Участок электрической цепи схема которой приведена на рисунке


Участок электрической цепи схема которой приведена на рисунке

Стало быть дотянулись мои ручки и до лазеров на парах металлов (отдельное спасибо Андрею Франкенштейну за то, что сумел пробудить интерес к этой штуковине). Что, собственно, из этого вышло, здесь и место рассказать.

Лазер на парах меди нечасто встретишь среди самодельных конструкций. Кроме варианта, описанного на pulslaser.de, еще одна живая ссылка нашлась в Sam's Laser FAQ (остальные ссылки - дохлые). Еще на просторах интернета мне попадались несколько недоделанных конструкций, но... не будем о грустном. Можно накатать много страниц, о том, почему медный лазер настолько "непопулярен", но основных причин, на мой взгляд, две: слишком высокие температуры для лазера на парах чистой меди (что заставляет использовать труднодоступные материалы) и слишком сложный драйвер двойного импульса для лазера на парах медных солей. Последний не нужен, если частота повторения импульсов заваливает за несколько килогерц, но это сразу же означает киловатты вкладываемой мощности, а построить высоковольтный блок питания на несколько киловатт тоже не каждому дано.

Сложности с использованием вращающихся разрядников или цифровых схем задержки поджигающих импульсов для тиратронов, равно как и необходимость использования самих тиратронов или управляемых разрядников всегда казались мне притянутыми за уши. Существует тысяча и один способ получить два высоковольтных импульса с задержкой между ними и каждый может придумать свою собственную схему. Вариант, выбранный мной, ничем не лучше и не хуже многих. Он прост, использует только неуправляемые разрядники (на самопробое) и не требует применения низковольтных полупроводниковых приборов, которые легко уничтожаются высоковольтными помехами и токами утечки. Однако работоспособность такой схемы еще предстояло доказать.

 

Интерлюдия 1. МОНОХЛОРИД МЕДИ

Лазеры на парах галогенидов меди используют, как правило соли одновалентной меди, т.е. закисные. Эти соли негигроскопичны и легко испаряются без разложения. Среди галогенидов закисной меди прекрасный выбор - иодид (CuI). Не разлагается, не окисляется. Получается легко (полить йодной настойкой на медную проволоку). Но... Его рабочая температура в лазерах обычно превышает 600oC. И, если Вы собираетесь использовать лазерную трубку из обычного стекла, то для Вас эта соль не пригодна (рабочая температура в опасной близости к температуре размягчения стекла). Поэтому придется учиться добывать хлористую медь, которая работает при меньших температурах.

Если под рукой имеется хлорная медь (хлорид двухвалентной меди, двуххлористая медь), простейший способ перевести ее в монохлорид меди - сварить ее с глицерином.

CuCL2glycerolCuCL2_2g

 

Процедура:

ВНИМАНИЕ! СОЛИ МЕДИ ТОКСИЧНЫ!

В стандартную "школьную" пробирку налито 6 миллилитров глицерина. (Вовсе необязательно доставать безводный "динамитный" глицерин. Вполне подойдет аптечный, использующийся для умягчения кожи рук. Вероятнее всего подойдет и парфюмерный, хотя вонять будет изрядно)

В пробирку с глицерином добавлено 2 грамма четырехводной двуххлористой меди (CuCl24H2O).

vial

Лучше добавлять порошковую соль в глицерин, а не наоборот, иначе будут проблемы со смачиванием дна пробирки.

Пробирка со смесью глицерина и двухлоистой меди нагревалась в пламени спиртовки до легкого кипения жидкости в течении 15 минут. В процессе реакции все твердое содержимое полностью растворяется и раствор меняет цвет с зеленого на грязно-серый (так что возникает искушение выбросить).

vial_ready

Может появиться запах. Окончание реакции узнается по трем признакам:

цвет раствора теряет всяческий намек на зелень. Даже на просвет. Даже в тонком слое. Раствор начинает преплохо пахнуть. Кипение жидкости идет толчками. Поддерживать мягкое кипение становится очень трудно.

По окончании реакции пробирка поставлена свободно охлаждаться до комнатной температуры. Не охлаждайте пробирку слишком быстро и, тем более, не выливайте горячий раствор в воду! При слишком быстром охлаждении монохлорид меди образуется в виде илистого осадка, который с трудом отфильтровывается и идут большие потери при промывке готового порошка.

В процессе охлаждения растворимость медных солей в том, что раньше было глицерином, уменьшается и они высаживаются на дно пробирки в виде кристалликов "металлического оттенка" и вполне заметного размера. Слой жидкости над осадком также содержит монохлорид меди, но обычно не более 20% от полученного.

crystals

Вылейте жидкость в чашку с достаточным количеством холодной воды и выскребите содержимое пробирки туда же. Размешивайте пока темная соплеобразная жидкость из пробирки полностью не растворится в воде. Пока размешиваете можете заметить, что от грязно серого цвета не осталось и следа. Дайте отстояться. Вы получите слой слегка голубоватой воды и осадок в виде снежно белого сравнительно крупнозернистого порошка. Этот снежно белый порошок и есть искомый монохлорид меди. Промойте на три раза достаточным количеством воды, затем на три раза небольшим количеством спирта (или любой другой легко высушиваемой жидкости, растворимой в воде, но при этом не растворяющей монохлорид меди). Высушите полученный продукт как можно быстрее. Выход - чуть более 1 грамма, как раз на одну заправку лазерной трубки.

pure_crystals

Монохлорид меди выглядит как снежно белый порошок, даже незначительные количества которого окрашивают пламя спиртовки в интенсивный зеленовато-голубой цвет. Продукт очень трудно высушить без потерь, т.к. он зеленеет (если сушится от воды) или сереет (если сушится от спирта). Вследствие нестабильности продукта на открытом воздухе, получать его имеет смысл лишь непосредственно перед загрузкой лазерной трубки.

ПРИМЕЧАНИЕ ОТ 02.02.2016: если у Вас не выпадают кристаллы - значит Вы переборщили с глицерином. Постарайтесь избытка глицерина избегать

 

 

1. ГЕНЕРАТОР СДВОЕННОГО (ДВОЙНОГО) ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ИМПУЛЬСА Cp1 470 pf +-----||-------+ | | (-) | | 0--+----I (------+-----------------------------+-------------+ | | | | | SG1 | | | | 10 mm / / / | \ Rb1 Rb2 \ \ Rs2 | / 91 kOhm 91 kOhm / / 8.3 MOhm | \ \ \ | / / / | | Cs1 Rdump Cs2 | | | | 4 nf 100 Ohm 4nf | | | | || || | | | +----+--||---/\/\/----+----+---||--+----+ | | | | || | | || | | | | SG2 | | _ | | | SG3 | | 4 mm | | /o\ / Rs | | 5 mm | | U --- LT1 | | \ 5k6 --- U | --- --- |x| / --- | --- - | Cp2 | | \ Cp3 | - | | Cs0 | | 470 pf \o/ / 470 | | | | 30 nf | | - | pf | | | | | | | | | | | 0--+---------+----+----------------+----+-------+----+--------+ (+)

Рис 1. Схема драйвера лазера на парах галогенидов меди. Первичный накопитель это Максвелл 37667 на 30 нФ и 35 кВ. Вторичные накопители Cs1 и Cs2 - керамические импульсные конденсаторы фирмы Murata(tm). Пикеры Cp1...Cp3 типа К15-4. Все резисторы должны выдерживать напряжение не менее 30 кВ.
LT1 - обозначение лазерной трубки. Разрядники типа шар-плоскость выполнены из колпачковой гайки на М12 и поверхности алюминиевого уголка в качестве ответной части. Поскольку напряжение пробоя таких разрядников слегка зависит от полярности, на рисунке указано с какой стороны разрядники имеют плоскость, а с какой - округлую поверхность. Поэтому обозначение разрядников и отличается от стандартного.

Схема питания лазера показана на рисунке 1. Принцип работы весьма прост и в комментариях не нуждается. Максвелл использован в качестве накопителя лишь по одной банальной причине - он у меня есть. На самом деле на индуктивность конденсатора первичного накопителя не накладывается никаких требований. Можно использовать все, что подойдет по емкости и выдерживаемому напряжению. То же самое можно сказать и о вторичном накопителе в левом плече схемы питания (диссоциирующий импульс). Вторичный накопитель в правом плече схемы питания (импульс накачки) напротив должен быть малоиндуктивным, поскольку для накачки меди нужен короткий импульс тока с крутым фронтом. В качестве конденсатора в плече накачки используйте фабричные импульсные конденсаторы (К15-4, КВИ-3, doorknob'ы) или самодельные малоиндуктивные. Не используйте фабричные конденсаторы скрученного типа (К75-13,14 и т.п.). Скорость их разряда недостаточна.

Замечание относительно зазоров в разрядниках. Зазор в разряднике левого плеча цепи питания лазерной трубки SG2 должен быть в любом случае меньше зазора разрядника в правом плече SG3 (ибо диссоциирующий импульс обязан предшествовать импульсу накачки а не наоборот). Соотношение же между зазорами в разрядниках SG2 и SG3 определяет задержку между импульсами и может до известной степени варьироваться. Зазор в ведущем разряднике SG1 по очевидным причинам должен быть заведомо больше максимального из зазоров в SG2 либо SG3. Расчеты показывают, что схема работоспособна когда зазор в SG1 на 30% больше зазора в SG3. На практике этот запас (по напряжению) должен быть еще больше. Практика показала, что если зазор в SG1 вдвое превышает зазор в SG3, схема обладает достаточным запасом стабильности. Когда зазоры в разрядниках выставлены, как показано на схеме на рисунке 1, драйвер с вероятностью >70% генерирует два импульса (диссоциации и накачки) с задержкой примерно в 200 мкс. С вероятностью 20% задержка гуляет в пределах 10 мкс...1 мс, вследствие
нестабильности самодельных разрядников. И с вероятностью менее 10% один из разрядников не срабатывает (обычно этим занимается SG3 но не обязательно).

Image1_50mcs_per_cell
2pulse50mcs_per_cell

Рисунок 2. Осциллограмма импульса питания, снятая на реальной трубке.

 

На рисунке 2 показана осциллограмма сдвоенного импульса питания, вырабатываемого драйвером на реальной газоразрядной трубке. Осциллограмма снята с кварцевой трубкой внутренним диаметром 6 мм, заполненной азотом и йодистой медью, которая по независящим от драйвера причинам генерить отказалась. Длинный спадающий хвост на осциллограмме это особенность примененной цепи развязки осциллографа от высоковольтной части схемы. Без такой развязки прибор был бы убит мгновенно и безвозвратно. По этой же причине осциллограмма снята стареньким полудохлым PSCU1000 а не чем-либо
более пристойным, за что и приношу свои извинения. Не хотелось бы тут вдаваться в дрязги связанных и развязанных "земель", поэтому просто игнорируйте этот плавно спадающий уровень. Считайте его за ноль. Если так поступить, на осциллограмме четко видны два импульса, сгенеренных представленной выше схемой.

В корпусах разрядников SG2 И SG3 полезно просверлить смотровые окошки (и заклеить прозрачным пластиком в целях шумоподавления). По вспышкам, видимым через смотровые окошки, можно четко определить, когда разрядник срабатывает, а когда нет. Путем сопоставления наличия пиков на осциллограмме с фактом срабатывания разрядника было определено, что первый пик отвечает
срабатыванию SG2 а второй - срабатыванию SG3, т.е. схема работает правильно. На рисунке 1 схема смотрится просто. Но она не столь проста в сборке, особенно если вспомнить, что импульсные высоковольтные цепи делаются не паяльником на печатной плате, а дрелью, напильником и ножовкой из чего-нибудь навроде алюминиевого уголка. То что получилось в результате сборки показано на рисунке 3.

Cu_laser_driver_side

Рис 3. Вид на медный лазер со стороны конденсаторов. Схема питания видна целиком.

 

2. ЛАЗЕРНАЯ ТРУБКА

Конструкция лазерной трубки была выбрана проще некуда. Взята стеклянная труба от длинной люминесцентной лампочки наружным диаметром 16 мм и внутренним диаметром 14 мм. Оное отрезано в размер длиной 720 мм. На торцы поставлены оргстеклянные заглушки, несущие окна и патрубки. И заглушки и окна и патрубки - все герметизировалось глюганом (термоклеем, низкомолекулярным полиэтиленом). Окна сделаны из осколков микроскопного предметного стекла. Никоим образом они не юстировались и не выравнивались. Как получилось - так получилось. А получилось так, что наклон заднего окна около 5 градусов, а переднего - около 10 градусов, причем еще и в разные (случайные) стороны.

Металлические патрубки заодно служат и токоподводящими контактами. У такого решения множество недостатков, но есть один несомненный плюс - это упрощает конструкцию. А на первых порах это важно.

Cu_laser_heater_side

tube_scheme

Рис 4. Размеры лазерной трубки.

 

Была взята спираль от водонагревателя на 600 Ватт, размотана на проволоку. Проволока затем выпрямлена и намотана на центральную часть трубы (см рис 4). Для теплоизоляции нагреваемая зона замотана асбестовым шнуром в один слой. Походу заматывания была примотана и термопара от китайского мультиметра.
thermocouple1thermocouple2thermocouple3

Длина зоны нагрева получилась равной 450 мм, что оставляет чуть меньше 150мм до торцов, которые по понятным причинам предпочитают оставаться холодными.

При опытах с лазером я не рискнул напрямую включить нагревательную спираль в розетку. Включалось через галогенную лампочку на 1 кВт в качестве балласта. Ее теплый свет можно будет увидеть на видео (см. далее в разделе РЕЗУЛЬТАТЫ).

Опытным путем (нагрев предыдущую трубу так что она изогнулась) верхний предел стабильности используемой стеклянной трубы был определен в 400оС. Когда центральная часть трубы нагрета до этой температуры, торцы вместе с окнами и патрубками остаются лишь слегка теплыми на ощупь (прежде чем производить "ощупь" чего-либо, полезно все отключить от сети и разрядить все емкости).

Трубка собрана (пока без загрузки) и проверена на герметичность. Натекание менее 10 торр в сутки. И то, может быть, через краны. Затем концевики трубки сняты и в трубку загружено 1 грамм монохлорида меди. Загрузка сделана тремя равными кучками. Одна по центру нагреваемой зоны и две вблизи краев нагреваемой зоны. При загрузке сильно помогает напихать порошок монохлорида в пластиковую трубочку или шланг, просунуть эту трубочку или шланг внутрь лазерной трубы, до необходимого места, и там выгрузить используя проволоку либо палочку в качестве выталкивающего поршня. Следите за тем, чтобы сильно не перекрыть апертуру этими кучками.
Вообще в этот момент Вы, вероятнее всего, пожалеете, что трубка не имеет отводов для размещения загрузки. По этой же причине не выбирайте слишком малый диаметр лазерной трубы - будет трудно загружать и будет риск перекрыть весь путь лучу (собственно поэтому кварцевая трубка с внутренним диаметром 6 мм и оказалась неработоспособной).

 

3. РЕЗОНАТОР

Резонатор образован вогнутым алюминированным зеркалом с передней рабочей поверхностью (кусок отмытого от краски автомобильного зеркала заднего вида попросту снятый с проекта углекислотного лазера) и плоского зеркала от гелий-неонового лазера. В принципе известно, что медные лазеры могут работать даже на стеклянных окошках, но как-то не хотелось про... терять генерацию просто из-за того, что чуток не хватило усиления. По тесту с зеленой лазерной указкой пропускание гелий-неонового зеркала в зелени составило порядка 50%.

Фокусное расстояние алюминиевого зеркала где-то метра полтора. Длина резонатора по зеркалам составила 850 мм. Из-за сравнительно большого диаметра лазерной трубки юстировка проблем не составила. Тем не менее, если кому-то хочется уточнить, как это вообще делается, то можно заглянуть в гайд по углекислому продольнику и карманному лазеру на красителе.

Забегая вперед могу сказать, что в итоге лазер оказался работоспособен с парой стеклышек на месте выходного зеркала.

 

4. ВАККУМ И ГАЗЫ

Вакуумный насос может использоваться любой, лишь бы мог создавать разрежение до 1 торр (для тех, кто не в теме: 1 торр = 1 миллиметр ртутного столба).

Игольчатых клапанов и натекателей у меня нет, поэтому использовались обычные поворотные краны. Не водопроводные, конечно, а маленькие - аквариумные.

valve

Тем не менее точность поддержания давления оставляла желать лучшего.

Манометр (вакууметр) стрелочный с ценой деления 1 дюйм ртутного столба, что тоже не облегчало регулировку.

Гелий использовался из воздушных шариков, хотя для удобства перед использованием он перекачивался в автомобильную камеру, а уже она своим ниппелем и подключалась к вакуумной системе.

И еще: НИКОГДА НЕ ВКЛЮЧАЙТЕ НАСОС НЕ ЗАКРЫВ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО КРАНЫ! ИНАЧЕ ПОРОШОК ВАШЕГО ДРАГОЦЕННОГО МОНОХЛОРИДА СДУЕТ НАФИГ И ВСОСЕТ В НАСОС! Открывайте краны плавно, стараясь не создавать в трубе ветрище.

 

5. РЕЗУЛЬТАТЫ

Как это ни удивительно, но такая грубая система согласилась загенерить.

Не очень просто оказывается контролировать сразу два параметра (давление и температуру). Слава Богу, что хоть напряжение регулировать не приходится - лазер вполне сносно работает при предустановленных значениях зазоров в разрядниках (см. рис 1.) без дополнительных настроек. К тому же диапазон температур, в котором генерация достижима, довольно широк (250..335oC). При подходе к нижней границе лазер плавно теряет мощность и гаснет, а при подходе к верхней границе сначала переходит на желтую линию генерации (пятно красивого золотого цвета) а уж затем гаснет.

Давление регулировать оказалось сложнее. Если верить манометру давление работоспособности лазера лежит ниже трети дюйма ртутного столба и до непонятно куда (нижняя граница имеется, но я не могу ее определить с имеющимся оборудованием. Т.е. рабочий диапазон где-то: 1..8 торр. При моем грубом оборудовании алгоритм действий такой:

Лазер откачивается до предельного вакуума, обеспечиваемого насосом. Затем плавно наполняется гелием до атмосферного давления. Включается нагрев. При температуре около 200 градусов по Цельсию п 1) и 2) повторяются. Продолжается нагрев. При температуре около 350 градусов по Цельсию п 1) и 2) повторяются еще раз (промывка). Нагрев выключается и пока лазер охлаждается его надо откачать до предельного вакуума, обеспечиваемого насосом.

Далее уже идет собственно получение генерации.

выходной (к насосу) кран устанавливается в положение слабой откачки В лазер напускается до 25 торр гелия В процессе откачки на схему генерации двойного импульса время от времени подается питание. По мере откачки в какой-то момент лазер согласится загенерить. И будет продолжать это делать, пока давление либо температура не выйдут за допустимые пределы. По мере необходимости регулируйте температуру. Если температура опускается ниже 250оС - включайте нагреватель, если поднимается выше 300оС - выключайте нагреватель.

Вот видео работающего лазера. Мощность гуляет в основном из-за давления. Однако свой вклад вносит и нестабильность разрядников и уход температуры.

Видно, что трубка начинает светиться еще при зарядке первичного накопителя задолго до срабатывания разрядников. По схеме в этот момент протекание тока невозможно, но на практике паразитные токи (коронные и емкостные разряды, утечки по загрязненным поверхностям и т.п.) сильно портят жизнь. Хотя по-своему паразитное свечение трубки даже помогает - по цвету разряда можно до определенной степени судить о правильности давления и температуры и о том, не израсходован ли еще хлорид меди.

После наработки около 2х часов был замечен налет на выходном окне в виде белого туманного покрытия (См. рис. 5).

dirt_on_the_window

Рисунок 5. Туманный налет хлорида меди на выходном окне. Чистое пятно возникает вследствие того, что тут в лазерную трубку входит газ (гелий). Однако хоть он и сдувает часть грязи, полностью очистить окно он оказался не в состоянии.

