Laser Kids
ENG

. : Дырчатая ТЕА-ха : .

Дырчатая ТЕА-ха. Минигайд

Лазер, описанный мной в гайде
эволюционировал. Причем почти что сам по себе. Просто при каждой пересборке совершенствовалась какая-нибудь деталь. И вот что из этого вышло.
holeum

  • Теперь труба полностью симметрична. Катодный и анодный узлы идентичны.
    Понятно, что и полярность подключения теперь неважна.
  • И анодный и катодный узел снабжены предионизаторами (предионизации много не бывает, и хотя это заметно усложнило сборку, результат того стоит.)
  • Для еще большего увеличения интенсивности УФ предионизации в электродах насверлена цепочка дырок. Это относится и к катоду и к аноду. Теперь барьерный разряд горит не только по периметру электродов но и на свободной поверхности диэлектрика внутри дырок. И сквозь дырки подсвечивает рабочий зазор.
  • Ширина электродов в показанном здесь варианте составляет 10 мм. Причем такой тип лазера мягче относится к увеличению ширины электродов при условии что дырки насверлены достаточно часто. (нет спада интенсивности УФ излучения предионизации при удалении от края электрода)
  • Вместо двустороннего скотча для крепления электродов стал использоваться клей 88. Прочность и в первую очередь долговечность конструкции от этого сильно выиграла.
  • Для работы с выросшими давлениями напряжение питания было поднято с 10..12 кВ до 20..30 кВ. Естественно, что изменился тип и номинал накопительной емкости и увеличен (во всех смыслах) разрядник. (Для длины электродов 400 мм, ширины электродов 10 мм батарея состоит из 26 телевизионных К15-4 по 470 пф и 30 кВ каждый)

В результате:

    • Давление при котором лазер работоспособен на смеси СО2:воздух поднялось до 600 мм.рт. ст. И при этом никакого гелия!
    • Выходная энергия докарабкалась до 36 мДж (также без гелия).

Вот фотографии этапов сборки такого лазера с рабочей длиной электродов 40 см.
Можно видеть, что с лицевой стороны электродов дырки имеют диаметр 2 мм. Кроме того дырки обработаны до получения плавных краев. (Острые края противопоказаны) С обратной стороны дырки раззенкованы до вида конических каверн с диаметром у основания 6 мм. (В этой полости горит барьерный разряд, который и обеспечивает усиленную предионизацию).
Кроме того хорошо видны контактные пояса (по 4 места контакта на каждый предионизатор и по 5 контактных поясов на каждый электрод). Напомню, что при недостаточном количестве мест контакта лазер такой длины нестабилен.

materials
Электроды. Напомню, что Вы можете кликнуть на изображение для получения картинки с большим разрешением.

preionisers
Обратная сторона электродов и наклеенные фольги предионизаторов. Обратите внимание на раззенкованные дырки и на количество контактных полос предионизатора.

scotch
Предионизаторы закрыты двусторонним скотчем. Можно было положить и сплошной слой, но схема с несплошным слоем лучше защищена от пробоев слоя диэлектрика.

diel
Смонтированы предионизаторы, разделительный слой диэлектрика (майлар 125 мкм) и контактные пояса. Осталось лишь приклеить электроды, вставить дистанционирующие стойки и соединить вместе катодный и анодный узлы. Процедура эта была описана в гайде по предыдущей версии этого лазера.

Лазер в действии. Я фокусирую луч сферическим алюминиевым зеркалом (тоже кстати отмытым от слоя краски автомобильным зеркалом). В качестве цели использую коробочку из черного пластика и черный полиэтиленовый пакет. Хорошо виден характерный синий ("электрический") цвет факела. Иногда в воздухе загрязненном дымом проскакивает искра. Хотя на видео это особо не видно. В этой серии лазер раскочегарился аж до 50 мДж.

pocket
Кусок полиэтиленового пакета после опытов. Для фото наложен на лист белой бумаги и размещен напротив лампочки чтобы было видно дыры. (Фото без увеличения кстати.)

