radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2021-24-6-6-15radioelectronics-574Research ArticleЭЛЕКТРОДИНАМИКА, МИКРОВОЛНОВАЯ ТЕХНИКА, АНТЕННЫELECTRODYNAMICS, MICROWAVE ENGINEERING, ANTENNASИстория и перспективы применения рентгенографии в семеноводстве и семеноведенииHistory and Prospects for the Application of X-Ray Diffraction Analysis in Seed Breeding and Seed Studyhttps://orcid.org/0000-0001-9323-7741МусаевФ. Б.MusaevF. B.

Мусаев Фархад Багадыр оглы – доктор сельскохозяйственных наук (2019), ведущий научный сотрудник. Автор более 120 научных работ. Сфера научных интересов – семеноведение овощных культур, рентгенография и цифровая морфометрия семян.

ул. Селекционная, д. 14, пос. ВНИИССОК, Одинцовский район, Московская  область, 143072

Farhad B. О. Musaev, Dr Sci (Agricultural) (2019), Leading Researcher. The author of 120 scientific publications. Area of expertise: seed science of vegetable crops, radiography and digital morphometry of seeds.

14 Selektsionnaya St., VNIISSOK 143072

musayev@bk.ruБелецкийС. Л.BeletskiyS. L.

Белецкий Сергей Леонидович – кандидат технических наук (2004), доцент (2008), ученый секретарь. Автор более 300 научных работ. Сфера научных интересов – новые методы испытаний пищевой продукции и сырья, технологии длительного хранения пищевой продукции и сырья.

ул. Волочаевская, д. 40/1, Москва, 111033

Sergey L. Beletskiy, Cand. Sci. (Eng.) (2004), assistant professor (2008), Scientific Secretary. The author of 300 scientific publications. Area of expertise: new methods of testing food products and raw materials, technologies for long-term storage of food products and raw materials.

40/1  Volochaevskaya St., Moscow 111033

grain-miller@yandex.ruФГБНУ "Федеральный научный центр овощеводства", пос. ВНИИССОКРоссияFederal State Budgetary Scientific Institution Federal Scientific Vegetable Center, VNIISSOKRussian FederationФГБУ НИИПХ РосрезерваРоссияFederal State Government Financed Institution Scientific Research Institute of Storage Problems Federal Agency of State ReservesRussian Federation202128122021246615Copyright © Мусаев Ф.Б., Белецкий С.Л., 20212021Мусаев Ф.Б., Белецкий С.Л.Musaev F.B., Beletskiy S.L.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/574Введение

Введение. Метод рентгенографии различных объектов с целью визуализации их внутренней структуры известен уже более 100 лет. Однако для диагностики качества семян растений он стал использоваться лишь в начале 80-х гг. ХХ в. Основная причина – отсутствие специализированных технических средств, в первую очередь, источников рентгеновского излучения, которые обеспечивали бы необходимую информативность получаемых изображений. Лишь благодаря разработке и использованию для этих целей методики микрофокусной рентгенографии удалось добиться значительных результатов, включая подготовку Национального стандарта ГОСТ Р 596032021 "Семена сельскохозяйственных культур. Методы цифровой рентгенографии".

Цель работы

Цель работы. Аналитический обзор результатов отечественных исследований в области рентгенографии семян различных растений.

Материалы и методы

Материалы и методы. Рассмотрены основные этапы разработки методики микрофокусной рентгенографии семян и отдельных частей растений сельскохозяйственного и иных назначений. Описаны конструктивные особенности технических средств, включая цифровые, созданных для реализации методики.

Результаты

Результаты. Показано, что для информативной рентгенографии таких специфических объектов как семена растений, обладающих малыми размерами и плотностью в целом, размер фокусного пятна рентгеновской трубки должен составлять не более нескольких десятков микрометров, напряжение на рентгеновской трубке – не более нескольких десятков киловольт. В качестве системы визуализации скрытого рентгеновского изображения предпочтительнее использовать приемники изображения на основе экрана с фотостимулируемым люминофором или плоскопанельные твердотельные детекторы рентгеновского излучения. Указанный комплект технических средств позволил выделить и описать рентгенографические признаки нормального семени и девяти основных типов дефектов для 600 видов растений.

Заключение

Заключение. Методика микрофокусной рентгенографии, по сравнению с традиционно используемой контактной рентгенографией, позволяет получать рентгеновские снимки семян с проекционным увеличением изображения до нескольких десятков раз. Такие снимки позволяют визуализировать принципиально более мелкие детали структуры семени, которые незначительно отличаются по плотности.

