Электроразрядная фотография

Томский политехнический университет 
 
 
 
 
 
 
 
                        М . А .  Ш У С Т О В   
 
 
ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНАЯ  
ФОТОГРАФИЯ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Томск-1999 

УДК 533.9:004.14+537.523.3 
 
Шустов М.А. Электроразрядная 
фотография. – Томск: Изд-во Томск. политехн. ун-та, 
1999. – 244 с. 100 экз. 
 
Обобщены и подробно рассмотрены с единых позиций вопросы формирования изображений при газоразрядном методе визуализации. Дано качественное объяснение физических процессов, происходящих при электроразрядной фотографии. Описана техника газоразрядной визуализации: источники 
высокого напряжения, таймеры, ячейки для экспонирования, а также рассмотрены оптические и электрические способы и устройства для регистрации электрических разрядов. Описаны области практического применения электроразрядной фотографии. 
Рассчитана на студентов, научных и инженерно-технических работников, занимающихся прикладными проблемами газового разряда и использования электроразрядных явлений. 
 
Табл. 10. Илл. 78. Библ. 176. Прилож. 6. 
 
Рецензент – 
доктор физико-математических наук,  
профессор Ю.Д. Копытин 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 82-7825-035-9 
 
Ш 160 412 0000 
 
© М.А. Шустов, 1999 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ   …….…………………………………….. 
  5 

ГЛАВА 1. Исторический экскурс   ……..……….….. 
  8 

 
ГЛАВА 3. Генераторы и источники высокого  
напряжения   …………………….….…….. 
 
 40 
3.1. Высоковольтные генераторы ударного 
возбуждения   ………………………….…... 
 
 40 
3.2. Высоковольтные генераторы  
незатухающих колебаний   ……………….. 
 
 61 
3.3. Генераторы модулированных колебаний    
 70 
3.4. Высоковольтные источники постоянного 
тока   ..……….……………………………… 
 
 74 
ГЛАВА 4. Техника электроразрядной  
визуализации   .……………………….…... 
 
 76 
4.1. Экспериментальные установки с  
использованием токов высокой частоты   .. 
 
 78 
4.2. Высоковольтные электроразрядные  
установки постоянного тока   …………….. 
 
 80 
4.3. Ячейки и устройства для экспонирования    
 84 
4.4. Электроды и их разновидности   …………. 
 89 
ГЛАВА 5. Вспомогательная техника,  
оборудование и материалы для  
электроразрядной фотографии   ……….. 

 
 
 93 
5.1. Коммутирующие и ключевые элементы   .. 
 93 

  
 
 
 
   
 
 
           3 

5.2. Индикаторы переменных электрических 
полей высокого напряжения   …………….. 
 
 98
5.3. Таймеры   …………………………………... 115
5.4. Фотографические материалы для  
регистрации свечения газового разряда   ... 
 
128
5.5. Приборы для документальной  
регистрации оптической информации   ….. 
 
134
ГЛАВА 6. Применение электроразрядной  
фотографии в дефектоскопии твердых  
тел   ………………………….……………... 

 
 
140
ГЛАВА 7. Применение электроразрядной  
фотографии в медицине и биологии   …. 
 
156
ГЛАВА 8. Специальные области применения 
электроразрядных методов   …………….
 
186
Заключение   …………………………………………… 190
Литература   ………………………………………….. 
192
Приложения: 
Приложение 1: Отечественные высоковольтные 
мощные низкочастотные транзисторы  

210 
 
210
Приложение 2: Фотографические показатели чернобелых фотобумаг общего назначения   
 
214
Приложение 3: Основные модели и характеристики 
сканеров   ……………………………... 
 
218
Приложение 4: Основные характеристики цифровых 
фотоаппаратов   ………………………. 
 
222
Приложение 5: Техника безопасности при 
выполнении работ по  
электроразрядной визуализации   …... 

 
 
224
Приложение 6: Вспомогательный  
библиографический указатель  
публикаций по электроразрядной  
фотографии   ………………………….. 

