прорастания. Первоначальные сдвиги в обмене веществ вызывают активацию азотного, углеводного и фосфорного обменов; увеличивая в дальнейшем количество белка в проростках. Проведенные опыты подтверждают еще раз, что ионная обработка сухих оголенных семян хлопчатника смесью ионов азота и кислорода является эффектиным методом направленного воздействия на биохимию и физиологию прорастающих семян, при этом не вызывающим изменения свойств конечных продуктов (масла, целлюлозы, крахмала и др.), получаемых из имплантированных семян.

Таблица

Содержание азота в проростках из семян хлопчатника сорта С—6524, обработанных смесью ионов азота и кислорода при Е=115 кэВ и дозой 1х1014 ион/см2

Азот (в мг на 100 проростков)

Возраст общий белковый небелковый

контроль после обработки контроль после обработки контроль после обработки

3-х-диевный 490 500 Э и д о 423 с и с р 437 и 67 63

10-ПШ- дневмый 305 330 220 295 ' 85 35

3-х-умевный 32 35 П р о р 20,5 о с т к 21,5 н 11,5 Б,5

10-ти-дневиый 280 330 205 240 75 90

Таблица

Содержание различных форм углеводов в проростках из семя! хлопчатника сорта С-6524 (в г/100 растений), обработанных смеськ ионов азота и кислорода при Е—115 кэВ и дозой 1х1014 ион/см2

Возраст Моносахара + дкеахгра Полисахариды Общее количество углеводов

контроль после . обработки контроль после обработки контроль после обработки

З-х-унеВный 0,46 0,51 Э н д о 2Д2 С П С Р 2,83 и 2,58 3,34

10-ти-дневный 3-х-дневный 2,41 0,01 2,13 0,02 1,19 П р о р 0,03 0,77 о с т к 0,4 3,60 и 0,04 2,90 0,06

10-ти дневный 0,64 1,05 0,52 0,36 1Д7 1,41

В пятой главе рассмотрены • вопросы, связанные с практически' разработкой полупромышленного способа ионной обработки семян

лопчатннка, ка основе которого получено авторское свидетельство а изобретение.

В связи с этим обсуждаются специфические приемы подготовки инейного ускорителя ионов "Везувий—2" и его модернизированного арнаита для обработки семян хлопчатника. Описан характер юдернизашш отдельных узлов линейного ускорителя ионов Везувий-2", особенности их конструкции, возможности источника ионов 'становки, процедура запуска и работы установки, измерения доз •блучения семян, процесс обработки и последующей пыгрузки семян. Обработка семян проводилась оптимальными энергиями ионов (100+125 сзВ) и дозами (1хЮ14-Их1016 ион/см2) .

Для наглядности эффекта ионной имплантации проведено биологическое описание растеши! хлопчатника, нырс:ших нз семки, обработанных нонами кислорода и азота, и из контрольных, ^обработанных. Приводятся иллюстрации растений хлопчатника, выросших из имплантированных и контрольных несблучетшх секчн, показаны качественные отличия растений друг. от друга.

В заключении приводятся основные результаты и выводы, полученные в диссертации.

ВЫВОДЫ

1. Модернизирован для полупромышленного использования стандартный имплантатор типа "Везувий-2" для ионной обработки семян хлопчатника и семян других сельскохозяйственных культур. Разработаны специальные устройства, позволившие проводить равномерное облучение семян хлопчатника

2. Впервые показано, что ионная имплантация семян является принципиально новым способом их предпосевной, обработки по сравнению с другими известными методами, ранее использовавшимися для этой цели.

Метод универсален, эхологически чист, легко поддается автоматизации, позволяет вводить в толщу кожуры семян практически любые элементы периодической системы Менделеева

1 Выявлено, что влияние ионной имплантации на улучшение посевных характеристик семян, на реализацию их максимальных биологических потенций зависит от особенностей строения семенной оболочки

4. Экспериментально показано, что обработка семян хлопчатника .потоками газовых ионов (кислорода и азота) высокой энергии (80-125 кэВ) приводит к существенному изменению их всхожести (на 21—25%) и повышению урожайности хлопчатника (на 9—12ц). Выявлена сильная зависимость эффективности ионной имплантации семян хлопчатника от дозы облучения и энергии ионов.

