Laser Kids
ENG

. : ЛАЗЕР 3.0 (Дифирамбы Карборунду) : .

 

Впервые о необычных свойствах карборунда я узнал из отчетов Джона Сингера, где Джон пытался использовать это вещество в предионизаторе азотного лазера. Без особо, впрочем, впечатляющего успеха. Поскольку успех был неособо впечатляющим, то естественно, что и руки не потянулись к повторению и усовершенствованию. Тем более, что негативный опыт с попытками использовать распределенное сопротивление (в схемах Болье или емкостного разряда) у меня уже был. Пока энергетика низкая - все красиво но генерации нет. Как только начинаешь подходить к лазерному уровню энерговклада разряд шнуруется и все-тут.

Затем мне попалась заметочка [1], в которой канадцы нахваливали карбид кремния и предионизатор на его основе. Предионизатор работал не хуже многоискрового но был много, много проще в изготовлении. Однако работали они на богатой гелием смеси (He:N2:CO2=70:15:15) и переход к углекислотно-воздушным смесям в их схеме выглядит как минимум сомнительно.

В третий раз карбид кремния пнул меня в нос, когда я искал в литературе причины безудержной диссипации энергии в азотных лазерах. Как обычно - ищешь одно, а находишь совсем другое. В своей статье [2] французы сообщали, что им удалось заставить лазер работать не только на безгелиевой смеси, но и на смеси CO2:N2:O2=48:42:10, а это уже почти что с воздухом. (Воздух от такой смеси отличается только влажностью и другими не поддающимися контролю примесями.)

Мимо такого пинка пройти трудно и пришлось пробовать. Карбид кремния под рукой нашелся в виде шлифовальных дисков для ручного гравера (dremel). Оставалось только подключить к небольшой тестовой разрядной схемке:

           SG
      +--->   <---+-----+---------+
      !           !     !         !
      !           !     !         !
      +----||-----+     \         !
      !    Cp           / Rl    XXXXX
      !                 \ 
     ---                /       XXXXX
     --- Cs             \         !
      !                 !         !
      !                 !         !
      +-----------------+---------+

SG - воздушный разрядник закрытого типа.
Cp - обострительный конденсатор Murata 590 pf x 40 kV, Cs - накопительный конденсатор Murata 2 nf x 40 kV.
Rl - резистор утечки (заземляет противоположную от накопителя обкладку пикера) 5.6 килоома.
Крестиками показаны обкладки (электроды) из карбида бора).

Результат меня впечатлил (см. фото.) Такого равномерного и красивого дождя искр не показывала ни одна Больешка. И весь этот дождь сопровождался фиолетовым туманом диффузного разряда.

sic_test

Для сравнения вот фотки разряда с аналогичными шлифовальными дисками из корунда.

al2o3_test

Материал хотя и мелкопористый, но рассеивать искру не желает. Т.е. дело не в том, что разряд идет по порам между зернами абразива. Дело именно в проводимости самого карбида кремния.

Опыт наглядней некуда показал, что как минимум в качестве предионизатора эта штука более чем работоспособна. А как максимум и в качестве основных лазерных электродов. Однако шлифовальные диски от ручного гравера имеют не самый подходящий формат для сборки лазера. Поиск карборундовых брусков (используется для заточки ножей и инструмента) в близлежащих хозтоварах ничего подходящего не выявил. Пришлось лезть в интернет. В итоге были заказаны вот такие бруски:

brusok1 brusok2 brusok3

Несмотря на то что все они (по прайсу продавца) изготовлены из карбида кремния, при установке в тестовую схемку повели они себя неодинаково. Бруски первого типа (темно-серо-зеленый крупнозернистый крупнопористый) дают рассеянный дождь искр, как и Dremel'евские шлифовальные круги. Бруски же второго и третьего типов (зеленвато-белые, мелкозернистые, на вид непористые) ведут себя как диэлектрик. Ну то есть искра шьет в обход, а между брусками ничего нет.

Бруски первого типа имеют размер 100х10х3.5 мм. Из них и был сделан тестовый лазер.

 

ОПЫТ 1

Была собрана лазерная трубка электродами в которой служили бруски размером 100х10х3.5 мм по три бруска на электрод. У брусков слегка дурацкая форма, поэтому для лучшего размещения на держателях бруски были ччуть-чуть подпилены алмазным диском. После этого активная длина электродов оказалась равной 285 мм.

Зазор между электрододержателями был выставлен с помощью проставок толщиной 10 мм. В итоге зазор между электродами оказался равным чуть меньше 3 мм. (Если бы бруски были, как заявлено по каталогу, толщиной 3 мм, то следовало ожидать межэлектродного зазора в 4 мм, но бруски в реальности оказались толще).

Никакого предионизатора предусмотрено не было. Ну то есть абсолютно. Интересно ведь, сможет ли карбид бора сам справиться?

Газоразрядный узел с карборундовыми электродами был всунут в отрезок пластиковой канализационной трубы Ду50 длиной 300 мм. Торцы трубы заглушены оргстеклянными юстировочными платформочками. Заднее зеркало, как обычно, кусок отмытого от краски алюминированного автомобильного зеркала заднего вида. Радиус кривизны 2 метра. Переднее зеркало - ZnSe с диэлектрическим покрытием отражающим 75%. (Зеркало заметно загажено пламенем горелки при безуспешных попытках добиться вакуумно-плотной герметизации термоклеем/глюганом.) Расстояние между зеркалами 350 мм.

Трубка поставлена на раму с конденсаторами и разрядником (от предыдущего лазерного проекта). В итоге схема вот такая:

           SG
      +--->   <---+-----+---------+
      !           !     !         !
      !           !     !         !
      +----||-----+     )         !
      !    Cp           ) Ll    XXXXX
      !                 ) 
     ---                )       XXXXX
     --- Cs             )         !
      !                 !         !
      !                 !         !
      +-----------------+---------+

SG - воздушный разрядник закрытого типа.
Cp - обострительный конденсатор 4 шт Murata 590 pf x 40 kV впараллель, Cs - накопительный конденсатор, от 3-х до 7 шт Murata 2 nf x 40 kV впараллель. Ll - катушка утечки (замыкает контур заряда пикера и ограничивает время разряда - 4 витка медного провода диаметром 1 мм в ПВХ изоляции на оправке диаметром 45 мм).
Крестиками обозначены лазерные электроды. Зазор в разряднике выставляется равным удвоенному зазору между лазерными электродами - режим согласованной нагрузки.