 

Что до выходной энергии, то при такой частоте повторения с измерениями особо не разбежишься. "На глаз" в лучших импульсах бывает микроджоулей до 100, в худших - до нуля.

(ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ...)

В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПОСТРАДАЛИ:

Два мультиметра, использовавшихся для измерения температуры (их вышибло высоким напряжением и с тех пор мультиметр заворачивается в фольгу а сама термопара шунтируется малоиндуктивной емкостью и резистором) Два конденсатора К15-4 на месте пикера параллельно SG1 (заменен в итоге на мурату) Одна стеклянная трубка. (Согнулась при перегреве) Небольшой пятивольтовый блок питания. (Ничего общего с лазером он не имел, ему лишь непосчастливилось находиться рядом.)

 

28.01.2016

Труба перебрана с целью чистки окон. Заодно в нее добавлены электроды в виде жестяных стаканчиков, примерно 2 см не доходящих до зоны нагрева. Заодно дозагружена остатками полученного в субботу (4 суток назад) монохлорида.

85 cm |<------------------------------------------------------>| | | | 73 cm | | |<------------------------------------------->| | | | | || || X||X--------XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX---------X||X / |X +======= XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX =======+|X| ] ( | XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX | ] \ |XXX======= XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX =======XXX| ] XXXX--------XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX---------XXXX XXXX XXXX | | 45 cm | | | |<-------------------->| | | | | 49 cm | |<--------------------------->|

Ожидалось, что это, сократив длину разряда, приведет к росту рабочего давления, а заодно, удалив разряд от окошек, позволит дольше их не загрязнять. На практике (по ощущениям) рабочее давление даже снизилось и зона рабочих параметров сузилась. С такой трубой ни разу мне не удалось поймать серию импульсов. Только одиночные. Разок было, что после каждого импульса я давал секунд по пять откачки, после чего следующий импульс был успешным. И так воспроизвелось более десятка импульсов. Но такой прием трудно воспроизводим (надо попасть и в начальное давление и в скорость откачки). Вообще было такое ощущение, что труба течет. Но... за 8 часов с вечера до утра по манометру натекание не обнаружено. Нисколько.

Другие возможнве причины:

Идет отжиг монохлорида и пока из него остатки воды и других веществ не выйдут, нормально работать не будет (к слову прошлая труба после загрузки перед пуском простояла ноч под откачкой. А эту пускали в день загрузки.) Если так, то нужно просто ждать и гонять лазер. Сократилась длина разряда. Т.е. предполагается, что раньше пары монохлорида, вылетавшие из отапливаемой зоны также принимали участие в усилении. А теперь этого не происходит, что снижает и длину активной части лазера, да и с температурой все веселее: сейчас вся активная часть стоит более менее при одной температуре, а тогда захватывала широкий диапазон (работала и нагреваемая часть и охлаждаемая, а в промежутке между ними - весь спектр температур). Если так, то вставки придется укорачивать. Состарился гелий. Это не очень приятно, поскольку ничем, кроме покупки нового гелия, не лечится. Мог состариться и монохлорид. Тогда надо лишь сделать еще и загрузить трубу. Делов-то... Или даже сдулись разрядники. За самодельными разрядниками такое бывает - то уходит напряжение срабатывания, то напыляется корпус и по нему идут утечки. Правда в данной схеме разрядники работают в сильно облегченном режиме. С SG1 последовательно включено большое сопротивление, а SG2 и SG3 работают при довольно низких для своей конструкции энергиях и напряжениях. С учетом этого для сбоя разрядников как-то маловато лазер наработал.

Этот вариант трубы гораздо чаще генерит в желтом. Выглядит будто труба перегрета, но попытки снизить температуру не приводят ни к чему, кроме потери генерации. Еще прикол: когда оно генерит на двух линиях и желтая линия сильнее зеленой, пятно имеет уникальный коричневый цвет, похожий сами понимаете на что... Вот, блин, ни разу в жизни еще не видел, коричневого лазера...

 

29.01.2016

Труба простояла под вакуумом сутки. Натекание - полдюйма ртутного столба. Затем была снова запущена. Довольно легко и без лишних усилий по промывке выдала серию из более 20 ярких и хороших импульсов. Потом температура ушла и труба погасла.

При дальнейших танцах с бубном условия хорошей генерации подобрать не удалось. Довольно регулярно удавалось подобрать условия под один зеленый и пару желтых импульсов. Но на этом и все. Те же траблы, что и вчера. Т.е. возможно дело вовсе не в прожиге. Хуже того, опять выбило мультиметр измерения температуры. Температурный канал в нем вышибло уже давно и температура измерялась по милливольтам с термопары. Калибровочный коэффициент был найден в 1 мВ (этого мультиметра) на 50 градусов подогрева. И если раньше температурное равновесие между нагревом нагревателем и теплоотводом в окружающую среду устанавливалось на уровне 7 мВ (750+25=375oC) то теперь температуре равновесия соответствуют показания 5 мВ. А поскольку сомнительно, чтобы ни с того ни с сего упала мощность нагревателя или увеличился теплоотвод, то стало быть мультиметр стал безбожно врать (т.е. он и раньше мог безбожно врать, но если раньше он врал одним образом, то теперь врет другим образом). Предупреждяю сразу: по замерзанию и кипению воды и по точке плавления свинца
я термопару откалибровать не удосужился. Тот калибровочный коэффициент, о котором написано выше, получен с помощью другого (предположительно исправного) китайского мультиметра.

Вот в такую полудохлую трубу был напоследок дунут азот.

К вакуумной системе вместо камеры с гелием была подключена камера с азотом.

От давления менее 1 торр труба была наполнена до 10 дюймов ртутного столба и при медленной откачке сделан поиск генерации. Было поймано два импульса на желтой линии. При довольно низком давлении (где-то слегка не доходя до возникновения страт в разряде).

Труба еще раз наполнена до 10 дюймов ртутного столба. И снова "на откачке" удалось поймать пару желтых импульсов.

Труба на два раза промыта азотом путем наполнения до атмосферного давления. После этой процедуры генерацию поймать не удалось. То ли из-за азота, то ли труба окончательно сдулась, неизвестно. Предыдущие два раза в трубе мог быть не только азот, но и остаточный гелий из шлангов.
Температура работоспособности на азотсодержащей смеси соответствовала 4.5 мв на неисправном мультиметре. Если предположить, что 5 мв на нем равны старым семи, то (4.57/5)50+25=340oC. Без особого доверия, естественно. Процент азота тоже неизвестен.

Зачем я пишу тут недостоверные данные? Если знаю, что мультиметр на последнем издыхании, да и смесь неконтролируема. Вовсе не из желания показать как "тяжела и неказиста"... Просто во-первых: веб-репорт это не гайд и не статья. Этот жанр допускает описание и ошибок и недостоверных данных, главное, чтобы было указано, что они недостоверные. Более того, чем подробнее все описано, тем в этом жанре даже лучше (здоровая лень, правда, говорит обратное). И, кроме того, если у меня по каким-либо причинам пропадет желание или возможность продолжать этот файл дальше, эти сумбурные, предварительные и неточные данные и предположения могут стать единственным намеком для тех, кто попытается повторить лазер по приведенному здесь описанию. (Помню, как сам когда-то с пеной у рта и матюками искал репорты Robert Meagley по азотнику). В частности мне очень не хотелось писать о результатах, полученных с этой модификацией трубы (с удлиненными электродами). Не то чтобы она совсем не работает, но какая-то она слишком трудная получилась в управлении. Слишком "жесткая". Т.е. модификация, конструкции, которая была призвана все улучшить, только все наоборот ухудшила.

 

01.02.2015

За эти выходные:

Не получена генерация с азотом в качестве буферного газа Не получена генерация с драйвером, пересобранном по схеме "разомкнутый Блюмлейн" Освоен способ получения монохлорида меди из купороса и поваренной соли Получена генерация с разрядником на основе окиси алюминия.

А теперь обо всем по порядку.

АЗОТ

Труба была загружена порцией свежего монохлорида меди. И гонялась до получения более-менее стабильной генерации. Затем вакуумная система лазера была подключена к шине, заполненной азотом технической чистоты. Дабы не повторять предыдущий случай лазер был на три раза промыт азотом посредством наполнения до атмосферного давления и последующей максимально полной откачки.

Затем лазер был испытан на генерацию. Наверное бессмысленно описывать все в подробностях, скажу только что были опробованы все доступные давления и температуры. Просканированы с разным шагом. НИ...ФИ...ГА... Несмотря на все усилия генерации не обнаружено.

Система возвращена на гелий. Промыта гелием на четыре раза и сделаны контрольные пуски. Генерация даже была получена. Но все резко стало плохо. Резко сузился допустимый диапазон температур и давлений, упала яркость пятен.

Поскольку при наполнении гелием генерация почти не вернулась, можно предположить, что монохлорид меди азотом необратимо испорчен.

Для проверки труба вскрыта и снова загружена порцией свежего монохлорида. И запущена (конечно-же со всеми сопутствующими причиндалами, такими как промывка, прожиг и тд и тп.) После перезагрузки труба загенерила довольно легко. До определенной степени это подтверждает, что виной всему был
порошок, испорченный плохой атмосферой.

Здесь надо отметить, что до этого ни разу не допускался нагрев трубы в присутствии воздуха (или азота). Всегда до нагрева она откачивалась и заполнялась гелием. Может быть, конечно, это излишняя предосторожность, но глядя на полученные с азотом результаты, уже так не кажется.

Вообще говоря теорема существования доказывается легче, чем теорема "несуществования". Если я, к примеру, получил генерацию при каких-то условиях, то это однозначно и необратимо значит, что генерация при этих условиях возможна. С другой стороны если я не получил генерацию при каких-то условиях это доказывает лишь то, что я не получил генерацию при таких условиях. Ну например в силу ненулевой кривизны рук.

На самом деле система довольно толерантна к присутствию азота в качестве примеси, главное, чтоб его не было слишком много. Так например при опытах неоднократно доводилось наблюдать фиолетовое пятно вместо зеленого или желтого. Скорее всего это генерация азота на 428 нм. Говорят, что она возникает только при лютом разбавлении азота гелием, а тут как раз так и есть. Впрочем это с равным успехом может быть и что-то другое. Линий у веществ и элементов докузнища и, если у Вас нет возможности как следует вычистить смесь, и тем более нет возможности точно измерить длину волны, то это "фиолетовое пятнышко" может быть чем-угодно.

СХЕМА ПИТАНИЯ ТИПА"РАЗОМКНУТЫЙ БЛЮМЛЕЙН" Cp1 470 pf +-----||-------+ | | Rs2 8.3 M (-) | | 0--+-----I (------+----/\/\/\/---------------------+ | | ! | SG1 | ! | 10 mm / ! | \ Rb1 ! | / 16.8 kOhm ! | \ ! | / ! | | ! | | LT1 ! | | /--------\ ! | +----+----|o x o|-------+-------+ ! | | | \--------/ | | ! | SG2 | | | | ! | 7 mm | | / Rs | ! | U --- \ 200k --- ! --- --- / --- ! --- - | Cs1 \ Cs2 | ! | Cs0 | | 2nf / 4nf | ! | 30 nf | | | | ! | | | | | ! 0--+---------+----+---------------------+-------+--+ (+)

Рисунок 5. Цепь питания типа "разомкнутый Блюмлейн". Обозначения деталей полностью сопадают с введенными на рисунке 1.

 

Рассматривая идею двойного импульса, необходимого для питания лазеров на солях меди, не удается избавиться от мысли, что возможно того же самого можно было бы добиться подавая короткие импульсы на фоне постоянного тока.

Если предположить, что "сила" обоих импульсов питания может быть одинаковой, (а сила импульса на практике определяется количеством пролетевших электронов, т.е. проще говоря током). Возьмем интеграл от тока за типичный импульс питания и поделим его на время между импульсами. Другими словами возьмем заряд во вторичном накопителе Cs2 и поделим на 200 мкс:

4nf(2.6kv/mm5mm)/200mcs = 260 mA.

Домножив полученное на ожидаемое падение напряжение на лазерной трубке (пусть это будет 10 кВ) поймем, что постоянный ток подкачки будет отъедать 2.6 кВт мощности. Больше чем даже используемый нагреватель! Строить могучий высковольтный блок питания просто лишь для подпитки трубы постоянным током как-то напрягает. Значит должен быть другой путь.

Всякий, кто игрался с воздушным азотным лазером, наверняка помнит, что происходит, если забыть резистор (или катушку) между его крыльями. Возникает два импульса. Первый, медленный и с искрами, - когда противоположное от блока питания крыло заряжается, и второй (лазерный) - когда противоположное крыло разряжается. Из этого мог бы выйти неплохой способ генерации предимпульса. Почему бы не попробовать?

Была собрана схема, показанная на рисунке 5. Благо она собирается из уже используемой в лазере схемы путем удаления некоторых деталей и некоторого изменения электрических соединений. Разрядник SG3 даже не снимался - просто был выкручен на максимум.

Для того, чтобы не спутать неработающую схему с неработающей трубой, труба была вновь загружена монохлоридом. Загрузка оказалась неудачной (часть порошка оказалась мокрой и изошла жидкостями, другая часть попросту вывалилась). В итоге трубу пришлось разобрать, серьезно так почистить ершиком, и вновь собрать. Заодно были укорочены электроды. Теперь они не достают до отапливаемой зоны по 7 см.

После чистки, доработки и перезагрузки труба была испытана на старой (рис 1) схеме и лишь после получения относительно стабильной генерации схема была пересобрана в "разомкнутый Блюмлейн" (рис 5).

Что до измерений тока, то ожидаемый ток подкачки в предимпульса диссоциации составляет сотни милиампер, ток накачки в лазерном имульсе - сотни ампер. Так что у меня не было иллюзий по воводу возможности адекватно зарегистрировать два импульса, отличающихся по амплитуде на три порядка, тем более на фоне помех. Так что держите расчетную осциллограмму тока в трубке:

open_blum_math_trace

Рисунок 6. Расчетный ток в лазерной трубке при срабатывании схемы "разомкнутый Блюмлейн". Один милливольт напряжения на осциллограмме соответствует току в 10 мА.

 

В конце концов оно так и не загенерило. Как обычно, были просканированы все доступные температуры и давления. Бесполезно. Кроме того выяснилось, что при больших зазорах в SG2 схема ведет себя крайне нестабильно (настолько, что отбивает желание продолжать). Конечно, когда зазор в SG2 мал (менее 5 мм) все стабильно и надежно. Но при этом слишком мало энергии запасается в конденсаторе накачки и слишком велик остаточный ток непосредственно перед импульсом накачки. А когда выставляешь схему на те величины, какие нужны, SG2 попросту отказыватся срабатывать. Причем процентах в 50 случаев.

Тем не менее были опробованы разные соотношения зазоров в разрядниках SG1 и SG2 (преимущественно за счет откручивания SG1 а не за счет прикручивания SG2). Естественно со сканированием температур и давлений. Однако генерация так и не была получена.

Схема была пересобрана в исходный вариант драйвера двойного высковольного импульса на основе двух "RC-цепочек". Разрядники таже были прикручены к своим проектным зазорам (SG1=10mm, SG2=4 mm, SG3=5mm). И без особых танцев с бубном труба вновь загенерила. На самом деле это значит не только (и, может быть, не столько - про теорему несуществования я уже говорил) что подкачка постоянным током тут не прокатывает, но еще и то, что схема "двух RC-цепочек", показанная на рис 1, обладает достаточной воспроизводимостью, чтобы после того как все так интенсивно перемещалось, и после скручивания разрядников, заработать вновь, как только все было возвращено в проектное (не обязательно в точности исходное) состояние. Более того, когда разрядники приработались, процент сбоев в работе
схемы существенно снизился (что приятно).

 

Химическая интерлюдия 2. МОНОХЛОРИД МЕДИ В БОЛЬШИХ КОЛИЧЕСТВАХ

Как Вы уже наверное заметили, лазер жрет монохлорид "как колбасу". То есть старый добрый глицериновый способ получения монохлорида, дающий "хорошего понемногу" себя исчерпал. (К тому же подошли к концу и мои скудные запасы двуххлористой меди.) Срочно нужен рецепт, навроде "...возьмите бочку ... и чемодан ... и тщательно перемешайте." На удивление такой рецепт в итоге нашелся и даже смог быть прилично адаптирован.

Похожий рецепт применяется для травления печатных плат "купоросным" методом. Однако совместить "приятное с полезным" как-то не получилось. Пришлось делать отдельно от печатных плат.

Способ основан на удивительном свойстве монохлорида меди растворяться в концентрированном растворе поваренной соли.

Взято несколько метров многожильного медного (нелуженого) провода и зачищено от изоляции.

copper_wires

Полученный пучок проволоки скомкан (так чтобы увеличить площадь контакта с раствором) и запихан в двухсотмиллилитровую баночку из-под джема.

copper_wires_in_jar

Взято 24 грамма медного купороса (CuSO4 x 5H2O) и перемешано с 48 граммами поваренной соли (NaCl).

blue_vitriol_salt

Оное помещено в другую банку и растворено в 200 мл горячей (прямо из свежевскипяченного чайника) воды.

blue_vitriol_salt_solution

При растворении образовалось небольшое количество осадка (видимо основной соли меди Cu(OH)Cl). Раствор слит с осадка в банку со скомканной медной проволокой. Осадок выброшен.

copper_wires_in_solution

Затем банка с проволокой и раствором купороса с солью плотно закрыта крышкой и поставлена на батарею центрального отопления. За сутки раствор потерял зеленую окраску и приобрел светло-коричневый цвет. На дне банки и на поверхности жидкости скопился осадок (вероятно все той же основной соли).

reaction_finished

Настойка купороса на медной проволоке вылита в пол литра холодной воды через фильтр из куска старой наволочки, дабы осадок основной соли не загрязнял продукт. Когда раствор попадал в избыток воды наблюдалось обильное выделение белой мути.

turbidness

Банка с остатками проволоки была залита водой (чтобы медь не окислялась) и отставлена для последующего использования. Банка с водой, куда была вылита настойка была оставлена на час для осаждения мути.

По прошествии часа на дне банки скопился белый осадок в виде тонкого порошка, похожего на толченый мел или алебастр, а вода над слоем осадка стала совершенно прозрачной и приобрела слабый голубоватый оттенок.

sediment

Порошок промыт водой, затем этиловым спиртом, а затем абсолютным (безводным) изопропиловым спиртом. Выход монохлорида меди - одна небольшая чашка. (Взвесить не представляется возможным, поскольку в мокром состоянии это бессмысленно, а сушить его мне не хочется во избежание потерь.

cucl_ready_to_use

Как показала практика, монохлорид хорошо и долго сохраняется под слоем не только изопропанола, но даже и обычной воды. Однако к жидкости следует добавлять кислоту (например уксусную эссенцию) в количестве 1% от объема жидкости. В противном случае монохлорид довольно бодро диспропорционирует в основную соль, которая для лазера непригодна. Ксатати добавление небольшого количества кислоты в промывную воду/спирт полезно и на этапе получения монохлорида - позволяет сократить потери.

 

 

КОРУНДОВЫЙ РАЗРЯДНИК. НОВАЯ НАДЕЖДА

Генератор двойного высоковольтного импульса на основе двойной RC цепочки работает неплохо. Но, надо сказать, основное, чем он занимается - это перекачивание энергии в тепло. Действительно, когда оба импульса на лазерную трубку сгенерированы, ему ничего не остается, кроме как доразрядить емкости через резисторы. А поскольку первичный накопитель намного больше по емкости чем вторичные накопители (иначе просадка нпряжения будет слишком большой и схема перестанет работать) то и запасенная энергия много больше чем реально используемая. И вся ее неиспольуемая часть после генерации пары импульсов отправляется прямиком в /dev/null.