 
 
 
227
 

4 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
В современной научно-технической и популярной литературе имеется большое количество публикаций, посвященных вопросам газоразрядной визуализации. При их 
рассмотрении значительное внимание уделяется истории 
возникновения и разработки метода его реализации, известного более как "Кирлиан-эффект", а также приводится 
описание физических факторов (порой экзотических) по 
использованию газоразрядной фотографии в науке и технике. 
В настоящее время различают три основных направления в развитии газоразрядной визуализации: 
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; 
в) вакуумная – когда изображение исследуемого объекта при пониженном давлении газа переносится на специальный люминесцентный экран. 
Несмотря на некоторую общность перечисленных направлений газоразрядной визуализации, эти направления 
различаются между собой как по характеру физических 
процессов, так и по аппаратуре, необходимой для их реализации. 
Цель настоящей работы – дать читателям определенное представление о методе лавинной газоразрядной визуализации и описать простейшие схемы для его практического осуществления. 
В дальнейшем вместо данного сочетания слов мы будем говорить просто о газоразрядной фотографии. 
В предлагаемой работе рассмотрены преимущественно вопросы, связанные с основами физики газоразрядных 
процессов, происходящих при формировании изображения 

  
 
 
 
 
 
 
 
5 

исследуемых объектов. Подробно изложены методические 
вопросы и описана необходимая аппаратура для реализации газоразрядной фотографии. Приведены схемы устройств, разработанных самими авторами и прошедших успешную проверку на практике. 

Под газоразрядной фотографией мы будем понимать 
процесс переноса на регистрирующий материал изображения исследуемого объекта, который осуществляется в 
слаботочном газовом разряде, когда фотобумагу (или заменяющий её регистрирующий материал) размещают 
между двумя электродами, один из которых одновременно 
является исследуемым объектом. 

В первой главе дана историческая справка о создании 
и развитии метода газоразрядной фотографии. Отмечается 
исключительно важная роль белорусского ученого Я.О. 
Наркевича-Йодко и супругов С.Д. и В.Х. Кирлиан (Россия) в 
разработке и совершенствовании метода. 

Глава 2 посвящена описанию электроразрядных процессов, сопровождающих процесс переноса изображения 
на регистрирующий материал. Особое внимание уделяется 
характеристикам разряда во влажном воздухе. 

В главе 3 дано упорядоченное по основным способам 
получения описание генераторов и источников получения 
высокого напряжения. Это генераторы: ударного возбуждения, незатухающих колебаний, модулированных колебаний, и, наконец, высоковольтные источники постоянного 
тока. Приведены практические схемы генераторов, в том 
числе разработанных самими авторами. 

В главе 4 описана техническая сторона реализации метода газоразрядной фотографии. Приведены и систематизированы особенности экспериментальных установок переменного и постоянного тока, подробно рассмотрены вопросы технологии получения и применения электродов.  

6 
 

В 5-ой главе даются сгруппированные справочные 
сведения по вспомогательной технике, оборудованию и 
материалам, используемых для электроразрядной регистрации. Представленные схемы устройств, как правило, неизвестны широкому кругу читателей и, в ряде случаев, 
публикуются впервые. 

В главе 6 приведены примеры использования электроразрядной фотографии в дефектоскопии твердых тел. Показана перспективность использования рассматриваемого 
метода в различных областях науки и техники. 

Глава 7 полностью посвящена описанию использования метода газоразрядной фотографии в медицине и биологии. 

В заключительной 8-ой главе рассмотрены узкоспециальные вопросы применения электроразрядной фотографии 
в ряде областей науки и техники. 

В приложениях приведены справочные данные вспомогательного значения, без которых, тем не менее, монография выглядела бы менее фундаментальной. 

Идея написания книги принадлежит М.А. Шустову. 
Аннотация, введение, заключение и глава 2 написаны Е.Т. 
Протасевичем, остальное: главы 1, 3-8, а также приложения – М.А. Шустовым. 