   //И чтобы адекватно читать этот файл Вам придется привыкнуть к ASCII 
    графике. Все схемы до определенного уровня сложности я рисую именно так,
    и поскольку это веб-репорт а не гайд, подстраиваться под Ваши вкусы
    я не собираюсь. Настройте свой броузер так, чтобы он не съедал 
    пробелы и наслаждайтесь красотой рисунков в стиле минимализма.//

Трубка пускалась при зазорах в разряднике от 6 до 11 мм, при емкости накопительного конденсатора от 6 нФ до 14 нФ, на смесях CO2:воздух 2:1, 1:1 и 1:2. При давлениях от 500 мбар до 1000 мбар. Генерации не обнаружено.
Возможные причины:

  • велики дифракционные потери (длинноволновое излучение СО2 лазера с трудом пролазит через межэлектродный зазор)
  • рассеяние на неоднородностях разряда (объемный разряд сдобрен этак десятком тысяч искорок, хотя и слабеньких, но глазом вполне различимых и рассеяние на них может в итоге оказаться заметным. А вопрос о возможности генерации на искрах до сих пор мутен и темен. Хоть сам Болье и докладывал о получении генерации на многоискровом разряде, возможно его неправильно перевели, или неправильно поняли, или он не так выразился: никто впоследствии ни о чем подобном не сообщал)
  • сопротивление электродов растягивает разряд и в итоге ток проваливается сквозь L1, специально подобранную для быстрых лазеров (sqrt(CsL1)~1мкс).

Ll была заменена на высоковольтный проволочный резистор сопротивлением 5.6к. Искорки в разряде сразу же из слабозаметных стали беленькими и очень даже заметными. При установке больших емкостей в накопитель (более 10 нФ) эффект дошел до того, что был прожжен один из карборундовых брусков (сквозная пропалина с почерневшими краями).

Было решено делать предионизатор. Но перед тем, как рассказать, что получилось с предионизатором, пара слов о других интересных наблюдениях.

 

Забавно, что разряд в лазере шнуруется не при высоких давлениях а при низких. Менее 500 мбар объемный разряд между электродами получить не удалось. При менее 300 мбвр вообще никакой разряд между электродами получить не удалось. Любой вид разряда идет в обход электродов, как если бы они были диэлектриком.

Еще мне непонятна природа почернения в прогоревшем от искр отверстии. Можно, конечно, предположить, что это уголь, но... брусок свободно выдерживает нагрев в пламени горелки почти до белого каления. Остыв сохраняет цвет и свойства. Т.е. обугливанием органической связки черное пятно не объяснить. Разлагается сам карбид кремния?

 

ОПЫТ 2

Трубка разобрана и добавлен предионизатор. Из двух натянутых проволочек а-ля Ламбертон-Пирсон:

           SG
      +--->   <---+-----+---------+-----+-----+
      !           !     !         !     !     !
      !           !     !     Cpi---    !    ---Cpi
      +----||-----+     \        ---    !    ---
      !    Cp           / Rl      !   XXXXX   !
      !                 \         +---     ---+
     ---                /             XXXXX
     --- Cs             \               !
      !                 !               !
      !                 !               !
      +-----------------+---------------+

SG - воздушный разрядник закрытого типа.
Cp - обострительный конденсатор 4 шт Murata 590 pf x 40 kV впараллель, Cs - накопительный конденсатор, от 3-х до 7 шт Murata 2 nf x 40 kV впараллель.
Rl - 5.6 кОм резистор утечки (замыкает контур заряда пикера и в отличие от катушки почти не ограничивает время разряда).
Крестиками обозначены лазерные электроды. Cpi - конденсаторы предионизатора (КВИ-2 50 пф).

Проволока предионизатора диаметром 0.5 мм. Натянута вдоль электродов и расположена по координате высоты точно посередине (т.е. в 5 мм от платформы электрододержателя). Расстояние по горизонтальной координате от оси проволоки до края электрода составляет 2 мм. Подключение проволочек через емкости к аноду идет не с обоих торцов лазера (как логично было бы предположить) а только со стороны выходного зеркала (не хватало высоковольтных емкостей малого номинала).

Здесь в который раз и снова напомню, что этот вид предионизатора совпадает с Ламбертоновским только по конструкции и внешнему виду. Идея и принцип работы здесь совсем другие. Обычно считается, что в Ламбертоновском варианте ультрафиолет идет от коронного разряда. На самом деле там идет диффузионно-стримерный импульсный разряд (многочисленные незавершенные искры), причем, как показано в [3], равномерность заполнения промежутка стримерами зависит от диаметра проволочки, крутизны импульса напряжения и состава газа. Здесь же, идет многоискровой разряд с толстой проволоки. Причем, поскольку используется электрод, обладающий распределенным сопротивлением, число и интенсивность искр зависит от этого самого распределенного сопротивления.

Толстая проволока имеет меньшее сопротивление и меньшую индуктивность. Плюс к этому емкости конденсаторов в плечах предионизации можно сделать бОльшими чем предельно допустимые для Ламбертона-Пирсона. Все это увеличивает мощность и энергию предионизации и при всем при том позволяет работать с импульсами напряжения с пологим фронтом.

Впрочем несмотря на все преимущества, такой предионизатор уступает по эффективности предионизатору на барьерном разряде, примененному в лазере с дырчатыми электродами. Тем не менее он проще, а здесь разряд и без предионизации имеет вид, который можно описать словами "ну вот уже почти-почти!" Поэтому естественно было начать с самого простого.

И снова трубка пускалась при зазорах в разряднике от 6 до 11 мм, при емкости накопительного конденсатора от 6 нФ до 14 нФ, на смесях CO2:воздух 2:1, 1:1 и 1:2. При давлениях от 500 мбар до 1000 мбар. Генерации не обнаружено. На вид разряд стал более "гладким", но похоже этого недостаточно.

 

ОПЫТ 3 (ПЕРВОСВЕТ)

Трубка разобрана и на распорки, стоящие между электрододержателями добавлено по оргстеклянной пластинке толщиной 1 мм. Таким образом межэлектродный зазор стал равен 4 мм. Положение предионизаторных проволок не менялось. Т.е. они по прежнему на высоте 5 мм от катодного электрододержателя. Таким образом лазер стал несимметричен. Проволоки предионизатора "по вертикали" находятся на расстоянии 5-3.5=1.5 мм от среза катода и 6-3.5=2.5 мм от среза анода.

Электрическая схема подключения не менялась. При Cs=6nF и заполнении смесью CO2:воздух=2:1 атмосферного давления обнаружена генерация. Причем почти случайно. Выглядело это так: при включении лазера калориметр "ведет себя неспокойно", потом успокаивается и кажет нуль. Тогда луч был сфокусирован сферическим зеркалом (F~50 мм) на копирку и стало понятно, что после включения лазер генерирует только первые один-два импульса в серии. Дальше не генерит. Поскольку разрядник у меня неуправляемый пришлось пытаться имитировать изменение частоты повторения периодически тыкая вилку блока питания в розетку. Оказалось, что лазер способен генерировать импульсы с частотой повторения 0.5..1 Гц (раз в одну-две секунды). На большее его не хватает.