 

laser_front laser_back
Сам лазер в сборе. Вид спереди и сзади. Схема питания практически не отличается от старого варианта. Увеличено напряжение питания и блокировочный резистор заменен на катушку индуктивности (видна на фото).

Новая версия Дырчатой ТЕА-хи

Для проверки масштабируемости нового варианта лазера была предпринята попытка собрать лазер с шириной электродов 20 мм. Заодно представилась возможность провести более подробную фотосессию процесса сборки.

  • Здесь показаны новые электроды (алюминий, ширина 20 мм, толщина 2 мм) с новыми электрододерхателями.
    hTEA01
  • Наклеиваем слой фольги - получаем заготовку для предионизатора.
    hTEA02
  • Размечаем размер предионизатора и положение токоподводов. Ширина токоподводов 15 мм, ширина предионизатора 26 мм (и здесь тоже используется барьерный разряд не только в дырках но и по периметру, как было уже сказано - предионизации много не бывает).
    hTEA03
  • Режем по разметке очень острым ножом или бритвенным лезвием. Острые углы скругляем. На фото показано то, что должно получиться в результате.
    hTEA04
  • Наклеиваем двусторонний скотч.
    hTEA05
  • Поверх скотча наклеиваем майлар (толщина 125 мкм).
    hTEA06
  • Заготовка для общей шины. Желательно чтобы ширина шины была не меньше ширины электрода.
    hTEA07
  • Шина наклеена. Торцевые концы также используются для токоподвода к электродам.
    hTEA08
  • Заготовка для контактных поясов.
    hTEA09
  • А вот и сами контактные пояса. Вид сверху и снизу. Обратите внимание на зазор на лицевой части. Он оставлен чтобы не экранировать дырки в электродах.
    hTEA10
  • Наклеиваем электроды. Используйте небольшие капли клея (88-й клей). Помните, что не следует загрязнять дырки.
    hTEA11
  • Заготовки для распорок.
    hTEA12
  • Следующий этап сборки. Майларовые лепестки отогнуты, на распорки наклеен двусторонний скотч.
    hTEA13
  • Далее распорки ставятся на электродожержатели.
    hTEA14
  • А затем электрододержатели соединяются друг с другом.
    hTEA15

    hTEA16
  • Смотайте электрододержатели друг с другом бытовым скотчем (узким) - это придаст конструкту дополнительную прочность. Обратите внимание, что замотка ведется поверх распорок, чтобы не изгибать электроды. Неплохо также припаять контактные пояса к общим шинам электрододержателей - это уменьшает искрение и тепловыделение в месте контакта.
    hTEA17 hTEA18

    hTEA19

Установка лазера в трубу(корпус):

  • Берется полуметровая пластиковая канализационная труба (благо этого добра везде хватает)
    hTEA20
  • Размечается положение отверстий под контактные болты.
    hTEA21
  • Сверлятся отверстия под контактные болты.
    hTEA21
  • Затем контактные болты вкручиваются в отверстия.
    hTEA23
  • Заметьте что этот лазер сделан с небольшой ошибкой. Болты попадают между распорками электрододержателей и при неосторожном вкручивании изгибают электроды. Надеюсь, что Вы эту ошибку не повторите. Помните, однако, что место поверх стоек уже замотано скотчем. По сути Ваша задача попасть болтом туда, где скотча уже нет, а стойка еще продолжается (вот почему стойки сделаны такими длинными).
    hTEA24

    hTEA25

Торцы трубы закрываются и герметизируются юстировками. Юстировки делаются из оргстекла толщиной 10 мм. В качестве юстировочных винтов используются болты на М4.

