Способ истребления сельскохозяйственных вредителей Советский патент 1992 года по МПК A01M1/22 

Ю

1

Ъ

г

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к способам, предназначенным для борьбы с насекомыми-вредителями, животными-вредителями, сорной растительностью и стерилизации почвы электрическими средствами. Цель изобретения - расширение области применения при одновременном увеличении избирательности. В способе истребления сельскоs 7 8 хозяйственных вредителей, заключающемся в формировании напряжения, подводимого к сельскохозяйственным вредителям - объектам приложения электрического удара, генерируют лазерный луч 11 в направлении заземленного объекта 5 приложения электрического удара, электрически изолируют источник 1 лазерного излучения от проводящей диафрагмы 3, создают электрический контакт между проводящим каналом, созданным лазерным лучом 11 из ионизированных вдоль направления распространения лазерного луча молекул воздуха, и проводящей диафрагмой 3 с диаметром отверстия, через которое проходит лазерный луч 11, меньшим диаметра лазерного луча, подключают один выход источника 4 высокого напряжения к проводящей диафрагме 3. второй - к земле, 2 з.п. ф-лы. 4 ил. ел с 71 1 VJ о XI со Јь

Фиг. 7

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к способам, предназна- ченным для борьбы с насекомыми- вредителями, животными-вредителями, сорной растительностью и стерилизации почвы электрическими средствами.

Известно устройство для реализации способа, содержащее СВЧ - генератор, излучатель, выполненный в виде прямоугольного волновода переменного сечения с излучающими щелями и вырезом.

Известно также устройство для реализации способа одержащее расположенный на мобильной платформе СВЧ - генератор, систему охлаждения, блок питания, излучатель, выполненный в виде прямоугольного волновода, на нижнем конце которого установлена диэлектрическая пластина, пульт контроля и управления.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для реализации способа, содержащее излучатель и приспособление согласования ввода СВЧ - энергии в почву, выполненное в виде радиопрозрачного обода, установленного на оси, причем излучатель расположен внутри обода.

К общим недостаткам известных способов относятся пониженная эффективность, так как электромагнитная энергия СВЧ интенсивно поглощается в верхних слоях растений, в листьях и ботве; ограниченная область применения, так как электромагнитная энергия СВЧ используется только лишь для уничтожения сорной растительности; пониженная разрешающая способность и избирательность, так как электромагнитная энергия СВЧ является непрерывной функцией пространства; ухудшение надежности функционирования близлежащих радиотехнических обьектов, так как электромагнитная энергия СВЧ, поступая на антенны радиотехнических объектов, уменьшает отношение сигнал/помеха; трудность защиты обслуживающего персонала от неблагоприятного воздействия на организм человека электромагнитной энергии СВЧ; невысокие устойчивость работы и КПД.

Цель изобретения - расширение области применения при одновременном увеличении избирательности.

Поставленная цель достигается тем, что в способе истребления сельскохозяйственных вредителей, заключающемся в формировании напряжения и подводе его к сельскохозяйственным вредителям, генерируют лазерный луч в направлении сельскохозяйственного вредителя, который пропускают через проводящую диафрагму,

диаметр отверстия которой выбирают меньше диаметра лазерного луча, электрически изолируют источник лазерного излучения от проводящей диафрагмы, после чего создают разность потенциалов, превышающую величину поражающего напряжения между проводящей диафрагмой и землей.

Кроме того, генерируют дополнительный лазерный луч в направлении сельскохозяйственного вредителя, который пропускают через соответствующую диафрагму, диаметр которой выбирают меньше диаметра лазерного луча, электрически изолируют источник лазерного излучения от

проводящей диафрагмы и создают между указанными проводящими диафрагмами разность потенциалов.

Дополнительно ионизируют зону контакта стенок отверстия соответствующей

проводящей диафрагмы и лазерного луча, при этом диаметр отверстия диафрагмы выполняют соизмеримым по диаметру с лазерным лучом.

Приведенные отличительные признаки

позволяют приложить электрический удар к объекту, находящемуся от источника электрического удара на расстоянии, без непосредственного контакта между источником электрического удара и объектами - самыми

разнообразными вредителями сельскохозяйственных растений (насекомыми, грызунами, сорной растительностью). Кроме того, приведенные отличительные признаки позволяют стерилизовать почву, подвести дискретно электрический удар с высокой точностью и избирательностью к объекту (скоплению обьектов), что предохраняет от поражения граничную область, лежащую вне зоны действия электрического удара,

исключить влияние на радиотехнические объекты процесса приложения электрического удара, практически предотвратить вредное влияние на человеческий организм процесса истребления сельскохозяйственных вредителей, истреблять сельскохозяйственных вредителей внутри помещений, например теплиц, истреблять насекомых и грызунов внутри жилых помещений.

