Laser Kids
ENG

. : Гора, породившая мышь. (Болье-Ламбертон-Пирсон. Антигайд) : .

 

Эпик фейлы, зачастую могут научить большему, чем блестящий успех. Именно по этой причине я привожу тут описание этого лазера в том смысле, что "так делать не надо".

1. Концепт.

Идея была вот в чем. Хотелось придумать лазер простой и мощный одновременно, питаемый "по ниточке"
а еще, чтобы и делался с кандачка и искру в воздухе с полпинка зажигал.
Чем не устраивала та, уже ставшая привычной, TEA-ха с барьерным разрядом?

  1. Не всегда удается достать алюминиевую полосу на электроды. А уголок повдоль пилить напрягает.
  2. Ровные диэлектрические пластины для электрододержателей тоже дефицит, в особенности если хочется сделать лазер побольше.
  3. Полировать электроды опять же напрягает.
  4. В случае пробоя диэлектрика приходится полностью пересобирать лазер. А хочется чтобы он был "вечным" и уж такую банальность как превышение рабочего напряжения переживал бы без проблем.
  5. ТЕА-шка с барьерным разрядом масштабируется в сторону увеличения с заметным скрипом. А хочется иметь запас по объему.

Схема с секционированными электродами, с резисторами, подключенными последовательно к каждой секции (схема Болье) идейно для понимания проста. Надо только помнить, что без гелия и с кислородом она в принципе неработоспособна при атмосферном давлении. Есть еще пара подводных камней. Если секционирован только один электрод (катод например) и если расстояние между секциями много меньше межэлектродного зазора (а так обычно и бывает), разряд, вместо того чтобы образовывать равномерную вдоль лазера цепочку искр, предпочитает собраться с нескольких секций в одну жирную искру и уже ей пойти между электродов. Затруднить этот процесс можно секционировав оба электрода, добавив предионизацию и укоротив питающий импульс. Т.е. все как в обычной TEA-Шке только мягче.

Самым главным недостатком больешек является совершенно невпупенное количество штырьковых электродов и резисторов и напрягов, связанных с монтажом и герметизацией всего этого добра. Однако логично прдположить, что под откачкой до ~100 мм. рт. ст. разряд будет более менее стабильным, а если что можно откачать чуть посильнее. Поэтому логично штырьковые электроды сделать побольше диаметром, а их количество сократить. Что до давления, то герметизировать лазер все равно прийдется, а с точки зрения напрягов - что пол атмосферы, что одна десятая - насосу все равно. Не вручную же откачка происходит.
Вот собственно такая логика была при конструировании этого лазера.
И вот что получилось.

2. Конструкт.

Лазер представляет собой пластиковую канализационную трубу наружным диаметром 50 мм. В стенках трубы насверлены отверстия в которые (шляпкой внутрь трубы) вставлены 48 пар болтов на М5. Цепочки шляпок болтов образуют по сути секционированные электроды. Внутри трубы на небольшом (5..10мм) расстоянии от секционированных электродов натянуты проволочки. Проволочки проложены вдоль этих самых электродов и через небольшие емкости подключены к шине питаня противоположной полярности.
gora

Проволочный предионизатор роднит схему со схемой Ламбертона-Пирсона. Резистивный балласт секционированных электродов роднит схему со схемой Болье. Поэтому она и была условно названа Болье-Ламбертон-Пирсон. Но на этом сходство и заканчивается. Начинаются различия.

  • У Болье катод состоит из цепочки острий, сильно искажающих поле и обеспечивающих зажигание предразрядной короны, которая и дает предионизацию. Здесь электроды состоят из довольно крупных секций сравнительно гладкого профиля (шляпки болтов). Они обеспечивают более-менее широкий однородный разрядный столб, в то время как у Болье ширина разрядного столба определяется только тем, насколько стримеры успевают разползтись в межэлектродном зазоре.
  • У Болье резисторы сравнительно большого номинала обеспечивают стабилизацию разряда и задержку его развития относительно предионизации. Здесь номинал резисторов выбран так, что постоянная времени разряда конденсатора на общее сопротивление всех включенных впараллель резисторов много меньше постоянной разряда конденсатора на собственную индуктивность и на индуктивность подводящих шин. То есть резисторы не замедляют разряд (но и не стабилизируют) и падение напряжения на них невелико - можно пренебречь их влиянием на кпд. Резисторы лишь помогают равномерно распределить ток по секциям и обеспечивают нормальное функционирование предионизатора - чтобы на проволоку предионизатора с каждой секции электродов шло по маленькой искре, а не чтобы одна большая искра
    закорачивала электрод с предионизатором где-нибудь у торца трубы.
  • Предионизаторы здесь искровые. В отличие от схемы Ламбертона, где используется корона на проволочках. Поэтому схема Ламбертона работает тем лучше, чем тоньше проволочки (известны случаи использования нитей 50 мкм диаметра), в то время как здесь диаметр проволок некритичен. Неплохо работают медные неизолированные провода диаметром 0.5 мм.
  • Расположение проволок также отличается от ламбертоновского:
    inside_tube

    discharge_inside_tube discharge_inside_tube2
    Номинал балластных резисторов 100 Ом. (Кроме того на месте резисторов пробовались дроссели индуктивностью по 3 мкГн, нихром от паяльника и др. Генерация была получена и с дросселями и c нихромом, но с дросселями ниже выходная энергия а нихром имеет свойство рваться и/или перегорать) Проволоки предионизаторов находятся на расстоянии ~10 мм от секционированных электродов.