Introduction

Introduction. X-ray analysis has been applied for visualizing the internal structure of various objects for over 100 years. However, this method began to be used for assessing the quality of plant seeds only in the early 1980s. The main impediment was a lack of specialized instruments, particularly X-ray sources, that could provide informative images. Advancements in the field of microfocus radiography allowed significant results to be achieved, including the preparation of the National Standard GOST R 596032021 "Agricultural Seeds. Methods of digital radiography".

Aim

Aim. An analytical review of Russian research studies in the field of X-ray diffraction analysis of plant seeds.

Materials and methods

Materials and methods. Key stages in the development of microfocus X-ray diffraction analysis of seeds and individual parts of plants for agricultural and other purposes are considered. The design of instruments, including digital ones, created for the implementation of the method are described.

Results

Results. In order to obtain informative X-ray diffraction images of plant seeds, which objects are generally characterized by small sizes and small density, the focal spot of the X-ray tube should not exceed several tens of microns under the voltage of not higher than several tens of kilovolts. As a system for visualizing a latent X-ray image, it is preferable to use image receivers based on a screen with a photostimulated phosphor or flat-panel solid-state X-ray detectors. These instruments have been successfully used to identify and describe the radiographic signs of a normal seed and nine main types of defects for 600 plant species.

Conclusion

Conclusion. In comparison with the conventional contact radiography, microfocus radiography produces X-ray images of seeds with a projection magnification of the image up to several tens of times. Such images permit highly detailed visualization of the structure of seeds that differ slightly in density.