Можно ли как-то заставить лазер полезно использовать этот избыток энергии? Например продолжать генерировать лазерные импульсы по мере разряда первичного накопителя. Тогда каждый раз лазер генерировал бы не один импульс а много. Такой режим называют режимом "вспышек" (англ. "burst mode").

Единственное, чего не хватает для реализации режима вспышек, это малоиндуктивный высоковольтный переключатель, способный срабатывать с частотой в несколько тысяч раз в секунду. Приемлемое решение было найдено, например, в работе [Сайто, Танигути и Нодзава. Простой и компактный низкотемпературный лазер на нейтральных парах металлов. Приборы для научных исследований, 1985, №12, 57-59.] Авторы использовали разрядник с очень малым межэлектродным зазором и, к тому же, продували его сжатым воздухом. Другие используют водородные тиратроны, которые недешевы (когда новые и покупаются не на радиорынке) и требуют замысловатых цепей управления, в общем случае уязвимых к проскокам высокого напряжения.

Альтернативное решение было найдено как побочный продукт моих исследований лазера с карборундовыми электродами. Джон Сингер заметил, что электрический разряд сквозь пористую керамику может иметь малое время восстановления и написал мне об этом. Нельзя сказать, что я не думал об этом независимо. Но мои мысли, так сказать "витали в облаках" и не приняли, ни форму текста ни форму изделия, так что приоритет, несомненно за Джоном. На самом деле именно возможность опробовать новый тип разрядника в схеме драйвера лазера на галогенидах меди и была одной из четырех главных причин, побудивших меня к сооружению последнего.

Cp1 470 pf +-----||-------+ | | (-) | | 0--+-----I (------+-----------------------------+-------------+ | | | | | SG1 | | | | 10 mm / / / | \ Rb1 Rb2 \ \ Rs2 | / 91 kOhm 91 kOhm / / 8.3 MOhm | \ \ \ | / / / | | | | | +-----------------------------+ | | Cs2 4nf || | | | +----+---||--+----+ | | | | || | | | | _ | | | SG3 | | /o\ / Rs | | 5 mm | | LT1 | | \ 5k6 --- U | --- |x| / --- XXX | --- | | \ Cp3 | - | | Cs0 \o/ / 470 | | | | 30 nf - | pf | | | | | | | | | 0--+-------------------------------+----+-------+----+--------+ (+)

Рис 7. Драйвер лазера на галогенидах меди, собранный по принципу релаксационного генератора на разряднике, заполненном пористым материалом. Обозначения элементов сохранены в соответствии с рисунком 1.

 

Схема нового драйвера представлена на рисунке 7. Балластные резисторы Rb1 и Rb2 совместно со вторичным накопительным конденсатором Cs2 и разрядником SG3 формируют классический релаксационный генератор (вспоминаем схемы на неоновой лампочке) с частотой повторения импульсов, определяемой постоянной времени заряда RC-цепочки (4nf91KOhm/2)=182 mcsec. Первичный накопитель Cs0 нужен лишь для того, чтобы предоставить достаточно электрической мощности этому релаксационному генератору, чтобы тот мог генерировать свободно на протяжении хотя бы небольшого интервала времени. Если бы высоковольтный источник питания обладал достаточной мощностью и если бы разрядник был достаточно огнеупорным, чтобы ее выдержать, схема могла бы работать непрерывно и лазер, вероятно мог бы произвести на свет вполне приличную выходную мощность. В представляемом виде, однако, эта схема способна лишь время от времени производить короткие вспышки из коротких серий импульсов. Причем интервал между импульсами во вспышке определяется в основном постоянной времени заряда RC-цепочки релаксационного генератора, а интервал времени между сериями (вспышками) определяется лишь способностью источника питания зарядить первичный накопитель Cs0. Поскольку используемый высоковольтный источник питания несколько слабоват, интеравл между вспышками довольно велик (1 сек).

Изюминкой этой схемы, конечно же является сам разрядник SG3 заполненный пористым диэлектриком. В предварительных тестах использовались абразивные боры от ручного гравера. Их головка сделана из пористой керамики Al2O3 а сами их стальные шпиндели использовались в качестве электродов разрядника. См рис 8.

new_spark_gap

Рисунок 8. Новый разрядник, зазор которого заполнен пористой керамикой из абразивного Al2O3. Видно, что разрядник закреплен на раме впараллель к "старому" воздушному разряднику.

 

Поскольку зазор между электродами заполнен пористой керамикой, искра между электродами просто вынуждена становиться тонкой, чтобы просочиться в порах между зернами. Тонкая искра обладает следующими свойствами:

Она быстрее охлаждается. Ионы в ней быстрее рекомбинируют с электронами. Ее сопротивление значительно больше чем у обычной искры.

Первые два свойства играют нам на руку. Что до третьего - то если сопротивление будет слишком велико это затянет разряд и снизит вкладываемую в плазму энергию. В сумме это может привести к отсутствию генерации, что, понятное дело, сведет на нет все достоинства.

Стало быть надо было ответить на вопрос, согласится ли лазер генерить с таким разрядником или нет.

Он согласился. Генерация есть. Не столь надежно, как с генератором двойного импульса на основе двойной RC цепочки, но вполне достижимо. В лучших вспышках яркость пятна значительно превышала оную, полученную с генератором двойного импульса. Очевидно это вследствие того, что во вспышке заметно больше импульсов, чем два, и все они складываются в один при визуальном восприятии.

Надо сказать, что за исключением одного единственного опыта, специально поставленного на предмет проверки способности лазера генерить с выходным зеркалом в виде пары микроскопных стеклышек, все остальные пуски, описанные в этом файле, проводилсись в резонаторе из вогнутого алюминиевого зеркала и поского зеркала от гелий-неонового лазера, которое имеет пропускание в зелени порядка 50%. На желтой линии, надо понимать, его пропускание еще ниже.

Теперь с уверенностью можно сказать, что искровой разрядник, межэлектродный зазор которого заполнен пористым диэлектриком, определенно может использоваться для генерации импульсов в цепях питания лазеров на парах галогенидов меди.
Смотрим видео ниже. Напряжение самопробоя разрядника с пористым керамическим диэлектриком в этих опытах было приблизительно равно напряжению самопробоя воздушного разрядника с зазором 5 мм и сферическими электродами.

Как видно на видео, генерация слегка нестабильна, а при работе с разрядником возникает стойкое ощущуение, что он деградирует. Однако вскрытие и осмотр разрядника показали - керамика на вид чиста. Без следов обгорелости. Так что может это деградирует лазерная трубка (а она это делать любит и умеет). Поживем - увидим.

Да, кстати. При работе с этим разрядником температурный диапазон работоспособности лазера несколько сдвинулся вверх. Градусов на 50.

 

02.02.2016 ШАГ СЛЕДУЮЩИЙ. СОЛЯНОЙ РАЗРЯДНИК

Был сделан новый разрядник. По конструкции - точная копия уже используемых SG1..SG3. С той лишь разницей, что в его корпус была засыпана соль. Да-да, самая обычная поваренная соль. Только не думайте, что это было первое, что попалось под руку. Выбор основывался вот на чем: большинство диэлектриков, находясь под воздействием искры, разлагаются. И если продукты разложения проводят электрический ток, разрядник прекращает работать. Таковы например карборунд (выделяет углерод) или стекло (выделяет кремний и некоторые металлы). С другой стороны поваренная соль состоит только из натрия и хлора. Сомнительно, чтобы натрий оставался в металлическом состоянии сколь-нибудь существенное время после разложения соли. (Впрочем этот вариант меня бы тоже устроил. Только представьте, какой способ добывания натрия нахаляву!) И даже если хлор уйдет, окись натрия - диэлектрик не хуже исходной соли.

В кухонной ступке было перетерто грамм 50 поваренной соли. (Пока я это делал, мне пришла в голову мысль, что возможно я маюсь дурью. Действительно - чем мельче порошок, тем тоньше поры между его зернами. А значит тем тоньше искра и выше ее сопротивление. Правда какой-то чертик подсказал мне довести дело до конца.)

Затем мелко истертая соль была насыпана в пластиковый корпус разрядника таким слоем, чтобы полностью скрыло округлую головку верхнего электрода. Т.е. чтобы любой возможный путь искры лежал внутри соляного порошка.

salt_spark_gap

Наполненный солью разрядник был закрыт и поставлен на место разрядника SG3 (по рисунку 7). Начальный зазор между электродами был выставлен в 5 мм.

Испытания на напряжение срабатывания показали, что такой разрядник требует необычно большого межэлектродного зазора для тех же пробойных напряжений. После некоторых траблов мне удалось настроить разрядник так, чтобы он срабатывал при напряжении 13 кВ (что соответствует зазору в 5 мм в моих воздушных разрядниках).

После настройки разрядника лазер заработал без лишних мучений. Выдаваемые серии вспышек были длинными а сами вспышки - очень яркими. И ни разу не проскочило желтое пятно. См. рис 8.

VCL_with_salt_spark_gap_in_work

Рисунок 8. Самодельный лазер на парах галогенидов меди в действии. Используется схема с разрядником, межэлектродный зазор которого заполнен порошком поваренной соли.

 

Надо сказать, что верхняя граница работоспособности лазера по давлению с этим разрядником уехала вверх. Максимум достиг уже почти дюйма ртутного столба.

Для контроля я все таки сподобился заполнить разрядник сравнительно крупнозернистым порошком поваренной соли. Использовалась соль "Экстра", категории "мелкая", ровно в том состоянии, в котором она продается в магазинах. Не сказать, что лазер после этого совсем не заработал. Но как-то очень тяжко. Никаких серий, только одиночные вспышки. Изредка, правда, даже яркие, но в
среднем все плохо.

Стало быть порошок для заполнения разрядника все-таки должен быть мелким. Да кстати. До меня внезапно дошла "суть вещей": это же оказывается "разрядник с заполнением зазора диэлектрическими наноматериалами"! Как круто звучит... и, главное, в тренде...

 

06.02.2016

В результатае очередной чистки труба была сломана. Вот фотки обломков
broken_tubebreack_topsome_shit_inside01some_shit_inside02some_shit_inside03some_shit_inside04dirty_tube01dirty_tube02

Наработка трубы около шести часов. Другие подробности позже...

 

8.02.2016

За эти выходные:

собрана и загружена новая труба, взамен расколовшейся при чистке старой получены фотографии луча, разделенного призмой на зеленый и желтый получена генерация красителя (Родамин 6Ж в изопропаноле) НЬЮТЬЮБЕ ДЛЯ ЮТЬЮБЕ

Поначалу казалось, что нет необходимости каждый раз драить трубу при загрузке новой порции монохлорида меди. Старый монохлорид плавился и образовывал сплошной слой, практически припаянный к стеклу так прочно, что ни выдуть ни вытрясти его не удается. Понятно, что на первый взгляд это хорошо, - трубку можно таскать, переворачивать, откачивать без опаски. Но, как позже выяснилось, для генерации эти старые наслоения практически бесполезны. По мере отжига порошок монохлорида "теряет активность". То ли оплавяется и теряет поверхность эффективного испарения, то ли даже реагирует с примесями кислорода и азота, и настоящий монохлорид оказывается замурованным в толще оксида или даже нитрида меди. Так или иначе наслоения бесполезны и они накапливаются. А трубу приходится чистить, хотя бы чтоб не заросла апертура. Кстати говоря эти наслоения еще и отчасти проводящие, что портит разряд. В старой трубе под конец было уже почти невозможно получить нормальный светящийся столб разряда - одни ветвящиеся искры вдоль стенок.

В итоге трубу было решено почистить, но к чему это привело, Вы видели выше. Понятно, что теперь труба будет чиститься при каждой дозагрузке, - каждый силен, как говорится, задним умом.

Из новой стеклянной трубки и того, что удалось спасти от старой трубы, была собрана новая. Конструкция трубы достаточно проста, чтобы требовались какие-либо объяснения, тем не менее пара советов:

Когда нихром наматывается на стеклянную трубу, витки имеют неприятную тенденцию соскальзывать, ставя под угрозу работоспособность всего нагревателя. Этого легко избежать, если вдоль стенок трубы натянуть пару-тройку асбестовых веревок. Концы веревок можно закрепить хоть скотчем. Шершавые веревки не дают сползать виткам проволоки и наматывание идет успешно. Насчет течей и вакуума. Этот тип лазера работает при довольно низком давлении. Что еще хуже он не переносит примесей воздуха и кислорода в буферном газе. Поэтому герметизируйте трубу так злостно, как только сможете. Представьте, будто хотите сделать совсем отпаянный лазер. Если труба подтекает - каждый лишний миллиметр ртутного столба в час натекания сведет Вас с ума.

asbestos_threads_for_winding_on_the_glass_tube

Рис 8. Прием намотки нагревателя на стеклянную трубу. Две асбестовых веревки, пущеных вдоль трубы не дают виткам сползать.

При загрузке полезно смочить порошок монохлорида меди спиртом. Полученная кашица хорошо прилипает к стеклянным стенкам и удерживатся на них до высыхания. После нанесения монохлорида на стенки трубку необходимо быстро высушить. Используйте для этого фен. Установите температуру фена в 100120 градусов и дуйте горячим воздухом сквозь трубу. Поток воздуха должен быть не очень сильным,
чтобы не сдуло монохлорид. В таком режиме за 20..30 минут труба успешно высыхает.

В конечном итоге труба была собрана, загружена монохлоридом меди, полученным по купоросному способу и испытана. Поначалу при нагреве выделялись бурые пары (естественно что перед нагревом труба была откачана и наполнена гелием). На вид пары ничем не отличались от тех, какие бываюд при использовании иодида меди, когда в нагретую трубу попадает воздух или порошок оказывается загрязнен дихлоридом меди. Проще говоря - похожи на элементный йод. (Да, теперь я знаю, почему создатели медных лазеров избегают пользоваться йодидом.) Откуда он мог тут взяться? Вероятнее всего поваренная соль оказалась йодированной.

Однако в этом случае йода выделилось немного и он успешно откачался насосом. После нескольких промывок гелием, сопровождавшихся осторожным нагреванием, труба согласилась загенерить. Поначалу пятно генерации удавалось наблюдать очень редко, но по мере циклирования температур и смены гелия, генерация достигалась все легче и легче.

Трубка оказалась работоспособна в диапазоне температур, соответствующих показаниям от 4 мВ до 10 мВ напряжения от термопары. В процессе пересборки трубы пристрелки ради я вносил термопару в пламя бутановой горелки. В самом горячем месте мультиметр показал 41 мв. Другой мультиметр с исправной шкалой температур показал в тех же условиях 1350оС. По литературным данным пламя Бунзеновской горелки имеет температуру 1230оС, а пламя бензиновой горелки Бартеля - 1380оС. Т.е. полученный результат похож на правду. Отсюда можно найти калибровочный коэффициент, если предположить линейность зависимости напряжения на термопаре от температуры: k=1350/41 мВ = 32 oC/мВ. (Комнатными 25-ю градусам пренебрегли на фоне тысячи с гаком.) Надо отметить, что поскольку по понятным причинам используется уже другой мультиметр калибровочный коэффициент не совпадает с
полученным ранее.

Теперь можно оценить минимальную температуру: Tmin=k4mv+25=155oC
И максимальную: Tmax=k10mv+25=345oC

Слишком низкая нижняя температурная граница и впрямь озадачивает. Возможно она связана с развитой поверхностью испарения - монохлорид меди, полученный купоросным способом, имеет вид очень мелкого порошка (пролазит через бумажные фильтры). Кроме того столь низкие температуры работоспособности наблюдаются лишь в первых пусках. По мере отжига трубы нижняя температура работоспособности довольно бодро растет.

Оптимальная температура, напротив, ведет себя довольно стабильно и соответствет показаниям в 9+-1 мВ. (9мВ32oC/мВ+25oC=313oC).

Труба гонялась с разными цепями накачки. Лучше всего она себя ведет при использовании драйвера с рисунка 7 вкупе с разрядником, заполненным тертой солью. Дальнейшие результаты получены именно с таким питанием.

  ЖЕЛТИЗНА И ЗЕЛЕНЬ

Общеизвестно, что медный лазер генерит сразу на двух линиях. Самая сильная линия лежит в зеленой области спектра. Вторичная линия - желтая. Обычно яркое зеленое пятно скрывает от взгляда более слабое желтое пятно. Тем не менее, если их чем-нибудь разделить, можно наблюдать их оба.

У меня с давних пор валяется купленная на радиорынке призма из тяжелого сильно преломляющего желтоватого стекла (наверное какой-то из флинтов). Призма обладает сильной дисперсией, вот и нашлось ей применение. Правда призма довольно сильно покоцана (это было еще при покупке) но вряд ли это помешает.

Призма была установлена по ходу луча от медного лазера.

laser_with_prism

И после нескольких попыток упрыгавшее невесть куда (отклоненное призмой) пятно было найдено. С определенными усилиями его удалось даже заснять (риунок 9 и видео ниже).
split_by_prism1split_by_prism2split_by_prism3

Рисунок 9. Пятно медного лазера, пучок которого разделен призмой на зеленую и желтую составляющие. Главное пятно слишком яркое и изображение замывает, гораздо лучше разделение заметно на вторичном пятне вправа и вверх от основного.

 

Тот факт, что действительно удалось пронаблюдать зеленое пятно одновременно с желтым - серьезный аргумент в пользу того, что генерация наблюдается именно на меди а не на чем либо еще.

 

ГЕНЕРАЦИЯ КРАСИТЕЛЯ

pump01_good_lasa

Одно из применений, для которых мог бы использоваться лазер на парах меди - это накачка лазеров на красителях. Но в отличие от широко используемого в этих целях азотного лазера здесь мы не можем накачать синие и зеленые красители. Выбор красителей для медного лазера, видимо, ограничивается лишь родаминами. Для опытов по генерации все было расставлено примерно так же, как и когда генерация красителей получается с азотного лазера.

Обычная пятимиллилитровая кювета от спектрофотометра (с двумя матовыми гранями отполированными мной вручную) была заполнена раствором родамина 6Ж в изопроиловом спирте концентрацией 3..5 ммоль на литр. Луч медного лазера фокусировался на кювету цилиндрической линзой с фокусным расстоянием 20 мм.

В первых попытках генерации красителя не найдено.

Тогда для снижения порога генерации на кювету были наклеены зеркала. Одно из них плоское алюминиевое (кусок обычного бытового зеркальца). Другое - покровное микроскопное стекло. Оба зеркала были приклеены глюганом.

И снова лазер был запущен.

Представьте себе работенку. Когда нагреватель включен лазер буквально за две минуты прогревается от нижней предельной температуры до верхней. Оптимальный диапазон температур, в котором возможна мощная генерация, он проскакивает секунд за тридцать. Чуть дольше - если во время охлаждения. После напуска одного дюйма ртутного столба гелия и установки вакуумной системы на слабую откачку, проход от верхнего до нижнего пределов по давлению занимает с минуту. Чуть меньше 20 секунд на оптимальной диапазон по давлению. И теперь, когда я прыгаю между кранами и выключателями как макака, еще и нужно попытаться отрегулировать положение линзы и кжюветы и что-нибудь заснять. Не скрою - мне помогали. Но даже при этом все было непросто. Неудивительно, что пятна генерации красителя я даже не видел собственными глазами. Они были обнаружены лишь при постпросмотре записи с видеокамеры.

Тем не менее генерация красителя под лучом медного лазера была в итоге получена (см.рис.10).

R6G_lasing_under_CVL1R6G_lasing_under_CVL2

Рисунок 10. Генерация родамина 6Ж при накачке лучом самодельного лазера на парах хлорида меди.

