CN1237086A - 利用离子－电子雪崩提高种子生长特性的方法和装置 - Google Patents

利用离子－电子雪崩提高种子生长特性的方法和装置 Download PDF

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Abstract

一种用正极和负极(11,12)之间的自组织的电子雪崩处理种子的方法和装置,种子放在正极和负极之间或放在正极上。盒(200)中的装置电路(200)在电极之间同时提供DC和AC,产生投射到种子上的电子雪崩。种子在种植前必须保存一段时间。这样处理的种子具有增强的生长特性。

Description

利用离子-电子雪崩提高种子生长特性的方法和装置
本发明涉及一种种子处理方法和装置，由此可重复性地提高粮食作物和其它植物的种子发芽、早期生长、根系生长、成熟和产出的速率和均匀性。利用均匀、自组织的离子-电子雪崩脉冲照射种子或生长中的植物可以得到以上结果。一个重要因素是在种植前提供长达几星期的保存期，由此使种子内部产生分子水平的内部生化变化。本发明还涉及利用离子和电子雪崩为每一种种子选择最优处理参数的品质-控制方法和装置。
几乎是自从发现电的商业应用以来，实验人员就尝试利用电影响植物生长。各种现有技术的实验人员已经宣称在现场利用电刺激处理生长中的植物可以获得有效的结果。在作物种植区上覆盖电线网络对于商业应用是不经济或不实用的，这种技术没有为农场主所采用。
一些现有的技术的实验人员已经尝试在种植前通过对种子进行电磁处理来避免在种植区布线所需的高昂费用。尽管存在生长增快和在某些情况下产量增加的报道，但是已经证实这些结果的重复性很差，无法实现商业应用。Parry(美国专利2,308,204(1943))描述了利用振荡DC电压处理种子，以提高种子的发芽率。但并没有使植物改进的迹象。Jonas(美国专利2,712,713(1955))和其他人使种子暴露在从30MHz到微波范围的高频振荡场下，并宣称获得了更快、更均匀的发芽率。Jonas声称沿用类似路线的其它工作不可能得到重复和证实。该专利描述的只是种子发芽率的提高。Amburn(美国专利3,675,367(1972)和3,765,125(1975))将种子暴露在磁场中，并宣称其结果是提高了发芽率。由于不可靠性和不可重复性，这些方法中没有一种得到广泛的商业承认。
Levengood(美国专利3,822,505(1974))描述了一种利用复合电场和磁场从遗传上改变植物细胞的装置。电场是静电场。种子的生长虽然发生了变化，但是该方法的有效性对于不同批次的种子不具有重复性。授予Levengood的另一项专利(美国专利3,852,914(1974))描述了通过测量预发芽组织的导电性测试种子发芽能力的方法。
Schiller等(美国专利4,633,611(1987))描述了利用电子枪射出的低能电子为种子消毒。辐射剂量相当高，加速电压在25至75kV之间。高能离子辐射能够损伤染色体，导致属性改变，这使得这种技术能够应用在开阔区域。但是没有迹象表明植物的生长在可重复的基础上得到增强。Yoshida(美国专利4,758,318(1988))描述了利用脉动直流电流防止霉变。电压是300至20,000V的脉动直流DC电压。该方法不适于大范围的应用，其结果也不一致。Liboff等(美国专利5,077,934(1992))描述了利用磁场处理土壤中的植物。该方法也不实用。
Levengood(美国专利5,288,626(1994))描述了利用恒定的DC电压在植物之间传递DNA。这种方法还描述于“生物电化学和生物能量学”(1991)。这些均是产生遗传变化植物的技术。
具有通常意义的其它专利是有关磁处理的Saruwatari(美国专利4,188,751(1980))；有关超声处理的Weinberger(美国专利3,703,051(1980))；有关微波处理的美国专利3,940,885(1976))。
一种利用DC电流中的AC纹波产生脉冲的系统是Tellefson(美国专利5,117,579(1992))。由线刷发射器产生的离子脉冲冲击田地中生长的植物。该方法没有用于种子。
对于处理种子以便可重复地且可靠地增强其生长特性的方法存在着显著的需求。现有技术方法均不能满足这一需求，因为没有一种方法得到商业应用。
因此，本发明的目的是提供一种增强种子生长特性的改进的、可重复的方法和装置。本发明的目的还包括提供一种执行起来简单、可靠而且经济的方法。本发明的进一步目的是提供一种检测利用增强生长特性的方法和装置是否已经有效地提高了处理后的种子的生长特性的方法和装置。此外，本发明的目的是提供一种方法和装置，它们可以在处理过程中监视执行处理工艺的装置的有效性。参照下面的说明和附图，将更加清楚这些和其它目的。
图1A是产生可控、自发、静电脉冲的本发明装置的简图，该脉冲在支撑种子13的正电极11和负电极12之间形成生物电子雪崩。
图1B是图1A中的装置利用不同的DC电压(相对湿度26％；p=1009.3mb)产生的生物电子雪崩的曲线图。
图2A、2B和2C是显示了其种子在图1A装置中施加5分钟的DC电压得到的西红柿、辣椒和胡萝卜存储了35或36天的生长差异图。发芽日期出现在12天生长阶段，表示hypocotyl延伸(幼苗在4天发育期时放在生长灯下)。数据与每个测试序列中的两个对照组比较。图2A示出了照射之后第35天测试的西红柿种子。图2B示出了照射之后第35天测试的辣椒种子。图2C示出了照射之后第36天测试的胡萝卜种子。可以看出，在5分钟照射数据中具有相似的曲线形状。在每一种条件下，最大峰值出现在5-kV，次峰值出现在20-kV。