семеназернорентгенографиядефекты семянseedsgrainX-ray diffraction analysisseed defectsReferencesSimak M. New uses of X-ray method for the analysis of forest seed // Metsäntutkimuslaitos. 1970. № 27. P. 1–11.Simak M. New Uses of X-Ray Method for the Analysis of Forest Seed. Metsäntutkimuslaitos. 1970, no. 27, pp. 1–11.Simak M., Gustaffson A. Х-rays photography and sensibility in forest tree species // Hereditas. 1953. Vol. 39, № 4. P. 458–468. doi: 10.1111/j.1601-5223.1953.tb03430.xSimak M., Gustaffson A. Х-Rays Photography and Sensibility in Forest Tree Species. Hereditas. 1953, vol. 39, no. 4, pp. 458–468. doi: 10.1111/j.1601-5223.1953.tb03430.xКурбанов М. Р. Семена древесных пород. Методы рентгенографического анализа. М.: Госкомлес СССР, 1968. 22 с.Kurbanov M. R. Semena drevesnykh porod. Metody rentgenograficheskogo analiza [Seeds of Wood Species. X-ray analysis methods.] Moscow, Goskomles USSR, 1968, 22 p. (In Russ.)Курбанов М. Р. Рентгенография семян с увеличенным изображением // Бюллетень ГБС АН СССР. 1984. Вып. 133. С. 97–101.Kurbanov M. R. Rentgenografiya semyan s uvelichennym izobrazheniem [Radiography of Seeds with an Enlarged Image]. Bulletin of the GBS of the USSR Academy of Sciences. Moscow, Nauka, 1984, vol. 133, pp. 97– 101. (In Russ.)Некрасов В. И., Смирнова Н. Г. Рентгенографическая оценка качества семян // Качество семян в связи с условиями их формирования при интродукции. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1971. С. 60–69.Nekrasov V. I., Smirnova N. G. Rentgenograficheskaya otsenka kachestva semyan [Radiographic Assessment of the Quality of Seeds]. From: Kachestvo semyan v svyazi s usloviyami ikh formirovaniya pri introduktsii [The Quality of Seeds In Connection With the Conditions of Their Formation during the Introduction]. Novosibirsk, Nauka, 1971, pp. 60–69. (In Russ.)Смирнова Н. Г. Рентгенографическое изучение семян лиственных древесных интродуцированных растений. М.: Наука. Сиб. отд-ние, 1976. 108 с.Smirnova N. G. Rentgenograficheskoe izuchenie semyan listvennykh drevesnykh introdutsirovannykh rastenii [X-Ray Study of Seeds of Deciduous Woody Introduced Plants]. Moscow, Nauka, 1976, 108 p. (In Russ.)Зайцев В. А., Редькина З. В., Грун Л. Б. Перспективы рентгенографии в диагностике качества семян // Селекция и семеноводство. 1981. № 7. С. 37–38.Zaitsev V. A., Redkina Z. V., Grun L. B. Prospects for Radiography in the Diagnosis of Seed Quality. Selection and Seed Production. 1981, no. 7, pp. 37–38. (In Russ.)Малевинский В. Е., Зайцев В. А., Редькина З. В. Влияние сроков хранения на энергию прорастания и всхожесть семян двукисточника тростникового // Сб. науч. тр. ЛСХИ. 1984. С. 37.Malevinsky V. E., Zaitsev V. A., Redkina Z. V. Vliyanie srokov khraneniya na energiyu prorastaniya im vskhozhest' semyan dvukistochnika trostnikovogo [The Influence of Storage Time on the Germination Energy of the Germination of Seeds of Two-Source Reed]. Sbornik nauchnykh trudov LSKhI [Collection of scientific works of the Leningrad Agricultural Institute]. 1984, p. 37. (In Russ.)Зайцев В. А., Редькина З. В. Возможности и перспективы применения метода рентгенографии семян сельскохозяйственных культур // Электронная промышленность. 1987. Сер. 4, вып. 2 (117). С. 117.Zaitsev V. A., Redkina Z. V. Possibilities and Prospects of Application of the Method of X-Ray Analysis of Agricultural Seeds. Electronic industry. 1987, ser. 4, iss. 2, p. 117. (In Russ.)Редькина З. В., Зайцев В. А., Архипов М. В. Рентгенография с прямым рентгеновским увеличением на излучателе РЕИС-И для диагностики выполненности, травмированности и зараженности семян // Бот. cад АН Лат. ССР, экологические проблемы семеноведения интродуцентов: тез. докл. Рига, 1984. С. 105.Redkina Z. V., Zaitsev V. A., Arkhipov M. V. Radiography with Direct X-Ray Magnification on the REIS-I Emitter for the Diagnosis of Completion, Injury and Infection of Seeds. Bot. garden AN Lat. SSR, ecological problems of seed research of introduced species: Abstracts. Riga, 1984, p. 105. (In Russ.)Иванов С. А., Щукин Г. А., Рентгеновские трубки технического назначения. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1989. 200 с.Ivanov S. A., Shchukin G. A. Rentgenovskie trubki tekhnicheskogo naznacheniya [X-Ray Tubes for Technical Purposes]. Leningrad, Energoatomizdat, 1989, 200 p. (In Russ.)Портативный микрофокусный рентгеновский аппарат для диагностики семян и зерен / Л. Г. Андрущенко, М. В. Архипов, Л. Б. Грун, Ю. К. Иоффе, З. В. Редькина, Н. А. Федорак // Электронная промышленность. 