Таким образом, предлагаемое техническое решение представляет собой нехимическое, экологически чистое, не вызывающее генетических последствий средство защиты растений, что придает рассматриваемому способу технические свойства не

5 присущие другим аналогичным известным способам.

Предлагаемый способ может быть реализован различными вариантами устройства, два из которых приводятся ниже.

На фиг. 1 изображена блок-схема устройства, реализующего способ для случая заземленного объекта приложения электрического удара; на фиг. 2 - блок-схема устройства, реализующего способ для случая незаземленного объекта приложения электрического удара; на фиг. 3 - зависимость между значениями длительности импульса Т1 и необходимой интенсивностью ионооб- разования у; на фиг. 4 - запись структуры спектра поглощения земной атмосферы в районе А 0.69 мкм (А- длина волны).

Устройство для возбуждения электрического удара (фиг. 1) содержит источник 1 лазерного излучения, прозрачный для лазерного излучения изолятор 2, проводящую диафрагму 3, источник 4 напряжения, обь- ект 5 приложения электрического удара, шину 6 заземления (нулевого потенциала) источника 4, шины 7 и 9 первичного источника напряжения питания источников 1 и 4, шины 8 и 10 включения (выключения) источников 1 и 4, шину 11 проводящего канала из ионизированных молекул воздуха, созданную лазерным лучом источника 1. шину 12 заземления (нулевого потенциала) обьекта 5.

Транспортное средство, на котором может размещается устройство, на фиг. 1 не показано, как не имеющее принципиального значения (не являющееся функционально существенным признаком) для сути функционирования предлагаемого устройства.

Заземление устройства может осуществляться через контактирующий с землей и перемещающийся по земле заземлитель устройства, или через электрически соединенные с землей через колеса (гусеницы) шасси транспортного средства

Устройство работает следующим образом.

Источник 1 лазерного излучения, например типаА2-1И-502 ОДО.397.109ТУ-84 или ЛТП-403, генерирует лазерный луч при включении источника 1 оператором по шине 8. Одновременно с включением источника 1 включается оператором по шине 10 источник 4 напряжения. Источник 4 формирует или постоянное напряжение, или импульсное, что проще. Полярность напряжения не имеет значения.

При включении и выключении источников 1 и 4, осуществляемыми синхронно, к ним подключается по шинам 7 и 9 первичный источник напряжения питания (батарея, аккумулятор, выпрямитель).

Лазерный луч через изолятор 2 и отверстие в диафрагме 3 направляется на объект 5. Изолятор 2 представляет собой прозрачную для лазерного излучения перегородку, выполненную из диэлектрика с высокими изоляционными свойствами, например кварцевого стекла, и предназначенную для 5 защиты источника 1 от напряжения источника 4, которое могло бы попасть на источник 1 через диафрагму 3, к которой подключен источник 1, и ионизированный лазерным лучом проводящий канал (шину)

0 11.

Проводящая диафрагма 3 представляет собой пластину или диск с отверстием посредине, выполненную из хорошо проводящего материала, например меди или латуни.

5 Стенки отверстия и место присоединения диафрагмы 3 к выходу источника 1 (шине 11) для улучшения контакта покрывают серебром или золотом. Диаметр отверстия диафрагмы 3 выполняют меньшим, чем диаметр

0 лазерного луча (шины 11) источника 1. Лазерный луч как-бы протискивается через отверстие в диафрагме 3, чем обеспечивается хороший электрический контакт между ионизированным лазерным лучом,проводя5 щим каналом из молекул воздуха и диафрагмой 3. Улучшение контакта проводящего канала и диафрагмы 3, которое может быть осуществлено за счет дополнительной ионизации молекул воздуха в месте контак0 та с помощью радиоактивных изотопов, вспомогательного источника высокого напряжения, генератора аэроио нов, на фиг.1

не отражено.

В случае дополнительной ионизации

5 диаметр отверстия диафрагмы 3 может быть больше диаметра лазерного луча 11.

Источник 1, изолятор 2 и диафрагма 3 друг относительно друга выставлены и жестко закреплены.

0Как только лазерный луч попадает на объект 5,напряжение с первого выхода источника 4 через диафрагму 3 и проводящий канал 11 прикладывается к объекту 5. Второй выход источника напряжения прикла5 дывается к объекту 5 ерез шины 6 и 12. Таким образом,в объекте 5 возбуждается электрический удар.

