Теория и практика газоразрядной фотографии

Томский политехнический университет 
 
 
 
 
 
 
                        М.А. ШУСТОВ  
 
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА  
ГАЗОРАЗРЯДНОЙ  
ФОТОГРАФИИ  

 

Томск-2001 

УДК 533.9:004.14+537.523.3 
 
Шустов М.А. Теория и практика 
газоразрядной фотографии. – Томск: Изд-во Томск. политехн. ун-та, 2001. – 252 с. 100 экз. 
 
Описаны теория и техника фотографирования объектов живой и неживой природы, помещенных в слаботочный газовый разряд. Рассмотрены физико-химические процессы, протекающие в таком разряде.  
Предназначена для студентов, инженерно-технических и научных работников, интересующихся прикладными проблемами газового разряда и фотографией. 
 
Табл. 7. Илл. 143. Библ. 131. Прилож.  
 
 
 
Рецензенты: 
доктор физико-математических наук,  
профессор Ю.Д. Копытин 
доктор физико-математических наук,  
профессор В.И. Шишковский 
 
 
 
 
 
 
ISBN 82-78-25-035-9 
 
Ш 160 412 0000 
 
© М.А. Шустов, 2001 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение   ……………………………………………...
  5

Глава 2.    Методы получения высокого напряжения ..    41
2.1. Классификация генераторов высокого  
       напряжения ……………………………….. 
 41
2.2. Высокочастотные трансформаторы  
       Тесла ………………………………………..
 43
2.3. Моделирование электрических процессов в 
резонансном трансформаторе ……………. 
 50
2.4. Высокочастотные аппараты Д'Арсонваля . 
 58
2.5. Мостовые резонансные преобразователи  
       напряжения ……………………………….. 
 61
2.6. Преобразователи с умножением  
       напряжения в первичной цепи …………... 
 67
2.5. Высокочастотные преобразователи с  
       индуктивными накопителями энергии ….. 
 71
2.6. Преобразователи напряжения с  
       внешним возбуждением ………………….. 
 74
2.7. Автоколебательные преобразователи  
       напряжения ……………………………….. 
 80
2.8. Другие способы получения высокого  
       напряжения ……………………………….. 
 83
Глава 3.   Техника газоразрядной фотографии …….. 
 87
3.1. Варианты конструкций    

3 

       высокочастотных трансформаторов …….. 
  87 
3.2. Электрические разрядники,  
       коммутационные элементы и их  
       полупроводниковые аналоги …………….. 
 
102 
3.3. Пассивные элементы высоковольтных  
       преобразователей …………………………. 
 
117 
Глава 4.   Измерительные ячейки и электроды …….. 129 
4.1. Требования, предъявляемые к ячейкам,  
       электродам и  материалам ……………….. 
 
130 
4.2. Конструкции ячеек и электродов,  
       используемых в газоразрядной  
       фотографии ………………….…..……….. 

 
 
134 
4.3. Применение прозрачных токопроводящих 
электродов в технике получения  
       газоразрядных изображений ……………... 

 
 
158 
4.4. Конструкции разрядно-оптических и  
       других преобразователей ……………..….. 
 
163 
Глава 5.   Схемотехника генераторов и  
       преобразователей высокого напряжения 
для газоразрядной фотографии ………..… 

 
 
169 
5.1. Генераторы высокой частоты с  
       использованием трансформатора Тесла … 
 
174 
5.2. Преобразователи напряжения с внешним 
       возбуждением и индуктивными  
       накопителями энергии …………………… 

 
 
208 
5.3. Автогенераторные преобразователи  
       напряжения с индуктивной обратной  
       связью …………………………………….. 

 
 
219 
5.4. Другие виды генераторов высокого   
       напряжения ………………………………. 
 
231 
Приложение: Техника безопасности при выполнении 
                     работ по газоразрядной фотографии .. 
 