5. Впервые установлено, что для оголенных семян хлопчатника оптимальными дозами облучения являются дозы 1014 — 10 15 ион/см2 при энергии ионов 100 — 120 кэВ.

6. Показано, что ионная имплантация семян хлопчатника оказывает влияние и на макромолекулярные комплексы клеточных структур, о чем свидетельствует изменение функционального состояния имплантированных растительных клеток семян. В результате такого воздействия

(в зависимости от используемых доз . и особенностей биологического строения объекта) наблюдаются как положительные, так и угнетающие жизнедеятельность эффекты ионной обработки.

7. Сравнительные эксперименты показали, что обработка семян хлопчатника ионами кислорода влияет сильнее на все показатели посевных качеств семян и развившихся из них растений, чем обработка тех же семян ионами азота.

8. Впервые проведены структурные и микромеханические исследования наружных слоев кожуры семян хлопчатника, подвергнутых ионной обработке. В приповерхностных слоях обнаружены мельчайшие

нарушения сплошности, возникающие в результате радиационных явлений. Показано, что микротвердость наружных слоев кожуры семян хлопчатника в процессе их нонной имплантации уменьшается, чю доказывает снижение прочностных характеристик кожуры в результате химических и субструктурных изменении семенной оболочки.

У. Теоретические расчетные данные по воздействию потоков ионов на материалы органического происхождения, подобные составу кожуры 'семян хлопчатника, н полевые испытания позволяют предположить, что возможными механизмами влияния ионной имплантации на семена являются радиационно-химическне эффекты, сопровождающиеся окислением, деполимеризацией, восстановлением, структурными надмолекулярными и химическими изменениями, которые при других видах обработок семян не имеют места." В этом особенность ионной имплантации.

Ю.Рззработан полупромышленный метод предпосевной ионной

имплантации семян -хлопчатника, защищенный авторским свидетельством, рекомендуемый для широкого использования в практике хлопководства.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

I .Авторское свидетельство СССР № 4853704/15 о^ 20.07.90г. "Способ обработки семян хлопчатника ионами кислорода"./Раджабов Т.Д.,Камардин А.И., Искандеров А.Ш., Мансуров Б.К.//

2.Патент Республики Узбекистан N3869

Способ обработки семян хлопчатника. /Раджабов Т.Д., Кпмардин А.И., Искандеров А.Ш., Мансуров Б.К,, Ким В.А., Рахимов Х.Р.// Бюллетень N4 1996г.

3.Раджабов Т.Д., Камардин А.И.ДСим В.А.,Мансуров Б.К., Рахимов Х.Р. Ионная имплантация семян хлопчатника//Дою.ады Академии наук УзССР-1991 -N3-C.51-52.

4.Раджабов Т.Д., Камардин А.И., Мансуров Б.К., Крахмапев В.А., Рахимов Х.Р., Ионно-лучевая имплантация оголенных семян хлопчатника. Препринт N49, ИЭ АН РУз, Ташкент Изд.: ФАН-1993-12с.

5. Мансуров Б.К.; Раджабов Т.Д. Ионная бомбардировка семян хлопчатника как эффективный способ предпосевной обработки семян сельскохозяйственных культур.//Узб.физический журнал.-1995-N1.

6. Раджабов Т.Д., Мансуров Б.К. Ионно-лучевая обработка семян хлопчатника П Материалы XII Международной конференции по взаимодействию ионов с поверхностью. Москва 1995 том 2 с2.

ИОНЛИ ИМПЛАНТАЦИЯ килиш УЧУН М УЛЖАЛЛАНГАН ОРГАНИК МАТЕРИААЛАРИНИНГ ФИЗИКАВИЙ ВА ХИМИЯВИЙ ^ОЛАТЛАРИ.

