介质阻挡放电照相机理的研究

    介质阻挡放电照相(DBDP)的基本装置如图1所示。在2个电极之间放置1个感光介质,并将其中1个电极视为被照物体。被照物体与感光介质之间留有几十至几百微米的间隙。当在2个电极上施加较高的脉冲或交流电压后,在被照物体和介质之间将发生气体放电。若被照物体是1个具有一定表面凹凸程度的物体,则将在感光介质上记录下物体的凹凸图案,也就是实现了对非平面物体的照相。研究表明,被照物体可以是金属,也可以是植物叶片或人的手指。

    DBDP技术在历史上又被称为Kirlian photogra-phy(克尔莱恩照相术)或corona discharge photogra-phy[1]。自从40年代前苏联科学家Seymon Kirlian[1]首次提出以来,DBDP技术显示出了它在生物医学成像、非平面图案获取、无损检测、人体指纹获得以及人体生理疾病的诊断等方面的巨大潜力[1~6]。传统认为,这种照相技术的基础是电晕放电,即在被照物体的突起处产生电晕,导致感光介质曝光而形成图像。这种机理由于未考虑放电空间感光介质的作用,因此是不完善的。本文应用介质阻挡放电的观点阐述了这种照相技术的机理,而这种阐述由于考虑了感光介质存在的客观事实而有别于先前的电晕放电机理。

    1 介质阻挡放电的物理机制

    介质阻挡放电是有绝缘介质插入放电空间的1种气体放电。在介质阻挡放电照相中,感光介质作为绝缘介质,是覆盖在单个电极之上的。这样,当在放电电极上施加足够高的交流或脉冲电压时,电极间空气被击穿而形成所谓的介质阻挡放电。

    微放电是介质阻挡放电的核心,所以研究微放电的形成对于了解介质阻挡放电照相的机理是必不可少的。这里,首先分析一下微放电过程。这个过程可分为微放电的击穿过程和微放电电流脉冲形成2个部分。

    1.1 击穿过程

    介质阻挡放电的击穿机理与一般汤生放电有所不同。这是因为在介质阻挡放电中pd值很高,在第1个电子雪崩通过放电间隙的过程中,出现了相当数量的空间电荷。聚集在雪崩头部的负空间电荷场与外电场叠加,加强了向阳极方向的电场,雪崩中一部分高能电子在阳极前方得到进一步的加速而引起击穿通道向阳极方向传播。一旦这部分电子到达阳极,则在阳极前面形成数量巨大的正空间电荷场,该场加强了阴极前面的电场,使得阴极前面的电子得到进一步的加速。由此可见,在空间电子的雪崩过程中,空间任何位置的电子都受到叠加场的加强常快地通过放电间隙而造成气体的击穿。在电子通过通道的过程中,一些激发态原子和分子会自发地发射紫外辐射,而这些紫外光子一方面能加强阴极的电子发射,另一方面这些光子还能进一步电离雪崩头和介质之间的气体,造成新的雪崩,有助于导电通道的建立和加速气体的击穿。