Как и всякий материал, являющийся принципиально 
новым, книга не может не содержать отдельных недостатков. Мы будем крайне признательны читателям, приславшим свои пожелания и критические замечания по адресу: 

Россия, 634050, г. Томск-50, Аб. ящ. 763.  
Протасевичу Евгению Трофимовичу 
E-mail: etp@mail.ru  etp99@chat.ru 
Шустову Михаилу Анатольевичу 
E-mail: shustov@mail2000.ru  
michail_shustov@mail.ru m_shustov@chat.ru

  
 
 
 
 
 
 
 
7 
 

              
ГЛАВА 1. ИСТОРИЧЕСКИЙ ЭКСКУРС 
 
Последнее десятилетие XIX века ознаменовалось бурным фейерверком больших и малых изобретений и открытий в области электротехники, медицины, строения атома. 
Фейерверк живет мгновенья, его свет не оставляет следов 
во времени. Яркие изобретения и открытия порою освещают жизнь всем последующим поколениям. 
По-видимому, концентрация питательного бульона, в 
котором "варились" ученые и изобретатели конца минувшего XIX столетия, достигла своей критической отметки. 
Не связанные ранее в единое целое, разрозненные идеи, 
мысли, сомнения, в буквальном смысле парящие в воздухе 
и роящиеся в головах разных по национальности, вероисповеданию, убеждениям людей выкристаллизовались неповторимыми друзами самоцветов. Зачастую неотличимо 
близкие изобретения практически одновременно в муках, 
борьбе и сомнениях рождались в воспаленных умах чудаков-изобретателей, отшельников-ученых, аскетов, подвижников, авантюристов… 
В полной мере всё вышесказанное относится к истории создания электроразрядной фотографии. А история эта 
развивалась следующим драматическим образом. 

Уникальные свойства высоковольтного электрического разряда были выявлены сразу после того, как в США 
хорват (в отечественных изданиях – серб) Никола Тесла 
(Nikola Tesla, 1856-1943) в 1891 году создал первые генераторы высокой (по тем временам) частоты. "Тесла" – в переводе с сербского означает "топор, тесак". Острым, как лезвие тесака был ум Николы Теслы, бывшего сотрудника изобретательско-внедренческого кооператива, говоря языком 

4 
 

нынешнего дня, другого видного изобретателя – американца Томаса Алва Эдисона (Thomas Alva Edison, 1847-1931).  
21 февраля 1891 года, а затем и 11 июля того же года 
журнал "Electrical World" опубликовал основополагающие 
статьи Николы Теслы, в которых излагались "явления переменных токов весьма высокой частоты" [1-3]. И хотя частоты эти были даже в понимании того времени не столь уж 
высокими (десятки, может быть даже сотни килогерц), исторически это название прочно укоренилось в связи с применением аппаратов высокого напряжения и органически 
присутствует в настоящей монографии. Для сравнения: с 
помощью оригинальных вибраторов, получивших впоследствии имя изобретателя, немецкий физик Генрих Рудольф 
Герц (Heinrich Rudolf Hertz, 1857-1894) еще в 1888 году 
получал колебания частотой от 5 до 50 МГц. 
25 апреля 1891 года Никола Тесла получил патент на 
свое изобретение – резонансный трансформатор [4] (рис. 1 
[3]). В этом приборе использовалось уже известное в ту 
пору явление ударного возбуждения связанных и настроенных в резонанс контуров [3].  
Трансформатор Теслы, дошедший практически без изменений до нынешних дней (рис. 1, 13-27), имел две хорошо изолированные и индуктивно связанные между собой 
обмотки. Низковольтная обмотка присоединялась к выходным зажимам катушки Г. Румкорфа с параллельно включенными лейденскими банками (конденсаторами) [3]. Напряжение, создаваемое на зажимах катушки, заряжало лейденские банки до момента пробоя разрядника. В результате 
возникал колебательный разряд лейденских банок через 
первичную обмотку трансформатора. Во вторичной повышающей обмотке, настроенной посредством распределен
  
 
 
 
 
 
 
 
5 

ной емкости обмотки в резонанс с первичной, возникали 
высокочастотные колебания. Вторичная обмотка (высокого 
напряжения), выполненная тонким изолированным проводом, была меньшего диаметра и обычно вставлялась в первичную. Трансформатор был погружен в масло и не имел 
сердечника: при высокочастотных колебаниях в нем возникали бы чрезмерные потери на перемагничивание [5]. 