 

Тот факт, что генерация красителя была получена подтверждает мою визуальную оценку выходной энергии медного лазера в 100 мкДж. Можно поспорить, что азотник с такой энергией легко заставит краситель загенерить безо всяких линз и зеркал. Тут нужно вспомнить, что обычная для медных лазеров длительность импульса - порядка 50 нс, в то время как для азотника атмосферного давления - 0.6 нс. Разница почти в сто раз. Правда, поскольку длительность импульса азотника короче времени жизни верхнего лазерного уровня в красителях, правильнее было бы сравнивать не длительности импульсов, а длительность импульса медного лазера со временем жизни для родамина. И тут мы получаем не столь впечатляющую разницу (от 25 до 12.5 раз, если пользоваться оценками времени жизни в 2 и 4 нс соответственно). Зато эта разница больше отвечает степени фокусировки пучка цилиндрической линзой. Тем более, что у медного лазера пучок широкий и фокусируется плохо.

Можно заметить (и некоторые уже заметили), что лазер нуждается в плавной регулировке температуры и давления. А лучше - в автоматической. С температурой чуть проще. Последовательно с нагревателем так и просится установка диммера. Хотя и нет уверенности, что он выживет в условиях проскока высокого напряжения с плазмы на спираль через емкостную связь. С давлением все тяжелее. Вакуумные электроклапана это не только дорого, это еще и громоздко. А вышибать цепи управления будет ничуть не хуже.

Тех, кто ищет готовых решений, хочу предупредить сразу: задача разработки автоматики стабилизации температуры и давления тут не ставилась с самого начала. Практически все, что мне хотелось знать о лазере на парах галогенидов меди, уже узнано, а большинство вещей, которые мне хотелось попробовать (и в первую очередь новые виды разрядников) уже опробованы. И проект стремительно двигается к своему логическому завершению (т.е. к торжественному перемещению на полку, либо к разборке на детали для следующих лазеров). Оставшуюся пару недель можно и попрыгать, как макака, между кранами и выключателями.

 

КАПИЛЛЯРНЫЙ РАЗРЯДНИК

Соляной разрядник неплох. Но во-первых, чтобы он хорошо работал, его не помешало бы время от времени встряхивать (на ум приходит коггерерный приемник Маркони - Попова). Да и менять заполняющий порошок, ибо он имеет свойство загрязняться продуктами эрозии электродов (проще говоря порошковым железом). А во вторых, непонятно как его заставить работать на высокой частоте повторения. Ибо перегреется стопудово.

С другой стороны пористый заполнитель - отнюдь не единственный способ заставить искру быть тонкой и быстрореагирующей. Можно, например, использовать длинный и тонкий капилляр...

Уместно напомнить, что лазер на галогенидах (да и вообще соединениях) меди требует для своей работы, чтобы часть атомов меди в газе присутствовала в свободном состоянии. Т.е. чтобы часть медной соли все время разлагалась (хорошо если обратимо, а то ведь бывает, что и нет). Кто-то из отцов-основателей придумал разлагать пары медных солей электрическим разрядом. С тех пор и повелось питать медный лазер либо сдвоенными импульсами, либо непрерывной последовательностью импульсов. Причем каждый предыдущий импульс обеспечивает диссоциацию соединений меди для последующего. Задержка по времени между импульсами с одной стороны не должна быть слишком маленькой, иначе не успевает расселиться нижний лазерный уровень и генерации не будет. А с другой стороны она не должна быть слишком большой, иначе все полученные атомы меди либо рекомбинируют обратно в соль, либо (что хуже) сядут на стенки трубки, где и образуют проводящее покрытие с успехом закорачивающее разряд. Требуемое время задержки помнит, наверное, любой, кто хотел построить лазер на парах меди и удосужился прочитать хотя бы Sam's Laser FAQ. Это 100..200 мкс.

Значит наш быстродействующий переключатель должен отрабатывать времена на уровне 100..200 мкс. Процессы, ограничивающие скорость восстановления электропрочности разрядника могут включать охлаждение плазмы, рекомбинацию ионов с электронами, смену газа и тд. Поскольку рассматривается капиллярный разрядник, смену газа отметем сразу. Все еще остаются время остывания и время рекомбинации.

Что до тепловой стороны вопроса, то несложно получить выражение, связывающее разность температур между центром и стенкой однородного цилиндра с равномерно распределенным объемным источником тепла q:

deltaT=qR^2/(4lambda)

где R - радиус цилиндра, lambda - теплопроводность его материала.

Рассмотрим часть цилиндра длиной l. И умножим числитель и знаменатель приведенного выражения на объем этой части цилиндра (на piR^2l):

deltaT=piR^2lqR^2/(4lambdapiR^2l)

Заметим, что piR^2lq это полный источник тепла, действующий в данном участке стержня. Обозначим его как Q:

deltaT=QR^2/(4lambdapiR^2l)=Q/(4pilambdal)

Это выражение определяет тепловое сопротивление участка цилиндра как:

Rt = 1/(4pilambdal)

Быть может с точностью до множителя порядка двойки за счет того, что средняя температура не равна температуре в центре.

Теплоемкость рассматривемого куска цилиндра:

Ct = cvpiR^2l

где cv - удельная теплоемкость материала (в нашем случае - газа) на единицу объема. Используя далее аналогию между теплоемкостью и электрической емкостью и между тепловым сопротивлением и электрическим можем сразу записать постоянную времени охлаждения плазменного (газового) столба искры:

tau = Ct Rt = cvpiR^2l/(4pilambdal) = cvR^2/(4lambda)

Моль двухатомного газа имеет теплоемкость (5/2)r, где r=8.3 Дж/(мольK) - универсальная газовая постоянная (обозначаемая обычно заглавной буквой, но R уже занято под радиус стержня). В системе СИ при атмосферном давлении:

cv=20.75[J/(mol K)]/22.4e-3(m^3/mol) = 926 [Дж/(куб.мK)]

Поиски величины теплопроводности воздуха мистическим образом натолкнулись на кучу опечаток в справочниках. В конце концов была взята теплопроводность кислорода [Хим. Энциклопедия в 5 томах. Под ред И.Л. Кнунянц. Москваб Сов. Энциклопедия 1988б т.2.]: lambda(O2)=0.0245 W/(m K).

В итоге для трубки внутренним диаметром 1 мм заполненной воздухом при атмосферном давлении получим постоянную времени охлаждения:

tau = 926(5e-4)^2/4/0.0245 = 2.36 msec

Великовато для наших целей. Чтобы прийти к требуемым величинам можно либо использовать водород или гелий, имеющие на порядок большую теплопроводность, либо снизить теплоемкость на единицу объема за счет откачки. Например при 0.1 атм моль газа занимает уже не 22.4 литра а 224 литра и объемная теплоемкость падает до cv = 92.6 [Дж/(куб.мK)] что дает tau = 0.236 msec. Или еще можно взять еще более тонкий капилляр.

Полученные числа показывают, что необходимое быстродействие разрядника может быть получено в капиллярах внутренним диаметром менее 1 мм при давлениях менее одной десятой доли атмосферного. По крайней мере газ будет с достаточной скоростью охлаждяться. Может ли холодный газ оставаться проводящим это отдельный вопрос. Практика показывает, что может. С другой стороны та же практика (предионизации в лазерах) показывает что время, которое газ остается проводящим после снятия ионизирующего воздействия не так велико 1..10 мкс, а значит и поправка на рекомбинацию будет незначительной.

В любом случае полученные числа не выглядят недостижимыми. Так что имеет смысл делать и пробовать и такой разрядник.

 

Интерлюдия 3. Технологическая. СТЕКЛОДУВСТВО. КАПИЛЛЯРЫ.

Произведения искусства стеклодувов вызывают восхищение... А заодно и мысль, что никогда так не сможешь. На практике оказвается не все так инфернально. Вытянуть стеклянный капилляр непринципиально сложнее, чем согнуть стеклянную трубку в пламени спиртовки (а это, наверное, делал каждый).

Вам потребуется обычная бутановая горелка и (большой) запас стеклянных трубок. Возьмите в руки стеклянную трубку, держа ее у концов, и попробуйте вращать ее вокруг ее оси. Когда освоитесь с продольным вращением трубки, можно приступать к вытяжке. Для этого нагрейте участок трубки пламенем горелки все время продолжая эту трубку вращать. Время от времени подягивайте трубку вдоль ее оси, чтобы попробовать не готова ли она. Когда трубка начнет подаваться, быстро выньте ее из пламени горелки, обождите чуток и растяните трубку вдоль ее оси. Если растягивание делается одним быстрым и сильным движением, капилляр получается прямой и однородный.

Длина и диаметр получающегося капилляра сильно зависят от времени задержки между вытаскиванием трубки из пламени и вытягиванием. Чем длиннее получается капилляр, тем он тоньше и наоборот. Есть однако способ контролировать длину капилляра независимо от его диаметра. Для этого варьируйте размер нагреваемой части трубки. Чем длиннее прогретая часть тем длиннее капилляр при том же
диаметре.

Поскольку все делается вручную и плюс к этому зависит от силы растягивания, скорости растягивания, задержки, типа стекла, степени его прогрева, навык вытягивания требует определенной тренировки. Однако ж здесь нет ничего невозможного. Не сдавайтесь и со временем выработается чутье, как ведет себя нагретое стекло. Именно из-за необходимости тренировки и было сказано, что запас трубок под рукой желательно иметь побольше.

Весьма рекомендую попробовать и научиться. Игра стоит свеч, ибо этот несложный навык даст Вам неограниченный ресурс капилляров для запайки Ваших отпаянных вакуумных систем, для капиллярных лазеров (вспомнить тот же карманный лазер на красителе), для гейсслеровых трубок и для таких разрядников как здесь. Ну и плюс ко всему... это довольно весело, тянуть трубку. А еще чувство глубокого удовлетворения приносит тот факт, что больше не нужно покупать градусники на капилляры.

 

 

Назад к нашим баранам. Были сделаны несколько капиллярных разрядников разных размеров. Внутренний диаметр варьировался от 0.5 мм до 2 мм. Длина разряда варьировлась от 40 до 170 мм. См. рисунок 11. Конструкция разрядника предельно проста. Используется стеклянная трубка, средняя часть которой перетянута в капилляр. В оставшиеся широкими концевики вставлены электроды (сделанные из болтов на М3 вставленных шляпками внутрь трубки). Кроме того один из концов оснащается соском для отпайки (стеклянный капилляр для соска, как Вы понимаете, тоже несложно вытянуть). Торцы трубки с установленными электродами и соском герметизируются все тем же старым добрым глюганом. Не бог весть какой способ герметизации, но на месяц-другой работы разрядника в отпаянном режиме должно хватать.

capillaries

Рисунок 11. Капиллярные разрядники разных размеров.

 

Давление в разрядниках подбиралось таким, чтобы напряжение их самопробоя было равно 13 кВ. Примененная для этого схема показана на рисунке 12.

o---/\/\/------+-----+-------+ | | | 8.3 MOhm | | | --- V SGA V SGB --- 4nf | ^ ^ | | | o--------------+-----+-------+

Рисунок 12. Тестовая схема для подбора давления в капиллярных разрядниках.
SGA - контрольный разрядник "сфера-плоскость" с воздушным наполнением и зазором 5 мм. SGB - испытуемый капиллярный разрядник, давление в котором подбирается.

 

Вновь сделанный капиллярный разрядник подключается к тестовой схеме (рис 12, позиция SGB), откачивается и на схему подается напряжение. Если вакуум достаточно хорош, то пробивается с гарантией только капиллярный разрядник. Дальше давление в капиллярном разряднике поднимается до тех пор, пока капиллярный разрядник SGB на перестанет пробиваться, уступив эту роль воздушному разряднику SGA. Давление в разряднике, соответствующее прекращению разрядов замечается. Далее разрядник откачивается на 10% (так чтобы в нем осталось 90% от замеченного давления). Затем разряднику надо дать некоторое время поработать. Если напряжение срабатывания не ползет, разрядник отпаивается. Для этого достаточно всего-лишь погреть стеклянный сосок горелкой. Атмосферное давление само прекрасно справится со сжатием стекла и образованием вакуумно-плотного соединения.

Если в процессе тренировки напряжение срабатывания разрядника уползает, отпаивать его еще рано. Повотряйте цикл до тех пор пока все не устаканится. Если оно совсем не устаканивается, возможно разрядник следует переделать.

При тестах будьте осторожны: капиллярные разрядники очень легко перегреваются и выходят из строя (как правило - самоизлом капилляра). Серии импульсов должны быть достаточно короткими, чтобы не допускать перегрева. Еще надо заметить, что эти штуки довольно хрупкие, поэтому делать их желательно с запасом по количеству. Не все капилляры доживут даже до установки в лазер.

Первый из них, который тестировался, имел наружный диаметр 1 мм, внутренний диаметр 0.5 мм и длину "электрод-электрод" по дуге капилляра в 110 мм. Да он получился изогнутым - дрогнула рука при вытяжке. Рабочее давление этого разрядника получилось равным около 50 мбар. Это довольно странно, поскольку с учетом соотношения длины зазора и диаметра электрода тут ситуация больше похожа на "острие-острие", что для воздуха соответствует 10 кВ/см пробойного напряжения при атмосферном давлении а для 110 мм при 50 мбар соответствует всего 5.5 кВ. Наблюдаемые же 13 кВ срабатывания отвечают приведенной к одной атмосфере напряженности в 2.36 кВ/мм, что больше смахивает на величины пробивной напряженности, характерные для разрядников "шар-шар" или "шар-плоскость". Почему нак получается непонятно.

Вышеописанный разрядник был установлен в лазер и был дан тестовый прогон. Лазер вполне успешно загенерил. Пятна может и не настолько яркие, как при разряднике с соляным заполнением, но зато... стабильные. Лазер выдал очень длинную последовательность пятен очень одинаковой яркости. Это было столь занятно, что я забыл про перегрев. Результат не заставил себя ждать - капилляр разрядника треснул. (До капилляра из кварца и водяного охлаждения мы еще доберемся... если оно вообще потребуется.)

capillary_broken

Капиллярный разрядник был заменен на новый. Результат оказался... несколько разочаровывающим. Так поразившая меня стабильность исчезла без следа. Да, оно генерит, но... как минимум не лучше чем с соляным разрядником.

Дальнейшие тесты показали, что мучаемый самодельный лазер на парах хлорида меди работоспособен с большинством из сделанных капиллярных разрядников. Область работоспособности примерно такова: по длине разряда - от 65 до 120 мм, Для более коротких разрядников диаметр капилляра не должен превышать 1 мм (что отвечает внутреннему диаметру в 0.5 мм или несколько больше), более длинные успешно работают при диаметре капилляра до полутора, может даже до двух миллиметров. Поиски утраченной стабильности и производительности показали, что оптимум по длине разрядника находится где-то между 70 и 100 мм при наружном диаметре менее 1 мм.

Из приведенных выше формул видно, почему короткий разрядник работает хуже. Действительно для того, чтобы удержать напряжение срабатывания на том же уровне, с уменьшением длины приходится увеличивать давление. А это ведет к увеличению инерции газа. (Инерции во всех смыслах: тепловой инерции, механической инерции, ионизационной инерции и тд и тп.) В принципе с этим можно побороться. Хотя бы уменьшая диаметр капилляра. Но при этом во-первых снижается предельная энергия вспышки разрядника, а во-вторых он становится настолько хрупким, что с ним попросту невозможно работать.

Уменьшение производительности лазера при уходе к более длинным капиллярам скорее всего объясняется возрастающей собственной индуктивностью и эквивалентным сопротивлением разрядника. Это замедляет электрический импульс накачки лазера и уменьшает выходную энергию вплоть до погасания. Фотография капиллярного разрядника в работе приведена на рис 13.

capillary_working

Рис 13. Капиллярный разрядник в действии. Напоминает лампу-вспышку. Внимательный осмотр изображения позволяет заметить, что искровой канал в разряднике выглядит двойным. На самом деле у одиночной искры двойного канала быть не может. "Двойной" канал - верный признак того, что схема, как ей и полагается, генерирует сдвоенный импульс.

 

12.02.2016 ВОДОРОДНЫЙ... НЕТ НЕ ТИРАТРОН...

Раз уж получается в качестве разрядника использовать самодельную лампу, да еще и полностью отпаяную, почему бы ее чем-нибудь не наполнить? Например тем же водородом. В любой литературе по газоразрядным приборам (слишком многочисленной, чтобы имело смысл делать ссылку на какой либо конкретный источник) написано, что скорость электрон-ионной рекомбинации из всех газов выше всего в водороде. Сей факт собственно широко и эксплуатируется в тех же, не к ночи будь помянутых, водородных тиратронах.

 

Интерлюдия 4. Химическая. ВОДОРОД.

В отличие от неона, гелия, аргона и даже азота, водород сравнительно легко добыть в домашних условиях. Он дешев, неядовит и ничего не разъедает. Некоторые устраивают истерию на почве его пожароопасности, забывая при этом, что мы каждый день пользуемся горючими газами при приготовлении пищи, в наших горелках и т.п. и как-то вот все еще живы. При соблюдении элементарных норм безопасности, будучи взят в небольших количествах водород совершенно безобиден.

К сожалению то же самое нелзя сказать о всех путях его получения. В школе нас учили, что почти любая кислота с любым (стоящим до водорода в ряду напряжений) металлом реагирует с выделением водорода. Ну то есть берем ведро уксуса и кидаем туда мешок стальных гаек... Удивляемся почему реакция не идет. Ну или берем стакан крепкой соляной кислоты и бросаем в него ком смятой алюминиевой фольги... В общем, на практике большинство реакций идут либо слишком медленно и водород быстрее утекает через неплотности, либо идут слишком быстро и... Ну тут лучше я просто приведу пример из собственной истории.

----------------- !!!ДЕТИШКИ НЕ ДЕЛАЙТЕ ЭТОГО ДОМА!!! -----------------

Как-то раз приспичило мне добыть некоторое количество водорода. Взял я баночку миллилитров на двести, залил до половины аккумуляторным электролитом и кинул туда несколько граммов алюминиевой фольги, порезанной на кусочки. Тут же закрыл баночку крышкой с патрубком, к которому был привязан воздушный шарик. Жду. Долго-ли коротко-ли - реакция не идет. Оксидная пленка на фольге мешает. Открываю баночку и кидаю туда пол чайной ложки поваренной соли для вспоможения реакции. Пузырьки потихоньку пошли. Накрываю банку крышкой с шариком и отставляю в сторону - ждать пока наполнится.

Через некоторое время мое внимание привлек какой-то нехороший шум... Гляжу на баночку а там уже раствор вовсю кипит. Шарик тут же срывает с шланга и оттуда как из огнетушителя бьет струя кислоты... Возвращение Чернобыля. Было слишком поздно что либо менять и оставалось только дождаться пока весь раствор не выплюнет из баночки. "Спасибо, бро, ты сделал мой день," - сказал я глядя на пролитый раствор и приступил к уборке.

Надеюсь теперь Вам понятно, что имеется в виду, когда говорится, что реакция идет слишком быстро и неконтролируемо.

-----------------------------------------------------------------

Такчто что бы там ни говорилось в учебниках, на практике Вам придется пользоваться лишь старым добрым цинком с соляной либо серной кислотой. Последняя более доступна, поскольку продается в виде электролита для автомобильных аккумуляторов.

Цинк можно добыть из использованных солевых батареек. Не трудитесь вскрывать щелочные ("алкалиновые") батарейки - цинк там в настолько неудобном для использования виде, что такую батарейку проще выкинуть чем заниматься рекуперацией цинка. Также убедитесь в присутствии надписи "0% mercury, 0% cadmium" (не содержит кадмия и ртути) - на всякий случай, чтобы не травить себя попусту. (Надеюсь очевидно, что не следует разбирать на цинк любого рода аккумуляторы, литиевые батареи, и вообще батареи неизвестных типов. Ищите лишь знакомый тип: например пальчиковые щелочные батарейки маркируются как LR6 - их не стоит использовать, а вот солевые маркируются как R6 и для разборки на цинк вполне пригодны.)

В солевой батарейке среднего размера (R20) цинка вполне хватает, чтобы наполнить водородом небольшой воздушный шарик.

