СПОСОБ МИКРОФОТОМЕТРИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ГОДИЧНЫХ КОЛЕЦ ДРЕВЕСИНЫ
METHOD FOR MICROPHOTOMETRIC INVESTIGATIONS OF WOOD ANNUAL RINGS

Изобретение относится к технике выявления и измерения морфологической неоднородности (структура) древесины внутри отдельных годичных колец.
Клеточная структура древесины формируется и адаптируется к условиям окружающей среды, реагирует на изменяющиеся факторы жизнедеятельности: солнечный свет, тепло, влагу и питательные вещества. Поэтому изучение годовых колец древесины позволит дать экологическую оценку процесса роста и развития изучаемого растущего дерева.
Известны различные способы анатомических исследований, основанных на различии физических показателей отдельных частей годичного кольца и морфологической неоднородности древесины.
Пример. Способ ультразвукового испытания древесины растущего дерева на кернах (патент RU №2327342, МПК A01G 23/00, заявл. 25.05.2006).
Сущность способа заключается в том, что при проведении испытания древесины растущего дерева на кернах включают взятие кернов древесины, отделение от керна рабочей части для ультразвуковых измерений. Ультразвуковые измерения проводят по всей длине рабочей части керна путем последовательного отрезания годичных слоев, начиная с конца рабочей части керна со стороны периферии ствола дерева, затем полученные значения скорости ультразвука располагают по шкале времени, начиная с момента начала роста дерева по годичным слоям, отсчитывая их от сердцевины к периферии ствола дерева с последующим выявлением статистических закономерностей динамики скорости ультразвука в ходе роста и развития дерева, характеризующей качество древесины, и прогнозированием динамики скорости ультразвука.
Полученные точные результаты позволяют диагностировать текущее состояние древесного организма и затем проанализировать физиологические процессы, происходящие в момент взятия керна в стволе дерева. И по нескольким деревьям можно судить о качестве древостоя. Вместе с тем этот процесс достаточно трудоемкий и может быть использован только на небольших лесных массивах.
Известен микрофотометрический способ (Ваганов Е.А., Спиров В.В., Тресков И.А. Фотометрический анализ структуры годичных слоев древесины хвойных деревьев. - Известия Сибирского отделения АН СССР, серия биологических наук, 1972 г., №5, Вып.1) исследования структуры древесины, наиболее близкий к предлагаемому. В основе способа лежит определение поверхностной пористости древесины путем регистрации диффузно отраженного света от поверхности образца. Стандартный образец перед измерением дополнительно обрабатывают на санном микротоме (поперечный разрез) и высушивают до стационарной влажности 78%.
Микрофотометрический способ реализуют с помощью прибора однолучевого сканирующего микрофотометра отраженного света, в котором использован принцип освещения узким (щелевым) зондом микроучастка сканируемого образца и регистрации диффузно отраженного света от него. На получаемой фотометрической кривой минимум отражения приходится на участок поздней древесины, а максимум на участок ранней древесины. Этот результат является следствием изменения поверхностной пористости в пределах годичного слоя.
Недостатки фотометрического способа определяются качеством обработки образца перед измерением нарушением ортогональности элементов структуры образца и поверхности образца, нарушением ориентации поверхности относительно оптической оси прибора при сканировании, деформированием и завальцовыванием структуры древесины, механическими повреждениями поверхности образца. Существенное влияние оказывает изменение цвета древесины, не связанное с регулярным вегетационным циклом. Кроме того, интенсивность отраженного света резко падает с повышением влажности образца.
Указанные обстоятельства служат причиной невозможности измерения углов наклона плоскости годичных слоев вследствие неточного радиального выреза образца, что приводит к ошибкам в определении размеров годичных слоев при их сравнении и структуры древесины в целом. К наиболее близкому аналогу следует отнести «Способ исследования структуры древесины» (см. патент RU №2073239, МПК G01N 33/46, заявл. 29.06.1993).
Сущность данного способа исследования структуры древесины заключается в изготовлении образца цилиндрической формы с образующей, ориентированной поперек годичных слоев древесины, облучении образца световым потоком, направленным перпендикулярно оси образца, приеме и регистрации распределения интенсивности светового потока вдоль образца, по которому определяют строение годичных слоев и судят о структуре древесины. Причем контролируют величину максимума в регистрируемом распределении интенсивности прошедшего через образец излучения, дополнительно ориентируют образец относительно направления светового потока путем поворота вокруг оси до достижения пикового значения максимума в распределении интенсивности прошедшего через образец излучения, фиксируют найденное положение образца и при фиксированном по углу поворота положении образца фотометрируют световой поток, прошедший через образец, вдоль образующей цилиндрической поверхности образца. Кроме того, образец дополнительно ориентируют относительно направления светового потока путем сдвига в направлении, перпендикулярном направлению светового потока и одновременно оси образца, на заданную величину, в пределах радиуса образца, дополнительно фотометрируют световой поток, прошедший через образец, вдоль образующей цилиндрической поверхности образца, определяют линейный сдвиг распределения интенсивности фотометрированных световых потоков до и после сдвига образца, по нему определяют угол наклона плоскости годичного слоя к плоскости, проходящей через ось образца параллельно направлению светового потока, а по соотношению максимумов в распределениях интенсивности фотометрированных световых потоков до и после сдвига образца судят о пористости древесины.
