徐伟军 翁 明 郑德修
西安交通大学，西安 710049
1 引言
自从1777年G.Ghr.Lichtenberg发现著名的Lichtenberg Figures(LF)以来已有200多年的历史了。虽然200多年来，这一技术在研究气体放电的基本过程中应用十分广泛［1，2］，如工业中广泛使用的Klydonograph(电花图)技术。然而，LF技术在其他工业领域似乎毫无应用价值。本世纪40年代，前苏联科学家Semyon Kirlian基于LF技术发明了一种电晕放电成像的方法，即Kirlian Photography。由于其独特的成像方法和绚丽的色彩，因此，从40年代开始，就引起了许多科学工作者的浓厚兴趣，并开展了相应的基础性研究工作。早期，研究者的目的是为了寻找一种测量生物体能量辐射的新方法，并试图将该新方法应用于医学临床的医疗诊断之中，如对精神病人的诊断等。但是，由于生物体本身的复杂性，使得这一努力终究未能成功。从70年代开始，国外研究者的重点是放在了成像技术在样品复印、样品无损检测及生物样品表面状态的分析作用之中，并获得了诸如金属物品、植物叶片以及人的指纹的像［3-5］。同时,C.Kwark和E.Halahmi［4，5］等人指出，Kirlian Photography可成为未来生物学和医学上的一种可行的工程成像技术。可见Kirlian Photography的潜在应用是十分有意义和使用价值的。有关这方面的研究，国内尚无见报导，而国外的研究正处于方兴未艾的阶段之中。本文结合自己的研究工作，试图就Kirlian Photography的应用作一些初步的探讨。
2 Kirlian Photography的原理
Kirlian Photography的基本原理是基于物体表面微结构的电晕放电而产生的光辐射的感光记录过程。这种成像的最大特点就是可以很方便地记录被成像物体的表面凹凸状态，而且成像不仅适用于金属物体，也适用于非金属的动植物样品。图1是典型的Kirlian Photography装置示意图。
图1 Kirlian Photography装置示意图
在此装置中，作为电极的被成像物体与另一平面金属电极之间用感光纸隔离开，并保持被成像物体与感光纸之间留有约几十微米的空气间隙。当脉冲电源加在被成像物体与金属电极之间后，在被成像物体表面的凸起处产生电晕放电，放电伴随的光辐射在感光纸上形成曝光点。若被成像物体是由一系列凸起的点组成的图案，则在感光纸上可形成对应图案的像。由于感光纸的介质作用，放电电流很小，光辐射强度也很弱，同时由于感光纸的原因，整个实验必须在暗室中进行。
3 成像质量的研究
正如前面提到的，国外研究者在电晕放电成像方面作过不少的研究工作，并取得了一些样品的像。但是，Kirlian Photography技术在实际中仍未取得广泛的应用。图2所示的是由文献[3]所提供的美国硬币的Kirlian Photography像。观察该像，可以发现，该像并不清晰。也许这就是限制了电晕放电成像在工业中广泛应用的主要原因。为此，我们对成像的清晰度问题作了专门的研究。
图2 文献(3)提供的电晕像
为研究影响成像清晰度的因素，我们在针-板系统上研究了针尖在感光纸上的电晕像的半径R与外加电压幅度U、脉冲宽度Td、电压极性的关系，得到图3所示的结果。
(a) (b)
(a) 半径与电压幅度的关系；(b) 半径与脉冲宽度的关系
图3 针尖电晕像半径与放电参数的关系
由图3可以看出，外加电压幅度、脉冲宽度以及电压极性均对针尖的电晕像有影响。表现为，外加电压幅度越高、脉冲宽度越宽，针尖的电晕像越大；当针尖为正极性时，电晕像较大。图3的结果可用沿表面传播的流光来说明。
