Способ исследования структуры древесины

 

Использование: исследование структуры и свойств древесины. Сущность изобретения: изготавливают образец цилиндрической формы с образующей, ориентированной поперек годичных слоев древесины, облучают образец световым потоком перпендикулярно оси образца и регистрируют распределение интенсивности светового потока вдоль образца. Контролируют максимум распределения, затем ориентируют образец относительно направления светового потока путем поворота вокруг оси до достижения пикового значения максимума. Фиксируют это положение и опять фотометрируют световой поток. По соотношению амплитуд максимумов при сдвиге или повороте образца судят о пористости древесины, углах наклона плоскости годичного слоя и его строении. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к исследованию свойств древесины путем анализа структуры годичных слоев с помощью излучения.

Для анализа, как правило, используются образцы в виде цилиндра, извлеченного из дерева возрастным буравом с диаметром 5 мм или полоски древесины, выравненные до толщины 5 мм.

Известен способ исследования структуры древесины, который заключается в измерении поглощения древесиной параллельного пучка электронов /1/. Этот так называемый β-лучевой способ основан на линейной связи плотности просвечиваемого вещества с логарифмом ослабления интенсивности излучения. В качестве источников излучения используют стронций-90 или углерод-14. Подготовка образцов заключается в доведении их до однородной влажности 8 - 10% При необходимости из образцов экстрагируют смолы. Основной недостаток b-лучевого метода большая трудоемкость. Требуется в среднем до 65 мин для обработки каждого из специально подготовленных радиальных срезов древесины, чтобы получить конечные результаты.

Известен способ исследования структуры древесины, который заключается в просвечивании образцов древесины рентгеновскими лучами, регистрации прошедшего образец излучения на пленке и дальнейшем сканирования рентгеновских снимков на микроденситометре /2/. При прохождении рентгеновских лучей через древесину в достаточно широком энергетическом интервале можно считать, что преобладающий процесс взаимодействия лучей с веществом связан с комптоновским рассеянием. Величина потока рентгеновского излучения, прошедшего через образец, определяется массовым коэффициентом ослабления, плотностью вещества и расстоянием, на которое распространяется излучение в веществе. Можно показать, что степень почернения рентгеновской пленки пропорциональная экспозиции, равной произведению интенсивности излучения на время экспонирования, и, в свою очередь, обратна по знаку и пропорциональна плотности древесины. Если считать, что массовый коэффициент ослабления вещества клеточных стенок ранней древесины таков же, как и поздней, то непрерывная регистрация интенсивности света, прошедшего через снимок, с помощью микроденситометра дает непрерывную запись распределения плотности. Для облучения используют мягкое (0,020 0,040 МэВ) рентгеновское излучение, небольшое время экспонирования (секунды), стандартные образцы и расстояние до источника 2 2,5 м, обеспечивающее высокую степень параллельности лучей для протяженных образцов.

Рентгеновский способ имеет определенные преимущества перед В-лучевым способом, которые состоят в большей производительности и лучшей разрешающей способности, что позволяет анализировать узкие годичные слои медленно растущих деревьев.

Помимо необходимости в сложном оборудовании недостатком известного способа является зависимость результата от таких факторов, как однородность толщины и влажности образцов, равномерность дозировки излучения, точность обработки пленки, адекватность выбранных параметров связи плотности древесины и степени почернения пленки.

Известен микрофотометрический способ /3/ 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 7 8% 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.

Преимущества микрофотометрического способа перед рентгеновским состоят в отказе от сложной рентгеновской установки, отсутствует зависимость от строго заданной толщины образца, исключены ошибки, связанные с фотообработкой материала.

Недостатки фотометрического способа определяются качеством обработки образца перед измерением нарушением ортогональности элементов структуры образца и поверхности образца, нарушение ориентации поверхности относительно оптической оси прибора при сканировании, деформирование и завальцовывание структуры древесины, механические повреждения 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.

Задача, решаемая изобретением, заключается в повышении информативности исследования за счет устранения влияния дефектов поверхности образца и ориентации волокон по отношению к оси образца.

Задача решается тем, что в известном способе исследования структуры древесины, заключающемся в изготовлении образца цилиндрической формы с образующей цилиндра, ориентированной поперек годичных слоев древесины, облучении образца световым потоком в направлении, перпендикулярном оси образца, приеме и регистрации распределения интенсивности светового потока вдоль образца, по которому определяют строение годичных слоев, по которым судят о структуре древесины, в соответствии с изобретением контролируют величину максимума в регистрируемом распределении интенсивности прошедшего через образец излучения, дополнительно ориентируют образец относительно направления светового потока путем поворота образца вокруг его 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 производят фотометрирование светового потока, прошедшего через образец, вдоль образующей цилиндрической поверхности образца.

При этом для определения ориентации годичного слоя и оценки пористости при фиксированном по углу поворота положении образца дополнительно ориентируют образец относительно направления светового потока путем сдвига образца в направлении, ортогональном 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 и по линейному сдвигу полученного распределения интенсивности по отношению к исходному определяют угол наклона плоскости годичного слоя по отношению к плоскости, проведенной через ось образца параллельно направлению светового потока, и по величине отношения максимумов дополнительного и основного распределений судят о пористости древесины.