(Кискача мазмуни) Б.К. МансуроЗ

Диссертация аши гузанинг кобигсиз уругининг уруглик хусуеиятларини яхшилаи ма^садида унга к>цори энергетик ион иурлари билан ишлоВ бериш имкониятларини урганишга багишлангаи.

Шу максадда 10 Па тартибидаги Вакуум даршкасинипг Ва вакуумда уимаш Ва^тшшиг таъсири, мустанил газ дара&аси плазмаси, "Везу8ий-2" туридаги катор тезлагогичларда уругларга ион\и ишлов берилиши бузина текширублар утказилди. Руза уругига иоплй имплантациянинг таъсирини урганишда дала шароитида текшириладиган уруглар лабораторияларда тгхлил килинди, улар ¡сатти^иги, биолимияВий холаши аникланди, оптик 6а электрон микроскопия усуллари нулланилди. .

Аникландики, азотнинг серхаракаш ионлари окимини 6а кислородни 1{уллаш иули билан ишлоб бсрилгаи гуза уруглари уларнинг тез. усишига 8а серхосил булишига олиб келади. (1-5)х1014 см"2 улчоВли михдордаги ораликда азот ионлари 6а кислород билан ишлсВ берилган уруглар 30-50 фоизга униш имкониятини оширади, пахта хосилдорлиги эса 10 фоизга купаяди.

Имплантация нилинган уругларнинг экиш 8а хосил бериш хусусиятлари нурланишга, олган энергиясига 8а ионлар турига богли*.

Пахтачиликда фоОдаланиш учун кулао булган уругларга нур бериш улчоби белгилаб утидган. ТузилмаЗиО, микромеханик 8а биохимик зкщатдан утказилган текширувлар асосида ионли имплантациянинг пахта уругига 8а бошда тур техиикаВий усимликларга курсатадиган шкобий таъсири таклиф этилгап.

Якун таринасида шу нарса айтиладики, ионли нурлар билан имплантация килиш усули кишлок хуйалик экинлари уругига олдиндан ишлов беришдаги янги усул ){исобланади.

опчатника.

2. Обработка семян хлопчатника а плазме самостоятельного газового зряда в течение 1—2 минут при давлении 10 Па и плотности тока -0,2 мА/'см2 не изменяет всхожесть семян и урожайность хлопчатника.

3. Впервые определено, что облучение семян хлопчатника потоками ювых ионов высокой энергии (80-125 кзВ) приводит к сущестмнному менению их всхожести и урожайности. Выявлена явно выраженная зисимость лабораторной и полевей всхожести семян от дозы облучения энергии ионов. Обработка ионами азота и кислорода в интервале доз -5)х1014см~2 позволяет увеличить всхожесть семян на 18-21% и ожайность 'хлопчатника до 10%.

4. Оптимальными дозами облучения для ссодн хлопчатника являются зы 1014—1015 ион/см2 при энергии ионов 100-120 кэВ. Выявлено, что едренис и имплантация в толщу кожуры семян ионов кислорода иводит к большему эффекту улучшения биологических потенций семян, и бомбардировка этих же семян нонами азота.

, 5. Впервые проведены структурные и микромеханнчсские ис—. давания кожуры семян, подвергнутых- ионной обработке. В иповерхностных слоях обнаружены мельчайшие нарушения сплошности, шикающие, по-видимому, в результате радиационных явлений в кожуре влияющие положительно на всхожесть и энергию прорастация семян, жазано, что микротвердость наружных слоев кожуры 'семян1 ¡С процессе

обработки ионами кислорода и азота уменьшается, что доказывает гжение прочностных характеристик кожуры при ионной имплантации.

6. Впервые установлено, что эффект предпосевной ионной обработки 1ян хлопчатника стимулирующими дозами проявляется в активизации 1тного, углеводного и ^юсфорного обменоа В имплантированных ¡тениях, в отличие от контрольных, более интенсивен рост, особенно

первых этапах онтогенеза, выше содержание нуклеиновых кислот, иная имплантация не изменяет свойств конечных продуктов (масла,