图3A和3B是在60分钟的测试间隔内培育小麦和玉米幼苗得到的氧化还原比值图(活性负离子和正离子的比值)，种子分别是未经处理的对照种子和暴露在自发组织离子-电子雪崩下的种子，在10kV(图3A)和20kV(图3B)的电压下雪崩照射的时间为30秒钟。种子储存了8天。在生长灯下生长了12天之后测试电极11和12之间的叶子组织。
图4是利用未处理的对照种子和在5kV电压下利用离子-电子雪崩照射5分钟、并在种植前保存81天的种子得到的成熟的、田地生长的胡萝卜落叶中的氧化还原比值图。氧化还原比值：在植物发育到成熟自养阶段而成熟时，图4示出，经MIR处理的胡萝卜的氧化还原比值低于未经处理的对照组的比值。氧化还原潜能决定于种子的渗出液。
图5是具有探测线圈101的装置100的简图，该探测线圈检测由图1A装置产生的离子-电子雪崩脉冲所感应出的能量波形。线圈101由40#铜线绕制，匝数为80,000，直径约为8cm，长约为10cm。
图6上部是图6下部示出的电子雪崩在图5线圈101中产生的感应磁场曲线。这在施加电压为5kV时、在图1A的电极11和12之间给出了电流的直接读数。
图7是电极11和12之间的电子脉冲流和线圈101中感应出的磁场势能之间的指数关系图。
图8A是雪崩-照射大豆与两个对照序列的1995田地意外率曲线。种子是Var.PS-202(每一测试序列中的种子总数是48个)。序列A:5kV,5min。序列B:10kV,5min。种子在处理之后、种植之前的存储期是86天。
图8B和8C是经两种雪崩照射的甜谷种子与其对照序列的1995田地意外率曲线。种子在处理之后、种植之前的存储期是56天。
图9A和9B是两种1995田地生长甜谷与其对照序列的果实或稳的发育图。种子在处理之后保存56天。
图10是在1995年胡萝卜落叶的产量随雪崩-感应电压的变化曲线。田地点数据是按照果实相对于其对照序列的变化百分比作出的。每一个点是一系列在标明的kV值下照射10sec.、30sec.、5min.和30min.的种子的平均值。种子在种植之前保存81天。
图11是装置10的盒子20中的电路图，该电路图产生自发有组织的电子-离子雪崩脉冲。
图12是电源部件节点201的电路图，如图11中的、具有在本发明方法中使用的有组织的电子雪崩的电路200所示。
图13是图11和12的电源部件节点201的连接器。
图14是雪崩脉冲幅度随着负极上的、紫外光照射产生的光电子而变化的曲线。如我们由理论研究获知的，照射正极没有任何效果。
图15、16和17是在照射时间为25秒的条件下，甜谷(G18-86)、胡萝卜、辣椒和燕麦的种子老化的结果曲线。
图18是处理散穗花序种子的结果曲线。
本发明涉及处理种子以提高其生长特性的方法，包括：在一对延展分开的、分别作为正极和负极的电极之间放置种子，正负极之间有一间隙，种子放置在正极上或在其附近；利用具有输出电压的电源向正极和负极提供直流(DC)电流，并在电源的输出电压上叠加交流AC纹波，以产生在一定的时间内由负极移向并进入正负极之间的或正极上的种子的电子自组织或脉冲雪崩，这可以提高种子的生长特性；在种植前将种子保存足够长的时间，以使种子具有增强的生长特性。
本发明还涉及通过在具有间隙的正极和负极之间提供种子、并利用电子脉冲雪崩照射种子、然后在种植之前保存种子而产生的种子，其中，利用输出电压中具有叠加AC纹波的电源向间隔开的电极提供叠加了AC纹波的DC电压，产生移向并进入种子的离子-电子自组织脉冲雪崩。
本发明还涉及由电子脉冲雪崩照射的种子发育成的植物，电子脉冲雪崩的产生如下：提供间隔开的、作为正极和负极的电极，种子位于正负极之间或在正极之上，向间隔开的电极施加叠加了AC纹波的DC电压，以产生移向正极并进入种植前的种子的自有组织的电子雪崩。
本发明还涉及在处理种子的装置中检测是否存在电子脉冲雪崩的装置，包括：具有多匝线圈的螺线管，放置在一对间隔开的、包括支撑种子的正极的电极附近；检测线圈中感应电流的检测装置。
本发明涉及处理种子以提高其生长特性的装置，包括：一对间隔开的、分别作为正极和负极的电极，正负极之间有一间隙，其中种子放置在正极上或在其附近；电压产生装置，利用具有叠加的交流AC纹波的输出电压的电源同步地向正极和负极施加直流(DC)电压，以在一定的时间内产生由负极移向并进入正极上的种子的电子组织脉冲雪崩，这可以提高种子的生长特性；具有多匝的线圈装置，安装在间隔开的、检测电子脉冲雪崩的电极附近；记录装置，记录线圈装置检测到的电子脉冲雪崩。
本发明涉及一种方法，该方法利用电子雪崩以可靠的、再现的方式经济地处理种子来显著提高植物、特别是商用作物的发芽和早期生长的速率和均匀性，以及产量，本发明十分适于商业应用。本方法还提供了一种利用来自平板电极的电子组织雪崩照射种子的装置。
种子13直接放置在水平铝(或其它金属)平板或电极11上，该电极是与作为负极的电极12间隔开的阳极，电极11是两个平行电极11和12中的底电极。此外，种子可以放置在位于正极11上方的非导电筛网22上(图5)。对于在此列出的所有结果，所使用的电极11和12均是圆形的，直径为30cm。还可以使用其它形状和尺寸的电极，尽管这会改变有效电压值。电极11和12由绝缘材料制成的支杆14和14A支撑。底电极11可以具有不同的形式，例如金属传送带(未示出)。
提供正电流的高压DC电源20连接到底电极(正极)11，顶电极(负极)12接地。如果直流电源在DC中包含组织60或220赫兹的纹波，可以得到改进的结果。除了微量的AC及其引起的纹波之外，没有其它的DC电流振荡。这是本装置与通常利用兆赫或更高频率范围的电压振荡器的现有技术系统的区别。