При этом для определения ориентации годичного слоя при фиксированном по углу поворота положении образца дополнительно ориентируют образец относительно направления светового потока поворотом вокруг оси на 180^o по отношению к исходному значению угла, производят фотометрирование светового потока, прошедшего через образец, и по линейному сдвигу полученного распределения интенсивности по отношению к исходному определяют угол наклона плоскости годичного слоя по отношению к плоскости, перпендикулярной оси образца.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Известно, что в дереве проводящую механическую функцию, выполняют специальные клетки - трахеиды, которые в растущем дереве располагаются главным образом вдоль оси ствола. Объемное содержание трахеид в стволе хвойного дерева составляет 90 - 96% Эти клетки имеют форму сильно вытянутых волокон. На поперечном разрезе они у большинства деревьев близки к прямоугольникам, иногда квадратам, а у лиственницы к пяти- или шестиугольникам. В совокупности трахеиды образуют упорядоченную структуру. В пределах годичного слоя свойства трахеид меняются. В начале вегетационного периода образуются ранние трахеиды, играющие проводящую роль. Образующиеся на последующих стадиях вегетации поздние трахеиды выполняют механическую функцию. Стенки поздних трахеид в 1,5 2 раза больше, а радиальный размер 2 2,5 раза меньше, чем у ранних трахеид /4/. Длина трахеид в ранней и поздней древесине меняется сравнительно мало и составляет для отечественных хвойных пород 2,5 4 мм (у секвойи 7,4 мм). В ранних трахеидах на радиальных стенках, особенно, у концов, находится много (70 90) крупных пор с округлыми отверстиями. У поздних трахеид поры мелкие, обычно имеют щелевидные отверстия и количество их у сосны и ели в 3 4 раза, а у лиственницы почти в 11 раз меньше, чем у ранних трахеид.

При облучении образца светом часть светового потока будет рассеиваться поверхностью образца, а оставшаяся часть проникнет в глубину образца. При повороте образца цилиндрической формы вокруг его оси таким образом, чтобы направление трахеид совпало с направлением светового потока, возникает распространение излучения по волокнам древесины как по световодам с выходом за пределы образца. Интенсивность потока, прошедшего через образец, определяется отражением и рассеянием на стенках световода. Так как пористость стенок поздних трахеид существенно меньше, чем ранних, световой поток, прошедший через поздние трахеиды, будет больше, чем поток через ранние трахеиды. Таким образом, фотометрирование светового потока, прошедшего через образец, проводимое вдоль цилиндрической образующей образца, позволяет определить распределение ранних и поздних трахеид в пределах годичного слоя.

При неточном положении бурава при вырезании образца годичные слои оказываются расположенными под углом к оси образца. При этом в зависимости от ориентации бурава возможно появление двух углов.

При отклонении бурава от радиального положения в плоскости, перпендикулярной оси ствола, годичные слои располагаются под разными углами к оси образца. На фиг. 1 схематически показано расположение годичных слоев в этом случае. Здесь стрелками показано расположение волокон древесины. Под углом a расположен некоторый годичный слой. Путем фотометрирования вдоль цилиндрической образующей образца определяется распределение интенсивности светового потока, прошедшего через образец при просвечивании по линии AA'. При дополнительном определении распределения интенсивности светового потока, прошедшего через образец при просвечивании по линии BB', получим распределение, отличающееся по амплитуде и смещенное относительно исходного на некоторую величину b, измеренную вдоль оси образца. Угол a определится по формуле: a= arctg(a/b) (1) (1) Различие амплитуд распределений обусловлено тем, что рассеяние света при прохождении по линии AA' и BB' различно. Предположим, что поры вдоль волокна распределены равномерно. Тогда при погонной пористости (число пор на единицу длины) S для данного сечения годичного слоя интенсивность потока S, прошедшего через образец, определяется по формуле S = S_oexp(-δx) (2) где S_o интенсивность потока оптического излучения перед образцом, х длина просвечиваемого участка.

Погонная пористость δ определяется по формуле: где S₁ интенсивность потока при просвечивании по линии AA',
S₂ интенсивность потока при просвечивании по линии BB';
r радиус образца.

Параметр δ позволяет проводить качественное сравнение годичных слоев.

При отклонении бурава от радиального положения в плоскости оси ствола годичные слои располагаются параллельно друг другу под некоторым углом к оси образца. На фиг.2 схематически показано расположение годичных слоев в этом случае, стрелками показано расположение волокон древесины.

При фотометрировании светового потока, проводимом вдоль цилиндрической образующей образца, устанавливаем распределение интенсивности при просвечивании по линии AA'. После поворота образца на 180^o и дополнительного определения распределения интенсивности, получим распределение интенсивности, смещенное относительно исходного на некоторую величину С, измеренную вдоль оси образца. Угол b определяется по формуле:
b= arctg (d/c) (4)
где d диаметр образца.

Способ реализуется с помощью устройства, функциональная схема которого приведена на фиг.3. Устройство, в котором размещают исследуемый образец 1, содержит светодиод 2, контактирующей с поверхностью образца. Питание светодиода осуществляется от источника питания 3. Оптический сигнал, определяемый световым потоком, прошедшим через образец 1, по световоду 4 поступает на фотоприемник 5, соединенный с предварительным усилителем 6. Выходной сигнал усилителя 6 поступает на установленный для управления положением образца интерфейс 7, сопряженный с микроЭВМ 8. Программа, загруженная в ЭВМ включает в себя необходимые команды, управляющее работой двигателей поворота 9, и линейной подачи образца 10, а также подпрограмму обработки исходных и экспериментальных данных и отображения полученных результатов. Отдельными экспериментами установлено, что необходимый для регистрации уровень прошедшего через образец светового потока достигается при работе в красной области спектра.

Эксперименты показали хорошую повторяемость результатов фотометрирования на образцах разных пород, что делает способ перспективным для относительного контроля свойств и структуры древесины в промышленных масштабах.

Формула изобретения

1. Способ исследования структуры древесины, заключающийся 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, отличающийся тем, что 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.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что 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.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что образец дополнительно поворачивают на 180^o 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.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3