R20_battery

Найдите бутылочку на 150..250 мл с узким горлом. Давлением, необходимым для наполнения воздушеного шарика, вспучивает и крышки банок, так что узкое горло просто необходимо. С другой стороны если для сбора водорода Вы будете использовать сосуд низкого давления (автомобильную шину, например) то можно пользоваться и широкогорлыми банками.

Zn_in_bottleZn_in_bottle_zoom

Положите в выбранную бутылочку 10-12 граммов металлического цинка (как раз сколько содержится в слегка использованной солевой батарейке среднего размера) и залейте 150-ю миллилитрами автомобильного электролита. После заливки в бутылке не должно оставаться слишком много свободного места, поскольку все оно будет занято воздухом, а водород в смеси с ним взрывоопасен. Да и на работу разрядника примесь воздуха положительно не повлияет. Так что, чем меньше воздука - тем лучше. Если после заливки в бутылке остается слишком много места - долейте воды из под крана. Слишком большое разбавление водой слишком замедляет реакцию, поэтому емкости объемом более 330 мл лучше не использовать. Слишком концентрированный электролит (т.наз. "корректировочный") тоже замедляет реакцию, поскольку начинает высаживаться кристаллический сульфат цинка и затрудняет доступ кислоты к поверхности металла. Еще один хинт - добавить маленькую щепотку медного купороса в электролит. Медь высаживается на поверхности цинка и образует тысячи наноскопических гальванопар, которые ускоряют растворение.

Затем закройте бутылку пробкой, снабженной трубкой, на которую насажен воздушный шарик. Лучше если он насажен заранее, поскольку уплотнять его второпях, когда реакция уже началась, бывает неудобно.

bottle_with_balloonreaction_in_progress

За час - другой шарик наполняется водородом. Не обязательно все это время сидеть у бутылки "над душой", но приглядывать за ней время от времени имеет смысл.

balloon_ready

Когда воздушный шарик наполнится, аккуратно снимите его с патрубка и используйте так же, как и использовали бы шарик с любым другим газом, например с гелием.

Если Вы достаточно позаботились об отсутствии примесей воздуха, шарик с водородом безопасен в обращении (даже если его поджечь - просто лопнет и сгорит, хотя и с сильным но с мягким пламенем). Если же у Вас остается чувство, что примесь воздуха может оказаться слишком большой (более 10%), имеет смысл стравить газ и переделать всю процедуру сызнова.

В итоге Вы станете счастливым обладателем воздушного шарика, заполненного водородом, который можно будет использовать для заполнения лазеров, разрядников, или чего еще душа пожелает.

 

 

Вначале была мысль не делать специальный водородный разрядник, а к имеющемуся воздушному разряднику атмосферного давления SG3 припаять пару патрубков и наполнять его корпус водородом перед каждым пуском лазера. Но здоровая лень порекомендовала не бросаться сразу в изготовление, а поискать в литературе, как надо делать, как люди делают, и что у них получается.

Как обычно с литературой начались чудеса. Везде и где-попало вознесены хвалы водороду и его разряднику и указано на способность такой системы работать при высоких частотах повторения. Например в [Маршак И.С. Импульсные источники света, М.: Энергия, 1978] имеется отсыл к другой работе, где авторы в простой RC-схеме получили частоту впышек 400 кГц с водородным разрядником при атмосферном давлении. Указано даже что изделие имело зазор 23 мм и работало при 20 кВ. Указание на то, что водород дает на порядок меньшее время восстановления имеется и в Справочнике по элементам радиоэлектронных устройств и в каталоге Перкин-Элмера. Но когда дело доходит до примеров конструкций или полученных характеристик... Довольствуйся только рецензиями, либо плати 30 баксов за заметку, или даже триста баксов за книгу. И то не факт, что нужное там будет. Метод shareware как-то в научной литературе не прижился <отдельный респект "Квантовой электронике", которая таки сподобилась выложить старые номера на бесплатный доступ... да и то не так давно.> Вот тебе и свобода информации...

Тем не менее информации, на которую намекалось в многочисленных, прочитанных мной, абстрактах, хватило, чтобы убояться ломиться напролом, пытаясь накачать водородом полноразмерный разрядник атмосферного давления, и подумалось, что некое подобие капилляра и небольшая откачка лишними не будут даже для водородного разрядника. Такой конструкт был сделан в двух вариантах: с длиной разрядного промежутка 30 мм и 40 мм. Внутренний диаметр узкой части перетяжки для всех вариантов был порядка 2 мм. См. Рис. 14.

h2_spark_gaps

Рисунок 14. Самодельные водородные разрядники. Светлые - новые. Темные - уже поработавшие.

 

Рабочее давление оказалось равным 0.5 бар для модели с зазором в 30 мм и 0.35 бар для модели с зазором 40 мм. Напомню, что давление подбирается так, чтобы напряжение срабатывания было равно напряжению срабатывания открытого воздушного разрядника типа шар-плоскость с зазором 5 мм (13 кВ). Т.е. получатеся, что электропрочность моего водорода составляет примерно треть от электропрочности воздуха, что находится в вопиющем разногласии с данными Википедии (см. статью "dielectric gases").
Водородные разрядники использовались по схеме, показанной на рис 15.

Cp1 470 pf +-----||-------+ Rb0 | | (-) 100k | | 0---/\/\/---+-----I (------+----------+-------------+ | | | | SG1 | | | 10 mm / / | Rb2 \ \ Rs2 | 45 kOhm / / 8.3 MOhm | \ \ | / / | | | | | | | Cs2 4nf || | | | +----+---||--+----+ | | | | || | | | | _ | | | | | /o\ / Rs | | | | LT1 | | \ 5k6 --- V | --- |x| / --- HSG | --- | | \ Cp3 | ^ | | Cs0 \o/ / 470 | | | Rb1 | 30 nf - | pf | | | 100k | | | | | | 0---/\/\/---+------------+----+-------+----+--------+ (+)

Рисунок 15. Формирователь многократных импульсов на основе самодельного водородного разрядника для самодельного лазера на парах галогенидов меди.


SG1 - заполненный атмосферным воздухом разрядник типа шар-плоскость с зазором 10 мм. HSG - водородный разрядник с зазором 30 мм (при давлении 0.5 атмосферы запечатанный в стеклянную трубку внутренним диаметром 6 мм с перетяжкой до 2 мм.) Схема требует внешноего питания постоянным током с напряжением 30 кВ.

С обоими типами разрядников лазер загенерил. Тот, что с зазором 40 мм и несколько меньшим давлением дает заметно лучшие результаты. Впрочем это может быть и статистический разброс, поскольку разрядники собирались и промывались газом с неодинаковым усердием. Ниже на рисунках показан разрядник в работе и лазерное пятно при работе лазера на частоте 10 Гц с таким разрядником.

H2_spark_gap_in_work

Рисунок 16. Водородный разрядник в работе. Виден красно-розовый цвет разряда и характерный "ветвящийися" вид искры.

 

Рисунок 17. Видео пятна самодельного медного лазера, работающего на частоте
10 Гц с использованием самодельного водородного разрядника. Разрядник наполнен
трое суток назад, отпаян и до сих пор работает.

black_spots_on_fotofilm

Рисунок 18. Отпечатки луча самодельного медного лазера на засвеченной но непроявленной фотопленке. Сфокусировано линзой с фокусным расстоянием 25 мм.

 

Использование довольно мощного (400 Вт х 30 кВ) блока питания позволило добраться до частоты повторения 10 Гц. При этом удалось даже как-то измерить выходную мощность. Она составила 2 мВт с точностью до погрешности, сравнимой по величине с самой измеряемой величиной. Помимо классических помех (сквозняк, электрические наводки) измерения осложняются еще и тем, что калориметр "видит" инфракрасное излучение нагревателя даже с расстояния более метра.

Да, водородный разрядник греется. Но не настолько сильно, как его капиллярно-воздушный собрат. Тем не менее катодное распыление электродов ограничивает срок службы.

H2_spark_gap_after_work

Новость хорошая: слой металла, напыляющийся на поверхность стеклянной трубки имеет блестящий вид, что означает, что при самодельном изготовлении зеркал методом катодного распыления необязательно пользоваться инертными газами. Похоже можно ограничиться и водородом.

 

НА ПУТИ К МОЩНОМУ И ДОСТУПНОМУ ВЫСОКОВОЛЬТНОМУ БЛОКУ ПИТАНИЯ

Как видно из сказанного, мой самый мощный блок питания оказался способен раскачать этот лазер только до 10 Гц. На этой частоте лазер выдает около 2 мВт и 100 мкДж. Т.е. он все еще слегка проигрывает моим лазерам на красителях с накачкой от азотного лазера и серьезно отстает от лазеров на красителях с ламповой накачкой и по энергии и по средней мощности. По сложности же создания вещи вообще несравнимые. Медные лазеры с трудом масштабируются в сторону увеличения выходной энергии, но легко - в сторону увеличения частоты повторения. Все, чего не хватает, это достаточно мощный блок питания. Только где-ж его взять-то? Высоковольтные трансформаторы на несколько киловатт на дороге не валяются, а мотать самостоятельно настолько не улыбает, что лучше забросить весь проект, чем этим заняться. Что остается? Транс от микроволновки? Катушки зажигания, подключенные к диммеру? Или доработка инверторного сварочника? Начнем со второго варианта.

Добыто стало быть две катушки от бесконтактного зажигания ГАЗели и начаты попытки их замучить. Испытательная схема показана на рис 19.

o------+---------+ | | | / / \ \ Rb / Ri / \ +-----+-----+ \ / Cs1 | | | / SW1 | || ( | | | +---||----+ ( | Cs2 | +--- --- | || | ( --- V | T \ V )H( --- SG1 --- --- )H( | ^ Ci--- | SCR1 )H( | | | | | | | | o------+---------+---------+-+-----+-----+

Рисунок 19. Схема испытания катушек зажигания.

 

Конечной целью стараний было бы зарядить тридцатинанофарадный Максвелл до 26 киловольт за один импульс. Почему за один? Потому что если пользоваться тиристорами (и преимуществами переменного тока для их автоматического отключения) то понятное дело импульс будет возникать только 50 раз в секунду. Так что если хочется чтобы и лазер срабатывал 50 раз в секунду, придется успевать заряжать накопитель за один импульс. Если схема двуполярная в предыдущем выражении цифру 50 можно аменить на 100, но принципиально от этого мало что изменится. Если же зарядка будет идти за много импульсов, то сразу же появятся и выпрямление и сглаживание и тиристор уступит транзисторам и т.д. и т.п. и утратится самое главное достоинство схемы - простота и доступность. И тот чудовищный запас по мощности, который дает использование тиристоров. Да и диодный мост на тридцать киловольт опять же... Тестовая цепь питалась непосредственно от диодного моста, воткнутого ногами в розетку на 220 вольт (310 вольт амплитудное напряжение).

Катушки не смогли зарядить 30 нФ до 26 кВ ни в каком включении. Ни по одиночке. Ни будучи включены параллельно. Ни с первичными обмотакми, включенными встречно-параллельно, а с вторичными, включенными последовательно. Ни в других включениях.

Максимум, что удалось получить, это зарядка 14 нФ до 21 кВ (8 мм зазора в SG1 на рис 19) Оптимальным соединением катушек для этого оказалось полностью параллельное соединение, когда обе первичные обмотки соединены параллельно между собой и обе вторичные обмотки соединены параллельно между собой. Однако необходимая величина накопительной емкости оказалась равной 1000 мкФ (электролитического типа).

50Гц1000мкФ300В^2/2=2250 Вт. - Не очень хорошо.

Но в принципе необязательно заливать полный Максвелл электричеством до краев. Поскольку Максвелл при 26 кВ набирает 10 Дж, тогда как конденсатор накачки (Cs2 на рис 15) собирает только 338 мДж (для учета и импульса накачки и диссоциирующего эту цифру надо еще удвоить).

Тестовая схема была модифицирована до большего соответствия реальности (см. рис. 20)

o------+---------+ | | | / Cs2 / \ +----+ \ Rb / || | | Ri / \ +-----+--||----+ | \ / Cs1 | | || | - / SW1 | || ( | | /o\ | +---||----+ ( | / | | +--- --- | || | ( V \ |x| FL1 | T \ V )H( HSG / | | --- --- )H( ^ \ \o/ Ci--- | SCR1 )H( | 1k/ - | | | | | | | o------+---------+---------+-+-----+--------+----+

Рисунок 20. Улучшенная тестовая схема на катушках зажигания.
FL1 - фотографическая лампа-вспышка, используется для эмуляции нагрузки. Кроме того удобна для дистанционных измерений.

 

В усовершенствованной тестовой цепи вторичный накопитель Cs2 был выбран равным 4 нФ, как и в лазере. Разрядник был заменен на водородный, снятый с лазера, а сама цепь нагружена на лампу-вспышку.

Лампа вспышка очень удобна тем, что с помощью фотодиода и осциллографа по оптическому сигналу можно судить о том, как схема себя ведет - например подсчитать число вспышек за одно срабатывание. Поскольку задержка по времени между импульсами диссоциации и накачки почти соответствует области звуковых частот, для измерений не нужен профессиональный осциллограф. С задачей справится даже аудиокарта Вашего компьютера (google поиск необходимого софта по ключевому слову winscope). И при измерениях Вашему компьютеру или осциллографу ничего не угрожает - не нужно подключаться к высоковольтной цепи. Используется только оптический сигнал.

Типичная осциллограмма импульсов света при срабатывании цепи показана на рисунке 21.

oscillogram_2coils

Рисунок 21. Типичная осциллограмма импульсов света, испускаемых лампой вспышкой FL1 при срабатывании схемы, показанной на рис 20. Можно видеть, что в наличии два (и более) импульсов, следующих друг за другом с задержкой порядка 100 мкс.

 

Можно видеть, что схема действительно выдает последовательность из двух и более импульсов, с параметрами, пригодными для питания лазера на парах галогенидов меди. К сожалению второй импульс появляется лишь когда первичная накопительная емкость достигает 750 мкф.

Т.е. вывод такой: если у Вас нету высоковольтного блока для питания медного лазера, использование пары катушек зажигания и тиристора, по схеме вроде показанной выше вполне способно питать Ваш лазер. При этом схема проста и использует доступные детали. (Для использования в автоматическом режиме просто замените ключ SW1 на динистор.) Однако, если нужна большая частота повторения, схема не порадует своим большим потреблением и низкой эффективностью. Тем не менее в качестве начального вариант неплохой, за этим схема здесь и описана.

Для тех, кто хоть немного разбирается в радиотехнике, приведенной выше информации более чем достаточно, чтобы сконструировать блок питания начального уровня для своего медного лазера на базе катушек зажигания. Для остальных не поленюсь, приведу полную схему питания, как она должна выглядеть (см. рис. 22)

o-------+ 220 | Диодный мост + (напр. KBU1006) / \ / \ +-+ |>| +---+-----------+ | \ / | | | \ / / / | + \ \ Rs2 | | Rt /<-+ / 100 ohm 220| | 2M \ | \ o--)----+ / | / Cs1 1000 мкФ | | | | +|| | +--+ +----+----||-----+ Cs2 | | | || | 4 nF | / | +------+ Rc1 0..50k +---+ | Rs1 \ | SCR1 | | || | | | 10K / +--|>|----+ | +----)-+--/\/\/----+--||--+ | | \ \ | | | | | | || | - | / | | | | | | | | /o\ | | | | | ( | ( | / | | лазер | +---|><|------+ | | ( | ( V Rc2 \ | | | | Динистор | )H( )H( FSG 1k / | | | Ct --- DB3(DB6) | IgC1 )H( )H( IgC2 ^ \ \o/ | 200nF --- | )H( )H( | / - | | | | | | | | | | +-----------+----------------+------+-+----+-+-----------+------+---+

Рисунок 22. Полная схема питания самодельного лазера на парах галогенида меди от сети переменного тока 220 В. Первичный накопитель Cs1 - конденсатор электролитического типа на 100 мкФ. Минусом его подключать к катушкам, соответственно плюсом - к тиристору и подводу питания от диодного моста. IgC1 и IgC2 - катушки зажигания старого типа (баночные). Не используйте тут новомодные (двурогие с Ш-образным сердечником) катушки, поскольку они расчитаны на работу от низкого напряжения и в этой схеме просто сгорят. FSG- быстроходный (в смысле на высокую частоту повторения, а не на скорость срабатывания) разрядник любого типа на напряжение срабатывания 13 кВ. Подойдут разрядник с водородным наполнением либо разрядник с порошковым наполнением межэлектродного промежутка (оба описаны выше). Rc1 - резистор корректировки задержки. Применять, если задержка между импульсами во вспышке слишком мала (менее 50 мкс). В большинстве случаев этот резистор не нужен, поскольку активное сопротивление вторичных обмоток катушек зажигания берет эту задачу на себя. SCR1 - мощный
(большой) тиристор любого типа. Диак (приблизительный перевод слова - динистор) может быть практически любого типа. При замене диака может потребоваться коррекция величины времязадающего резистора Rt.

 

На самом деле схема приведенная на рис 22 ни разу не собиралась целиком и не нагружалась на реальный медный лазер. Тем не менее у меня имеется полная уверенность в работоспособности схемы, поскольку ее жизенно-важные элементы были отработаны на макетах (см. выше). Заметтье что первичный высоковольтный накопитель (Максвелл) здесь отсутствует. Его роль взял на себя электролитический конденсатор, включенный по низкому напряжению. Пределы работоспособности схемы вопрос отдельный, но более менее приемлемо (без дымящейся электропроводки и лопающихся конденсаторов) она должна работать герц до десяти. При этом возможно придется подобрать величину резистора безопасного заряда Rs2. Помните, что он должен быть очень мощным.

 

20-23.02.2016   ШАГ ВЛЕВО - ШАГ ВПРАВО

При наращивании частоты повторения каждый Ватт на счету. Поэтому нужно было убедиться, что энергия, вкладываемая в лазер не чрезмерна. (А то, может быть, можно уменьшить вторичный накопитель раз в десять, а с ним и первичный во столько же раз. И легко выйти на 100 Гц даже не увеличив потреляемую мощность.)

Для того, чтобы убедиться в отсутствии/наличии избытка энергии накачки было сделано несколько тестов. Лазер питался по схеме, показанной на рис 15. Водородный разрядник имел зазор в 40 мм и был заполнен примерно до 1/4..1/3 атмосферного давления. (Если при таком зазоре для достижения напряжения срабатывания в 13 кВ Вам требуется слишком сильно откачивать разрядник, это признак того, что перед отпайкой разрядник плохо промыт водородом и его следует переделать.) Лазерная трубка, использованная в тестах уже имела определенную наработку, но работала все еще неплохо.

Тесты были начаты с получения генерации по схеме рис 15 без изменений.

Когда более-менее стабильная генерация была получена, вторичный накопитель (поз. Cs2 на Рис 15) был уменьшен с 4 нФ до 2 нф (откручена одна мурата). Лазер продолжал довольно стабильно работать, но яркость пятна заметно упала. Одно из двух. Либо лазер действительно хочет больше энергии накачки, либо задержка между импульсами во вспышке стала приближаться к краю допустимого. Дабы вернуть задержку на место был увеличен зарядный резистор (Rb2 на Рис 15) с 45 кОм до 90 кОм (был отключен один из двух соединенных впараллель 90 килоомных резисторов). Пятно стало еще тусклее и лазер стал пропускать импульсы. Значит выходная мощность в предыдущем случае снижалась вовсе не изза смещения постоянной времени. И поскольку в последнем случае лазер генерит лучше при меньших задержках (45e32e-9=90 мксек) чем при больших (90e32e-9=180 мксек) похоже, что изначально выбранная постоянная времени в 200 мксек слегка великовата.