Было сделано предположение, что емкости предионизатора Cpi заряжаются от первого импульса и далее, поскольку цепь оборвана, им некуда разряжаться, кроме как через малый ток утечки. Были добавлены резюки:

           SG
      +--->   <---+-----+-------+-------+-----+-----+------+
      !           !     !       !       !     !     !      !
      !           !     !       /   Cpi---    !    ---Cpi  /
      +----||-----+     \       \      ---    !    ---     \ Rpi
      !    Cp           / Rl    /       !   XXXXX   !      /
      !                 \       \Rpi    +---     ---+      \
     ---                /       !       !   XXXXX   !      !
     --- Cs             \       +-------+     !     +------+
      !                 !                     !
      !                 !                     !
      +-----------------+---------------------+

SG - воздушный разрядник закрытого типа.
Cp - обострительный конденсатор 4 шт Murata 590 pf x 40 kV впараллель, Cs - накопительный конденсатор, от 3-х до 5 шт Murata 2 nf x 40 kV впараллель.
Rl - 5.6 кОм резистор утечки (замыкает контур заряда пикера). Крестиками обозначены лазерные электроды.
Cpi - конденсаторы предионизатора (КВИ-2 50 пф). Rpi - 5.6 кОм, резисторы утечки цепи предионизатора.

Лазер запущен. При Cs=6nF и заполнении смесью CO2:воздух=2:1 атмосферного давления выдал больше, чем в предыдущем случае. Поскольку все мало и нестабильно, количественно что-то сказать сложно, но "на глаз" - процентов на 30 больше. При заполнении смесью CO2:воздух=1:1 энергия еще слегка поднялась и на частоте ~1 Гц лазер выдал ~6 мВт. Но по-прежнему при попытках работать с частотой повторения более 1 Гц генерация затыкается.

Было пересмотрено подключение проволок предионизатора через емкости к аноду. Были добавлены выводы от проволок с конца лазера, соответствующего глухому зеркалу. Цепочки RpiCpi везде одинаковые 50 пф х 5.6 кОм. Т.е. поскольку этих цепочек теперь четыре, общая емкость предионизатора теперь: 50пф х 4 = 200 пф. Лазер снова был запущен. По прежнему Cs=6nF и используется CO2:воздух=1:1, давление атмосферное. На частоте ~1 Гц лазер выдал ~12-15 мВт. При включении на свободную частоту повторения (около 30 Гц) выдает уже около десятка импульсов и только потом гаснет. Следы на копирке (от фокусированного луча, конечно) уже имеют вид сквозных дырок.

Сделана попытка увеличить Cpi до 100 пф. Лазер практически погас. С какой-то вероятностью он, конечно, генерит, но нестабильно. Да и появились искровые разряды. Причем не "электрод-электрод" ("брусок-брусок") а "электрододержатель-электрододержатель". Причем видно, что проволоки предионизатора эти разряды инициируют. Служат электродом поджига, как в управляемом разряднике.

Емкости Cpi были возвращены к 50 пф и была сделана попытка увеличить Cs на 2 нф. Энергия в импульсе увеличилась, а вот переносимая частота повторения снизилась. В итоге достижимая средняя мощность заметно упала (милливатт до восьми).

Интересное наблюдение: при фокусировке луча на копирку факел (огонечек) не "электрически-синий" как от мощных TEA-х, а бело-желтый, как от откачных CO2-шек продольного разряда или твердотельников в свободной генерации. Т.е. похоже что карборундовые электроды затягивают импульс, возможно до нескольких микросекунд.

Основной вывод, который можно сделать: раздвижение электродов помогло. Вероятнее всего действительно дело в дифракционных потерях и, если в ТЕАшках с металлическими электродами последние образуют волновод, удерживающий излучение от разбегания, то тут все вязнет в шероховатом карборунде. Почему не "точно", а "вероятнее всего"? Потому что, возможно повлиял еще рост энерговклада. С раздвижением электродов удается увеличивать и зазор в разряднике SG т.е. рабочее напряжение. Маловероятно, но возможно, что увеличение энерговклада без увеличения накопительной емкости, т.е. при более однородном разряде, тоже сыграло свою роль.

Все еще непонятна природа затыка с ростом частоты повторения. Ни одна из моих ТЕА-шек с металлическими электродами не вела себя так. По крайней мере до частот порядка 30 Гц.

 

ОПЫТ 4

Дальнейшее наращивание межэлектродного зазора. Газоразрядный узел пересобран. Между электрододержателями установлены распорки высотой 12 мм, что дает межэлектродный зазор в 5 мм. Положение проволок предионизатора относительно катода сохранено. Расстояние до среза анода соответственно увеличилось до 3.5 мм.

Тесты сборки на открытом воздухе при накопительной емкости в 4 нф продемонстрировали приятного вида однородный разряд. Кажется чудом наблюдать однородное свечение таких размеров в воздухе. В особенности после всех усилий, положенных на возжигание объемного разряда.

miracle

Для сравнения вот фото разряда с отключенной цепью предионизации. Разница налицо, правда? Впрочем при меньших межэлектродных зазорах разница не столь существенна.

miracle_not

Зазор в разряднике SG был установлен на 10 мм и при Cs=6nF лазер запущен. На смеси CO2:воздух=2:1 атмосферного давления. Выдал около 6 мВт на ~1 Гц. По прежнему затыкается с частотой. Кроме того на торцах появились яркие белые искры (через предионизатор). Лазер по прежнему затыкается с частотой.

Cs был увеличен до 8 нФ - мощность слегка поднялась. Смесь заменена на CO2:воздух=1:1 энергия еще слегка поднялась и на малой частоте лазер достиг ~12 мВт.

Cs был еще увеличен: 10 нФ - 5 мурат. Мощность на малой частоте выросла до 15 мВт. Кроме того на свободной частоте (~10Гц) лазер наконец стал работать. Выдавая те же 12 мВт. Т.е. по отношению к низкой частоте энергия в импульсе дропается в 10..12 раз но генерация остается. Правда искры по торцам уже настолько мощные, что вызывают опасения за сохранность лазера.

Было попробовано еще кое-что. Накопитель был соединен с лазерной трубкой не широким листом фольги, как это обычно делается, а ленточкой 2 см шириной и 20 см длиной (имитация питания "по ниточке"). Лазер оказался работоспособен, но выходная мощность дропнулась с 12 до 3 мВт, т.е. в 4 раза.