 
Рис. 1. Схема и общий вид резонансного  
трансформатора Николы Теслы: 
Е – источник постоянного тока; I – катушка Г. Румкорфа; ВВ – искровой разрядник; СС – батареи лейденских банок; L1, L2 – первичная и вторичная ка
     10            
 

тушки индуктивности K – механический прерыватель (выключатель) 
Резонансный трансформатор конструкции Теслы позволял достаточно просто получать напряжение до миллиона вольт и выше частотой от нескольких десятков до 
сотен килогерц при ничтожно малом токе.  
Следует отметить, что у Николы Теслы были свои 
предшественники. Схематическое изображение будущего 
трансформатора появилось еще в 1831 году в работах иностранного почетного члена Петербургской Академии Наук 
английского физико-химика Майкла Фарадея (Michael 
Faraday, 1791-1867) и, год спустя, американского физика 
Джозефа Генри (Joseph Henry, 1797-1878) [5-7]. Независимо друг от друга они открыли явление самоиндукции – явление, которое легло в основу электротехники. Несколько 
позже, в 1842 г. Джозеф Генри установил колебательный 
характер разряда конденсатора.  
Через пять лет после открытия Фарадея, в 1836 году 
ирландский физик Николас Каллан (1799-1864) изобрел 
индукционную катушку. Еще через пару лет это изобретение повторил американский изобретатель Чарльз Пейдж. 
История же сохранила для нас имя немецкого механика 
Генриха Румкорфа (1803-1877). Катушки Г. Румкорфа, 
изобретенная в 1852 году, предназначались для получения 
искрового разряда во вторичной цепи при прерывании постоянного тока в первичной [7, 8].  
30 ноября 1876 году русский ученый Павел Николаевич Яблочков (1847-1894) получил патент Франции 115793 
на систему "дробления света". От источника постоянного 
тока через прерыватель устройство П.Н. Яблочкова было 
способно преобразовывать (трансформировать) напряжение [5]. В 1882 г. на Всероссийской промышленно-художественной выставке в Москве препаратор МГУ Иван Филиппович Усагин (1855-1919) демонстрировал свою установку 
для питания любых приемников тока от одного источника 

  
 
 
 
 
 
 
         11 

электроэнергии через индукционные катушки (трансформаторы). 
В 1882 г. Л. Голяр и Э.Д. Гиббс получили патент на 
конструкцию трансформатора с разомкнутым сердечником. 
Братья Джон и Эдуард Гопкинсоны два года спустя запатентовали в Англии трансформатор с замкнутым сердечником [7]. 
Еще через десять лет американский профессор Илайю 
Томсон (Elihu Thomson, 1853-1937) предложил резонанстрансформатор, подобный трансформатору Теслы [3, 9, 10]. 
Кроме того, он установил, что в колебательном контуре, 
присоединенном параллельно электродам электрической 
дуги, возникают незатухающие (в отличие от генератора 
Теслы) колебания [3]. В этом же 1892 году И. Томсон совместно с Эдвином Хьюстоном (E.J. Houston, 1847-1914) 
создали Thomson-Houston Electric Company, затем объединившуюся с Edison Company в General Electric Company 
[11]. 
В последующие годы Никола Тесла предложил до полусотни других конструкций высокочастотных трансформаторов, осцилляторов (генераторов) высокой частоты, как 
правило, отличающихся видом разрядника [7, 12-14]. 
Искровый генератор с несколькими связанными контурами был изобретен в начале 1900 г. немецким физиком 
Карлом Фердинандом Брауном (Karl F. Braun, 1850-1918), 
лауреатом Нобелевской премии 1909 года (совместно с Г. 
Маркони) [3, 15].  

В 1889 г. Илайю Томсон построил генератор высокой 
частоты, на котором он провел серию экспериментов по 
воздействию высокочастотных токов на человеческий организм [3].  
Почти одновременно с Томсоном в 1890-1891 г.г. Никола Тесла исследовал явление свечения в разреженных 
газах и накаливание твердых тел в быстропеременном 
электрическом поле; физиологическое действие токов вы
      14