Вторичный накопитель Cs2 был возвернут обратно к 4 нФ, а зарядное сопротивление оставлено равным 90 кОм (постоянная времени около 400 мкс). Генерация исчезла. На самом деле тщательное сканирование рабочего диапазона температур и давлений позволило выдоить пару импульсов с генерацией, но на этом и все.

Возврат и Cs2 и Rb2 к их номинальным значениям (4 нФ и 45 кОм) вернуло более менее стабильную генерацию. Стало быть в наблюдавшемся снижении выходной мощности виновата не трубка.

Предварительные выводы таковы.

Энергии во вторичном накопителе (4нФ при 13 кВ) как раз достаточно для нормальной генерации и не стоит уменьшать ни емкость ни зарядное напряжение. Напротив, чувствуется, что лазер бы не обиделся, если бы и то и другое было увеличено. Выбранная постоянная времени заряда вторичного накопителя (200 мкс) великовата для оптимальной производительности.

О варьировании параметров: неплохо, если есть переменный резюк на 100 кОм и 30 кВ да еще и переменный конденсатор на 30 кВ и 30 нФ в дополнение к нему. Тогда параметры цепи питания можно было бы варьировать плавно и найти точный оптимум. На практике, как обычно, имеем ровно то, что имеем. Изменение емкости - снял мурату/поставил мурату, изменение сопротивления - снял резистор/поставил резистор. Естественно, что шаг получается грубым и в оптимум не попасть, но, надеюсь, основные тенденции подмечены верно.

Шоп-тур на радиорынок принес результат в виде двух советских проволочных резисторов по 36 кОм 50 Вт каждый. На вид - вполне способны выдержать киловольт под пятдесят. Один из этих резюков был вставлен на место Rb2 (рис. 15) и лазер был вновь запущен. По сравнению с вариантом, когда используется 45 кОм разница меньше погрешностей измерений. Но субъективно - стало лучше.

Далее на место Rb2 были включены оба 36-килоомных резистора впараллель (итого 18 кОм), с чем лазер и был запущен. Пятна стали сильно ярче, аж "заблестели". Для проверки под луч тут же была подставлена кювета с родамином 6Ж (с цилиндрической линзой естественно). В такой конфигурации (с уменьшенным Rb2) ловить генерацию красителя стало проще простого (см рис 23.). Импульс с медного лазера имеет энергию, достаточную для накачки кюветы с красителем в довольно широком диапазоне давлений буферного газа и температур трубки. Т.е. выходная энергия в импульсе выросла объективно.
beam01beam02beam03beam04beam05beam06beam07beam08beam09beam10beam11beam12beam13beam14beam15beam16beam17beam18

Рисунок 23. Фотографии нескольких импульсов с генерацией красителя под лучом самодельного лазера на парах солей меди. С сокращением задержки между импульсами во вспышке энергия в каждом из импульсов увеличилась и добиваться генерации красителя стало значительно проще.

 

Впрочем, хотя энергия на импульс и выросла, стала проявляться другая проблема. При попытке произвести на свет длинной серии импульсов лазер начал затыкаться. Вспышке к десятой энергия импульса падает раза в два, а вспышке к двадцатой лазер и вовсе желтеет и гаснет.

 

ИНДУКТИВНОСТЬ ПО ЦЕПИ ПИТАНИЯ

Еще одна вещь, которую хотелось проверить с тех пор, как мне стало известно о довольно длительном времени жизни верхнего лазерного уровня в атоме меди (до 500нс), это каковы же в действительности требования к длительности импульса накачки. Полмикросекунды это величина того же порядка, что и время жизни верхнего лазерного уровня углекислого газа в поперечноразрядном лазере атмосферного давления. Поэтому и требования к накачке должны быть сходными, да еще и со скидкой на то, что полный питающий ток на порядок-два ниже. Понятно, что измышления на тему "импульс не длиннее 50 нс" стали выглядеть сомнительно.

Простейший способ затянуть имульс накачки в рассматриваемой схеме - это вставить индуктивность по питанию лазерной трубки (см рис 24.)

Cp1 470 pf +-----||-------+ Rb0 | | (-) 100k | | 0---/\/\/---+-----I (------+----------+-------------+ | | | | SG1 | | | 10 mm / / | Rb2 \ \ Rs2 | 45 kOhm / / 8.3 MOhm | \ \ | / / | | | | | | | Cs2 4nf || | | | +----+---||--+----+ | | | | || | | | | _ | | | | | /o\ / Rs | | | | LT1 | | \ 5k6 --- V | --- |x| / --- HSG | --- | | \ Cp3 | ^ | | Cs0 \o/ / 470 | | | | 30 nf - | pf | | | | | | | | | | ) | | | | | Lt ) | | | | | ) | | | | Rb1 | | | | | | 100k | | | | | | 0---/\/\/---+------------+----+-------+----+--------+ (+)

Рисунок 24. Цепь питания самодельного лазера на парах галогенидов меди, использовавшаяся в опытах по определению максимально допустимой длительности импульса накачки. Схема отличается от приведенной на рис 15 только лишь наличием дополнительной индуктивности Lt включенной последовательно с лазерной трубкой LT1.

 

В данном включении с разными Lt получены следующие результаты:

тип Lt эффект 30 см медной проволоки диаметром 1 мм стабильная генерация, падения мощности не замечено 70 см медной проволоки диаметром 1 мм стабильная генерация, едва заметное визуально падение мощности 4 витка медной проволоки диаметром 1 мм на пластиковом каркасе диаметром 50 мм генерация стабильная, выраженное падение выходной мощности 30 витков медной проволоки на бумажном каркасе диаметром 30 мм генерация нестабильна, практически на пороге, пятно неяркое и возникает редко диапазон давлений буферного газа и температур трубки, в котором лазер работоспособен, очень узок

inductance_coil

Используя известную из курса физики (средней школы) формулу для индуктивности
соленоида мы можем записать:

Lt=uon^2s/l

где uo=4pi1e-7 Гн/м - магнитная проницаемость пустоты,
n - количество витков, шт.
s = pir^2 - площадь поперечного сечения катушки, кв. м.
l - длина намотки, м.
r - радиус витков

Максимальная катушка, с которой генерация еще была, имела диаметр 30 мм и длину 60 мм и содержала 30 витков. Стало быть:

s = pir^2 = 7.07e-4 кв.м.

Lt=4pi1e-730^27.07e-4/0.06=13.3 мкГн

Период колебаний LC контура: Tlc=2pisqrt(LtCs2)=1.44 мкс.
А длительность импульса тока накачки равна длительности (первого) полупериода, т.е. tau = 720 нс. В реальности импуль еще длиннее за счет затягивания на неучтенном активном сопротивлении лазерной трубки.

В описанных выше условиях рассматриваемый лазер доводится до порога генерации при удлиннении импульса накачки до 720 нс. Однако это предел только для этих условий. При большем напряжении питания, вероятнее всего, предельная длительность токового импульса еще вырастет.

 

Несколько моментов плохо освещенных выше

Как выяснилось, в основном из обратной связи, некоторые важные моменты были мной пропущены, либо невнятно выражены. Самое место здесь на них остановиться.

Выше написано, что при частоте повторения 10 Гц измеренная мощность порядка 2 мВт. И тем не менее утверждается, что энергия импульса порядка 100 мкДж. Вас не удивляет?
На самом деле драйверы питания, приведенные на рисунках 7, 15, 20, 22, 24 не обязаны выдавать ровно по два импульса на каждое срабатывание. Наоборот в большинстве случаев они генерируют три, реже четыре электрических импульса. Предполагая, что первый импульс во вспышке идет без генерации (затрачивается на диссоциацию солей меди), получаем, что на каждое срабатывание ведущего разрядника в схеме драйвера генерируется 2..3 лазерных импульса. Соответственно частоте повторения 10 Гц это дает 20..30 импульсов выходного излучения в секунду и их энергия 2 мВт/20..30[1/c] = 67..100 мкДж. Стало быть если кто-то хочет пересчитать, какую мощность выдавала бы трубка в саморазогревном режиме на частоте, скажем, 10 кГц, то нужно помнить, что при этом с частотой 10 кГц будут следовать уже одиночные импульсы а не пары или тройки. А значит и ожидаемая мощность будет 0.67...1 Вт а вовсе не 2 Вт, как можно было бы подумать. И это в лучшем случае, если вообразить, что с повышением частоты средняя мощность будет расти линейно, а так бывает очень редко. Когда на основе выложенных видео и фото Вы пытаетесь делать выводы о влиянии изменений в схеме на выходную энергию и стабильность лазера, учитывайте еще и рост индивидуальных скиллов (навыков) автора по подбору давления и температуры. Так например, мне удалось научиться перекрывать краны при нужном давлении где-то вблизи оптимума, даже с учетом инерционности вакуумной системы и зависимости показаний вакуумметра от внешнего давления (атмосферного), т.е. грубо говоря от погоды. Нелишне заметить, что давление зависит еще и от температуры газа внутри лазерной трубки, но поскольку для лазера на самом деле важно не давление а концентрация атомов буферного газа, то выберите себе температуру, при которой будете измерять давление и только при ней и измеряйте, игнорируя все вариации с изменениями температуры. В этом веб-репорте, например, все указанные давления отвечают холодной трубке (25 градусов цельсия). При попытках предсказать как такой лазер мог бы повести себя на больших частотах, следует учитывать кратковременную деградацию. Если под долговременной деградацией понимать расход галогенида меди, затуманивание торцевых окон трубки и закорачивание ее слоем меди, высаживающимся при разложении ее солей в разряде, то "новые" трубки имеют по отношению к такому виду деградации ресурс в 6..10 часов наработки.
"Новые" трубки отличаются от "старых"сравнительно большой загрузкой (5..10 граммов CuCl) и сравнительно длинными электродами, за счет которых зона разряда оканчивается не ближе чем в десяти сантиметрах от окон.
Кратковременная же деградация это то, что происходит с трубкой, когда Вы подобрали температуру, давление, добились стабильной генерации и перекрыли краны. В газостатическом режиме выходная мощность падает примерно вдвое на каждую тысячу сгенерированных импульсов. Смена буферного газа (с некоторой паузой на то, чтобы достаточное количество монохлорида меди успело испариться) при этом благополучно возвращает выходную мощность на место. Это не натекание, поскольку неработающая трубка способна сохранять условия для выдачи первоначальной выходной мощности в течение более чем часа. Это и не перегрев, поскольку без смены буферного газа выходная мощность к первоначальному уровню не возвращается.
Вероятнее всего за кратковременную деградацию отвечает накопление хлора, а быть может и йода (поскольку монохлорид меди получался из бытовой поваренной соли, на которой хотя и не указано, что она йодированная, но и к категории ОСЧ ее не отнесешь). Если считать, что скорость кратковременной деградации для высоких частот повторения сохранится на прежнем уровне (а это может быть и не так), то на частоте 10 кГц лазер до погасания будет светить доли секунды. А чтобы это преодолеть потребуется организация проточного режима. Причем скорость прокачки должна быть не слишком мала, чтобы вредные продукты распада успевали выноситься, и не слишком велика, чтобы необходимое для генерации количество галогенида меди успевало испаряться и поступать в рабочий газ. Довольно необычный эффект, с которым приходится сталкиваться на практике это "самооткачка" трубок. Например после опытов по генерации при давлении буферного газа в дюйм ртутного столба лазер оставляется на ночь с перекрытыми кранами. С утра обнаруживается, что давление в трубке упало до менее 1 торр. И это при том, что про трубу известно, что сразу после сборки она натекала со скоростью порядка дюйма ртутного столба в сутки. Поскольку в "самозалечивание течей" верится с трудом, это скорее всего означает, что прокаленный порошок монохлорида меди как минимум является неплохим адсорбентом, а как максимум - хорошим геттером, и поглощает находящиеся в трубке газы. Косвенным тому подтверждением является то, что для незагруженных трубок такой эффект не наблюдается.
Практический вывод, который отсюда следует: все течи в трубке нужно искать до ее загрузки. После загрузки монохлоридом меди трубка очень долго может прикидываться идеальной, поддерживая начальное давление и даже демонстрируя его уменьшение. Как-то негласно принято считать, что рабочий диапазон температур и оптимальная температура являются характеристиками примененной соли. А вот весь опыт работы с трубкой говорит об обратном. Температура, при которой случается генерация более всего зависит... от питания. Если верить абстракту [Weaver L., Liu, C.S., Sucov, E.W., Superradiant emission at 5106, 5700, and 5782 A in pulsed copper iodide discharges. Quantum Electronics, IEEE Journal V:10, Iss:2, pp:140-147] (полный текст мне, естественно, недоступен), то время жизни верхнего лазерного уровня меди сильно зависит от плотности ее паров, возрастая от 10 нс при малых плотностях под 400 нс при больших плотностях. Из чего можно сделать вывод, что самыми низкотемпературными будут лазеры с самым быстрым (малоиндуктивным) питанием. На практике рабочая температура зависит не только (и может быть на столько) от индуктивности цепи питания, сколько от конструкции разрядников и качества их срабатывания (причем не только от того, что в цепи накачки (HSG на рис 24), но и ведущего, подключенного между цепью накачки и первичным накопителем (SG1 на рис 24)). Вероятнее всего это влияние идет через изменение задержки между импульсами в серии - подробно этот вопрос мной не изучался.
Второе, от чего довольно сильно зависит рабочая температура - от качества и свежести покрытия стенок лазерной трубки слоем монохлорида меди. Причем соответствующие изменения температуры составляют вовсе не градус-два, а десятки градусов, а в сумме по всем параметрам может набегать до сотни. Насчет водородного разрядника. Да он действительно работает и настолько хорошо, что отшибает всякое желание искать другие варианты питания. Но не следует думать, что надо лишь дунуть водородом в абы какую банку с двумя электродами и дело в шляпе. Не все конфигурации водородного разрядника работают одинаково хорошо. При попытках воспроизвести, либо постарайтесь как можно точнее скопировать размеры разрядников по фотографиям, либо дождитесь, гайда по самостоятельному изготовлению водородного разрядника. (На этой странице не ищите - будет в разделе по разрядникам). И не используйте в нем алюминиевые электроды.

 

ТРОЙКА НАХАЛЯВУ (ИЛИ НЕ СОВСЕМ?)

Посмотрев на рисунок 15 (или 23 - он ближе) давайте подумаем, что происходит, когда заряжается и разряжается вторичный накопитель.

Для зарядки Cs2 до напряжения в 13 кВ необходим заряд: 4нФ13кВ = 52 мкКл. А когда такой заряд стекает с конденсатора Cs0 напряжение на нем падает до 26кВ- 52мкКл/30нФ = 24.27 кВ.

Разность запасенных энергий "до" и "после": (30нФ/2)(26кВ^2-24.27кВ^2)=1.3Дж. Это, по сути затраченная энергия. А пришедшая во вторичный накопитель энергия только 4нФ13кВ^2/2 = 0.338 Дж. Т.е. почти на целый джоуль за каждый импульс какой-то элемент схемы попросту "гудит". На самом деле этим элементом является балластный времязадающий резистор Rb2 (рис 15) и его неплохо бы заменить на катушку индуктивности. См рис 25 ниже.

Cp1 470 pf +-----||-------+ Rb0 | | (-) 100k | | 0---/\/\/---+-----I (------+----------+------------------+ | | | | SG1 | | | 5 mm | / | Lb ) \ Rs2 | 0.68 H ) / 8.3 MOhm | x30 kV ) \ | ) / | | | | | | | Cs2 4nf || | | | +----+---||--+----+ | | | | || | | | | _ | | | | | /o\ / Rs | | | | LT1 | | \ 5k6 --- V | --- |x| / --- HSG | --- | | \ Cp3 | ^ 13 kV | | Cs0 \o/ / 470 | | 5 eff.mm | Rb1 | 30 nf - | pf | | | 100k | | | | | | 0---/\/\/---+------------+----+-------+----+-------------+ (+)

Рис 25. Улучшенная схема питания самодельного лазера на парах галогенидов меди. Напряжение срабатывания водородного разрядника HSG эквивалентно напряжению срабатывания воздушного разрядника атмосферного давления с зазором 5 мм. Lb - балластный дроссель. Заметьте, что использование дросселя снижает требования к первичному питающему напряжению (зазор в разряднике SG1 выставлен в 5 мм а не в 10 мм как было ранее).

 

Все выглядит очень просто, пока не понимаешь, что для задержек порядка 100 мкс величина Lb должна быть порядка 1 Гн и более. Что еще хуже, катушка должна быть электропрочной. Т.е. намотать ее "внавал" не выйдет.

Первые же тесты показали, что 100 витков провода дают индуктивности в 1..3 миллигенри почти независимо от того на чем намотаны (на ферритовом тороиде, на сердечнике от ТВС-а, на бумажной трубке, забитой гвоздями и на пермаллоевом Ш-образнике). Элементарный пересчет по отношению квадратов количеств витков сразу же дает, что катушка на 1 генри должна содержать не менее 3-х тысяч витков... Намотанных виток-к-витку и с хорошей изоляцией.

Поиски чего-нибудь готового выдали катушку от какой-то старой релюхи с лайбой, гласящей, что она содержит 6800 витков провода диаметром 0.15 мм. Измерения ее индуктивности дали 0.58 Гн безо всякого сердечника. Основной ее недостаток в том, что она низковольтная. И при рабочих напряжениях попросту сгорит от разрядов и пробоев. Увеличить ее электропрочность путем пропитки маслом смотрелась сомнительно. Однако перспектива мотать такую же катушку вручную выглядела еще ужаснее. Поэтому была подобрана герметичная баночка с патрубком в крышке, а в нее помещен стакан с автомобильным промываочным маслом, содержащий упомянутую катушку от релюхи. Оное подключено к вакуумной системе и откачано. Поначалу масло, естественно вспенилось, но предохранительная емкость справилась с задачей не пустить пену в насос. (Вообще говоря, если Вы подключаете насос напрямую к Вашим лазерам и прочим изделиям извращенного ума, то это плохая идея. Нормальные люди для разделения насоса и откачиваемой системы пользуются так называемыми азотными ловушками. Но даже если жидкого азота у Вас нет, настоятельно рекомендую использовать хотя бы банку из под огурцов, в крышку которой впаяны два патрубка на максимальном расстоянии друг от друга. Всяческие твердые частицы и капли будут падать на дно банки и Ваш насос не будет хрустеть пылью на лопатках.) Банка с маслом и катушкой была откачана и напущена воздухом несколько раз. Идея в том, чтобы затолкать масло промеж витков катушки, пользуясь для этого атмосферным давлением.

Затем катушка (не вынимаясь из стакана с маслом) была подключена в схему питания лазера и был сделан тестовый прогон. Использовался маломощный блок питания (из электронного трансформатора для галогенок и катушки зажигания) выдающий около 50 ватт по высокому напряжению. Раньше при питании от этого блока лазер давал только одну-две вспышки в секунду. А теперь с катушкой и сокращенным до 5 мм зазором в разряднике SG1 лазер вышел на частоту повторения в 6 Гц. В три раза больше и без умощнения блока питания.

И когда уже завелись мысли о том, что если использовать мощный 400-ваттный высоковольтный блок, то частота может подскочить герц до тридцати... эти мысли были прерваны резким треском искр из стакана с маслом. Катушке пришла хана. Катушка проработала ровно столько, чтобы хватило на роль демо-версии. Причем она показала не только, что с уже имеющимся оборудованием можно выйти на 30 Гц, но и доступный путь к пресловутым ста герцам.

Есть такие трансформаторы от микроволновок или сокращенно МОТ-ы. Поскольку микроволновок в быту много и ломаются они нередко, трансформаторы от них можно купить на толкучках по вполне доступным ценам. До экспериментов с катушкой было неособо понятно как от них получить нужное напряжение, но теперь все стало на свои места. Действительно, МОТ выдает 2.4 кВ действующих на своей вторичной обмотке, что отвечает 3.4 кВ амплитудных, или, что то же самое - выпрямленных. Два МОТ-а с первичками впараллель и вторичками последовательно дадут 6.8 кВ. А дальше можно применить удваивающий выпрямитель либо точно такой же прием резонансного заряда первичного накопителя Cs0. Проблема только в том, что опять ни одну точку лазера нельзя будет заземлить. Иначе потенциал одной из обмоток одного из трансформаторов подскочит и над землей и над напряжением сети на 8..10 кВ и трансформатор вышибет со всем соответствующим флеймилищем. А отсутствие земли это опять проблемы с измерениями, проблемы с экранировкой и проблемы с изоляцией.