由于电极11和12之间的空气具有导电性，电子组织雪崩由负极12(负极)移动到正极11(正极)。这些电子雪崩在这里描述的监视设备上显示为脉冲。当使用“纯”信号DC电源时，离子-电子雪崩的频率和幅度均很低且不规则。当使用含有AC纹波的电源时，雪崩形成规则的、自组织的分立脉冲。这些雪崩脉冲在电极11和12之间的发生频率通常在0.1至30Hz的范围内，雪崩脉冲是电极11和12之间的电压梯度和空气电导率的产物，而不是模拟振荡器的。术语“自组织”的含义是在电极11和12之间存在决定于电极11和12之间的电压和环境条件的放电。
当电极11和12由绝缘支杆14支撑在塑料面桌面16上，并利用导电金属反馈环15将底电极11连接到桌面上时，可以得到最佳结果。添加反馈环15之后，相同电极系统产生的脉冲频率非常类似于无环路系统，但是脉冲幅度显著提高。其原因是桌面16起到了反馈环型电容器的作用。
已经发现，改进某些植物种子的雪崩感应电压对于其它种类的植物无效甚至有害。同样，电子雪崩照射种子的时间也十分重要，并且是不同的。选择最佳时间和最佳电压的诊断过程也十分重要。最后，种植前的等待期，以及对空气湿度和种子温度的研究也很重要。本方法对于为商业保存而在高于40℃的温度下干燥到正常值的种子十分有效。后面描述的监视装置用于调节相对湿度变化引起的空气电导率的变化。
本发明方法称为分子刺激响应法，或MIR。当以下述方式应用本方法时，来自电子的刺激的特定形式在种子中产生分子响应，这种响应最终导致种子性能的显著提高，所述应用方式包括但不仅限于此：
A)电极和电源：利用电极11和12之间的间隙(优选的是8cm，尽管可以使用优选地位于1和20cm之间的其它间隙，但其它间隙将改变有效电压)和在电极之间感应出大约2kV或更高的电压梯度(也可以使用其它电压，但必须低于空气电晕放电的电击穿电压)将产生有组织的电子雪崩，该雪崩在电极11和12之间的空气中呈现为具有相对均匀幅度的、锐利的规则导电脉冲(如图1A所示的图形记录系统21所绘出的)。一些科学杂志描述了这种自发有组织的电子雪崩，最著名的是Nasser作为常压空气中的低密度、低能量等离子体实例所作的描述。(来源：E.Nasser,“Fundamentals of Gaseous Ionization and PlasmaElectronics”,Wiley-Interscience,New York,pages 209 to 217(1971))。
雪崩脉冲的频率随着电压的增加而自动上升(见图1B)。这与现有技术采用的振荡电场不同，现有技术中的频率是人为固定的，并且将保持不变，除非人为干预调节它。这一差异是本发明的核心，因为产生预期结果的不是电场的振荡，而是电极11和12之间的空气中产生的、诱发分子刺激响应的、这些离子-电子的自发组织雪崩。
利用没有AC纹波的纯DC电源产生的电子雪崩中的脉冲及其规律性显著地减少。这种脉冲照射种子产生的种子特性的改善低于具有AC纹波的DC电源产生的脉冲的照射效果。此外，在没有AC纹波时，结果难以稳定地得到重复。因此，不仅仅利用在此声称产生有益结果的电场进行照射，也不利用任何类型的电子雪崩照射。为了实现最佳结果，种子必须用图1B所示的锐利、规则、均匀或有组织的电子雪崩照射。
B)诊断过程：不同的电压(通常在2-20kV之间)和不同的照射时间(从几秒钟到几分钟)对于不同的种子产生最佳结果。在一定的时间范围内，将种子暴露在一定范围内的电压下，并比较发芽和/或生长和/或产量的测试结果，以及氧化还原测量值，为每一类种子选择最优参数。
氧化还原诊断过程可以在广泛的种子/植物类型中实现显著的改进。该诊断过程是必须的，因为在高压(20kV)或低压(5kV)下受到正面影响的各类种子可能在中压(15kV)时受到负面影响。相反，在低压效果很好的种子在高压的效果会很差，反之亦然。
已经发现，种子应保存在40°F到80°F之间。如果温度过低，将没有效果。
应当理解的是，种子可以安置在位于电极11和12之间的、如图5所示的非导电筛网20上，例如玻璃纤维筛网。优选的电极11和12是具有圆滑边缘的圆形。电极之间优选地具有8到9cm的间隙，其直径大约为30.5cm。种子放置在电极上，以便不会显著地接触。
                       实例1
本例示出精确地诊断使产量增加的处理程度的实验室发芽测试，以及与表1所示的未处理对照种子相比，对一种作物有效的电压是如何使另一种作物产生较低产量或减产的实例：
                                表1
作为类型 最佳发芽效果的电压(kV) 产量(1)好 产量低或很差
    西红柿     5kV     4,12,16kV     8,20kV
    胡萝卜     5kV     4kV     12,20kV
    大豆     8kV     8,12kV     4kV
    海军豆     10kV     10,12kV     6kV
    双色甜谷     15kV     16,8kV     12,4kV
    Kandy-krisp甜谷 15kV 16,12kV 4,8kV
  近亲交配的饲料玉米 4,16kV 8,12,20kV
  杂交饲料玉米     4,12,16kV     8,20kV
    Cypress大米 15kV 16kV
(1)表示测量的是果实和谷物的重量。
通常，实验室发芽电压的增幅为5，即5、10、15千伏，而田地测试采用的电压增幅为4千伏，由此产生了不精确的匹配。为了简化，对一定处理时间范围内的结果进行平均。
