一种低能离子束诱变育种设备和诱变方法与流程

本发明属于诱变育种技术领域，具体涉及一种低能离子束诱变育种设备和诱变方法。

背景技术：

育种主要包括杂交育种、辐照诱变育种、基因工程育种等方式。杂交育种时间长，发现优良性状慢。基因工程育种由于现阶段限制其应用，因此该技术难以进行推广和拓展。辐照诱变育种已经慢慢成为育种的主要手段，而离子束辐照诱变育种属于辐照诱变育种。辐照育种技术另有自然放射源育种、太空辐照育种和大型加速器辐照育种，他们有成本高、周期长、核原料管理难、对人体有辐射危害等不足。离子束辐照诱变育种可提高突变频率，快速培育出需要性状的种子，因此具有很好的市场应用前景。

目前，现有的辐照育种装备具有成本高、体积大、自动化程度低、辐照育种良种率低等缺点，因此设计一种育种周期短、成本低、产量高、成品附加值高、安全可靠的设备是对于现代农业发展和国家粮食安全都很有意义的。

技术实现要素：

为了克服现有技术的缺陷，本发明拟设计一种低能离子束诱变育种设备，该设备主要由离子源、真空系统等多模块组成，整体设备具有辐照良种率高、可靠安全等优点。

为了达到上述技术目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种低能离子束诱变育种设备，包括电子枪真空室、离子源真空室和育种辐照腔，所述的电子枪真空室内部设置有电子枪，所述的电子枪真空室和离子源真空室通过传输窗连通，所述的电子枪和传输窗同轴设置，所述的电子枪真空室外部连接有第一枪室放气阀，所述的离子源真空室设置有枪室进气阀和第二枪室放气阀，在离子源真空室上与传输窗相对的一侧设置有离子束引入装置，所述的离子束引入装置与育种辐照腔连接。

所述的电子枪为三极电子枪，由灯丝、阴极、聚束极、阳极和聚焦线圈组成，其中，聚束极罩设在灯丝上，阴极与灯丝连接，阳极设置在灯丝同轴的对位处，电子枪外侧两边分别放置有聚焦线圈，聚焦线圈连接在第一金属圆筒电极两侧。

本发明低能离子束诱变育种设备还包括真空系统，所述的真空系统包括工控机，工控机的输出端连接plc设备的输入端，plc设备的输出端连接控制器件和工控机的输入端，plc设备的输入端连接检测器件的输出端，控制器件的输出端连接检测器件的输入端。

所述的控制器件包括有大气阀、枪室进气阀、旁抽阀、高阀、前置阀、真空室分子泵、真空室机械泵、冷却水泵。其中大气阀通过管道连接到育种辐照腔内侧，育种辐照腔通过管道连接离子源真空室外侧的枪室进气阀，育种辐照腔底部通过管道连接冷却水泵，育种辐照腔外部通过管道连接旁抽阀进而高阀，高阀通过管道连接真空室分子泵，真空室分子泵通过管道连接前置阀，前置阀通过管道连接旁抽阀和真空室机械泵，育种辐照腔外侧连接有舱门，内腔底部放置有种子转盘。

所述的检测器件包括有低真空计、高真空计等检测模块。

所述的离子束引入装置采用三电极引出系统，其三电极引出系统分别由金属圆板电极、第二金属圆筒电极、金属多孔电极组成。

所述的低能离子束诱变育种设备还包括电源组系统，所述的电源组系统包括灯丝电源、阳极电源、高压加速电源、磁场电源和抑制电源，所述灯丝电源的正极端连接灯丝的正极端和阳极电源的负极端，所述灯丝电源的负极端连接灯丝的负极端，所述阳极电源的正极端连接可控计时开关s1的一端，所述可控计时开关s1的另一端连接电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4的一端，电阻r1的另一端连接金属圆板电极的一端，电阻r2的另一端连接第二金属圆筒电极的一端，电阻r3的另一端连接第一金属圆筒电极的一端，电阻r4的另一端连接高压加速电源的正极端和金属多孔电极的一端，所述高压加速电源的负极端连接gnd端和金属多孔电极的一端，所述磁场电源的正极端、负极端分别连接第一金属圆筒电极的两端，所述抑制电源的正极端、负极端分别连接gnd端和金属多孔电极的一端。

所述的灯丝电源、阳极电源、高压加速电源、磁场电源和抑制电源的输出额定电压分别为30v、250v、50kv、20v和-2kv，输出额定电流分别为30a、1a、20ma、15a、20ma。

所述的灯丝电源、阳极电源、高压加速电源、磁场电源和抑制电源进行顺序启动，启动顺序分别为灯丝电源-磁场电源-阳极电源-高压加速电源-抑制电源。

所述的电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4参数值大小分别为200ω、1kω、1kω、10mω。