236 
Литература   ………………………………………….. 
239 
 

4 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Под газоразрядной фотографией обычно понимают 
процесс получения изображения исследуемого объекта в 
слаботочном газовом разряде. Реализация метода заключается в переносе изображения исследуемого предмета на 
фотобумагу или другой регистрирующий материал. Для 
этого регистрирующий материал располагают между двумя 
электродами, причем в качестве одного из них служит исследуемый объект. В разряде кроме очертания или формы 
объекта можно определить и некоторые его характеристики: неоднородность поверхностного слоя материалов, состояние поверхности и пр. 
Поскольку разряд является слаботочным, то с помощью газоразрядной фотографии исследуют объекты как 
живой, так и неживой природы. У истоков развития газоразрядной фотографии стояли белорусский ученый Я.О. 
Наркевич-Йодко (конец XIX – начало XX вв.) и супруги 
С.Д. и В.Х. Кирлиан (Россия, сороковые-пятидесятые годы 
XX в). В частности, в 1949 г. С.Д. Кирлиан впервые получил авторское свидетельство на способ реализации «высокочастотной» фотографии. В качестве источника высокого напряжения он использовал резонансный трансформатор. Позднее в отечественной и зарубежной литературе 
появились такие понятия как «Кирлиан-эффект», метод 
«кирлиановской» фотографии, «кирлианография», а в англоязычной литературе – «Kirlian effect, Kirlian photography, 
Kirlianography». 
Однако в 60-е годы XX века наряду с газоразрядной 
фотографией стали говорить о газоразрядной визуализации 

5 

предметов. Следует отметить, что термин «визуализация» 
не совсем точно отражает смысл явления. Обычно в физике 
под визуализацией изображений понимают методы преобразования двухмерного распределения некоторого параметра физического поля, характеризующего исследуемый 
объект, но, невидимого для человеческого глаза, в видимое 
изображение. В качестве примера можно указать на визуализацию полей инфракрасного или ультрафиолетового излучений, относящихся, в частности, к плазме газового разряда. 
В случае же газоразрядной визуализации речь идет о 
разряде, как о средстве «подсветки» или выделения на окружающем фоне исследуемого объекта. При этом роль высокого напряжения и газового разряда, инициируемого им 
состоит в выявлении индивидуальных свойств и особенностей исследуемого предмета. В какой-то мере и термин 
«газоразрядная фотография» является недостаточно корректным. Однако он принадлежит к числу устоявшихся. По 
этой причине мы его вынесли в заглавие книги. 
Изучение предметов по их свечению в газовом разряде включает не только эффект Кирлиана. В общем случае 
для него характерны три основных направления исследований газоразрядной фотографии: 

а) лавинная, основанная на разрядах при малых межэлектродных расстояниях (менее 1 мм) и атмосферном давлении; 
б) поверхностная, в основе которой заложено получение и расшифровка фигур Лихтенберга, образующихся при 
скользящем по поверхности диэлектрика разряде; 

6 

в) вакуумная – когда изображение исследуемого объекта при пониженном давлении газа переносится на специальный люминесцентный экран. 

Строго говоря, исследовать предмет можно еще с помощью одного вида свечения – огней св. Эльма. Этот вид 
свечения обусловлен преимущественно дроблением водяных капель и эмиссией электронов с их поверхностей в 
сильных электрических полях. Рассмотрение огней св. 
Эльма выходит за рамки данной монографии. Более подробно об этом интересном явлении можно прочитать в 
специальной литературе. 
Несмотря на некоторую общность перечисленных явлений, эти направления исследований различаются между 
собой как по характеру физико-химических процессов, 
протекающих в разрядах, так и по аппаратурному обеспечению, необходимому для их реализации. 
Цель настоящей работы – дать читателям определенные представления о газоразрядной фотографии как о методе лавинной газоразрядной визуализации и описать практические схемы для его осуществления. 
В дальнейшем вместо сочетания слов «метод лавинной газоразрядной фотографии (визуализации)» мы будем 
говорить просто о газоразрядной фотографии, включая в 
это понятие и «кирлиановский» эффект. 
В настоящее время вопросам газоразрядной фотографии посвящена обширная литература. Среди последних 
зарубежных изданий необходимо отметить монографию 
Newton C. Braga “Electronic Projects from the Next Dimension”, опубликованную в 2000 г. на 256 страницах в Вели
7 

кобритании, а также монографии и статьи российских и 
зарубежных авторов, обширный библиографический список которых насчитывает около 500 наименований. 
Уже из самого определения газоразрядной фотографии следует, что для ее реализации необходимо знать физику и химию газоразрядных процессов, а также иметь для 
практического освоения метода соответствующее техническое обеспечение: источники высокого напряжения, измерительные ячейки, регистрирующую аппаратуру и материалы, средства автоматизации измерений, технику и методику обработки экспериментального материала. 
В процессе подготовки рукописи книги авторы распределили свой труд следующим образом: аннотация, введение и глава 1 написаны д.ф.-м.н. Е.Т. Протасевичем, остальное: главы 2-5 и приложение – к.х.н. М.А. Шустовым. 