本发明的关键因素是等待时期，即处理后的种子在照射之后没有发芽的最少星期数。处理后的种子在等待时期结束之前发芽将不会改进种子，甚至对种子有负面影响。对于照射之后立即种植的种子没有发现恒定的、可再现的改进。只要在处理完成的18个月之后，就能在处理后的种子中发现改进的效果。等待时期还没有任何已知的上限。尽管最小等待时期随着种子类型的不同而变化，但是已经发现最少为30天的等待时期是有效的。图2A至2C的种子分别保存了35、35和36天。
氧化还原比值是呼吸作用随时间变化的度量，它是通过测量由处理后的种子发育成的幼苗中的氧化/还原行为的变化而测得的。在MIR处理后的种子发育成幼苗的第10至第12天内连续测量氧化还原周期的增加的相位幅度，它表示呼吸作用和自由基活动的增加的比值(图3A和3B)。一些研究表明氧化还原比值的变化与生物组织的生长响应相联系。(Levengood,“Bioelectrochemistry And Bioenergetics,19461-476(1988)；以及Allen和Balin,“Free Radical Biology andMedicine”Vol.6,pp.631-661(1989)；A.Sakamoto et al.,FEBSLetters,Vol.358 pp.62(1995))。事实上不论这是不是本发明的机理，都已经发现氧化还原比值的变化与MIR处理后的种子的改进生长特性有联系，包括最终产量的提高。在绿色幼苗自养阶段，由MIR处理后的种子发育成的幼苗的氧化还原值低于图4所示的未经处理的幼苗，这与存在高浓度抗氧化剂的假设相符，抗氧化剂去除了自由基的活性，由此降低了氧化还原值。
根据Levengood,Bioelectrochemistry And Bioenergetics,19461-476(1988)提出的步骤进行测量。对上述自由基变化的检测可以用作MIR操作的质量控制方法。这种监视或质量控制可以用作快速检查，以便在不进行耗时的种子培育的条件下检查处理后的种子是否达到预期的效果。这种氧化还原比值分析使商业范围的操作更加可信、可靠。
在处理之后的几小时到几天之内，MIR幼苗呈现上升的氧化还原比值，表示在细胞内爆发了由离子-电子雪崩冲击形成的自由基。种子经历细胞抗氧化剂的防御活动，最后产生降低的氧化还原比值。在干燥的种子中，这一过程进行得十分缓慢，如同静止种子中的所有新陈代谢过程一样。随着细胞抗氧化防御剂，例如过氧歧化酶(SOD)等，去除自由基的活性，在有效电压下处理了有效时间的种子将在保存过程中经历氧化还原值的变化。例如，已知燕麦中的细胞产生过多的SOD以消除存在的自由基。Gail L.Matters和John G.Scandalios,“Effect of thefree radical-generating herbicide paraquat on the expression ofthe superoxide dismutase(Sod)genes in maize”,Biochemica etBiophysica Acta 882 p.33(1986)观测到SOD值增加54％，而响应于过氧基的爆发，SOD活性只增加40％。由此，抗氧化剂的最终剩余物降低了种子以及成熟的、生长中的植物组织中自由基的正常水平，如图4所示，经MIR处理后的植物具有比未处理的对照植物更低的氧化还原比值。
如图5所示，利用安置在电极11和12附近的实验探测线圈101可以测量电极11和12外部的MIR脉冲的空间移动。线性曲线记录器21用于检测线圈101中的感应电流。电子雪崩在电极11和12之间横向移动，通过静电-磁耦合在线圈101中感应出磁场，该磁场依次地产生毫伏量级的电压。利用直接横跨在双通道曲线记录器(例如图1A中的记录器21)的一个通道上的线圈101，和横跨第二通道的MIR系统，可以检测实际脉冲的有效性和形状。例如，图6中的一组曲线示出来自耦合系统的磁感应和MIR脉冲。线圈101通常具有10,000至100,000匝，优选的是80,000匝。
如H.Raether指出的(“Electron Avalanches and Breakdown inGasses”,Butterworth&Co.Ltd.,U.K.1964)，确定观测到的电流脉冲是否就是雪崩过程的一个可靠判据是比较雪崩脉冲和感应磁场分量的形状。根据电子雪崩形成的基本理论，可以发现感应磁场分量H(在此表示为线圈101的电压)直接与ln(i)相关，其中i是MIR系统中雪崩电流脉冲的幅度。图7的实验数据证实(r=0.89；P＜0.05)存在电子雪崩。
                      实例2
当按照前述方式将上述步骤一起用作处理种子的相关工艺的一部分时，在实验室和田地测试中，对各类作物得到下述结果：
1)提高田地意外率。Glycine max.Var.PS-202的实例示于图8A，两类Zea mays甜谷的实例示于图8B和8C。
2)提高了植物的生长率和植物尺寸的均匀性。
                      实例3和4
甜谷中MIR效果的实例公布在下表2和3中。数据是在田地测试点、在培育期的第52天采集的。种子保存了56天。
种类-“Kandy Krisp”
                        表2植物高度(cm)
系列  平均   sd   N-作物    变化系数   kV-电平
对照组 113.2  29.8     49     26.3％     无
5秒 145.2  11.3     31     7.8％     12-16
10秒 134.8  26.7     37     19.8％     12-16
种类-“Bi-Color”
                             表3植物高度(cm)
系列  平均   sd   N-作物 变化系数  kV-电平