所述低能离子束诱变育种设备包括以下步骤：

(1)开机前准备。打开冷却水泵进行冷却水开通，接通设备输入电源220v。

(2)打开育种辐照腔外侧舱门。开舱门过程中需要确保电源组系统高压电源关闭、无束流，确保高阀、旁抽阀已关闭，之后打开大气阀，当育种辐照腔内外气压平衡时，开启舱门。

(3)放样品。将样品依次放入育种辐照腔内侧的种子转盘上，一次最多放置6盘样品，放置完成后关紧舱门，此时育种辐照腔为大气压状态，之后抽取育种辐照腔内部气压，使主腔室气压达到10^-3pa以下。

(4)抽真空。先开启真空室分子泵和真空室机械泵，再开启前置阀，之后打开旁抽阀。当育种辐照腔内气压处于40-60pa时，关闭旁抽阀，开启高阀。

(5)上位机输入各样品的辐照参数。

(6)开启离子源。打开枪室进气阀，向离子源真空室内注入工作气体氮气、二氧化碳等气体，使离子源真空室气压保持在5×10^-3pa和5×10^-2pa范围之内。

(7)上位机发送指令，开启种子辐照。

(8)辐照结束，取出样品，并进行关机操作。

本发明的有益效果为：

1、通过离子束方式进行育种，具有大功率、能量利用率高、无反射、成本低等优点。

2、采用集成化控制技术，具有智能化程度高、操控便捷等优点。

3、制造成本低、产量高，安全可靠。

附图说明

图1为离子源和气体系统的器件模块连接示意图；

图2为真空系统的器件连接和组成模块示意图；

图3为离子束育种辐照腔与控制器件连接示意图；

图4为电源组系统的器件连接和组成模块示意图；

图5为整体系统操作步骤流程示意图；

图中：

1-1、电子枪，1-11、离子源真空室，1-12、枪室进气阀，1-13、第一枪室放气阀，1-14、离子束引入装置，1-15、第二枪室放气阀，1-2、电子枪真空室，1-3、灯丝，1-4、阴极，1-5、聚束极，1-6、阳极，1-7、聚焦线圈，1-8、传输窗；

2-1、工控机，2-2、plc设备，2-3、控制器件，2-4、检测器件；

3-1、电源，3-2、阳极电源，3-3、高压加速电源，3-4、第一金属圆筒电极，3-5、磁场电源，3-6、金属圆板电极，3-7、第二金属圆筒电极，3-8、金属多孔电极，3-9、抑制电源；

4-1、育种辐照腔，4-2、管道，4-3、大气阀，4-5、旁抽阀，4-6、高阀，4-7、真空室分子泵，4-8、前置阀，4-9、真空室机械泵，4-10、冷却水泵，4-11、种子转盘，4-12、舱门。

具体实施方式

下面将结合本发明具体的实施例，对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，一种低能离子束诱变育种设备，包括电子枪真空室1-2、离子源真空室1-11和育种辐照腔4-1，离子源真空室1-11内部设置有电子枪1-1，电子枪1-1为三极电子枪，由灯丝1-3、阴极1-4、聚束极1-5、阳极1-6和聚焦线圈1-7组成，其中，聚束极1-5罩设在灯丝上，阴极1-4与灯丝1-3连接，阳极1-6设置在灯丝1-3同轴的对位处，电子枪1-1外侧两边分别放置有聚焦线圈1-7，聚焦线圈1-7连接在第一金属圆筒电极3-4两侧。

电子枪真空室1-2和离子源真空室1-11通过传输窗1-8连通，电子枪1-1和传输窗1-8同轴设置，电子枪真空室1-2外部连接有第一枪室放气阀1-13，离子源真空室1-11设置有枪室进气阀1-12和第二枪室放气阀1-15，第一枪室放气阀1-13、枪室进气阀1-12和第二枪室放气阀1-15分别与真空系统连接，在离子源真空室1-11上与传输窗1-8相对的一侧设置有离子束引入装置1-14，离子束引入装置1-14与育种辐照腔4-1连接。

参照图2，真空系统包括工控机2-1，工控机2-1的输出端连接plc设备2-2的输入端，plc设备2-2的输出端连接控制器件2-3和工控机2-1的输入端，plc设备2-2的输入端连接检测器件2-4的输出端，控制器件2-3的输出端连接检测器件2-4的输入端。

参照图3，控制器件2-3包括有大气阀4-3、枪室进气阀1-12、旁抽阀4-5、高阀4-6、前置阀4-8、真空室分子泵4-7、真空室机械泵4-9、冷却水泵4-10。其中大气阀4-3通过管道4-2连接到育种辐照腔4-1内侧，育种辐照腔4-1通过管道连接离子源真空室1-11外侧的枪室进气阀1-12，育种辐照腔4-1底部通过管道连接冷却水泵4-10，育种辐照腔4-1外部通过管道连接旁抽阀4-5进而高阀4-6，高阀4-6通过管道连接真空室分子泵4-7，真空室分子泵4-7通过管道连接前置阀4-8，前置阀4-8通过管道连接旁抽阀4-5和真空室机械泵4-9，育种辐照腔4-1外侧连接有舱门4-12，内腔底部放置有种子转盘4-11。