Если у читателей в ходе изучения материала возникнут вопросы или замечания, авторы с благодарностью и 
вниманием готовы их обсудить. 

Адреса для контактов/Addresses for contacts: 

Россия, 634050, г. Томск-50, аб. ящ. 763.  
Протасевичу Евгению Трофимовичу 
Russia, 634050, Tomsk-50, P.O. Box 763. 
Eugeny T. Protasevich 

Шустову Михаилу Анатольевичу 
Michael A. Shustov 
E-mail: shustov@mail2000.ru  
 

8 

Глава 2.  

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОГО  
НАПРЯЖЕНИЯ 
 
Непременным условием получения изображения объектов в методе газоразрядной фотографии является наличие электрического разряда в газе. Такой разряд может 
быть создан при использовании источников высоковольтного напряжения переменного, постоянного, импульсного, 
модулированного тока.  
Известно большое разнообразие способов генерации 
напряжения высокого уровня и схемных решений для их 
реализации. В этой связи уместно привести ниже краткую 
классификацию генераторов высокого напряжения, рассматриваемых в рамках настоящей монографии.  
 
2.1. Классификация генераторов высокого  
       напряжения  
 
1. Генераторы импульсно-периодических затухающих 
колебаний на электрических разрядниках, их аналогах и 
коммутаторах: 

1.1.  С емкостными накопителями энергии: 
1.1.1. Резонансные трансформаторы Тесла. 
1.1.2. Аппараты Д’Арсонваля. 
1.1.3. Мостовые резонансные преобразователи  
            напряжения. 
1.1.4. Преобразователи с умножением напряжения в  
             первичной цепи. 

1.2. С индуктивными накопителями энергии: 
1.2.1. Индукторы. 

41    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Генераторы незатухающих колебаний с активными 
элементами на основе электронных ламп или полупроводниковых элементов: 

2.1. Однотактные и двухтактные генераторы с внешним  
       возбуждением: 

2.1.1. Немодулируемые. 
2.1.2. С использованием модуляции: 

• 
широтно-импульсной. 
• 
частотно-импульсной. 
• 
амплитудно-импульсной. 
• 
смешанных видов. 

2.2. Однотактные и двухтактные автогенераторы,  
         генераторы с положительной обратной связью: 
2.2.1. С индуктивной (трансформаторной,  
          автотрансформаторной) обратной связью. 
2.2.2. С емкостной обратной связью. 
2.2.3. Генераторы релаксационных колебаний. 

3. Другие виды генераторов: 

3.1. Мостовые LC- генераторы с ключевым  
       управлением. 
3.2. Генераторы на коммутируемых конденсаторах,  
       генераторы импульсных напряжений. 
3.2. Преобразователи напряжения на конденсаторах  
       с модулируемой емкостью. 
3.3. Преобразователи с модулируемой  
       индуктивностью. 
3.4. Генераторы на основе пьезоэлектрических  
       трансформаторов. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
   
 
 
 
 
 
 
 
       42 

2.2. Высокочастотные трансформаторы Тесла  
 
Одним из наиболее доступных и простых методов получения высоковольтного напряжения является использование резонансного трансформатора Тесла (рис. 13) [25-27].  
Устройство работает следующим образом. Сетевое 
напряжение промышленной частоты через разделительный 
трансформатор Т подается на выпрямитель (полупроводниковый или вакуумный диод VD). Пульсирующее напряжение, снимаемое с выхода выпрямителя, подается на времязадающую RC- цепочку. В результате происходит постоянный подзаряд конденсатора С до напряжения, равного в 
пределе 
2
II
U , где UII – напряжение на вторичной обмотке 
трансформатора Т.  
Заряд конденсатора до такого значения напряжения 
мог происходить в случае, если бы в схеме отсутствовал 
разрядник FV1, либо напряжение его пробоя превышало 
значение 
2
II
U .  
После подачи напряжения на схему (рис. 13) начинается периодически повторяющийся процесс заряда и разряда конденсатора С. Напряжение на его обкладках возрастает со скоростью, определяемой напряжением источника 
питания Uпит. и RC- постоянной зарядной цепи [28]: 

.
.
. exp(
)
.
пр
пр
пит
t
U
U
dU
dt
RC
RC
RC
=
−
=
 

Когда напряжение на обкладках конденсатора достигнет значения, равного напряжения пробоя газового разрядника FV1 или эквивалентного ему элемента, происходит 
практически мгновенный разряд конденсатора С на низкоомную первичную обмотку высокочастотного трансформатора L1.  

43