由于沿感光纸表面存在一定强度的电场分量，因此沿感光纸表面会产生相应的流光传播。流光传播过程所建立的正空间电荷场有利于正流光的传播，而不利于负流光的传播。因此，当针尖为正极性时，对应的正流光传播距离将远一些，而针尖为负极性时，对应的负流光传播距离将短一些。所以针尖的正电晕像半径大于负电晕像的半径。对于电压幅度和脉冲宽度对电晕像半径的影响，我们认为，脉冲宽度越大，流光沿表面能传播的时间就越长，表现出的针尖的电晕像半径就越大；相反，脉冲宽度越小，流光沿表面能传播的时间就越短，对应的针尖电晕像半径就越小。若外加电压幅度越高，沿表面的电场就越强，因而沿表面传播的流光持续的时间将越长，针尖电晕像的半径就越大；反之，外加电压幅度越低，沿表面的电场就越弱，沿表面传播的流光持续的时间将越短，针尖电晕像的半径就越小。
根据图3的实验，我们认为，图像不清晰主要是由被成像物体的凸起图案在感光纸表面产生较长的流光传播所致。也就是说，沿表面的流光传播距离越长，表现出的图像就越不清晰；而流光传播距离越短，图像就越清晰。图4(a)、4(b)为电压幅度约为4000V、脉冲宽度约为1μs时的我国硬币的电晕像。显然，像中有明显的沿表面传播的流光，因而像很不清晰。而图4(c)为脉冲宽度约2ns，幅度约4000V时的我国硬币的负电晕像，像中沿表面传播的流光并不明显，因而像很清晰。国外研究者采用的脉冲宽度在微秒或毫秒数量级，因此他们获得的像并不清晰。因此，我们认为，采用低电压、窄脉冲的负电晕成像技术是获得清晰的电晕像的关键。由于电压太小将无法产生电晕，同时非常窄的电脉冲是难以获得的。因而在我们的实验中，使用了基于汞膜电极的火花开关而产生的纳秒高压电脉冲，并选取了Td≈2ns,U≈4000V的放电参数。
（a） （b） （c）
(a) Td≈1μs时的正电晕像；(b) Td≈1μ时的负电晕像；(c)Td≈2ns时的负电晕像
图4 幅度约4000V时的我国硬币电晕像
4 应用初探
采用纳秒脉冲放电，我们不仅获得了金属样品的像，而且也获得了植物叶片、人的指纹的像，如图5和图6所示。
图5 植物叶片的电晕像 图6 人的指纹的电晕像
根据图4(c)所示的清晰图像，我们设想能否以此技术为基础来制造一种能复印非平面图案的复印机。这种复印机的基本思路是：先用Kirlian Photoraphy技术把样品的图案以静电的方式留在复印机的硒鼓上，然后让硒鼓中的静电图像吸附碳粉，最后将碳粉图像印刷到纸上。如果这种复印机能制作成功，将一改现在平面复印机的缺陷，使得静电复印技术的应用更为广泛。
此外，我们相信，Kirlian Photography技术在防伪商标的获得、指纹的获取、植物表状态的观察等诸多方面都会有较大的实用价值。
5 结论
采用纳秒量级的脉冲放电技术是获得清晰的Kirlian Photography像的关键，在此基础上，Kirlian Photography技术在工业中的应用应该是大有作为的。
参考文献
[1] T Yuzo. Two Hundred Years of Lichtenberg Figures. J.of Electrostatics, 1979,No.6:1～13.
[2] W D Wang. Lichtenberg Figures Technique and its applications in China. 6th Inter. symp.on High Voltage Engineering, August, 1989.
[3] D G Boyers W A Tiller. Corona discharge photography. J.Appl. Phys., 1973,44:3102～3112.
[4] C Kwark,C W Lee. Experimental Study of Real Time Corona Discharge Imaging System. Electronics Letters, 1993,29(2):173～175.
[5] E Halahmi, L Kronil. Color corona discharge images. IEEE trans. on Plasma science, 1996,24(1):87～88.
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