Вывод: дальнейшее раздвижение электродов с 4-х до 5 мм не помогло. И с повышением напряжения предионизатор стал работать хуже. То ли надо менять положение проволок, то ли уменьшать емкость (что не хочется), то ли полностью менять тип предионизатора. Кроме того лазерный промежуток довольно бодро пробивает в обход (мимо брусков через предионизатор) причем когда диэлектрик (стойка, или электрододержатель) подгорает - место пробоя фиксируется, после чего не помогает даже снижение напряжения. Когда напряжение низкое лазерный зазор плохо пробивается, а когда высокое - газоразрядный узел подгорает и требуется ремонт. Видимо для брусков имеющейся толщины великовато напряжение, соответствующее нормальной работе при межэлектродном зазоре 5 мм (~30кВ).

 

ОПЫТ 5 (возврат) (25.10.2014).

Поскольку раздвижение электродов до 5 мм ничего позитивного не принесло, лазер был пересобран в предыдущей конфигурации (с межэлектродным зазором 4мм). Была предпринята попытка пойти в направлении увеличения питающей емкости со снижением напряжения (по необходимости при возникновении искр). Постепенно в раму были установлены все семь мурат (всего 14 нФ). Как ни странно, сильно прикручивать болт в разряднике не пришлось. Оптимум где то около 7.5 мм. Разряд, безусловно, менее стабилен чем с тремя муратами для аналогичных условий, но принципиально лучше выгладит чем с тремя муратами для лазерного зазора 5 мм.

Генерационные тесты показали следующее (чтоб не писать лишнего скажу заранее: давление везде атмосферное, ксилол и другие присадки не добавлялись):

  • на смеси CO2:воздух=1:1

    Выход 10 мВт на частоте 6 Гц. Провал мощности от первых импульсов в серии к последующим легко заметен даже визуально. Разряд при этом тоже ведет себя соответственно: доля фиолетового свечения падает, доля стримеров растет. Можно предположить, что от импульса к импульсу накапливаются отрицательные ионы.
  • на смеси CO2:отожженка=1:1

    лазер выдал 42 мВт на частоте 6 Гц. визуально не заметно, чтобы шел сильный провал мощности от первых импульсов в серии к последующим. Может быть раза в два, не больше. (Для тех кто невнимательно читал остальные гайды напомню: отожженка это воздух с выжженым кислородом. В данном конкретно взятом случае выжигание производилось сжиганием этилового спирта - иногда тип топлива небезразличен)
  • на смеси CO2:N2=1:1

    лазер выдал 96 мВт на частоте 6 Гц. Падение мощности от первых импульсов в серии к последующим еще меньше чем в случае с отожженкой. Факел от пятна лазерного излучения приобрел характерный "электрический" цвет. Азот брался технической чистоты из баллона (да, в конце концов я тоже опустился и обзавелся баллоном - уж больно хотелось знать, сколько азотник выдаст на чистом азоте, но это уже другая история.)

ВЫВОД: для данных, конкретно взятых, карборундовых брусков межэлектродный зазор в 4 мм близок к оптимуму. Предельно простой по конструкции лазер с проволочными предионизаторами оказывается работоспособен на смесях воздух:CO2 атмосферного давления. При работе На сравнительно чистых газах имеет КПД 1% по энерговкладу. Причиной низкого КПД не являются омические потери на электродах. (Хуже того, я уже не верю, что у Болье потери на резисторах были причиной низкого кпд. Там что-то другое. Скорее всего низкая скорость энерговклада по сравнению с эффективным временем жизни).

Видно, что эта штука хочет больше предионизации. Однако чтобы продолжить нужно еще карборунда. Когда мне удастся достать еще, опыты будут продолжены.

 

28.10.2014

Алюминиевое сферическое (отмытое от краски автомобильное) заднее зеркало в лазере заменено на настоящее лазерное плоское с золотым покрытием. Переднее зеркало не менялось. Да и все остальные условия тоже сохранены.

На смеси CO2:отожженка=1:1 лазер выдал 9 мВт на частоте 6 Гц. Очень тщательной юстировкой "на ходу" удается выколупать 18 мВт.

Смысл в том, что с зеркалом, имеющим больший коэффициент отражения, но при этом плоским, вышло меньше энергии чем с алюминиевым фокусирующим. А это значит, что при таком межэлектродном зазоре в плоском резонаторе дифракционные потери уже достаточно велики, чтобы снижать мощность генерации.

 

30.10.2014

Попытка эмулировать азот с помощью очистки отожженки. Отожженкой наполнялась автомобильная камера. После чего этот газ перепускался в другую камеру через противогазную коробку. Затем в эту новую камеру туда добавлялся технический углекислый газ из Crossman'овского баллончика в соотношении с очищенной отожженкой 1:1 по объему.

На этой смеси лазер выдал 36 мВт (частота 6 Гц - разрядник не крутили) После этого для калибровки была замешена свежая (!) смесь с азотом из баллона CO2:N2=1:1.

На азотной смеси лазер выдал 60 мВт.
Т.е. очистка отожженки ничего по существу не дала. Двукратная разница по сравнению с настоящим азотом сохранилась. Похоже это влияние недожженного кислорода. Его-то активированым углем не уловишь.

Тем не менее озадачивают причины снижения выхода по сравнению с позавчера. Вообще, забавен вопрос: почему все сдувается? Купленные в прошлом году фонарики сегодня светят тусклее даже на свежих батарейках. Сотовый телефон год от года держит устойчивую связь на все меньшем расстоянии от соты. И даже когда дохнуть казалось бы нечему. Как например с этим лазером. Шесть карборундовых брусков, две проволоки, два зеркала и несколько кусков пластика. Ну что с этим может произойти?

Снято заднее зеркало, аккуратно подполировано пастой для реставрации сотовых телефонов и поставлено обратно. Переднее зеркало просто аккуратно почищено. Снова запущено на смеси CO2:N2=1:1. - На выходе 78 мВт но быстро рухнуло до прежних 60 мВт.

Переднее зеркало заменено на свежее плоское ZnSe с диэлектрическим покрытием с отражением 95%. Вышло 18 мВт.

Переднее зеркало заменено на старое очень поюзанное не совсем плоское ZnSe с диэлектрическим покрытием с отражением 50%.

Поначалу вышло очень много. Графит на калориметре засветился почти как от крупных дырчатых TEA-х, намекая на 100 и более мДж в импульсе. Однако успеть замерить мощность не удалось. Лазер сдох.

Разборка и дефектация показала наличие небольших отколов на углах двух из шести карборундовых брусков. Вероятно обломками SiC замкнуло проволоки предионизатора на электроды и лазер заткнулся. Наверное можно было их просто вытряхнуть не разбирая лазер.