对照组 109.2  36.3     81  33.1％     无
5-10秒 126.6  28.4     43  22.4％    12-16
5分种 123.2  28.4     36  23.1％    12-16
                          实例5
实现了增强的横向根系生长。
在1992年9月30日处理海军豆(Navy bean)种子，在65天之后发芽(每批20粒种子)，如表4所示。
                           表4
    电压  持续时间   3天的根系     S.D    数量
    5kV    25秒     6.26cm     1.64     20
    10kV    25秒     6.63cm     0.92     19
   对照组     0     4.54cm     2.63     20
                           实例6
已经实现了加速成熟。一些在开阔田地条件下由处理后的种子发育成的植物与对照植物相比在显著减少的天数内达到成熟期。利用两种甜谷，在种植之后的第52天出现带有突出穗丝的穗，如图9A和9B所示。
实例7、8、9、10、11和12
在正常田地条件下，没有采用额外的喷洒、灌溉或肥料，在各类商用作物中实现了产量增加。对于各类植物分别记录了这些效果。
大豆：种类为05-202的大豆种子(Glycine max)的产量干重增加28.6％，在1994年3月2日在5、10、20和30kV的电压下照射5分钟。这些序列中的每一由48粒种子构成的列在1994年3月27日(25天之后)种植在独立的田地测试区中。意外事件如图8A所示记录下来，与对照种子相比具有显著的改进。最佳意外事件在5kV和10kV照射下获得。这两种照射是相同的，它们均提高了收获的产量。结果示于表5。
                 表5
   序号     电压     Lbs产量
  对照组    对照组     1.75lbs.
    A     5kV     2.25lbs.
    B     10kV     2.20lbs.
    D     20kV     1.63lbs.
    E     30kV     1.50lbs.
大豆：在1995田地测试中，在1995年3月15日处理种类为“Young”的大豆种子，并在1995年5月12日种植。每一个田地区域项表示来自处理后的种子的两镑区的四次同样实验的平均。结果的单位转换为蒲式耳每英亩。收获的每1,000粒种子的重量显示出显著的差异。产量增加是产生更多大豆的结果。结果示于表6。
             表6
    处理    蒲式耳/英亩
    对照组     35.95
    4kV,10秒     37.04
    4kV,30秒     34.99
    4kV,5分钟     36.04
    8kV,10秒     40.10
    8kV,30秒     41.44
    8kV,5分种     41.73
    12kV,10秒     34.74
    12kV,30秒     39.0
    12kV,5分种     39.4
    对准组     34.92
饲料玉米：在1995年5月31日，在Blissfield,Michigan种植了每批24粒种子。图是每批带壳谷物的镑数。结果示于表7。
                         表7近亲交配的，种类305-10Gr(F6)
    电压     10秒    30分钟     5秒    对照组
    4kV    2.65lbs.     1.85     1.55     2.10
    8kV     1.80     1.95     1.45     1.95
    12kV     1.95     1.35     1.50     1.90
    16kV     1.60     1.00     0.95     2.00
对照组均值：2.03杂交种，种类HYPOP.2830MF。结果示于表8。
                            表8
    电压     10秒     30秒    5分种    对照线
    4kV    7.15lbs.     7.10     6.65     5.55
    8kV     5.05     4.40     4.75     4.90
    12kV     5.95     5.65     4.85     4.20
    16kV     5.20     5.95     5.10     6.10
    20kV     5.20     4.75     3.95     3.20
对照组均值：4.79
胡萝卜：1995年3月31日将种类为Daucus carott Danvers 126的胡萝卜种子种植在Blissfield,Michigan，并在1995年9月7日收获。每个胡萝卜的重量按照电压总结在图10中。以下是对于4kV和8kV(最佳产量电压)电压和对照组每次处理时间的结果。在这些结果中，时间和电压值的相互作用和双重重要性十分明显。这里，相对于对照组的增加不遵循线性变化，强调了前面讨论的诊断过程的重要性，以便针对具体的种子类别选择最有效的电压和处理时间。结果示于表9。
              表9
    电压   持续时间    重量/胡萝卜
    4kV     10秒     0.10lbs.