 

2-5.03.2016 ШАГ НАЗАД: РАЗРЯДНИК С ВНЕШНИМ ПОДЖИГОМ

По всему видно, что лазеру хочет еще меньших задержек между импульсами. Сокращение задержи с 200 мкс до 100 мкс почти удвоило энергию на импульс. Но дальнейшее уменьшение наталкивается на проблемы работоспособности водородных разрядников. При задержках порядка 200 мкс каждый из самодельных разрядников работает хорошо и стабильно (брак не в счет). При задержках порядка 100 мкс уже не каждый из сделанных разрядников показывает удовлетворительную стабильность. А при задержках менее 80 мкс (минимум, что пробовалось - 77 мкс) уже подавляющее большинство из них сбоят. Это выражается в том, что лазер начинает пропускать импульсы, резко меняется яркость пятна от импульса к импульсу, а то и вовсе пропадает генерация. Да и визуально ветвистая искра в разряднике сокращается до одного канала, тем самым подтверждая, что генерируется только один импульс вместо серии. И хотя при минимальных задержках время от времени проскакивают очень ярккие импульсы, полный выход с лазера падает.

Для получения еще меньших задержек к настоящему времени мне не удалось придумать ничего лучше, чем "классический" вариант с использованием управляемых разрядников. Разработанная для этого лучая схема показана на рис 26. Конструкция управляемого разрядника показана на рис 27.

(+) 0---------------------------+--------------------------------+ | | | | / / \ Rb1 Rb2 \ / 91 kOhm 91 kOhm / \ \ / / | Cs1 Cs2 | VD1 Css1 | 4.7nf 4nf | || 4.7nf | || || | +-|>|--+-||------+----+--||--+ +----+-----+---||--+----+ | | || | | || | | | | || | | | | SG1 | | | Lb ) _ | | | | / 5.5mm| | | 13uH ) /o\ / Rs1 | | | \ U --- | ) | | \ 5k6 --- | | / Rs2 --- | | |x| / --- U SG2 | \ 1k1 - | Cp1 +------+ | | \ Cp2 | _ _ 9 mm | / | | 470 \o/ / 470 | / ^ | | | | pf - | pf | | | | | | | | LT1 | | | | 0-----)------+---------+----+----------+-------+-----+-------+--+ | (-) | | | | | | | | / | | Css2 | Css3 | \ Rs3 | | 3300pf --- 2nf --- / 4.3 MOhm | | --- Rt --- \ | | VD2..VDn | 400kOhm | / | | | | | | +--|<|--|<|------+--/\/\/--------+-------------+------------+

Рис 26. Формирователь двойного импульса для питания самодельного лазера на галогенидах меди с использованием разрядника с внешним поджигом (SG2).


Cs1 - керамический (doorknob) конденсаторы типа K15-4 на 4.7 нФf x 12 кВ; Css1 - такой же как и Cs1. Cs2 - Две Мураты по 2 нФ x 40 кВ. Css2 - КВИ-3 на 3300 пф x 10 кВ. Css3 - K73-13 (пленочный скруточный малогабариьтный) на 2000 пф x 10 кВ). Пикеры Cp1 and Cp2 любого малоиндуктивного/малорезистивного типа, способные выдерживать до 20 кВ. SG1 - неуправляемый разрядник типа шар-плоскость заполненный воздухом при атмосферном давлении. SG2 - разрядник с внешним поджигом. Идентичен по конструкции разряднику SG1, за исключением добавочного поджигающего электрода. Lb - 30 витков изолированной миллиметровой проволоки на бумажном каркасе диаметром 30 мм. Длина намотки 60 мм. Диоды VD1..VDn образуют быстродействующий выпрямительный столб на 30 кВ 1A. Можно использовать гирлянду из 15 шт R2000 или EM518 в ПВХ шланге для изоляции.

controlled_spark_gap
Рис 27. Конструкция самодельного управляемого разрядника.

controlled_spark_gap

controlled_spark_gap_insidecontrolled_spark_gap_ignition

Примененная цепь уже довольно-таки сложна, но ее все еще удается отобразить с помощью скромных средств ASCII-графики. Для ее сборки требуется значительно больше высоковольтных деталей, чем, например, для схемы, показанной на рис 1. Тем не менее она все еще не должна вылететь за пределы собираемости средним самодельщиком, специализирующимся на высоковольтной технике.

Чуть хуже то, что эта схема имеет свои узкие места. Так например скорость разряда цепочки Css2-Rt-Css3-Rs3 обещает туеву хучу проблем на частотах повторения выше 20 Гц. И ее постоянную времени не так просто сократить, одновременно пытаясь удержать уровень выходного сигнала на уровне, достаточном для зажигания разрядника SG2 и пытаясь достичь задержек порядка 100 мкс. Ну и самый большой недостаток это, конечно, необходимость НАСТРОЙКИ. Дело в том, что будучи просто собрана, эта схема не работает. Вам придется подбирать номиналы резисторов Rs2, Rs3 и Rt, и, возможно, подбирать емкости Css1..Css3. Не то, что бы это было трудно или долго... но нужно хорошо понимать, что происходит в одном месте схемы, когда ты "дергаешь за пымпочку" в другом. И весьма непросто уложиться в несколько страниц, пытаясь дать исчерпывающее объяснение для неспециалиста (людям сведущим в радиотехнике и так все ясно после беглого просмотра схемы).

В качестве альтернативы можно предложить собрать генератор задержки на триггерах или на 555-х таймерах с мощными IGBT-шками на выходе, нагруженными на поджиговые трансформаторы от фотовспышек. Правда если вы используете таймер никак не синхронизированный с высоковольтной частью схемы, то он будет пытаться поджечь разрядники когда и как попало. Если же пытаться запускать таймер, ну например от срабатывания SG1, то придется встретиться с весьма щекотливой проблемой выживания деликатных изделий полупроводниковой промышленности в условиях постоянных высоковольтных утечек и пробоев. Да и пресловутый электромагнитный импульс тоже не стоит сбрасывать со счетов.

Как бы то ни было, схема была собрана и протестирована. Не особо больших усилий стоило заапгрейдить неуправляемый разрядник SG3 с рис 1 до управляемого SG2 с рис 26. Нужно было всего лишь просверлить отверстие в его основании, вклеить туда стеклянный капилляр и вствить стальную проволочку в упомянутый капилляр. Когда у Вас лазер есть и работает его куда проще модифицировать, чем создавать с нуля сложное устройство.
controll_sg_drive_lbl
controll_sg_driver_zoom01controll_sg_driver_zoom02controll_sg_driver_zoom03

Настройка схемы была слегка нетривиальна. При малых задержках (20мкс) все работало очень устойчиво и очень стабильно. Но как то не хотелось начинать испытания лазера настолько издалека от разведанной области. А попытки увеличить задержку за счет увеличения Rt приводили к снижению уровня выходного сигнала и сбоям в поджиге SG2. В итоге удалось подобрать номиналы деталей для обеспечения задержки в 80 мкс (они и показаны на рис 26).

Чтобы не быть совсем слепым при настройке, рекомендуется на место лазерной трубки (LT1 на рис 26) подключить небольшую фотографическую лампу и использовать фотодиод с осциллографом для измерения задержки между вспышками. (Кстати говоря использовать лампу вспышку и фотодиод для запуска цифрового таймера безопасно для его жизни - идея, конечно, интересная, но имхо это уже слишком.) В качестве осциллографа может подойти звуковая карта Вашего ноутбука и программа winscope... Кроме того полезно сделать прозрачные окошки в корпусах разрядников. Это позволяет следить за тем правильно ли они срабатывают и срабатывают ли вообще.

После определенных танцев с бубном задержку в 80 мкс получить наконец удалось и схема была нагружена на реальную лазерную трубку. Что из этого вышло смотрите на видео (рис 28.) Схема выдала частоту повторения 8 Гц при питании от небольшого (40-ваттного) высоковольтного блока.

Рис 28. Видео самодельного лазера на парах CuHal, питаемого двойным импульсом сгенерированным схемой с управляемым разрядником. Можно видеть как мощность растет, когда температура лазера приближается к оптимуму, и падает, когда приближается к краям рабочего диапазона. Поток газа остановлен, так что существенных изменений давления нет.

 

Камера скрадывает разницу в яркости пятен видимую невооруженным глазом. Так что если Вам предложить, вы можете и не оценить разницу по сравнению со случаем использования водородного разрядника. Придтся говорить словами - с водородным разрядником пятна ярче (впрочем вполне возможно, что за счет того, что в каждой вспышке проходит по 2..3 импульса). Тем не менее генерация довольно стабильна и яркость достаточно хороша, уступая из всего что пробовалось выше, только использованию водородного разрядника.

На следующем этапе уменьшалась задержка между первым и вторым импульсами. Это делается путем уменьшения сопротивления Rt на рис 26. Лазер оказался работоспособен при снижении Rt до 50 кОм. Оптимум лежит где-то между 100 и 150 кОм. На предварительных тестах, когда трубка была заменена лампо1- вспышкой сопротивлению в 50 кОм отвечали задержки в 37 мкс, а сопротивлению в 100 ком - задержки порядка 70 мкс. Если при включении реальной лазерной трубки ничего не поменялось, то оптимум лежит чуть выше 70 мкс.

Более короткие задержки заодно сокращают и время разряда времязадающей цепи, а значит и позволяют работать при более высоких частотах повторения. В итоге было решено опробовать схему от более мощного высоковольтного блока питания (400 Вт-ного). С этим блоком питания удалось выйти на частоту повторения в 40 Гц. Генерация довольно стабильная, почти без пропусков. Впрочем заметный процент импульсов идет с генерацией только на желтой линии. Попытки измерения средней мощности не дали ничего вразумительного. (Менее 1 мВт.)

Пока эти попытки велись лазер постепенно деградировал и в конце концов потух окончательно. (Так что не осталось времени для записи видео работы лазера на частоте 40 Гц.) До погасания лазер проработал около 5 минут.

Поиски того, что именно сдулось выявили два слабых места в схеме питания. Первое - это, как и ожидалось, высоковольтный диодный столб, время от времени сгорающий от перегрева (не по превышению обратного напряжения) и второе - несколько неожиданное - ненадежность конденсатора Css3. Несмотря на то что его номинальное напряжение 10 кВ, а в этой точке напряжение сигнала не превышает 3 кВ (и это в лучшем случае), конденсатор ухитрился сдохнуть. Что еще злее, его неисправность не видна при проверке мультиметром. И короткое замыкание не кажет и емкость выдает нормальную. Видимо утечка возникает только при высоких напряжениях. А поскольку это было последнее место, где мог ожидаться фейл, вся схема была на три раза пересобрана и многие из деталей не по разу заменены, прежде чем был найден истинный корень зла. После замены майларового К73-13 на керамический КВИ-3 схема больше не сбоила - лазер стал генерить, но все еще нестабильно.

Следующий пучок проблем связан уже непосредственно с управляемым разрядником. Снаружи видно, что даже когда лазер не генерит, сам управляемый разрядник срабатывает на вид надежно. Пришлось расчехлять осциллограф, подключать лампу-вспышку и смотреть, что происходит. Т.е. происходит то понятно что - гуляет задержка. Но непонятно почему и как с этим справиться. А вот для того, чтобы разобраться с этим, сначала пришлось понять следующее: разрядник имеет 5 режимов и связанных с ними областей по величине зазора (при фиксированном начальном напряжении на нем):

Область самопробоя. - Когда главные электроды дстаточно близко друг к другу разрядник пробивается не дожидаясь поджигающего импульса и работает в неуправляемом режиме. Область надежного запуска с минимальной задержкой. Если электроды раздвинуть так, что самопробой прекратится, разрядник срабатывает почти немедленно по приходу поджигающего импульса (с задержкой по крайней мере меньше 10 мкс). Область надежного запуска с большой и нестабильной задержкой. Дальнейшее раздвижение электродов не срывает запуск разрядника а вызывает резкий рост задержки срабатывания. Причем задержка случайным образом (от импульса к импульсу) болтается в пределах 50..500 мкс. Область ненадежного срабатывания - еще большее увеличение зазора между главными электродами далеко не сразу приводит к срвыу зажигания разрядника. Просто растет процент пропусков и падает процент успешных срабатываний. Задержка между поджигающим импульсом и зажиганием разрядника становится еще нестабильнее и еще больше, достигая полутора миллисекунд. Область отсутствия пробоя. - При заданном напряжении питания существует определенная величина расстояния между главными электродами, когда разрядник полностью игнорирует и приложенное напряжение и поджигающие импульсы.

Из перечисленного нам интересны области B и C. При первых опытах область C оставляет впечатление, что задержкой можно управлять с помощью откручивания болта разрядника. К сожалению разброс задержек в этом случае заметно больше самой задержки. С перемещением электродов смещается только центр распределения.

Так что остается только область B. Однако она не так широка, как хотелось бы. Хуже того, границы между областями плавают в зависимости от степени обгорания электродов и состава атмосферы в разряднике. Так что изначально настроенный на работу в области B разрядник запросто может перескакивать в зону C при накоплении NO и NO2 в газе. На практике при частоте 40 Гц болт приходится подкручивать раз в 3..5 минут.

Вывод в том, что несмотря на большие ожидания, использование схемы с управляемым разрядником не принесло желаемой продолжительности и надежности работы. В итоге водородный разрядник опять остался вне конкуренции. Кстати говоря, водородный разрядник, наполненный 12 февраля, успешно работает и по сей день (11 марта).

 

АЗОТ

Тем не менее прежде чем возвращать схему к использованию водородного разрядника лазер был испытан на работоспособность с азотом. К этому времени лазерная трубка наработала уже довольно много. Окна ее стали заметно мутными, да и по времени было уже пора ее перезагружать монохлоридом меди. Поэтому шанс испортить трубку азотом уже не пугал. А с другой стороны факт неработоспособности лазера с азотом в качестве буферного газа является, с моей точки зрения, едва ли не самым разочаровыающим результатом из полученных.

Использовалась схема с управляемым разрядником, слегка модифицированная по сравнению с показанной на рис 26. Задержка была выставлена в 70 мкс. Затем вакуумный тракт лазера был подключен к автомобильной камере свежезаполненной свежим азотом из баллона. Лазер был на четыре раза откачан до предельно низкого давления, обеспечиваемого насосом и наполнен азотом до атмосферного давления.

Затем путем изменения давления азота в лазере и температуры нагрева были выполнены поиски генерации. При давлениях азота порядка 0.1..1 торр и температуре в 480 градусов даже удалось наблюдать генерацию. Вероятность ее крайне мала. Ни одной серии импульсов с генерацией получить не удалось. Только одиночные. Причем с ростом температуры вплоть до 520 градусов вероятность получения генерации только возрастает. Получить температуры выше уже не позволяет ни использованный нагреватель ни используемая стеклянная трубка. Можно ожидать, что с дальнейшим подъемом температуры, градусов до 600..700 вероятность генерации еще увеличится и приблизится к единице.

В обзорной таблице в работе [М.А. казарян, Г.Г. Петраш, А.Н. Трофимов, Импульсные лазеры на парах галогенидов меди. В сб. Лазеры на парах металлов и их галогенидов. (Труды ФИАН, т.181) М.: Наука, 1987] указывается что давление паров монохлорида меди достигает 0.1 торр уже при 433оС, т.е. в условиях, при которых получена генерация, давления паров рабочего вещества и буферного газа уже сравнимы. А при ожидаемых оптимальных температурах - и заметно больше. Можно сделать вывод, что генерация в этих условиях получается скорее в собственных парах монохлорида меди, нежели в азоте в качестве буферного газа.

С другой стороны, давление паров других веществ, температура кипения которых близка к температуре кипения монохлорида меди (1490oC), то при рассматриваемой температуре оно значительно ниже. Кроме того довольно многие источники сходятся на том, что в лазерах на парах галогенидов меди при генерации концентрация нейтральных атомов составляет 1e14..1e15 (1/куб.см.), а это отвечает 3e-3... 3e-2 торр газа при 273оК. Если взять нижнюю границу и считать, что только 10% паров монохлорида диссоциирует, то его полное давление составит 0.03 торр, так что, возможно, все не так плохо и все-таки азот в данном случае можно считать буферным газом.

И последнее, что хочется отметить: несмотря на низкую вероятность генерации наблюдаемые пятна лазерного излучения отнюдь не слабы. На вид - те же 50.100 мкДж, что и с гелием. Вот только очень редко.

 

10-18.03.2016

Не особо охота превращать веб-репорт в блог. Стараюсь писать только об интересном. А вот интересного-то как раз за эти дни мало. Тема практически исчерпана осталось лишь вытолкать лазер на 100 Гц и попробовать медные соли, требующие более низких температур, чем галогениды. Для первого нужен блок питания раза в три более мощный, чем есть у меня, а до второго просто не доходили руки.
Занимаюсь тем, что:

мотаю трансформатор для более мощного блока питания совершаю попытки намотать катушку для резонансного заряда вторичного накопителя разбираюсь с причинами того, почему одни водородные разрядники работают прекрасно, а другие - нет

Насчет более мощного блока питания: в принципе уже сейчас можно было бы выйти на 100 Гц используя микроволновочные трансформаторы (как описано выше) но это решение довольно уродливо (как опять же описано выше) и его хотелось бы избежать. С другой стороны апгрейд инверторного сварочника в высоковольтный блок питания (как было в свое время сделано с электронным трансформатором для галогенок) уже не может быть сделан с помощью катушки зажигания - попросту расплавится. Вопрос мог бы быть решен покупкой штук трех-пяти крупных ТВС-ов и кумеканием над последовательно-параллельным соединением обмоток. Однако ТВСы в наше время встречаются все реже и поход на рынок принес только один ТВС нужного типоразмера вместо пяти. Продавцы на рынках по каким-то загадочным причинам предпочитают продавать вместо самих ТВСов только сердечники от них. Пришлось купить парочку и задаться целью намотать нужный трансформатор. А это, как-минимум, долго...

 

Резонансный заряд вторичного накопителя дает существенную экономию потребляемой мощности и позволяет иметь бОльшую частоту при том же блоке питания. Однако требует здоровенной индуктивности в цепи заряда. Достать готовую катушку на такое напряжение и индуктивность надежд нету. Помочь могли
бы все те же ТВС-ы, но о них см. выше. Значит и тут остается только мотать. Только тут все еще хуже. Намотка трех слоев по восемьсот витков провода ПЭЛ-0.1 на ферритовом сердечнике самого большого сечения, какой у меня есть показала индуктивность 0.47 Гн, однако лазер с такой катушкой работать отказался. Следующая катушка содержала уже 5 слоев по 800 витков и дала 1.5 Гн. С ней лазер снова не заработал, хотя это уже больше чем индуктивность катушки от релюхи с которой лазер работал (0.58 Гн). Добавление в ферритовый сердечник зазоров так, чтобы индкутивность катушки стала 0.6 Гн также ни к чему не привело. Стало быть феррит при имеющихся токах и количестве витков благополучно насыщается. (Кстати говоря катушка от релюхи использовалась БЕЗ сердечника). Но заменить его не на что. Это и так самый большой феррит, какой у меня есть (20 шт колец К40х6 собранных в столб). Остается мотать без сердечника. Пятислойная катушка без феррита имеет индуктивность 0.16 Гн. Стало быть для получения нужной индуктивности придется класть 11 слоев. На самом деле 10, но четное количество слоев неудобно с точки зрения устройства выводов. И если намотка пятислойной катушки заняла у меня неделю, то эта, стало быть, займет две недели. Как это ни парадоксально, но намотка самодельного трансформатора для высоковольтника гораздо менее инфернальна. А намотка катушки тесла - так ваще курорт.