 

31.10.2014

Лазер снова собран (без каких-либо доработок и ремонтов) и запущен на смеси с азотом CO2:N2=1:1. Выходное зеркало оставлено равным 50%. Лазер заработал, это подтверждает то, что кусочки отколовшегося карборунда можно было просто вытряхнуть и продолжать не устраивая церемонию разборки. А вот мощность (средняя) на выходе оказалась равной только 30 мВт. И никакого света на графите. После таких-то наполеоновских ожиданий.

В камеру с азотно-углекислой смесью была добавлена пара капелек ксилола. Маленьких. Объемом миллиметра по полтора кубических. Потом камеру изрядно помяли и потрясли, чтобы пары ксилола размешались. Пуск на том, что получилось дал 78 мВт. Причем на графите довольно интенсивный свет первые 5..10 импульсов. Свет меркнет в течение ~ 3..5 сек (18-30 импульсов) и затем никаких признаков
света нету. К этому моменту показания калориметра достигают в лучшем случае только половины установившегося значения. Поэтому об энергии первых импульсов в серии сказать что-либо пока нельзя.

Т.е. причина снижения мощности выяснена. Это я думал, что смесь без добавок. А на самом деле резиновая автомобильная камера воняла ксилолом от предыдущих опытов, сохраняя его в своих порах. По мере смены газа в шине количество ксилола в смеси уменьшалось, приближаясь к оптимуму - при этом мощность лазера росла, потом проходило оптимум и удалялось от него - при этом мощность лазера начинала снижаться и лазер начинал искрить, что собственно и вызвало откол электродов.

Попытка разогнать ксилолом смесь отожженки с углекислым газом успеха не принесла. Как выходило 30 мВт так и осталось. Оптимальная концентрация ксилола довольно низка. И при таком содержании ксилол в разряде очень быстро выгорает в остатках кислорода. Если же лить ксилола с избытком, то он сам начинает снижать мощность лазера и в итоге то на то и выходит. Как написано в большинстве статей пао этому поводу: "разряд стал более однородным, но выходная мощность не изменилась" - значит просто не попали в оптимум.

 

02.11.2014

Поработав некоторое врема лазер сдох. Без объяснения причин. В процессе наработки около 1...2*10^3 импульсов мощность плавно снизилась и лазер погас даже для смеси с чистым азотом. Разборка и осмотр лазера ничего не показали.

На вид все исправно, но лазер не работает. Хуже того - даже не искрит. По крайней мере не больше, чем когда работал. Но генерации нет.

 

05.11.2014

Был собран небольшой лазер с длиной электрода в один брусок (10 см).
Предионизация по схеме Думанчина-Фарси.

    HV pulse _/\_  O------------+-------------------------------------+
                                !                                     ! Cpi
    |XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX|    --- 50
    |XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX|    ---
    |XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX|     !
     -----------------------------------------------------------      !
  ^                                                                  -+
  ! 4mm                                                     ________/ !
  V  ___     ___     ___     ___     ___     ___     ___   / ___      !
    |XXX| 0 |XXX| 0 |XXX| 0 |XXX| 0 |XXX| 0 |XXX| 0 |XXX| 0 |XXX|     !
    |XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX|     / Rpi
    |XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX|     \ 100k
                                !                                     /
                                !                                     \
                                !                                     /
                                !                                     !
                                +-------------------------------------+
                                !
                               ---

Предионизатор по Думанчину - это изолированные металлические проволоки, уложенные в пазах катода. В оригинале - никелевые проволоки в миллиметровых кварцевых трубочках. Понятно, что самодельщику об этом и мечтать не приходится. Если никеля в кварце нет, то как насчет меди во фторопласте?

Один из карборундовых брусочков (предназначенный стать катодом) был насечен пазами с помощью небольшого вулканитового диска. Пилилось все вручную, т.е. не особо ровно и однородность шага тоже выдержана абы как. Тем не менее на длине брусочка около 30 пазов удалось напилить. (Работа оказалась грязная - пыль и брызги в морду. И так целых полчаса. Если захочется повторить - как минимум оденьте очки и респиратор.)

В пазы уложен провод МГТФ (наружным диаметром 1 мм) и подключен к шине противоположной полярности (типа к аноду). Сначала зазор между лазерными электродами был выставлен в 3 мм и сделана проба на разряд. Получился очень ровный, довольно яркий и совсем безстримерный разряд. Как говорят, "лучше некуда". Затем зазор был увеличен с соответствующим увеличением питающего напряжения. И тут началось. Сначала вышибло МГТФ, потом зазоры в распайке, потом снова МГТФ... Потом была сделана попытка для повышения электропрочности укоротить импульс питания предионизатора и понизить его напряжения. Для этого проводки были подключены не непосредственно к противоположной шине, а через конденсатор Cpi~50pf как и показано на рисунке. Впрочем МГТФ это всеравно не спасло. В поисках провода с достаточно электропрочной изоляцией было протестировано все, что нашлось под рукой. Самым электропрочным из проводов подходящего диаметра оказалось вот это:

provod

Затруднюсь определить его марку по виду. Изоляция выглядит как ПВХ, а найден был внутри старого (разобранного на запчасти) кабеля для LPT принтера.

Этот провод выдержал около трех тысяч импульсов при зазоре в ведущем разряднике 12 мм (около 31 кВ). Поскольку в нашем макете напряжение пониже, наверное определенное время выдержит. После того как предионизатор был сделан из этого красного провода пробои прекратились. Объемный разряд с небольшой примесью стримеров был получен и для межэлектродного зазора в 4 мм. Только почему-то для этого электрод с предионизатором пришлось включить анодом. В качестве катода он работать не возжелал.

Для генерационного теста этот крохотный макетик был запечатан в отрезок двухдюймовой канализационной пластиковой трубы с юстировками на торцах. Зеркала: глухое - сфера R=2 метра, алюминий; выходное - ZnSe, ro=95%, плоское. Расстояние между зеркалами 185 мм. Газовая смесь - азот из баллона и углекислый газ из Кроссмановского картриджа для пневматических пистолетов, смешаны 1:1. Кроме того использовалась добавка ксилола в количестве около 5 куб.мм. на 20 литров газовой смеси.

Лазер загенерил без лишних мучений по настройке. При частоте повторения 1 Гц вышло 12..15 мДж в импульсе. При более высоких частотах повторения быстро гаснет - как и с прошлым типом лазера, выскакивет один мощный импульс, за ним заметно более слабый, а дальше - все, темнота.

Вот так выглядит лазер целиком (не смотрите на размер рамы, она универсальная, зацените размер лазерной трубки).