    4kV     30秒     0.112
    4kV     5分钟     0.141
    4kV     30分种     0.128
    8kV     10秒     0.066lbs.
    8kV     30秒     0.154
    8kV     5分钟     0.175
    8kV     30分钟     0.093
    0     0  0.10lbs--对照组
    0     0  0.096--对照组
    0     0  0.105--对照组
    0     0  0.089--对照组
对照组均值：0.098
西红柿：1995年3月10日照射种类为malinta的Lycopersiconesculentum的种子，并于1995年5月31日种植在B1issfield,Michigan,1995年9月5日收获。对于每一种电压的四种照射时间(10sec.,30sec.,5min.，和30min.)将每一株植物的果实的产量(镑)进行平均。结果示于表10。
                表10
    电压     镑/株     ％变化
    对照组     0.516     0％
4kV 0.69 +34％
    8kV     0.455     -12％
    12kV     0.648     +26％
    16kV     0.61     +18％
    20kV     0.458     -11％
大米：种类为Lemont的Cypress大米Oxyza sativa)从密西西比州立大学获得，在1995年3月12日进行处理，1995年5月11日(59天)种植在密西西比。测试地由于极度干旱在5月15日进行灌溉。意外事件发生在5月25日(由于干旱而延迟)，测试地在6月9日被洪水淹没。每一幅图均是在四块同样测试地生长的种子的250gms的结果，并平均、外差为蒲式耳每英亩。峰值产量的增加如表11所示记录下来。
                   表11
    电压    时间      产量   ％变化
  对照组     0     159.37     0％
    16kV     10秒     180.13     +13％
    16kV     30秒     169.06     +6％
    8kV     5分种     170.08     +7％
图11、12和13示出本发明装置的电路200。装置可以从纽约，Brewster的Hipotronics,Inc.获得。具有一个AC电路220和一个DC电路240。负端子260连接到负极12，正端子280连接到正极11。图11中的装置中的各种元件示于表12。
        表12电路220
    C1     .022 600V
    C2     .022 600V
    PLI
    F2        2A
    UP1
    MDV1       250V
电路200
    NE1
    NE2
    POS       正
    NEG       负
    R1     5K 1/4W
    R2      5K 1％
    R3     250K 1％
    R4      270K
    A2 计量电路P/N30-293
    C1     .22 400V
    C2     .22 400V
电路201
    T1     变压器
    R1     250M,6W
    R2     250M,6W
    R3     50K,50W
    R4     50K,50W
    R5     200M,6W
    R6     22M,1W
    R7     22M,1W
    CR1     二极管
    CR2     二极管
    C1  0.02μf；30kV
    C2  0.02μf；30kV
    POS       正
    NEG       负
    输出     60kV DC2.5Madc
图15、16和17示出将种子老化一定时间的结果。如图所示，老化是十分重要的。
图18示出在散穗花序中处理燕麦种子的结果，该花序会保护种子不受电子的影响。如图所示，处理是有效的，但比图17所示的差。
应当相信，MIR工艺对种子的影响是基于常压和常温下电子-离子雪崩在空气中的形成。在施加电压的作用下，这些雪崩以规则的周期或等离子体波的形式作为电子-离子刺激受到引导。这些脉冲的频率、幅度和约束由施加的电压和MIR装置的设计结构控制。
在MIR工艺中，电子-离子雪崩脉冲的形成和它们形成有组织的等离子体的方式存在一定的联系。当电压足以使离开负极的电子(e-)获得足够的能量通过弹性碰撞和非弹性碰撞使空气分子电离时，其中非弹性碰撞的比例较少，在平行板电极11和12之间就形成雪崩。在该MIR结构中，形成雪崩的最小电压大约为0.5kV/cm。在电子-分子碰撞过程中，会形成新的电子e-，它们和原有的电子e-一起重复这一碰撞过程，进而形成级联雪崩。
漂移电子e-流的平均电子数：
                  n(x)=exp(αx)    (1)