Спереди и сзади труба закрыта стандартными самодельными юстировочными платформами.
Заднее зеркало, как обычно, отмытое от краски автомобильное зеркало заднего вида, установленное алюминиевым слоем внутрь камеры. Фокусное расстояние 1 м. Спереди может быть использована обычная (не покрытая ничем) пластинка из селенида цинка или германия. Лучшие результаты получаются при коэффициенте отражения 50%. Длина трубы 1 м (такчто извиняйте - случайно получился полуконфокальный резонатор). Длина электродов 75 см.
Для удобства параллельно лазерной трубе пущена еще одна труба с болтами, образующая по сути огромную клеммную колодку (см.рис.).

bealeau01

bealeau02 bealeau03

Питается это дело от (сравнительно) малоиндуктивного конденсатора 40 нФ заряжаемого до 30 кВ, через разрядник (усиленной конструкции). Подключение делается шинами из алюминиевого скотча шириной 50 мм и длиной до 1 м. Т.е. питание не "по ниточке", конечно, но и малоиндуктивным его тоже не назовешь.
gora_scheme

3. Результат.

Полученные результаты сведены в таблицу.

смесь воздух
:CO2
1:2
отожженка
:CO2
1:1
отожженка
:CO2:He
1:1:2
отожженка
:CO2:He
1:1:6
отожженка *
:CO2:He
1:2:6
Оптимальное
давление торр
40 40 50 100 100
Энергия, мДж
при опт.давл.
120 90 120 120 100 **
Максимальное
давление торр
50 50 70 240 240
Энергия, мДж
при макс.давл.
40 70 100 120 60

*"Отожженка" - воздух в котором кислород удален при помощи сжигания углеводородных топлив. Подробнее см. мини-гайд по импульсно-периодическому продольнику.
** Энергия определялась с использованием самодельного Пельтье-калориметра по средней мощности излучения при частоте повторения 0.3..0.5 Гц

Как видно энергия не впечатляет. По показаниям Пельтье получено всего лишь 120 мДж.
С учетом того, что на низких частотах повторения (~1 раз в 2..3 секунды) пельтье может сильно врать, и ориентируясь на размер пятен на копирке (сравнивая с пятнами на копирке которые дает твердотельник), можно предположить, что на выходе лазера было 0.25..0.5 Дж при оптимальном давлении на лучших смесях.
Максимальное рабочее давление тоже не впечатляет - с гелием и практически без кислорода едва перевалило за 200 мм.рт.ст.
Луч на выходе имеет форму прямоугольной полоски 12x24мм. В нефокусированном сосотоянии не виден ничем кроме калориметра. Будучи слегка подфокусирован наблюдается в виде четкого и довольно яркого пятна голубого света на предметах. На копирке оставляет глубокие четкие пятна с диаметром до 1 см. Сфокусированный луч (при диаметре порядка 1 мм) довольно бодро жгет все подряд (см. видео). Головку спички разрушает до дерева буквально за два-три импульса, не поджигая при этом.

Вот фото копирки, наждачки и спичечного коробка с отметинами луча.

damaged_target1

damaged_target2 damaged_target3

Сфокусировать луч острее чем до 1 мм не получилось, поскольку у (бытовых) зеркал велики аберрации при таком размере падающего луча (~30 мм). Может быть поэтому, но скорее всего изза недостатка пиковой мощности, искра в воздухе так и не была получена.

4. Выводы.

Если верить научным статьям, при таких размерах разряда и таких энерговкладах у народа получаются лазеры на 2..10 Дж. Тут получилось в 20..100 раз меньше. Не помог даже гелий. Получать КПД в 10 раз ниже чем у "ученых" для лазерного самодельщика - дело привычное. Методом исключений было выяснено, что виноваты газы, но не пойдешь же в хим-магазин покупать баллон гелия "ЧДА".

Хуже другое:

  1. Без гелия область давлений приемлемой работоспособности не попала в диапазон откачки холодильного компрессора (70 мм. рт. ст.) А значит уже нужен настоящий вакуумный насос. Неважно "профессиональный" или "бытовой" но уже настоящий. А это резко снижает доступность лазера для повторения.
  2. Конструкция лазера оказалась сложна и противна в сборке. На стадии идеи казалось, что самым трудным будет вставлять болты изнутри трубы. На практике при помощи алюминиевой палочки с приклеенным магнитиком болты были вставлены минут за двадцать. Герметизация оказалась куда сложнее. Долгое и муторное проглюганивание с горелкой так и не избавило от течей. Лазер натекает со скоростью около 2..3 мм.рт.ст. в минуту. Монтировать резисторы тоже не улыбнуло. Хотя сами резисторы порадовали своей электропрочностью. (Схемы Болье обычно страдают от непрерывного выхода из строя резисторов. В этом лазере за все время не выгорел ни один.)
  3. Размеры получились огромными. Вроде бы выигрыш налицо. По сравнению с маленькой TEA-шкой с барьерным разрядом размер всего втрое больше, а энергии на выходе больше в 6-10 раз. Но это "втрое" воспринимается уже не как маленький компактный лазерочек, а как огромная байда... этакая "звезда смерти". Чистая психология, но ничего не поделаешь. Глядя на эту штуку ждешь от нее, что она стальные листы пробивать будет, а она так... бумажечку... спичечку...

 

<< ГЛАВНАЯ СТРАНИЦА