100mm_dumanchin
100mm_dumanchin_in1 100mm_dumanchin_in2
100mm_dumanchin_in3 100mm_dumanchin_in4

Если накопительная емкость 4 нФ (как видно из фото на раме оставлены только две мураты), зарядное напряжение 21 кВ (8 мм в разряднике) а напряжение горения разряда 3 кВ/мм, тогда протекший до погасания/шнурования разряда заряд:

q=4e-9F*(21000V-4mm*3000V/mm)=3.6e-5 Cl

А вложенная в газ энергия:

E=qU=3.6e-5 Cl * 4mm*3000V/mm = 0.43 J

Т.е. кпд по энерговкладу получился равным 2.8..3.4%

А полный кпд (отнесенный к запасенной энергии CU^2/2): 1.3..1.7%.

Даже со скидкой на то, что использовались довольно чистые газы, полученное для такого короткого лазера значение кпд впечатляет.

В принципе здесь имеется (не)приличное пальцесосание в виде принятия напряженности поля стационарного горения разряда равной пробивной напряженности поля для воздуха (не азота даже!). Однако вот, скажем по данным [4] напряженность поля горения разряда для чистого CO2 оказывается равной 30..35 кВ/см.атм.

 

10.11.2014

Подтверждена работоспособность короткого (10см) лазера с Думанчиноским предионизатором на смесях воздух:СО2=1:1 (вышло около 6 мДж) и отожженка:СО2=1:1 (вышло менее 5 мДж, трудно измерить). Забавно, что в данном лазере отожженка показывает себя хуже воздуха. Вероятнее всего связано это с тушением люминисценции парами воды. Лазер короткий - усиление низкое, а тут оно еще снижается за счет H2O.

Предельная рабочая частота еще ниже чем для смеси на азоте. Для воздуха это что-то типа раз в две секунды, а для отожженки - раз в три секунды. Еще импульсы здорово плавают по энергии. Запросто так раза в два. Такое ощущение, что с этими смесями лазер уже сидит прямо на пороге - избытка усиления нет.

Для проверки возможности создания лазера вообще без вакуумного насоса была предпринята попытка заполнения методом промывки. Лазер был откачан, затем в него напущен воздух. Затем выхлопной патрубок (со стороны заднего зеркала) был открыт, а через входной патрубок (со стороны переднего зеркала) пропускалась смесь азота с CO2. Когда было пропущено около 5 литров лазер генерил, но примерно как на смеси с воздухом. После пропускания еще 5 литров на копирке было получено уже четко оформившееся пятно свечения. После пропускания еще 5 литров мощность генерации уже практически не отличалась от мощности на смеси азота с CO2 при наполнении обычным способом.

Если объем лазерной трубки VL=L*pi*d^2/4=13*3.14*5^2/4=255 мл, то получается, что требуемый промывочный коэффициент k=V0/VL=40..60. Если их обеспечивать при заполнении способом продувки, то лазер будет работоспособен.

 

11.11.2014 СЕТЧАТКА.

Был собран лазер. Как и в случае Думанчиновского - с длиной электродов в один брусок. В качестве анода использовался карборундовый брусок 100х10х3мм, В качестве катода - сетка от кухонного сита. Подключение к питанию вот по такой схеме:

       +---+------+-------------+---------------+------+
       !   !      !             !               ! Cpi  !
       !   !   5k6\             !               ! 50   / Rpi
       V   !      /             !              ---     \ 100k
          ---     \             !              ---     /
       ^  ---     /          XXXXXXX            !      !
       !   !4x570 !                          ---+------+
       !   !      !          ........_______/   
       +---+      !          XXXXXXX
           !      !             !
           !      +-------------+
          ---  2 x Murata       !
          ---  doorknob         !
           !  2000pf x 40 kV    !
           +--------------------+
            

Кухонное сито выглядело вот так:

sito

Как выяснилось, сетка с него легко снимается путем развальцовывания "оправы". Ни пилить ни резать для этого ничего не потребовалось. Выпрямить сетку тоже не составило большого труда, несмотря на инфернальные ожидания. Размер ячейки сита 2 мм. Понятно, что неплохо бы поменьше, но ничего другого под рукой нет. Расстояние анод-сетка 4 мм.

За сеткой установлен электрод предионизации - тоже карборундовый брусок. Размеры сетки по отношению к размерам бруска выбраны с запасом. Обратите внимание, что брусок, расположенный за сеткой служит не просто предионизатором. На самом деле ВЕСЬ разрядный ток идет через него. Т.е. получается схема с питанием через предионизатор. По идее это должно обеспечивать предионизацию разрядного промежутка не ультрафиолетом, а электронами, вытягиваемыми полем в основной зазор из вспомогательного разряда под сеткой.

При первой же пробе на разряд схема радостно принялась искрить. Причем даже не между сеткой и анодом, а между брусками, сквозь ячейки сетки. Подбором емкости RC цепочки предионизатора кое как удалось получить некоторое свечение. Однако при рассмотрении с торца было видно, что оно идет не между плоскими поверхностями брусков, а с острых боковых краев.

Края брусков были скруглены алмазным диском. Свечение, вместо того, чтобы возникнуть в нужном месте, исчезло напрочь. Остались одни искры.

В процессе долгих мучений по искроподавлению ставился даже охранный разрядник

       +---+------+-------------+---------------+------+
       !   !      !             !               ! Cpi  !
       !   !   1k1\             !               ! 50   / Rpi
       V   !      /             !              ---     \ 100k
          ---     \             !              ---     /
       ^  ---     /          XXXXXXX            !      !
       !   !4x570 !                          ---+------+
       !   !      !          ........_______/   
       +---+      !          XXXXXXX    V
           !      !             !       ^
           !      +-------------+-------+
          ---  2 x Murata       !
          ---  doorknob         !
           !  2000pf x 40 kV    !
           +--------------------+
            

который в почти аналогичной ситуации даже когда-то кому-то помогал (US Pat. 3940710). Кстати, механизм действия этого разрядника в оригинале, возможно связан с предионизацией предионизационного промежутка. С этим лазером разрядник не помог. А помогло утолщение карборундовых электродов.

       +---+------+-------------+---------------+------+
       !   !      !             !               ! Cpi  !
       !   !   1k1\             !               ! 50   / Rpi
       V   !      /             !              ---     \ 100k
          ---     \             !              ---     /
       ^  ---     /          XXXXXXX            !      !
       !   !4x570 !          \XXXXX/         ---+------+
       !   !      !                          !
 +30kV !   !      !          ........_______/   
    o--+---+      !          /XXXXX\    !
           !      !          XXXXXXX    V
           !      !             !       ^
           !      +-------------+-------+
          ---  2 x Murata       !
          ---  doorknob         !
 GND 30 kV !  2000pf x 40 kV    !
    o------+--------------------+
            

Косыми чертами у крестиков, обозначающих карборунд, я, в меру своих стремных сил, попытался обозначить, что бывшие острые края брусков сточены. Кроме того, чтобы далее было понятнее, пришлось на схеме обозначить точки подключения питания (обычно ежу понятно, что питание подключается к накопительному конденсатору, но тут важна полярность)

Теперь электроды - основной и подсеточный склеены из двух брусков, наложенных друг на друга. Искра полностью не исчезла, но по крайней мере появилось заметное глазом свечение между плоскими частями электродов.