其中x是电子e-的漂移距离，α是每cm每个电子e-的电离碰撞平均次数。Nasser(E.Nasser,Fundamentals of Gaseous Ionization andPlasma Electronics,Wiley-Interscience,New York(1971))指出经过时间t’之后，电场在雪崩中消失，这样电子e-云停止移动，并附着在分子上，即，等离子体脉冲部分中和或放电。如果雪崩的漂移距离L满足(2)式，那么上述现象将发生在电极间隙内部，
                L=vt’           (2)
其中，v是电子e-的漂移速度，小于电极间距d(在空气中，v大约为107cm/sec.)。若d=8cm,t’必须小于8×10-7sec.。正离子(图1A未示出)具有大约为105cm/sec.的较低速度v+，因此正离子飘离其产生地的距离非常小。
雪崩产生的电流I为：
              i=(εn0/t’)exp(αv’t)    (3)
如果将(εn0/t’)记为速率常数k’，则雪崩公式变形为：
              i=k’exp(α v’T)        (4)
其中T是一个雪崩脉冲的过渡时间，因此，
              ln(i)=k(αv’T)    (5)
其中k是新的速率常数。因此，ln(i)在雪崩脉冲的过渡时间T内比例于电离碰撞的平均数(α)。
一种判断观测到的电流脉冲是否为雪崩过程的可信判据(H.Raether,Electron Avalanches and Breakdown in Gasses Butterworth&Co.,Ltd.,Great Britain(1964))是测量电子e-的增长，并与理论关系式(6)比较。
              n=exp(αvt)    (6)
在MIR系统中，没有电子e-约束，因此雪崩脉冲将横向飘出平行板电极的边缘。这种等离子体的外部漂移为实验检验等式6给出的理论关系式所预测的电子增长提供了一种方法。为此，将80,000匝#40铜线制成的实验探测线圈101放置在MIR系统附近(图5)。当直接跨接在线性曲线记录器的一个通道上时，很容易检测到作为探测线圈101中的电压脉冲的任何感应磁场。变化电流幅度的雪崩脉冲在MIR系统中形成，并记录在图6所示的独立记录器通道上。认为探测线圈中的任何感应场均比例于电离碰撞产生的等离子体密度。根据等式5，在这些假设条件下，离子-电子浓度(α)漂移过测试线圈101而感应出的、建立雪崩电流i和磁场H之间的预期关系由下式给出：
              H=c1ln(i)+c2    (7)
其中c1和c2是比例常数。
根据从在一定电极电压范围内执行的实验获得的曲线记录器记录线，等离子体感应磁场的幅度(mv)可与雪崩电流的幅度相比。根据等式(7)绘出的这些数据说明等离子体雪崩和MIR系统获得的实验数据具有很好的相关性(r=0.89；P＜0.05)。
在确定电压下，雪崩脉冲的幅度和频率在建立间隔内保持相对恒定。通过在稳定雪崩脉冲的持续时间内向MIR系统“注入”大量电子可以检验离子流脉冲的稳定性。如果UV辐射直接照射负极板，电子通过光电效应释放出来。这就产生了所谓的“后继雪崩”(H.Raether,Electron Avalanches and Breakdown in Gasses,Butterworth&Co.,Ltd.,Great Britain(1964))。通过注入附加的次级电子，可以提高雪崩脉冲电流的幅度。
在施加电压20kV，电极间距6cm，并由“透光电极”或OTE(镀以半导电氧化锡薄膜的玻璃)作为电极12而组成的MIR系统中产生这种光电雪崩增强。如图14所示，在开始(箭头指示)照射负极30秒钟之后，发生电子注入效应。由于屏蔽作用(E.Nasser,Fundamentals ofGaseous Ionization and Plasma Electronics,Wiley-Interscience,New York(1971))，即使外部电荷进入雪崩系统，等离子体仍保持稳定。这种初始延迟，继之以在第70秒到达最大电流幅度的上升和随后缓慢的下降，与其它等离子体系统恒定的结果十分吻合，这再一次证明在电极之间的空间内发生的是等离子体电子雪崩过程。如预期的，利用UV照射正极(极性相反)对电流脉冲幅度无影响(下曲线)。利用宽于负极的正极可以改变电场的形状，使更多的离子/电子包含在电极之间，减小向外的漂移。结果是具有更加均匀更加规则的离子/电子雪崩脉冲。
本发明的商用优点是：
1)发芽和早期生长：利用MIR方法，植物可以快速地经过脆弱的幼苗阶段。在该阶段产生的、更高的均匀性限制了由高大植物遮蔽低矮植物而造成不足，提高了所有植物均茁壮生长的机会。生长的均匀性还使植物的收获更加容易。
2)根系生长：MIR方法对一些植物，例如海军豆，特别有价值，因为这些植物的根系生长经常发生问题。
3)加速成熟：MIR方法促成的加速成熟对于种植农作物例如马铃薯和甜谷的农场主具有经济价值，因为每个季节首先向市场供应产品可以获得更高的售价。在种植双季作物的国家，可以提高两季作物均成熟并丰收的可能性。在遥远的北部地区，生长季节的阳光和温暖日期均十分有限，MIR方法提高了丰收季节的可能性。
4)提高产量：MIR方法具有经济和人类优势。农场主的商业要求是允许他们种植更多的作物，以便从同一农场得到更多的收入。随着世界人口的增长超过食物的供应量，任何显著的产量提高均是有益的。
MIR系统的关键特征是：
1)锐利、有组织、均匀的电子雪崩(不是电晕放电，不是静电场)。并配备了具有AC纹波的DC电源。
2)电压位于0.2vK/cm和(但不包括)介电火花间隙击穿放电之间。