Если объект 5 - растение или животное- вредитель, то они заземлены естественным

0 образом. Насекомые, находящиеся на растениях, заземляются через растение.

Параметры напряжения (постоянное, переменное, импульсное, амплитуда, форма, фаза, скважность и частота повторения

5 для импульсных сигналов)и (или) параметры оптического излучения (постоянное, переменное, импульсное, амплитуда, форма, фаза, скважность и частота повторения для импульсных сигналов), а также взаимное временное положение сигналов напряжения и оптического излучения выбирают в зависимости от конкретных физиологических характеристик поражаемого объекта.

С помощью оптических систем (зеркал, призм, линз, световодов) лазерный луч и соответственно проводящий канал может искривляться при необходимости любым требуемым образом.

Устройство по фиг. 2 содержит источники 1-1 и 1-2 лазерного излучения, изоляторы 2-1 и 2-2, проводящие диафрагмы 3-1 и 3-2, источник 4 напряжения, объект 5 приложения электрического удара, шины 7-1.

7-2 и 9 первичного источника напряжения питания источников 1-1, 1-2 и 4, шины 8-1,

8-2 и 10 включения (выключения) источников 1-1, 1-2 и 4, шины 11-1 и 11-2 проводящих каналов из ионизированных молекул воздуха, созданных лазерными лучами источников 1-1 и 1-2. Один из выводов источника 4 может подключаться или не подключаться к шине б заземления (нулевого потенциала), что для функционирования устройства не имеет принципиального характера.

Транспортное средство, на котором может размещаться устройство, на фиг. 2 не показано, как не имеющее принципиального значения (не являющееся функционально существенным признаком) для сути функционирования предлагаемого устройства. Поскольку устройство может быть не заземлено, то транспортное средство может также не заземляться, т.е. помимо колесного или (и) гусеничного транспортного средства можно использовать летательный аппарат (вертолет, самолет, дирижабль и т.п.).

Проводящие каналы 11-1 и 11-2 через диафрагмы 3-1 и 3-2 подключают выходы источника 4 к объекту 5, в котором возбуждается электрический удар. Проводящие ка- налы 11-1 и 11-2 выполняют,таким образом, функцию прямого и обратного провода, благодаря чему устройство и объект 5 могут быть изолированы от земли.

Выполнение устройства по фиг. 2 может иметь достаточно много модификаций. Так, например, можно использовать один источник 1, а лазерный луч раздвоить с помощью оптической системы. Также можно использовать один общий изолятор. В то же время можно использовать два источника 4. каждый из которых имеет заземленный выход. Вторые выходы источников 4 подключаются в противофазе к соответствующему каналу. В этом случае потенциал электрического удара удваивается.

Для различных приложений устройство можно выполнить многолучевым. В этом

случае наносится электрический удар по объектам 5, расположенным по площади или объему.

Оценим время Ti, в течение которого в

проводящем канале, созданном лазерным излучением, устанавливается распределение заряда. Известно, что время релаксации ti для процесса установления пространственного распределения заряда в атмосфере равно

ti

1

4Я1Я1+7Г)

(1)

где Д.1 и Да - парциальные проводимости атмосферы за счет положительных и отрицательных ионов соответственно.

Ионные проводимости, в свою очередь, выражаются через концентрацию m и подвижность ионов Ui следующим образом

-ni -Ui

(2)

,-го

где е - заряд электрона (4,8 в ед.

CGSE);

i 1 означает положительные ионы, а I- 2 - отрицательные.

Подвижность ионов определяется их физической природой и с некоторым завышением может быть принята при оценках такой же. как и в атмосфере. Средние значения подвижности ионов в атмосфере соответственно равны Ui «1.3 см2/В С, а U2 1.6 см2/В- С. Концентрация же ионов

щ, благодаря ионизации атмосферы лазерным лучом, становится существенно выше, чем в атмосфере. Если для атмосферы ni «102 -103 см , то ионизация лазерным лучом способна обеспечить достижения величины порядка 10 , Тогда из (2) получаем

Д) 1.9-2,4)-10V1, (3) а подставив (3) в (1), придем к

ц «2 .(4)

Поскольку процесс ионной релаксации носит экспоненциальный характер, то можно считать, что полное время установления распределения заряда Ti связано со временем релаксации соотношением Ti (3-5)ti.