Проба генерации на смеси N2:CO2 показала, что лазер не работает. Т.е. свечение хотя и есть, но его интенсивность для лазера слишком мала.

В конечном итоге схема была "перевернута"

  GND 30 kv 
    o------+----------+-------------+---------+------+
           !          !             !         ! Cpi  !
           !       1k1\             !         ! 200  / Rpi
 2 x Murata!          /             !        ---     \ 100k
 doorknob ---         \             !        ---     /
  2000pf  ---         /          XXXXXXX      !      !
   40 kV   !          !          \XXXXX/      +------+
           !          !                       !     
           !          !      ____.......      !
    o------+---+      !     /    /XXXXX\      !
 +30 kV    !   !      !     !    XXXXXXX      !
           !   !      !     !       !         !
           !   V      !     !       +---------+ 
    4x570 ---         !     !       
          ---  ^      !     !       
           !   !      !     !       
           +---+------+---- +
            

Сетка стала анодом, катод стал карборундовым бруском, а подсеточный электод стал банальным электродом предионизации. Питание через него более не подводится.

Проба разряда в таком включении показала "дождь искр", на фоне которых почти не видно свечения. Как всегда в таких случаях заранее непонятно, будет ли генерить или искры помешают.

Лазер был запущен на смеси N2:CO2=1:1. В том же резонаторе, что и предыдущий (зад - сфера, алюминий, R>~96%, перед - плоскость ZnSe, R=95%) на частоте повторения 1 Гц выдал 8..10 мДж. Что еще забавнее - с повышением частоты энергия в импульсе лазера снижается но совсем он не гаснет. На частоте около 10 Гц дает 18 мВт. Т.е. 1.8 мДж в импульсе.

А вот на смеси с отожженкой поведение совсем другое. Мало того, что лазер затыкается с частотой. Он затыкается еще и со временем - даже при частоте ниже 1 Гц его хватает импульсов на 5..10 до погасания. После чего даже наполнение смесью с азотом не возвращает его к жизни. И лишь после длительной отстойки (более 1 часа) будучи заполнен свежей смесью с азотом, лазер вновь начинает генерить. Т.е. лазер данного типа имеет свойство отравляться плохой газовой смесью.

ВЫВОДЫ:

  • на хороших газах сетчатка лучше, чем думанчин. Дает столько же, зато не затыкается. На плохих смесях думанчин лучше.
  • для нормальной работы лазера суммарная толщина карборундовых электродов должна ВДВОЕ превышать межэлектродный зазор.
  • еще раз подтвердилось, что по виду разряда невозможно предсказать загенерит ли лазер. Бывает и с искрами генерит, а бывает и без искр не хочет.

 

12.11.2014

Вот фотки внутреннего устройства лазера. Видна сетка, виден карборундовый брусок под ней, видно, что бруски склеены парами для увеличения суммарной толщины карборунда.

griddie1 griddie2
griddie3 griddie4

Сетчатка пускалась на смеси с воздухом. Лазер загенерил, но очень слабо. Мощность моим калориметром неизмерима. Пятнышко свечения от фокусированного на копирку луча - буквально в один пиксель. И то слабый и то не каждый раз.
Гонялось на смесях CO2:воздух от 2:1 до 1:2.

CO2 : воздух   описание

2

: 1 - слабый пиксель

1

: 1 - довольно яркий, но все еще пиксель

2

: 3 - слабый пиксель

1

: 2 - генерации нет

Во всех случаях генерация нестабильна. Даже не то, чтобы лазер требует низкой частоты, т.е. определенной паузы между импульсами. Просто заранее не предскажешь выскочит лучик или нет. На частоте 1 Гц пятнышко появляется с вероятностью порядка 1/10. На частоте 0.1 Гц - тоже с вероятностью порядка 1/10. Причем первый импульс идет как правило без генерации. Однако в отличие от смеси с отожженкой не было необратимого погасания.

Вообще я верю (доказать мне это нечем), что в лазерах с неограниченной скоростью энерговклада (металлические электроды, малоиндуктивные конденсаторы и малоиндуктивная сборка, быстрый разрядник с правильно подобранным пикером) наибольшее усиление реализуется на смеси 1:1. Есть подозрение, что это же касается и выходной энергии. В лазерах с медленным энерговкладом (Болье и т.п.) более выгодной может оказаться смесь с бОльшим содержанием азота, поскольку время жизни его возбужденных состояний больше.

Что до смесей с чистым азотом, надо сказать, что схема оказалась весьма чувствительна к качеству смеси. Смесь полежавшая всего сутки в резиновой камере дает втрое меньший выход, чем свежая.

В целях увеличения эффективности предионизации была сделана попытка ввести задержку между предионизующим импульсом и основным разрядом. От лени был, естественно, выбран самый простой подход (см. US Pat. Appl. 10/612848), где анод с катодом тупо соединяются шунтирующим конденсатором, а в цепь питания вводится элемент задержки (индуктивность, как у авторов, или разрядник, как на схеме ниже)

  GND 30 kv 
    o------+----------+---------------+---------+------+
           !          !               !         ! Cpi  !
           !       1k1\   +---+       V SGD     ! 200  / Rpi
 2 x Murata!          /   !   !       ^        ---     \ 100k
 doorknob ---         \   !   +-------+        ---     /
  2000pf  ---         /  ---       XXXXXXX      !      !
   40 kV   !          !  --- CD    \XXXXX/      +------+
           !          !   !  470pf              !     
           !          !   !    ____.......      !
    o------+---+      !   !   /    /XXXXX\      !
 +30 kV    !   !      !   !   !    XXXXXXX      !
           !   !      !   +---+       !         !
           !   V      !       !       +---------+ 
    4x570 ---         !       !       
          ---  ^      !       !       
           !   !      !       !       
           +---+------+-------+
            

Пускалась на смеси технический азот:CO2=1:1 с прежним резонатором. Схема генерит, но раза в два хуже чем в варианте без CD и SGD. Слишком много теряется на разряднике?