 

  • На фото показаны заготовки для юстировок. Две из них уже содержат патрубки. Когда для изготовления юстировок доступен хороший материал удобнее патрубки помещать в них а не сверлить и без того замученную трубу.
    mmount01
  • Соединив попарно треугольные заготовки, сверлим центральную дыру под лазерный луч. В данном случае ширина электродов 20мм поэтому и дыра получается здоровенная.
    mmount02
  • Для того чтобы юстировочным винтам было во что вкручиваться, используются металлические гайки. Вклеиваем гайки на эпоксидку.
    mmount03

Фото готового лазера. Хорошо виден новый разрядник. Большоой, "мохнаатый", велииичественный. Зато более надежный.
hTEA_ready
hTEA_ready_back

На видео ниже показан нефокусированный луч получившегося лазера на пельтьехе. Заметьте, светится обычный графит а не какой нибудь специальный визуализатор. Пятно свечения по форме повторяет зазор между электродами. Видно, что ширина разрядного столба гладко следует за шириной электродов и не испытывает "стягивания" как было для бездырчатых конструкций. Т.е. этот вариант лазера легко масштабируется на большие размеры и энергии.


laser_beam

Тем не менее масштабирование вширь здесь уже уткнулось в размер трубы. Двадцати миллиметровые электроды и двадцати шести миллиметровые предионизаторы на сорока-двух миллиметровых электрододержателях оставляют всего лишь (42-26)/2=8 всего восемь миллиметров на изолирущие закраины. Труба таким образом получается сравнительно низковольтной. 20 кВ в лучшем случае.

Стоит отметить, что электроды такой ширины уже не требуют формовки под профиль Ченга или Роговского. Вполне достаточно, если электроды будут плоскими а их края скруглены.

Дальнейшее расширение электродов потребует трубы большего диаметра. Но даже эта труба достаточно мощна, чтобы ее недогружала рама с пятнадцатью конденсаторами К15-4, 4700 пф, 12 кВ - самая мощная лазерная рама, которая у меня есть ("зверская" рама).

Искра в воздухе

air_spark03 air_spark11

air_spark12 air_spark11comm

Искра в воздухе - один из самых красивых эффектов, которые можно получить с помощью TEA-лазера. В фокусе линзы интенсивность света достигает таких значений, когда воздух попросту пробивает электрическим полем световой волны.

К сожалению с использованием только подручных материалов его воспроизвести не удалось. Здесь требуется не только большая мощность и энергия, но еще и острая фокусировка. Отмытое от краски автомобильное зеркало дает в фокусе слишком большое пятно. Вместо него пришлось использовать селенид-цинковую линзу от лазерного гравера. Резонатор лазера для получения искры тоже пришлось собирать из настоящих лазерных зеркал. Оба зеркала плоские, заднее - полностью отражающее, переднее с пропусканием 50%. Только после этого удалось получить пучок достаточного качества, чтобы в фокусе он смог вызвать оптический пробой воздуха.

Судя по требуемой интенсивности (1е10 Вт/кв.см) и по оцененному размеру пятна выходная мощность лазера достигла мегаватта, а возможно и нескольких. Энергетический выход был около 200 мДж по показаниям Пельтье калориметра. Лазер работал на смеси "отожженка":CO2 = 1:1 при давлении 300 мм.рт.ст. Использовалась описанная выше лазерная трубка с электродами шириной в 20 мм, которая питалась от конденсаторной батареи общей емкостью 70 нФ. Зарядное напряжение соответствовало 6 мм длины пробойного зазора между шарами в воздухе. (Это около 15..18 кВ. Да, бедные конденсаторы к15-4 были слегка перегружены, и один из них даже вышибло. Но после его замены батарея с такими напряжениями работала нормально. Не все партии к15-4 отличаются такой стойкостью. Бывает и наоборот. Например, в другой батарее к15-4 1000пф х 20 кВ вышли все один за одним так и не добравшись до номинального напряжения, не говоря уже о перегрузе.)

Немного о КПД последней версии дырчатки

Получившаяся ТЕАха имеет неплохой КПД - около 4%.