™M

Ti .(5)

Таким образом, в течение времени

Ti с необходимо создавать и поддерживать в проводящем канале ионную концентрацию порядка 1011 .

Оценим теперь требуемые характеристики лазерного луча.

Известно, что изменения концентрации ионов п со временем могут быть описаны дифференциальным уравнением

d n dt

у-«

(6)

где or- коэффициент рекомбинации ионов;

у- интенсивность ионообразования.

В уравнении (6) не учтены процессы захвата ионов аэрозольными частицами. поскольку концентрация последних в рассматриваемом случае намного меньше концентрации ионов, т.е. основная роль принадлежит процессу рекомбинации ионов.

При начальном значении концентрации ионов п0 решение уравнения (6) имеет вид

П -Ь П1 f Пр - П|

п - щ По л 1

ехр ( 2 щ а ). (7)

где гпц -а - асимптотическое значение концентрации ионов. Таким образом

/Г1Х

п щ Ј--1 .(8)

К

- о + 1

ехр ( 2 щ а )

П1 - По

В обычных условиях для атмосферных

сТ

ионов можно принять « 1,6 -10 см /с п0 5 10 ион/см3.

По формулам (8) на ЭВМ были рассчитаны значения Ti и у.которые обеспечивают достижение концентрации ионов п 10 см .

Зависимость между полученными значениями длительности импульсов TI и необходимой интенсивностью ионообразования у представлена на фиг. 2. Из приведенной зависимости видно, что для Ti порядка

5 10 с необходимо обеспечить у 2.7

И6

МО ион/см . Считая, что длина ионизированного канала составляет 1 1 мкм 10 см, а радиус г 0,5 см, получим следующую оценку необходимой производительности источника лазерного излучения

Г у л Г2 I 2.7 10 1б ион/см3 X Хс -ЗТО,25см3 105см «2.1 10 20 ион/с(9)

Чтобы определить параметры источника лазерного излучения, необходимо конкретизировать компоненту газового состава атмосферы, которая будет ионизироваться. Рассмотрим для примера водяной пар. Возьмем энергию однократной ионизации Н20 WH 12.6 Э В/ион « 2- КГ11 Эрг/ион.

Значит, при однократной ионизации мо- лекул НаО в ионизированном слое должна поглощаться мощность N, равная

,-11

Эрг/ион 2.1 10

,20

ион/с 4,2 102 Дж/с 420 Вт.

(10)

0

5

0

5

0 (1.5-5) -10

Поскольку КПД процесса не может быть равен 100%, то следует обеспечить в импульсе лазера мощность свыше 500 Вт.

Оценки параметров лазера, ионизирующего другие газовые компоненты атмосферы, дают значения, близкие к полученным. Так, для С02 энергия ионизации Wn 13,8 Э В/ион 2,2 10 11Эрг/ион.

Отметим, что.как следует из фиг. 2,суще- ственное влияние на эффективность способа оказывает скорость ионизации в среде, а именно, при скорости ионизации, меньшей

(1.5-2) -1016 --г- . существенно возрастаем J с

ет требуемая длительность излучения, следовательно, и энергозатраты, необходимые для поддержания требуемой концентрации заряженных частиц. При больших скоростях ионизации снижение требуемой длительности излучения незначительно.

Это означает, что эффективность способа будет достаточно высока лишь при скорости ионизации, находящейся в диапазоне 16 1

см3 с

Таким образом, диапа(1.5-5) -10

зон мощности при выбранных размерах лазерного луча следует выбирать, исходя из необходимости обеспечения указанных скоростей ионизации. Это позволяет обеспечить высокую энергетическую эффективность технической реализации предлагаемого способа.

При оценке рабочей длины волны лазера Я необходимо учесть, что, согласно имеющимся данным, при использовании излучения видимого и ИК-диапазонов ионизация газа при атмосферном давлении происходит благодаря совместному действию

многофотонных процессов и лавинной ионизации, причем последняя играет основную роль. Так как в интенсивных лазерных импульсах многофотонные процессы протекают с участием 9-10 фотонов, то предельное значение рабочей частоты излучения

лазера может быть найдено, например, из следующего соотношения

9 h укр W« ,

где h - постоянная Планка. Тогда

(11)

2 10 11 Эрг

v ..

9-6.6-Ю-27 Эрг -с

(12)

Отсюда можно найти предельное значение длины волны излучения Япр

« 3 10 10 см/с

Лпр - ---------- я -

3,37 10 14 с

(13) 20

9 10 «О.Э

мкм

Таким образом, можно использовать для ионизации воздуха лазерное излучение ближней ИК-области (порядка 0,9 мкм), а также более коротковолновое излучение, т.е. А «0.9 мкм.