1983. Вып. 11 (128). С. 31–34.Andrushchenko L. G., Arkhipov M. V., Grun L. B., Ioffe Yu. K., Redkina Z. V., Fedorak N. A. Portable Micro-focus X-Ray Apparatus for Diagnostics of Seeds and Grains. Electronic Industry. 1983, vol. 11 (128), pp. 31–34. (In Russ.)Печенова Т. В., Смирнова Н. Г., Холодова В. К. Использование рентгенографии при изучении качества семян // Сахарная свекла. 1985. № 10. С. 38–39.Pechenova T. V., Smirnova N. G., Kholodova V. K. The Use of Radiography in the Study of Seed Quality. Sugar Beet. 1985, no. 10, pp. 38–39. (In Russ.)Рентгенография для выявления внутренних повреждений и их влияние на урожайные качества семян / В. Н. Савин, М. В. Архипов, А. Л. Баденко, Ю. К. Иоффе, Л. Б. Грун // Вестн. с.-х. науки. 1981. № 10 (301). С. 99–104.Savin V. N. Arkhipov M. V., Badenko A. L., Badenko A. L., Ioffe Yu. K. Radiography to Identify Internal Injuries and their Influence on the Yielding Qualities of Seeds. Vestn. s.-kh. Nauk. 1981, no. 10 (301), pp. 99–104. (In Russ.)Савин В. Н., Кондрашова М. Д., Архипов М. В. Влияние различных типов повреждений семян ячменя на их посевные качества и урожайные свойства // Докл. РАСХН. 1995. № 3. С. 5–7.Savin V. N., Kondrashova M. D., Arkhipov M. V. Influence of Various Types of Damage to Barley Seeds on Their Sowing Qualities and Yielding Properties. Reports of the Russian Academy of Agricultural Sciences. 1995, no. 3, pp. 5–7. (In Russ.)Савин В. Н., Архипов М. В., Гусакова Л. П. Жизнеспособность овощных семян при внутренних повреждениях // Аграрная наука. 1997. № 2. С. 23–25.Savin V. N., Arkhipov M. V., Gusakova L. P. Viability of Vegetable Seeds in Case of Internal Damage. Agrarian Science. 1997, no. 2, pp. 23–25. (In Russ.)Архипов М. В., Гусакова Л. П., Алферова Д. В. Рентгенография растений при решении задач семеноведения и семеноводства // Изв. С.-Петерб. гос. аграрного ун-та. 2011. № 22. С. 336–341.Arkhipov M. V., Gusakova L. P., Alferova D. V. Radiography of Plants in Solving Problems of Seed Science and Seed Production. Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2011, no. 22, pp. 336–341. (In Russ.)Архипов М. В., Потрахов Н. Н. Микрофокусная рентгенография растений. СПб.: Технолит, 2008. 192 с.Arkhipov M. V., Potrakhov N. N. Mikrofokusnaya rentgenografiya rastenii [Microfocus Radiography of Plants]. SPb, Tekhnolit, 2008, 192 p. (In Russ.)Великанов Л. П. Рентгенографический анализ внутренней поврежденности семян пшеницы и ячменя // Агрофизические методы и приборы. Растения и среда их обитания. 1997. Т. 3. С. 234–254.Velikanov L. P. X-ray Analysis of Internal Damage to Wheat and Barley Seeds. Agrophysical methods and devices. Plants and Their Habitat. 1997, vol. 3, pp. 234– 254. (In Russ.)Agrophisical direction of further development and application of X-ray method / L. P. Velikanov, S. Grundas, M. V. Archipov, A. M. Demianichuk, L. P. Gusakova // Proc. of Intern. conf. on new trends in agrophysics, Lublin, Poland, 10–11 June 2008. P. 147–148.Velikanov L. P., Grundas S., Archipov M. V., Demianichuk A. M., Gusakova L. P. Agrophisical Direction of Further Development and Application of X-Ray Method. Proc. of Intern. Conf. on New Trends in Agrophysics. Lublin, Poland, 10–11 June 2008, pp. 147–148.Grundas S., Velikanov L., Arkhipov V. Importance of wheat grain orientation for the detection of internal mechanical damage by the X-ray method // Int. Agrophysics. 1999. № 13. P. 355–361.Grundas S., Velikanov L., Arkhipov V. Importance of Wheat Grain Orientation for the Detection of Internal Mechanical Damage by the X-Ray Method. Int. Agrophysics. 1999, no. 13, pp. 355–361.Assessment of soft X-ray imaging for detection of fungal infection in wheat / D. S. Narvankar, C. B. Singh, D. S. Jayas, N. D. G. White // Biosystems engineering. 2009. Vol. 103, iss. 1. P. 49–56. doi: 10.1016/j.biosystemseng.2009.01.016Narvankar D. S., Singh C. B., Jayas D. S., White N. D. G. Assessment of Soft X-Ray Imaging for Detection of Fungal Infection in Wheat. Biosystems Engineering. 2009, vol. 103, iss. 1, pp. 49–56. doi: 10.1016/j.biosystemseng.2009.01.016Bruggink H., Duijn B. X-ray based seed analysis // Seed Testing International. 2017. № 153. P. 45–50.Bruggink H., Duijn B. X-Ray Based Seed Analysis. Seed Testing International. 2017, no. 153, pp. 45–50.Radiographic analysis to test maize seeds for the presence of Sitophilus Zea mais (Coleoptera: Curculionidae) / F. França-Silva, M. L. M. de Carvalho, G. A. Carvalho, D. B. de Andrade, V. F. de Souza, E. R. Marques // Seed Science and Technology. 