检测器件2-4包括有低真空计、高真空计等检测模块。

参照图4，低能离子束诱变育种设备还包括电源组系统，电源组系统包括灯丝电源3-1、阳极电源3-2、高压加速电源3-3、磁场电源3-5和抑制电源3-9，灯丝电源3-1的正极端连接灯丝1-3的正极端和阳极电源3-2的负极端，灯丝电源3-1的负极端连接灯丝的1-3负极端，阳极电源3-2的正极端连接可控计时开关s1的一端，可控计时开关s1的另一端连接电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4的一端，电阻r1的另一端连接离子束引入装置1-14的金属圆板电极3-6的一端，电阻r2的另一端连接离子束引入装置1-14的第二金属圆筒电极3-7的一端，电阻r3的另一端连接电子枪1-1内部的第一金属圆筒电极3-4的一端，电阻r4的另一端连接高压加速电源3-3的正极端和离子束引入装置1-14的金属多孔电极3-8的一端，高压加速电源3-3的负极端连接gnd端和金属多孔电极3-8的一端，磁场电源3-5的正极端、负极端分别连接电子枪1-1内部的第一金属圆筒电极3-4的两端，所述抑制电源3-9的正极端、负极端分别连接gnd端和金属多孔电极3-8的一端。电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4参数值大小分别为200ω、1kω、1kω、10mω。

离子束引入装置1-14采用三电极引出系统，其三电极引出系统分别由金属圆板电极3-6、第二金属圆筒电极3-7、金属多孔电极3-8组成。

第一金属圆筒电极3-4在磁场电源3-5作用下产生正交电磁场，电子枪1-1产生的电子在其正交电磁场作用下通过传输窗1-8水平的漂移到离子源真空室1-11中。

灯丝电源3-1、阳极电源3-2、高压加速电源3-3、磁场电源3-5和抑制电源3-9进行顺序启动，启动顺序分别为灯丝电源3-1-磁场电源3-5-阳极电源3-2-高压加速电源3-3-抑制电源3-9。灯丝电源3-1、阳极电源3-2、高压加速电源3-3、磁场电源3-5和抑制电源3-9的输出额定电压分别为30v、250v、50kv、20v和-2kv，输出额定电流分别为30a、1a、20ma、15a、20ma。

参照图5，所述的整体设备操作流程分别为：

(1)开机前准备。打开冷却水泵4-10进行冷却水开通，接通设备输入电源220v。

(2)打开育种辐照腔4-1外侧舱门4-12。开舱门4-12过程中需要确保电源组系统高压电源3-3关闭、无束流，确保高阀4-6、旁抽阀4-5已关闭，之后打开大气阀4-3，当育种辐照腔4-1内外气压平衡时，开启舱门4-12。

(3)放样品。将样品依次放入育种辐照腔4-1内侧的种子转盘4-11上，一次最多放置6盘样品，放置完成后关紧舱门4-12，此时育种辐照腔4-1为大气压状态，之后抽取育种辐照腔4-1内部气压，使主腔室气压达到10^-3pa以下。

(4)抽真空。先开启真空室分子泵4-7和真空室机械泵4-9，再开启前置阀4-8，之后打开旁抽阀4-5。当育种辐照腔4-1内气压处于40-60pa时，关闭旁抽阀4-5，开启高阀4-6。

(5)上位机输入各样品的辐照参数。

(6)开启离子源。打开枪室进气阀1-12，向离子源真空室1-11内注入工作气体氮气、二氧化碳等气体，使离子源真空室1-11气压保持在5×10^-3pa和5×10^-2pa范围之内。

(7)上位机发送指令，开启种子辐照。

(8)辐照结束，取出样品，并进行关机操作。

本发明的工作原理为：

该低能离子束诱变育种设备主要由真空系统(电子枪、离子源真空室、离子束育种辐照腔)、电源组系统等多模块组成，电子枪加热阴极灯丝，增加阴极灯丝表面自由电子的能量。当这个能量达到足以使自由电子克服势垒束缚时，电子即从金属表面逸出，在阴极灯丝发射面周围形成电子云，给阴极施加负高压，这时在电场力的作用下，电子由阴极向阳极方向定向加速运动，在电子枪聚焦线圈的作用下，电子通过传输窗后进入离子源真空室，由于离子源真空室通过枪室进气阀注入了氮气、二氧化碳等气体，氮气、二氧化碳等气体进入离子源真空室后发生电离，产生等离子体，经离子束引入装置而产生离子束，离子束在电源组系统高压电极作用下获得加速能量，快速注入育种辐照腔，辐照种子进行育种处理。

其中，真空系统通过上位机软件系统、下位机控制器plc设备控制大气阀4-3、枪室进气阀1-12、旁抽阀4-5、高阀4-6、前置阀4-8、真空室分子泵4-7、真空室机械泵4-9、冷却水泵4-10等控制模块的启停操作，为离子束冲击辐照提供真空环境。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。