Приведем оценку сопротивления проводящего канала.

Для эквивалентной схемы цепи, включающей источник напряжения, проводящий канал и объект приложения электрического удара, постоянная времени процесса переноса заряда в проводящем канале опреде- ляется произведением R Ск, где RK и Ск - сопротивление и емкость проводящего канала соответственно. Тогда получаем следующую формулу для оценки сопротивления проводящего канала

RK

ТЕ

(14)

Для проводящего цилиндрического ка- 45 нала длиной I и радиусом г емкость С может быть определена по следующей формуле

Ск

I

21п(1)

(15)

Используя значение 1 1 мк 10 см, г 0,5 см, получаем

Ск «4 -103см 4,4 10 Ф.

Подставив полученную оценку величины Ск в формулу (14) (значение Ti берем из (Заполучаем

RK «КГ5/4.4

2

1030м.

из

)

10

е15

Для проводящего канала меньшей длины, например, при I 100 м 10 см, величина RK будет порядка 200 Ом.

Представляет интерес рассмотреть устройство, реализующее предлагаемый способ, в котором вообще отсутствует синхронизация момента подключения генератора напряжения с моментами генерации импульсов оптического излучения. Возьмем для оценок величину интервала между импульсами оптического излучения порядка 10 . К окончанию очередного оптического импульса концентрация ионов в проводящем канале п составляет величину порядка 1011 . Динамика уменьшения величины

описывается уравнением (6), в котором :0, т.е.

d n dt

-а п

(16)

Отсюда можно получить, что n(t) описывается следующей зависимостью

п0 - п

«(t-to).

(17)

5

0

5 0

0

5

где (t-to) время, прошедшее с момента окончания очередного импульса оптического излучения;

а- коэффициент рекомбинации ионов (а 1.6 10 6см3/с).

Для п0 Ю11 см и t-to с получаем из (17), что л «5 108см 3.

Таким образом, к моменту начала следующего импульса оптического излучения концентрация ионов в проводящем канале снижается в 200 раз. Это приводит к такому же увеличению сопротивления проводящего канала. Выше было получено, что для канала длиной 1 1 км сопротивление R 2 1030м. Следовательно, к моменту начала следующего импульса оптического излучения сопротивления проводящего канала с 1 1 км будет равно 10 м, а с I 100 м -10 Ом.

Использование в предлагаемом способе новых описанных операций выгодно отличают предлагаемый способ от способа-прототипа, так как указанные операции позволяют приложить электрический удар к объекту, находящемуся от источника электрического удара на расстоянии, без непосредственного контакта между источником электрического удара и объектами - самыми разнообразными вредителями

сельскохозяйственных растений (насекомыми, грызунами, сорной растительностью).

Кроме того, приведенные отличительные признаки позволяют стерилизовать почву, подвести дискретно электрический удар с высокой точностью и избирательностью к объекту (скоплению объектов), что предохраняет от поражения граничную область, лежащую вне зоны действия электрического удара, исключить влияние на радиотехнические объекты процесса приложения электрического удара, практически предотвратить вредное влияние на человеческий организм процесса истребления сельскохозяйственных вредителей, истреблять сельскохозяйственных вредителей внутри помещений, например теплиц, истреблять насекомых и грызунов внутри жилых помещений.

Формула изобретения 1. Способ истребления сельскохозяйственных вредителей, заключающийся в формировании напряжения и подвод его к сельскохозяйственным вредителям, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения при одновременном увеличении избирательности, генерируют

лазерный луч в направлении сельскохозяйственного вредителя, который пропускают через проводящую диафрагму, диаметр отверстия которой выбирают меньше диаметра лазерного луча, электрически изолируют источник лазерного излучения от проводящей диафрагмы, после чего создают разность потенциалов, превышающую величину поражающего напряжения, между

0 проводящей диафрагмой и землей.

5 соответствующую проводящую диафрагму, диаметр которой выбирают меньше диаметра лазерного луча, электрически изолируют источник лазерного излучения от проводящей диафрагмы и создают между указамиы0 ми проводящими диафрагмами разность потенциалов.

Фиг. 2

J«M7 HonaiOl 9

ч---н

t Cit O/.l

f Ь

--I-----I-

s o

s.0t-l S l

s-OU S l

s-01-C S Ј

S.OM

Л 0

и

0,6933 0,6931

Фи г. 4

0,69W

0,69b5 MKM