Энергия в конденсаторах есть W=(CU^2)/2, емкость батареи 70 нФ, а зарядное напряжение при зазоре 6 мм в разряднике будет 15..18 кВ (точнее не скажу - искра метод неточный, а киловольтметр может врать еще хуже) Возьмем среднее U=(15+18)/2=16.5 кВ, тогда W=(7e-8*16500^2)/2=9.5 Дж.

Лазерный выход был, как мы помним, около 200 мДж.
Делим одно на другое: КПД=100*Wlas/W=100*0.2/9.5=2.1%

Ой где-ж... обещанные четыре процента?

ИМХО сейчас уже каждый юзер привык, что 32-х гиговая флэшка имеет емкость на 28 а то и меньше. И все кому не лень натягивают параметры своих устройств то за счет того, что в килобайте 1024 байта, то за счет того, что в килограмме 1024 грамма... Что, только 1000? - это все равно никому не мешает.

Так и с лазерами. Хотите знать как натягивается кпд? - Следите внимательно за моими манипуляциями. Тем более, что подобный подход исповедуется в 90% научных статей.

Первое, на что надо обратить внимание, это то, что НЕ ВСЯ энергия конденсатора вкладывается в плазму. А зачем нам считать холостые потери несовершенного источника питания, если мы хотим вычислить кпд лазера. Ведь кто-нибудь умный и умелый может придумать источник питания, который со 100%-ной эффективностью вложит накопленную электроэнергию в газ.

Стало быть энергию лазерного излучения надо отнести к энергии вложенной в разряд. Дело за малым - измерить эту самую вложенную энергию. Для измерений нам всего лишь потребовалось бы измерить ток разряда Id и падение напряжения на разряде Ud. А потом проинтегрировать произведение Ud*Id по времени.

Стрем в том, что при попытке проделать эту процедуру в домашних условиях, после подключения токоизмерительного резюка в разрядную цепь мы зашнуруем разряд из-за возросшей индуктивности и мерить станет попросту нечего.

Поэтому придется довольствоваться галимыми вычислениями. По счастью падение напряжения на газовом разряде постоянно и зависит только от зазора, давления и состава смеси. Поэтому Ud можно из под интеграла вынести, а оставшийся интеграл от тока по времени будет ничем иным как электрическим зарядом, протекшим через плазму. Заряд этот будет равен q=C*(U-Ud). U=16.5 кВ -начальное напряжение на емкостях. Ud - напряжение горения разряда (постоянное во времени и зависящее только от зазора, давления и состава смеси). Понятно, что при снижении напряжения на конденсаторах ниже Ud разряд либо погаснет и дальнейший вклад энергии пойдет в блокировочный резистор и, значит, нам его учитывать не нужно, либо разряд зашнуруется (а напряжение погасания искры заметно ниже напряжения стабильного горения разряда), но вклад энергии в искру это не более полезный процесс, чем вклад энергии в резюк, а значит и его учитывать не надо.

Т.е. энерговклад в газ есть произведение напряжения горения разряда на заряд, прошедший через плазму: W=q*Ud=C*(U-Ud)*Ud.
C - известно, U - известно, единственное чего недостает это Ud. По понятным причинам ученые не любят связываться с углекислотно-воздушными смесями, поэтому справочник нам тут не в помощь. Самостоятельно оценить эту величину можно из следующих соображений:

  1. напряжение горения объемного разряда в газе близко к напряжению пробоя этого же газа в однородном поле (да, много копий сломано по поводу того, равны ли эти две величины или нет, но даже если и не равны, то отличаются они на несколько процентов, а такое незначительное уточнение нас интересовать не будет)
  2. напряжение пробоя в смесях с электроотрицательными газами определяется в основном этими самыми электроотрицательными газами, т.е. разбавление воздуха углекислым газом не должно сильно влиять на напряжение пробоя. (Это Вы могли и сами наблюдать при пробных обкатках лазерной трубки - напряжение пробоя приблизительно одинаково при заполнении чистым воздухом и при заполнении рабочей смесью, без гелия естественно.)