Также образец дополнительно поворачивают на 180° относительно фиксированного положения образца, соответствующего пиковому значению максимума интенсивности в распределении интенсивности, дополнительно фотометрируют световой поток, прошедший через образец, вдоль образующей цилиндрической поверхности образца, определяют линейный сдвиг распределения интенсивности фотометрированных световых потоков до и после поворота образца и по нему определяют угол наклона плоскости годичного слоя к плоскости, перпендикулярной оси образца.
Несмотря на простоту существующих способов прямые анатомические исследования годичных колец сопряжены с высокой трудоемкостью, обусловленной многостадийными этапами подготовки, получения результатов и их обработки. Использование проникающих излучений сопряжено с их вредным влиянием на организм человека. Оборудование, необходимое для этих целей, как правило, стационарное, используется в лабораторных условиях, дорогостоящее, не позволяет проводить оперативные исследования в полевых условиях без нарушения жизнедеятельности древостоя.
Задачей данного изобретения является снижение трудоемкости исследований, обеспечение безопасности проводимых работ, использование мобильного оборудования, обеспечивающего проведение полного объема работ и получение необходимой информации. При обеспеченности полным комплектом мобильного (автономного) оборудования исследования проводятся в кратчайшие сроки, а информация с помощью Интернета может передаваться оперативно по назначению.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Микрофотометрические исследования годичных колец древесины, включающие регистрацию отраженного света, характеризующего выявление и измерение морфологической неоднородности древесины, отличаются тем, что осуществляются с помощью оптического эндоскопа путем его перемещения по отверстию, просверленному по центру ствола дерева в радиальном направлении с предварительно подготовленной внутренней поверхностью отверстия.
Внутренняя образующая поверхность отверстия после сверления подвергается шлифованию с последующей пропиткой контрастным составом. Предложенный способ поясняется чертежами.
Фиг.1. Блок-схема предлагаемого прибора. 1 - Корпус эндоскопа; 2 - осветитель; 3 - оптическая линза осветителя; 4, 7 - преломляющее полупрозрачное зеркало; 5 - блок питания (аккумулятор) осветителя; 6 - объектив для визуального наблюдения; 8 - оптический элемент для передачи светового сигнала на преобразователь; 9 - преобразователь оптического сигнала в электрический; 10 - усилитель сигнала; 11 - электронный самопишущий прибор - ноутбук; 12 - исследуемый объект (отверстие в древесине).
Фиг.2. Рефлектограммы годичных колец древесины лиственницы, полученные а) предлагаемым способом; б) на микрофотометрическом анализаторе (прототип).
Последовательность операций. 1) В дереве на уровне груди с помощью дрели с автономным питанием (дрель) сверлят отверстие диаметром 10…12 мм, на необходимую глубину, 2) сверло направляют в сердцевину дерева. 3) Затем вместо сверла в дрель устанавливают стержень с прорезью и на конце фиксируют полосы наждачной бумаги. Диаметр стержня меньше диаметра сверла на 2…3 мм. 4) Этим приспособлением шлифуют образующую поверхность отверстия и удаляют образовавшиеся волокна древесины. 5) После шлифования на поверхность отверстия наносят краситель с помощью смоченного в нем ершика или аэрозолью. Такая обработка позволяет повысить контрастность древесины внутри отдельных годичных колец, тем самым повышая чувствительность и точность последующего анализа. 6) После этого в отверстие устанавливают оптоволоконный эндоскоп для визуального наблюдения. Подсветка также осуществляется от автоматического источника питания (аккумулятора). 8) После установки эндоскопа осуществляют настройку его окуляра 9) и проводят контроль точности сверления относительно сердцевины. При необходимости, в зависимости от характера расположения годичных колец (возможна их эксцентричность) положение отверстия при повторном сверлении корректируют. 10) Для записи рефлектограммы в оптическом канале приема устанавливают фотоэлемент, который преобразует оптический сигнал в электрический. 11) Этот сигнал усиливают с помощью электроусилителя и подают на вход в электронный самопишущий прибор-ноутбук. При перемещении трубки эндоскопа в отверстии за счет изменения отражения света сигнал меняется синхронно плотности древесины в пределах как годичного кольца, так и по всему диаметру ствола. Благодаря специально разработанной программе, введенной в компьютер (ноутбук), на экране дисплея производят записи фотометрической кривой при одновременном перемещении рабочего органа эндоскопа. 12) Записанную рефлектограмму сохраняют в памяти компьютера. Подключенный к Интернету компьютер передает полученную информацию потребителю или в центр обработки информации.
Полученная таким образом рефлектограмма практически полностью совпадает с фотометрической кривой, полученной на микрофотометрическом анализаторе древесины при исследовании одного и того же образца древесины (фиг.2). Настоящий способ, кроме лабораторных испытаний, показал хорошие результаты в реальных полевых условиях. Предложенный способ дает возможность точно определить возраст дерева и позволяет получить предварительную информацию о состоянии древесины до получения рефлектограммы и ее обработки.