应用背景

在一段真空腔室充入少量气体，两端封入电极。在这样的低压气体环境下，接通电源，在大于某一特定的电压下，原本稀薄的气体分子中的游离电子受电场作用移动并与其他分子发生碰撞，导致气体分子电离或激发，电离出的电子会进一步碰撞其他气体分子，该过程接连不断发生，形成雪崩式电离过程。这个过程称为辉光放电。

20世纪，基于辉光放电原理制造的辉光放电灯，具有得到了广泛的应用，例如彩色霓虹灯，辉光指示管，氖泡指示灯等。直至今天，辉光放电灯也没有完全退出市场。在一些科研领域，辉光放电灯仍具有不可替代的作用。

另一种非平衡等离子体放电——介质阻挡放电（Dielectric Barrier Discharge，DBD），与辉光放电相似而又不同，在真空玻璃管中充入高压气体，封入电极和阻挡介质并接通电源，气体同样在加速电子的作用下发生雪崩电离。不同的是，由于介质的阻挡，气体放电路径在空间中大大受限，最终维持稳定的路径形成辉光放电，放电路径会形成细丝状。

过去的几十年里，非平衡等离子体放电得到了长足的研究和发展，被用于沉积镀膜，表面处理等，在大规模集成电路制造及光电子器件制备等特殊加工领域发挥不可替代的作用。近年来，以高速成像，快速成像设备拍摄超快过程及瞬态过程的研究方法逐渐占据了其中的重要地位。辉光放电及DBD过程这类超快过程也不例外。不过，研究辉光放电及DBD过程也面对着一些其他问题：

1.辉光放电过程发出的辉光一般较微弱，在高速拍摄下，很容易受到环境光的干扰，导致成像的信噪比下降。且辉光放电现象属于自发光过程，无法通过补充照明的方式提升信噪比。

2.常规高速成像设备在做到高速成像的同时，往往需要牺牲分辨率，不能满足辉光放电及DBD过程中拍摄细微结构的特殊要求。

3.放电过程属于瞬态过程，对于相机的时间分辨能力也提出了较高的要求。

本次实验使用中智科仪逐光IsCMOS像增强相机，凭借其高增益，高量子效率的像增强器，低至10ps的时间精度以及170万像素的空间分辨率，能够精准捕获放电过程，拍摄出高分辨率，高信噪比的放电图像。

实验方案

实验设备：中智科仪逐光IsCMOS像增强相机，型号：TRC411-S-H20-U;

实验一：氩气辉光放电

将真空腔体抽真空至1E-4 Pa级别，注入氩气。腔体内电极连接信号发生器。腔体设有石英窗，用于拍摄等离子体发光。

相机设置为内触发模式，进行对焦。对焦完成后，将相机切换至外触发模式。信号发生器产生的正弦脉冲电压频率1.356kHz，电压输出设置为高阻抗输出 5V。通过示波器观察Gate Delay为0时刻时，Gate与每个正弦电压脉冲同步。

设置相机参数：MCP gain 3000, gate width 15ns, Capture mode:Accumulate, Number of Accumulation 3000，拍摄的结果如图3所示：

实验二：空气介质阻挡放电过程

设置相机为内触发模式进行对焦，如图4所示。对焦后，对实验设备施加高频高电压，拍摄DBD产生的等离子体，切换至连续模式，如图5所示。

使用Realtime Record Video模式录制视频，持续一段时间。在纳秒门宽的设置下，观察到空气介质阻挡下的等离子体放电在实验设备的不同位置出现，并呈现随机分布。此记录有助于对等离子体放电行为的空间变化进行观察和分析，提供了有关放电位置随机性的详细信息。

结论

中智科仪逐光IsCMOS像增强相机在纳秒门宽下能够捕捉电离氩气等离子体发光和DBD介质阻挡放电过程。短至皮秒级的延迟精度和纳秒级门宽，可对放电过程的瞬态变化进行精准捕获和时间切片；像增强器可对微弱发光信号进行增益放大。实验证明，逐光IsCMOS相机在放电等离子体等自发光的超快过程等领域具有优异的拍摄性能，特别是对于微弱自发光的瞬态过程，通过累加模式和相机特有的Zero Noise CMOS功能，可大大提升信噪比，获得高质量的图像。

解决方案

由中智科仪自主研发生产的逐光IsCMOS像增强相机采用高量子效率低噪声的2代Hi-QE以及第3代GaAs像增强器，光学门宽短至500皮秒；全分辨率帧速高达98幅/秒；内置皮秒精度的多通道同步时序控制器，由SmartCapture软件进行可视化时序设置，完全适合时间分辨快速等离子现象。

1. 500皮秒光学快门

以皮秒精度捕捉瞬态现象，并大幅降低背景噪声。

2．超高采样频率

逐光IsCMOS相机目前全分辨率下可达98帧，提供高速数据采集速率，同时可提供实验效率。此外设置使用其中16行的区域下，可以达到1300帧以上。

3．精准的时序控制逐光IsCMOS像增强相机具有三路独立输入输出的时序同步控制器，最短延迟时间为10皮秒，内外触发设置可实现与激光器以及其他装置精准同步。

4. 创新“零噪声”技术得益于单光子信号的准确识别，相机的暗噪声及读出噪声被完全去除。