3)种子放在正极上。
4)特殊的电子反馈环15增强了结果。
5)诊断过程。
6)在处理和种植之间具有长达几周的等待期。
7)在MIR方法处理之后，氧化还原比值测量提供了质量控制以确定是否已经达到效果，由此提供结果的中间检测。
8)线圈101记录器系统提供额外的质量控制，以确保实际上产生了雪崩，并且具有正确的形状。如果没有这种测试，电极11和/或12上的潮湿和灰尘/碎屑将导致产生雪崩的失败，特别是当工作在阈值0.5 kV/cm附近时，该电压对于一些种子是经常使用的。
9)MIR方法对于大规模商业操作是可行的、能负担得起的。处理时间较短(几秒钟到几分钟)，耗电量较低。MIR方法适用于传送带输送的种子处理系统。MIR方法产生稳定的结果。
应当指出前述说明只是本发明的示例性说明，本发明只受此后的附属权利要求的限制。

Claims (21)

1．对种子进行处理以增强其生长特性的方法，包括：
   a．在一对分别作为正极和负极的延展分立电极之间提供种
子，电极之间具有一个间隙，种子位于正极上或在其附近；
   b．利用具有在输出电压上叠加了频率达220Hz的交流AC
纹波的输出电压的电源向正极和负极提供直流DC电压，以便在增
强种子生长特性的一段时间内，产生由负极移向并进入正负极之
间的或正极上的种子的自组织或脉冲电子雪崩；和
   c．在种植之前将种子保存足够长的一段时间，以便使种子
具有增强的生长特性。
2．根据权利要求1的方法，其中种子是从玉米、胡萝卜、西红柿、大豆、稻米、辣椒、海军豆、小麦和燕麦组成的种子组中选取。
3．根据权利要求1或2中任何一个的方法，其中测量种子在处理前和处理后的氧化还原行为以确定处理效果。
4．根据权利要求1的方法，其中步骤(b)施加的处理时间在大约1秒钟和30分钟之间。
5．根据权利要求1或2中任何一个的方法，其中在步骤(b)中测量雪崩。
6．根据权利要求4的方法，其中在步骤b中，利用电子从其中穿过的螺线管测量电子雪崩。
7．根据权利要求1、2或4中任何一个的方法，其中DC电压从大约0.5kV/cm到低于空气的火花击穿电压，雪崩频率在大约0.1和30Hz之间。
8．根据权利要求1或2中任何一个的方法，其中电流在步骤b中测量，DC电压为从大约4kV到低于空气中的火花击穿电压放电电压。
9．根据权利要求1方法产生的种子。
10．种子，其产生过程如下：在具有种子的正极和负极之间提供一个间隙，利用在输出电压上叠加了频率达220Hz的AC纹波以产生移向并进入种子的离子-电子的自组织脉冲雪崩的电源，通过向间隔开的分立电极施加在其上叠加了AC纹波的DC电压而产生的电子脉冲雪崩照射种子，然后在种植之前保存种子。
11．由电子脉冲雪崩照射的种子发育成的植物，所述电子脉冲雪崩的产生过程如下：提供分别作为正极和负极的间隔开的分立电极，种子位于正负极之间或正极之上，向间隔开的分立电极施加叠加了频率达220Hz的AC纹波的DC电压，以便产生移向正极并进入待种植的种子的电子自组织电子雪崩。
12．一种鉴定种子的改善是利用电子的有组织的脉冲雪崩处理种子并保存种子的结果的方法，包括：
    a．确定种子的氧化还原活动；和
    b．将活动与种子的生长特性联系在一起。
13．一种检测在处理种子的装置中是否存在电子脉冲雪崩的装置，包括：
    a．具有多匝线圈的螺线管，安置在包含支撑种子的正极在
内的一对间隔开的分立电极附近。
    b．检测线圈中的感应电流的检测装置。
14．根据权利要求13的装置，其中线圈环绕芯子的匝数在大约10,000和100,000之间。
15．一种处理种子以增强其生长特性的装置，包括：
    a．一对分别作为正极和负极的间隔开的分立电极，其间具
有一个间隙，种子支撑在正极上或在其附近。
    b．电压发生装置，利用具有叠加了交流AC纹波的输出电
压作为输出电压的电源同时向正极和负极施加直流DC，以在增强
种子生长特性的一段时间内产生由负极移向并进入正极上的种子
的电子的有组织的脉冲雪崩；和
    c．具有多匝的线圈装置，安装在间隔开的分立电极附近，
以检测电子雪崩；和
    d．记录线圈装置检测到的电子脉冲雪崩的记录装置。
16．根据权利要求15的装置，其中施加的DC电压处于4K和火花击穿电压之间，施加的AC电压处于60和220Hz之间，间隙大约在1和20cm之间。
17．根据权利要求15的装置，其中检测装置是匝数大约在10,000和100,000匝之间。
18．根据权利要求15的装置，其中记录装置是图表记录器。
19．根据权利要求15的装置，其中间隙之间存在空气。
20．根据权利要求15的装置，其中正极和负极具有绝缘材料制成的、支撑在非导电桌面上的支杆，反馈导体由桌面连接到正极。
21．一种处理种子以增强其生长特性的方法，包括：
    a．在一对作为正极和负极的延展分立电极之间提供种子，
电极之间具有一个间隙，种子位于正极之上或在其附近。
    b．利用在输出DC电压上叠加交流AC纹波的电源向正极和
负极提供时间在大约1秒钟和30分钟之间的直流DC电压，以便
在增强种子生长特性的一段时间内产生由负极移向并进入正极和
负极之间的或正极之上的种子的自组织的电子脉冲雪崩，其中
电子雪崩利用电子从其中穿过的螺线管测量；和
    c．在种植之前将种子保存足够长的一段时间，以便提供具
有增强生长特性的种子。
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