2019. Vol. 47, № 3. P. 249–260. doi: 10.15258/sst.2019.47.3.02França-Silva F., de Carvalho M. L. M., Carvalho G. A., de Andrade D. B., de Souza V. F., Marques E. R. Radio-graphic Analysis to Test Maize Seeds for the Presence of Sitophilus Zea Mais (Coleoptera: Curculionidae). Seed Science and Technology. 2019, vol. 47, no. 3, pp. 249– 260. doi: 10.15258/sst.2019.47.3.02An assessment of mechanical and stink bug damage in soybean seed using X-ray analysis test / T. L. F. Pinto, S. M. Cicero, J. B. França-Neto, V. A. Forti // Seed Science and Technology. 2009. Vol. 37. P. 110–120. doi: 10.15258/sst.2009.37.1.13Pinto T. L. F., Cicero S. M., França-Neto J. B., Forti V. A. An Assessment of Mechanical and Stink Bug Damage in Soybean Seed Using X-Ray Analysis Test. Seed Science and Technology. 2009, vol. 37, pp. 110–120. doi: 10.15258/sst.2009.37.1.13Bino R. J., Aartse J. W., Van Der Burg W. J. Non destructive X-ray of Arabidopsis embryo mutants // Seed Science Research. 1993. Vol. 3, iss. 3. P. 167–170. doi: 10.1017/S0960258500001744Bino R. J., Aartse J. W., Van Der Burg W. J. Non destructive X-Ray of Arabidopsis Embryo Mutants // Seed Science Research. 1993, vol. 3, iss. 3, pp. 167–170. doi: 10.1017/S0960258500001744Dell'Aquila A. Pepper seed germination assessed by combined X-radiography and computer-aided imaging analysis // Biologia Plantarum. 2007. Vol. 51. P. 777–781. doi: 10.1007/s10535-007-0159-9Dell'Aquila A. Pepper Seed Germination Assessed by Combined X-Radiography and Computer-Aided Imaging Analysis. Biologia Plantarum. 2007, vol. 51, pp. 777–781. doi: 10.1007/s10535-007-0159-9Gagliardi B., Marcos-Filho J. Relationship between germination and bell pepper seed structure assessed by the X-ray test // Scientia Agricola. 2011. Vol. 68, № 4. P. 411–416. doi: 10.1590/S0103-90162011000400004Gagliardi B., Marcos-Filho J. Relationship between Germination and Bell Pepper Seed Structure Assessed by the X-Ray Test. Scientia Agricola. 2011, vol. 68, no. 4, pp. 411–416. doi: 10.1590/S0103-90162011000400004Мусаев Ф. Б., Потрахов Н. Н., Архипов М. В. Рентгенография семян овощных культур. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2016. 207 с.Musaev F. B., Potrakhov N. N., Arkhipov M. V. Rentgenografiya semyan ovoshchnykh kul'tur [X-Ray of Vegetable Seeds]. SPb, Izd-vo SPbGETU LETI, 2016, 207 p. (In Russ.)Porsch F. Automated seed testing by 3D X-ray computed tomography // Seed Science and Technology. 2020. Vol. 48, № 1. P. 73–81. doi: 10.15258/sst.2020.48.1.10Porsch F. Automated Seed Testing by 3D X-Ray Computed Tomography. Seed Science and Technology. 2020, vol. 48, no. 1, pp. 73–81. doi: 10.15258/sst.2020.48.1.10Рентгеновская томография / Н. Н. Потрахов, А. В. Ободовский, В. Б. Бессонов, Е. Н. Потрахов, К. К. Гук // Фотоника. 2019. Т. 13, № 7. С. 688–693. doi: 10.22184/1992-7296.FRos.2019.13.7.688.692Potrakhov N. N., Obodovsky A. V., Bessonov V. B., Potrakhov E. N., Guk K. K. X-Ray Tomography. Photonics Russia. 2019, vol. 13, no. 7, pp. 688–693. (In Russ.) doi: 10.22184/1992-7296.FRos.2019.13.7.688.692Бессонов В. Б., Ларионов И. А., Ободовский А. В. Особенности разработки программно-аппаратных комплексов для микрофокусной рентгеновской компьютерной томографии // Физические основы приборостроения. 2019. Т. 8, № 4 (34). С. 23–33. doi: 10.25210/jfop-1904-023033Bessonov V. B., Larionov I. A., Obodovsky A. V. Features of the Development of Software and Hardware Systems for MicroCT. Physical Bases of Instrumentation. 2019, vol. 8, no. 4(34), pp. 23–33. (In Russ.) doi: 10.25210/jfop-1904-023033Потрахов Н. Н., Белецкий С. Л., Архипов М. В. Аппаратно-программный комплекс для контроля качества зерна на основе передвижной рентгенодиагностической установки ПРДУ-02 // Таврический вестн. аграрной науки. 2018. № 4 (16). С. 152–159. doi: 10.25637/TVAN2018.04.14Potrakhov N. N., Beletskiy S. L., Arkhipov M. V. Hardware and Software Complex for Grain Quality Control Based on the Mobile X-Ray Diagnostic Unit PRDU-02. Tavricheskii vestnik agrarnoi nauki. 2018, no. 4 (16), pp. 152–159. (In Russ.) doi: 10.25637/TVAN2018.04.14Musaev F. B., Beletskyi S. L., Potrakhov N. N. A brief atlas of radiographic signs of vegetable seeds. Moscow: DeLi plus, 2018. 52 p.Musaev F. B., Beletskyi S. L., Potrakhov N. N. A Brief Atlas of Radiographic Signs of Vegetable Seeds. Moscow, DeLi plus, 2018, 52 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.