То есть будем считать, что Ud равно напряжению пробоя воздушного промежутка длиной 6 мм (межэлектродный зазор в кювете) в однородном поле при рабочем давлении.

Ud=30[кв/см*атм]*0.6[см]*300[торр]/760[торр/атм]=7.1 кВ.
300 торр - это рабочее давление лазера. Могло быть и больше, но для этого пришлось бы заряжать конденсаторы до большего напряжения, а бедные к15-4 и так в перегрузе.

Отсюда энерговклад: W=q*Ud=C*(U-Ud)*Ud=7e-8*(16500-7100)*7100=4.6 Дж
и кпд: 100%*Wlas/W=100*0.2/4.6 ~ 4%

Вот и весь фокус. Не правда ли, настоящая уличная магия?

У большинства промышленных и коммерческих СО2-шек кпд составляет около 10%. У нас - всего в два с половиной раза меньше. В принципе, наверное можно выжать и эту недостающую двойку, если как следует почистить смесь (на ум приходит противогаз) и пооптимизировать резонатор. Но усилия могут не стоить результата.

Замечания о газовой смеси.

Оба описанных здесь лазера выполнены достаточно длинными (активная длина разряда 40 и 50 см), поскольку в ранних вариантах были проблемы с недостатком усиления в особенности при работе с гелием вблизи атмосферного давления.

В отличие от более коротких вариантов оба лазера работоспособны на смесях с "отожженкой" - с воздухом из которого выжжен кислород путем сжигания, например, (изопропилового) спирта. Наилучшими по отдаваемой энергии, мощности и усилению являются смеси с отношением объема углекислого газа к объему отожженки на уровне 2:1 - 1:1. Однако лазеры довольно неплохо работают и на смеси 1:3 - такая смесь дает длинный импульс и может быть полезна для, скажем, сверления, когда при использовании более быстрых смесей идет экранировка поверхности плазмой и сверление неэффективно.

Оба лазера были протестированы при атмосферном давлении на смеси углекислый газ:отожженка:гелий в отношении 1:1:6 (шина до половины наполняется отожженкой, затем до полна заливается углекислым газом - 12-граммовый Crossman'овский баллончик как раз содержит газа на половину жигулевской камеры - затем спускается до половины и до полна доливается гелием из шарика - тут получается смесь 1:1:2 - затем половина получившейся смеси выпускается в атмосферу и шина вновь дополняется гелием - получается 1:1:6). На смеси 1:1:6 при атмосферном давлении оба лазера работоспособны и видно, что будут работоспособны и при меньшем содержании гелия, но специальные тесты на этот счет не проводились.

У гелиевых смесей есть пара недостатков: а) без прокачки смесь быстро деградирует (за ~100..1000 импульсов выходная энергия падает вдвое, б) даже сравнительно небольшое загрязнение воздухом (как например воздух, попавший в патрубки при отключении от вакуумной системы) дает заметное снижение выходной энергии.

Еще большего повышения эффективности предионизации можно добиться добавляя в смесь ксилол (он доступен в качестве растворителя для красок в хозяйственных магазинах). Просто брызните с миллилитр ксилола в шину перед замешиванием в ноей газовой смеси. Добавка ксилола позволяет процентов на двадцать поднять рабочее давление. Причем улучшение по давлению, по выходной энергии лазера и по стабильности разряда наблюдалось в любых типах смесей: с гелием и без гелия, с отожженкой и с обычным воздухом, содержащим кислород (в последнем случае пары ксилола, к сожалению быстро выгорают и требуется проточный режим). Если в Ваших краях напряги с ксилолом, рекомендую попробовать толуол (тоже бывает в продаже) и так называемый "сольвент каменноугольный" . Если верить научным статьям, то наилучшими присадками к смеси являются органические амины, но они уже относятся к так называемым "контролируемым веществам" и простому смертному недоступны. Зато средства для повышения октанового числа автомобильных топлив как правило основаны на применении веществ с низким потенциалом ионизации. Правда многие из них дешевы и основаны либо на изопропиловом спирту либо на все том же ксилоле, но если Вам повезет купить что-нибудь действительно серьезное, считайте, что правильная присадка к лазерной смеси для получения обьемного разряда у Вас есть.