 

Что до водородных разрядников, то удивительно, но факт, что имея одинаковую на вид конструкцию некоторые из них работают отлично при задержках до 70 мкс. Другие выходят тормознутыми и работают только при задержках 150..200 мкс. А с третьими - лазер вообще не хочет работать. Когда совсем жестко задалбывает мотать обмотки - включаю лазер побаловаться и делаю пару-тройку разрядников. Некоторые выходят работоспособными. Некоторые нет. Почему так происходит, пока однозначно сказать не могу. Подозрения следующие:

Влияет наполнение. Возможно, что для хорошего гашения разряда необходима небольшая добавка азота или воздуха (последнее чревато взрывом, если переборщить с добавкой). Так или иначе замечено, что лучше всего работают разрядники, которые наполнялись первыми в партии, что и заставляет думать об остатках воздуха в шлангах. Примесь воздуха может появляться и в результате натекания за счет неабсолютной герметичности закупорки разрядника. Возможно нечист цинк из батареек. Если воздушный шарик, наполненный водородом не израсходовать сразу, а оставить с неделю повисеть, то он поначалу довольно бодро сдувается, а потом его объем стабилизируется на уровне 10..20% от начального. Причем оставшийся газ - ни в одном месте не водород. Так если наполнить им разрядник, то искра будет лимонно-желтой, а не розово-красной. И одиночной, а не множественной, как в водороде. Возможно влияет геометрия взаимного расположения электродов и капилляра... В самогасящиеся счетчики Гейгера добавляют спирт. Обьясняют положительный эффект тем, что пары спирта, якобы поглощают ультрафиолет, приводящий к развитию новых электронных лавин и препятствующий быстрому гашению разряда. Ультрафиолет может работать и здесь. При этом много будет зависеть от того,
есть или нет прямая видимость между электродами. Проверить это несложно - достаточно сделать несколько разрядников U-образной формы и испытать...

 

1.04.2016

Испытаны разрядники U-образной формы. Принципиально ничего нового по сравнению с прямыми разрядниками они не дали. Более-менее стали проясняться причины вариаций работоспособности разрядников. Оказалось, что диапазон давлений водорода, в котором разрядник работает хорошо, довольно узок. Если давление водорода слишком высоко, то разрядник, понятное дело, не срабатывает. А если давление занаижено, то казалось бы, напряжение срабатывания должно было бы снижаться пропорционально давлению и лазер должен был бы просто давать несколько меньшую мощность. На практике однако дела обстоят несколько хуже. Кривая роста напряжения на вторичном накопителе имеет тенденцию наскакивать на кривую восстановления электрической прочности разрядника после предыдущего импульса. Когда напряжение на вторичном накопителе догоняет растущую электропрочность погасшего разрядника происходит пробой при сильно сниженном напряжении и на лазерную трубку идут импульсы слишком малой энергии. Т.е. только в первом импульсе разрядник пробивается при напряжении близком к номинальному. В последующих импульсах серии напряжение пробоя напряжение значительно ниже и это пониженное напряжение вторичных пробоев очень сильно и нелинейно зависит от начального давления. На практике ширина диапазона от максимального давления в разряднике, при котором лазер еще не генерит, до минимального давления в разряднике, при котором лазер уже не генерит, составляет примерно 1 дюйм ртутного столба (при номинальном давлении водорода в разряднике в 15..20 дюймов).

Когда это стало понятно, воспроизводимость разрядников резко выросла, но с другой стороны стало ясно, что изза повышенных требований к давлению при наполнении разрядника разрядник может быть довольно труден для повторения, в особенности если у Вас нет хорошего вакуумметра.

Есть надежда, что лучшие результаты будут получаться с разрядником, на корпус которого нанесен электрод предионизации. По крайней мере первые результаты с такой конструкцией очень неплохи. Однако в силу сказанного выше разрядники крайне желательно наполнять газом, испытывая их именно в той цепи питания, для работы с которой они предназначены, а катушка индуктивности резонансного заряда все еще мотается (уже уложено 16 тыс витков, что дает индуктивность 0.3 Гн, но этого все еще мало).

the_coil_in_process

 

Сделаны первые опыты с ацетатом меди. Правда ацетат был загружен в уже изрядно поработавшую трубу (под разборку), но свежую чистую трубу портить пока не хотелось.

В трубе с ацетатом разряд приобретает красивый голубой цвет уже при 150оС, но генерацию получить пока не удалось. Возможные причины:
- отстутствие прокачки (тесты делались в газостатическом режиме)
- излишки воды в соли
- загрязнения в трубе.

 

Опробован разрядник с продувкой воздухом. После некоторых проб и ошибок удалось прийти вот к такой конструкции:

WWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWW XX XX XX XX XX XX XX\ XX XX XX XX /XX ===== ==== ==== ==== ==== ===== ===== ==== ==== ==== ==== ===== XX/ XX XX XX XX \XX XX XX XX XX XX XX WWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWW

Т.е. пятизазорный разрядник с трубчатыми электродами. Корпус сделан из ППРС трубы на 22 мм, шайбы отлиты из эпоксидки, электроды из трубочек от вытяжных заклепок (диаметром 5 мм, внутреннее отверстие 2.5 мм). Разрядник подключается на место HSG в схеме питания на рис 25.

Прокачка от небольшого (150 Вт) поршневого автомобильного компрессора для накачки шин.

Зазор был выставлен поначалу в 5х1 мм, но разрядник проявил тенденцию не пробиваться при продувке воздухом (хотя и пробивался без продувки). Тогда зазор был уменьшен до 0.75 мм (швейная игла) и разрядник стал стабильно пробиваться.

Тем не менее задержка болтается от (редко) 100 мкс до (редко) 500 мкс. В основном - от 200 мкс до 400 мкс.

Лазер ведет себя также - выдаст пару-тройку ярких вспышек, потом пару-тройку слабых, а потом и вовсе заткнется. И нет и нет. А потом, после паузы - снова...

Возникла мысль, что виновата нестабильность напряжения пробоя и связана она с алюминием, поскольку водородные разрядники с алюминиевыми электродами также не отличились качеством и стабильностью.

В нынешнем виде по своим свойствам прокачной разрядник напоминает соляной. Но в отличие от последнего совершенно не работает при отключенной прокачке воздуха.

gas_flow_spark_gap

 

Опробован блок питания из сварочного инвертора. Идея, в общем-то, та же, что и при переделке электронного трансформатора от галогенок в высоковольтный блок питания, а именно: подключаетесь к вторичной обмотке силового сварочного трансформатора (крупное пермаллоевое кольцо, обмотанное проводами толщиной в полпальца, подключаться надо напрямую, до выпрямителя) и вешаете туда свой повышающий трансформатор с собственным высоковольтным выпрямителем. Было опасение, что придется заморачиваться с цепями обратной связи разного рода защит и стабилизаций. Однако, как выяснилось, они не мешают. По крайней мере в дешевых сварочных инверторах. Можно предположить, что с дорогими сварочными стабилизаторами заморочки все-же будут.

После того как было спалено несколько вариантов самодельного высоковольтного трансформатора (если решитесь на сооружение чего-нибудь аналогичного, настоятельно рекомендую запастись огнетушителем, причем не пенным) устаканилось с трансформатором, имеющим разомкнутый сердечник из ферритовых колец к40, собранных в столб, высотой 200 мм. Первичная обмотка: 8 витков в три провода ПЭВ-2, вторичная обмотка 1500 витков провода ПЭЛ-0.5 в пять слоев с майларовой изоляцией между слоями. Напряженность трансформатора 10 вольт на виток. (Замечание от 18 апреля 2016: впрочем этот трансформатор тоже сдох. В результате перегрева вторички расплавился майлар - разделитель слоев. Со всем вытекающим фейерверком.) Выпрямитель - удваивающий. Сглаживающие конденсаторы типа КВИ-3. На таких мощностях я не рискнул поставить всякие там к73 или к75, ибо взорвутся нафиг.

В такой конфигурации блок питания оказался способен вытолкать лазер с RC схемой питания (рис 15) на частоту 20 Гц. Т.е. вдвое больше, чем 400-ваттный высоковольтник. Не думаю, что это предел. Просто маловат запас по напряжению, расходуемый на продавливание балластных резисторов. Можно было бы домотать вторичку витков до 1800 и увеличить частоту повторения герц до 30, но этот же самый запас по напряжению может оказаться избыточным для LC схемы (рис 25). Стало быть все опять уперлось в катушку резонансного заряда. А она все мотается...

Тем не менее когда катушка будет домотана даже безо всяких доработок частота повторения с этим блоком должна достигнуть 60 Гц.

svarochnik_HVall

 

ВЫВОДЫ

Как говорил автор Doom'а и Quak'а Кармак: "для Вашего брутального удовольствия" здесь было рассмотрено и обкатано шесть вариантов схемы питания лазера на парах галогенидов меди:

Схема, генерирующая два импульса с использованием двух RC плечей с разной скоростью заряда и(/или) с разным временем пробоя. Схема, генерирующая серию (вспышку) импульсов, основанная на использовании разрядника с малым временем восстановления, достигнутым за счет заполнения разрядного промежутка пористой корундовой керамикой. Схема, генерирующая серию (вспышку) импульсов, основанная на использовании разрядника с малым временем восстановления, достигнутым за счет заполнения разрядного промежутка мелко истертой поваренной солью. Схема, генерирующая серию (вспышку) импульсов, основанная на использовании разрядника с малым временем восстановления, достигнутым за счет выполнения разрядного промежутка в форме капилляра и заполнения его воздухом под пониженным давлением. Схема, генерирующая серию (вспышку) импульсов, основанная на использовании разрядника с малым временем восстановления, достигнутым за счет выполнения разрядного промежутка в форме узкой трубки и заполнения его газообразным водородом под слегка сниженным давлением. Схема, генерирующая два импульса с использованием двух зарядно-разрядных плечей с неуправляемым разрядником в ведущем плече и управляемым разрядником в ведомом плече.

Все схемы собраны из доступных материалов и деталей. (С некоторым сомнением в отношении керамических импульсных конденсаторов - они последнее время встречаются все реже и стоят все дороже, хотя, при определенной настойчивости, могут быть заменены самодельными малоиндуктивными конденсаторами.) Для воспроизведения любой из рассмотренных схем не требуется высоких технологий или недюжинного мастерства.

Наилучшие результаты получены в схеме с водородным разрядником. С ним лазер работает очень стабильно на частотах повторения вспышек до 15 Гц, выдает вполне измеримую выходную мощность и демонстрирует ресурс как минимум не менее 10 тыс вспышек. Дальнейшее наращивание частоты повторения и мощности ограничивается, в основном, перегревом разрядника. Если применить, скажем, водяное охлаждение, то получение выходной мощности до нескольких сот милливат мыслится вполне реальным. Кстати говоря загерметизированные глюганом отпаянные водородные разрядники показывают вполне сносное время существования (наполнены 12 февраля, проработали до 28 марта и все еще работают).

Несколько худшие результаты дает применение управляемого разрядника с внешним поджигом. Со свежесобранным и свеженастроенным разрядником лазер довольно стабильно генерит до частот повторения порядка 50 Гц. Однако мощность при этом ниже, чем в случае с водородным разрядником и частотой повторения вспышек в 10 Гц. Кроме того пока не получилось добиться от управляемого разрядника ресурса стабильной работы более 10 тыс импульсов, а на частотах 100 Гц это как-то совсем немного.

За третье место конкурируют разрядники с заполнением межэлектродного зазора твердым пористым диэлектриком. Разрядник с корундовой керамикой обеспечивает генерацию длинных серий вспышек практически без пропусков, но энергия в каждой вспышке мала. С другой стороны разрядник с заполнением поваренной солью дает мощные вспышки, но менее стабильно и с заметным количеством пропусков, так что в среднем то на то и выходит. Тем не менее, мне думается, что невысокие параметры это не столько внутренне присущий недостаток разрядника с твердым пористым диэлектриком, сколько следствие неоптимальной конструкции. Вероятно при достаточных усилиях по оптимизации геометрии и материала разрядника можно выйти на параметры, как минимум сравнимые с тем, что дает разрядник с
водородным заполнением.

Капиллярный разрядник с воздушным наполнением ничем, кроме высокой стабильности, похвастать не может. Низкая энергия лазерных импульсов и быстрый перегрев даже на частоте 1 Гц делают его пригодным разве-что для демонстрационных целей. По сложности изготовления он сравним с водородным разрядником, а результат заметно хуже.

Наконец, схема с двумя неуправляемыми разрядниками и двумя RC плечами, хотя и не отличается ни высокой стабильностью ни высокой мощностью лазерных импульсов, зато она проста и, при правильном выполнении, не требует настройки. Кроме того, как это ни парадоксально звучит, внутренне присущий разброс задержек играет не только отрицательную роль, но и, в определенном смысле, положительную. Дело в том, что когда на первых порах, Вы интересуетесь не столько тем, какую мощность можно получить с лазера, сколько тем, загенерит ли эта штука вообще, разброс играет Вам на руку, осуществляяя сканирование по доступному диапазону задержек. А уж единожды увидев лазерное пятно, Вы своего не упустите, так ведь?

Рассмотренные шесть вариантов схемы питания, разумеется не исчерпывают всего многообразия способов получения двойного импульса или серий импульсов, часто следующих один за другим. Тем не менее даже они, при конструировании лазера, дают Вам выбор. А, как известно, чем шире выбор вариантов, тем больше вероятность успеха.

Что касается лазера в целом, то за вычетом требований к буферному газу и степени откачки, все остальное реализуемо с использованием вполне доступных материалов и технологий. Включая и стеклянную трубку, в качестве которой вполне применима трубка от люминесцентных лампочек и лазерные зеркала, в качестве которых с успехом работают бытовые алюминированные зеркала (вне зависимости от стороны покрытия) и одиночные либо сдвоенные стеклянные пластинки. Вылизывание цепи питания на предмет снижения индуктивности и сокращения длительности тоже не требуется.

Вакуум, к сожалению, требует применения профессионального вакуумного насоса, а это во-первых недешево, а во-вторых надо знать где его купить. Обращенные автомобильные насосы и холодильные компрессоры здесь не подойдут. (Не исключено, впрочем, что такая возможность появится с неоном, поскольку многие авторы сообщают, что медный лазер с неоном имеет второй максимум в зависимости выходной мощности от давления буферного газа. И лежит он выше 100 торр. Однако неон это совсем для эстетов.)

Гелий же, не сказать, чтобы недоступен... Напротив, почти в любом городе почти в любое время его с легкостью можно купить в виде воздушных шариков. Да и цены не кусаются, тем более, что от одного шарика лазер способен работать несколько часов, а возможно и несколько десятков часов. и основной расход гелия идет вовсе не на прокачку, а на первоначальную промывку трубки и шлангов от остатков воздуха. Но дело здесь вовсе не в деньгах... Дело в том, что с морально психологической точки зрения регулярно бегать за шариками это, хм... несколько сложнее, чем шастать по Красной Площади в розовых лосинах и несколько проще чем, скажем, выйти на пляж в стрингах. (Оба примера приведены для парней, поскольку для лиц противоположного пола оба действия вполне естественны и часто воспроизводимы.)

Если же вакуумный насос и гелий (либо неон либо аргон) у Вас имеется, то с самостоятельной сборкой медного лазера проблем не будет. Весьма рекомендую. Впрочем от ложки дегтя напоследок все-же не удержусь: если Вам просто нужен зеленый лазер в десять - сто милливатт, то купить китайскую лазерную указку выйдет и проще и дешевле. По крайней мере сейчас, пока запрет на лазеры мощностью свыше 5 мВт еще вялый. Но вот если он действительно серьезно войдет в силу, вот тогда самодельный медный лазер на самом деле сможет стать достойной альтернативой.

 

БЛАГОДАРНОСТИ

Все, кому этот веб-репорт понравился или был полезен, вместе со мной должны быть благодарны:

Дмитриеву Дмитрию, отловившему ну просто тонны очепяток Андрею Франкенштейну, без которого этот репорт вообще не появился бы на свет.
Дело в том, что проект медного лазера у меня уже несколько лет лежал без движения подобно камню Сизифа на горе. И именно Андрею удалось столкнуть этот камень вниз, что и привело к написанию веб-репорта, который Вы только что читали.

 

<THE END>

 

09.01.2017 ПОСТ СКРИПТУМ. АРГОН.

За последний год мне удалось обзавестись баллоном с аргоном, но до проверки генерации с ним медного лазера как-то руки не доходили. Но вот - сделано. Лазер достат с полки, с него сдута вековая пыль и прикреплены на место отвалившиеся детали.

Лазер восстановлен в конфигурации с водородным разрядником и зарядной катушкой индуктивности (см. рис 25). Старая трубка, естественно, уже прокисла: слой монохлорида на стенках трубки напоглощался влаги из воздуха и красиво зазеленел. Смысла тратить усилия на попытки получения генерации в этом болоте не было никакого. Поэтому лазерная трубка была пересобрана и перезаполнена монохлоридом меди. Использовались остатки монохлорида, получавшиеся еще для предыдущих опытов. Новость хорошая: под слоем изопропилового спирта монохлорид меди прекрасно сохранился с тех пор (с марта по декабрь).

Были сомнения насчет работоспособности водородных разрядников, герметизация которых делалась глюганом (клеевым пистолетом с стержнями из низкомолекулярного полиэтилена) и, предположительно, не была способна пережить такой срок хранения, тем более при заполнении водородом, который, как известно, является самым проникающим из всех газов. Забегая вперед скажу, что три из четырех, заполненных и отпаянных еще в марте, разрядников оказались работоспособны и позволяли получать генерацию с неплохим выходом. Вот тебе и глюган...

Восстановленный лазер был испытан на предмет получения генерации в парах монохлорида меди с аргоном в качестве буферного газа. Процедуру получения генерации описывать не буду - она ничем не отличалась от уже описанной выше для случая использования гелия. Перейду сразу к результатам. Аргон брался обычной технической чистоты - "сварочный".

С моими, сохранившимися за год остатками опыта по подбору условий генерации, лазер заработал сразу, без дополнителных танцев с бубном. Диапазон температур, в котором генерация достижима, оказался в точности таким же, как и для гелия. Те же 270..350 градусов Цельсия (по температуре стенки разрядной трубки).

С рабочим диапазоном давлений все хуже. Лазер работоспособен лишь в небольшой области давлений вблизи оптимума (примерно 3..5 торр). Причем оптимум мощности находится рядом с верхней по давлению границей срыва генерации (вблизи 5 торр). Интересно, что если при использовании гелия лазер очень спокойно относился к понижению давления - мощность просто плавно снижалась по мере откачки, то с аргоном наблюдается довольно резкая нижняя граница, при переходе которой лазер быстро гаснет.

Энергия генерации в оптимуме по давлению и температуре не отличалась от таковой при использовании гелия. Энергия оценивалась по допустимой степени расфокусировки при накачке лазера на красителе лучом медного лазера. И для гелия и для аргона допустимое смещение кюветы с красителем от фокуса линзы составляло +-5 мм (при фокусном расстоянии 20 мм).

Вот, собственно, и все. С аргоном лазер просто работает. Не лучше, чем с гелием, но и не хуже. Порадовала сохранность водородных разрядников, показавшая, что даже в условиях столь колхозно-наколенных технологий можно сделать отпаянный газоразрядный прибор со вполне приемлемым сроком хранения и ресурсом.

 

<< ГЛАВНАЯ СТРАНИЦА


Участок электрической цепи схема которой приведена на рисунке

Похожие записи:



Фотографии свадебных украшений своими руками

Как в комнате сделать уют и красоту

Как сделать регистрацию в домашних условиях