 

Атмосфера побеждена!

Наконец то успех в построении работающего ТЕА лазера на смеси воздух-СО2 при полном атмосферном давлении. (Да-да! 1000 мбар, 1 атм, 760 мм.рт.ст.) Не только "безгелиевый", но и безвакуумный, а также не требующий азота и даже "отожженки". Только воздух и углекислый газ из баллончика для пневмашки.

Конструкция, в общем, не изменилась. (Дырчатые электроды и барьерный разряд в качестве источника предионизации). Однако прямые попытки достичь атмосферного давления в предыдущих конструкциях натыкаются на необходимость повышать напряжение и, в конце концов, диэлектрик вышибает. Если же увеличить толщину диэлектрика, падает интенсивность барьерного разряда и предионизации становится недостаточно. Более менее прямой и тупой путь - уменьшение рабочего зазора между лазерными электродами наталкивается на то, что длинноволновое излучение СО2 лазера на пролазит между электродами - растут дифракционные потери и усиления не хватает, чтобы их скомпенсировать. Тем не менее именно этот последний путь и привел к успеху.

Если вспомнить, что электроды - это две широкие блестящие плоскости, сразу приходит в голову мысль, что излучение может распространяться между ними как в волноводе, но... Остается сомнение, что дырки будут этому мешать. А без дырок - плакала и масштабируемость и мощность. Сдюжит или не сдюжит? Ответить может только эксперимент. И, представьте себе, получилось.

  • Была сделана новая дырчатая ТЕА-ха.
    • Длина электродов 340 мм
    • Зазор между электродами 3 мм
    • Полная длина 'от-зекала-до-зеркала' 390 мм
    • Ширина электродлв 15 мм.

Дырки миллиметрового диаметра размещены в шестигранной решетке с шагом 2.5 мм (ну... сверлилось все вручную, поэтому и шаг выдержан нестабильно и сетка местами скособоченная получилась - тем не менее все работает)

Зеркала: отмытое от краски автомобильное крытое алюминием зеркало сзади и выходное 85%-ное зеркало спереди. Тут вполне могло использоваться все то же алюминиевое зеркало, но с дырками с геометрическим фактором прозрачности не больше 15%.

Питание от рамы с семью Муратовскими "бочоночными" конденсаторами 2000пф x 40 кВ каждый. Конструкция рамы с точностью до деталей изготовления не отличается от используемой в описанных выше лазерах.

AtmTEA_CO2_in_work

Пороговое напряжение генерации при атмосферном давлении соответствует зазору в 9 мм в главном разряднике. При 10 мм в разряднике лазер выдает 22 мДж в импульсе при частоте повторения 5 Гц (юез прокачки газа). Не особо впечатляет по сравнению с предыдущим лазером, но зато чистая атмосфера и с воздухом а не с азотом. "Миссия Выполнена " - создан волноводный TEA лазер атмосферного давления на смеси воздуха с углекислым газом.

Он действительно не требует ни вакуумного насоса ни бескислородного азота ни гелия. Однако рекомендовать его в качестве конструкции типа "мой первый CO2 лазер" как то не хочется. Лазер требует довольно аккуратной сборки и точной настройки, что получается только если Вы знаете, что делаете. Перед постройкой такого лазера лучше слегка набраться опыта в построении систем со слегка пониженным давлением, но и увеличенным лазерным зазором.

 

<< ГЛАВНАЯ СТРАНИЦА