Попытка заменить на индуктивность (LD на рисунке ниже):

  GND 30 kv 
    o------+----------+-------+-------+---------+------+
           !          !       V       !         !      !
           !          !       ^  SGD  )         !      !
           !          !       !       )         ! Cpi  !
           !       1k1\   +---+       ) LD      ! 200  / Rpi
 2 x Murata!          /   !   !       !        ---     \ 100k
 doorknob ---         \   !   +-------+        ---     /
  2000pf  ---         /  ---       XXXXXXX      !      !
   40 kV   !          !  --- CD    \XXXXX/      +------+
           !          !   !  470pf              !     
           !          !   !    ____.......      !
    o------+---+      !   !   /    /XXXXX\      !
 +30 kV    !   !      !   !   !    XXXXXXX      !
           !   !      !   +---+       !         !
           !   V      !       !       +---------+ 
    4x570 ---         !       !       
          ---  ^      !       !       
           !   !      !       !       
           +---+------+-------+
            

При LD равной согнутому примерно в полуокружность проводу диаметром 1 мм и длиной 5 см лазер выдал примерно столько же, сколько и без всей этой дополнительной обвесухи (CD и LD). При больших или меньших значениях LD лазер работал хуже. Забавно, что при LD в виде трех витков провода на оправке диаметром 50 мм уже начинал пробиваться промежуток SGD. (Поскольку он "аппаратно реализован" в виде зазора между рамой и выводом лазерной трубки, убрать его из схемы было невозможно.) Лазер при этом выдавал слегка больше, чем с одним SGD но непринципиально - меньше чем в два раза.

Еще раз напомню, что я - не физик, я - самодельщик. С моей аппаратурой и ресурсами "два раза" это несущественная разница, скорее субъективная, чем объективная. А вот разница на порядок величины - это уже надежно.

Таким образом, если подтвердить, что еще и предионизатор терпимо относится к повышению индуктивности в цепи питания, то получится, что схема действительно может питаться "по ниточке". Впрочем желания это проверять нету, изза других недостатков сЕтчатки и, в первую очередь, изза того, что она так критична к чистоте газовой смеси.

 

17.11.2014 СТОЯЧКА.

Поскольку с сЕтчаткой было выяснено, что карборунд должен быть не тоньше определенной толщины (лучше порядка удвоенного зазора между электродами) возникла надежда увеличить межэлектродный зазор за счет увеличения толщины карборунда. Для этого бруски одного из электродовбыли поставлены "стоймя" на узкую грань:

  //////////////////  <-оргстеклянная платформочка
     XXXXXXXXXXX  
     XXXXXXXXXXX <------карборундовый брусок
 ^                  
 ! 4 mm                  
 V                  
    O XXX O XXX O
      XXX   XXX  \  проволока d=0.5mm
      XXX   XXX   \-------------
      XXX   XXX 
      XXX   XXX <------карборундовый брусок
      XXX   XXX 
  //////////////////  <-оргстеклянная платформочка
         <->
          2 mm

Два бруска "стоймя" снизу и один "лежа" сверху. Между стоячими брусками и по их краям пропущены проволочки. Если проволочки в изоляции то получается продольный Думанчин. Если проволочки голые - получается нечто среднее между Думанчином и Ламбертоном.

Если изоляции нет, значит и пробивать нечего. Вначале были опробованы голые проволочки. Проволочки подключались к противоположному полюсу через индивидуальные конденсаторы Cpi1...Cpi3

   +-               -+------+----O _/\_ HV pulse
   ! \_____________/ !      !
   !   XXXXXXXXXXX   !      !
   !   XXXXXXXXXXX   !      !
  ---               ---    ---
  --- Cpi1      Cpi2---    --- Cpi3
   !                 !      !
   +--O XXX O XXX O--+      !
        XXX ! XXX           !
        XXX ! XXX           !
        XXX ! XXX           !
        XXX ! XXX           !
        XXX ! XXX           !
   +-------------           !
   !        !               !
  ---       +---------------+
   - 
(Ground)

Или через общий конденсатор Cpi

          -               --------+----O _/\_ HV pulse         
           \_____________/        !
             XXXXXXXXXXX          !
             XXXXXXXXXXX          !
                                 ---
                                 --- Cpi
                                  !
  +---------O XXX O XXX O---------+
  !           XXX ! XXX           !
  !           XXX ! XXX           !
  !           XXX ! XXX           !
  !           XXX ! XXX           !
  !           XXX ! XXX           !
  !      +-------------           !
  !      !        !               !
  !     ---       +---------------+
  !      -                        !
  !   (Ground)                    !
  +-------------------------------+

Резисторы утечки на схемах опущены, но, как в анекдоте с сусликом, они там есть.

Сборка была включена на разряд в атмосферном воздухе. Емкость накопительного конденсатора 2х2 нФ. Зазор в главном разряднике 8 мм. Парадокс, но по второй схеме (все проволочки спаяны вместе и подключены через общий конденсатор) разряд на вид лучше, чем при питании через индивидуальные конденсаторы. Даже если соблюдается условие Cpi1+Cpi2+Cpi3=Cpi.

Сборка была запихана в герметичный корпус с резонатором (таким же как и в предыдущем и позапредыдущем случаях) и протестирована на смеси 1:1. Генерации нет. Даже на свежей смеси. Даже в одиночных импульсах. Даже при зазорах в разряднике до 12 мм (31 кВ). Ни при подключении через общий кондер Cpi ни при подключении через индивидуальные Cpi1, Cpi2, Cpi3.

Чтож на очереди продольный думанчин. Вместо голых медных проволок на их месте был натянут изолированный провод (см. запись. от 05.11.14)


          -               --------+----O _/\_ HV pulse         
           \_____________/        !
             XXXXXXXXXXX          !
             XXXXXXXXXXX          !
                                  !
                                  !
                                  !    
  +--------(O)XXX(O)XXX(O)--------+
  !           XXX ! XXX           !    
  !           XXX ! XXX           !
  !           XXX ! XXX           !
  !           XXX ! XXX           !
  !           XXX ! XXX           !
  !      +-------------           !
  !      !        !               !
  !     ---       +---------------+
  !      -                        !
  !   (Ground)                    !
  +-------------------------------+

(o) - здесь обозначение изолированного провода.

Разряд стал ровнее, искры стали слабее, но генерации как не было так и нет.

Предположение: сопротивление вертикально стоящих брусков слишком велико. Или, точнее, поскольку карборунд - полупроводник, то имеющееся поле недостаточно для его лавинного пробоя - для перевода карборунда в состояние с низким сопротивлением.

Для пробы оставлены два бруска:

          -               --------+----O _/\_ HV pulse         
           \_____________/        !
             XXXXXXXXXXX          !
             XXXXXXXXXXX          !
                                  !
                                  !
                                  !    
  +----------(O) (O) (O)----------+
  !          XXXXX!XXXXX          !    
  !          XXXXX!XXXXX          !
  !         /-----!-----          !
  !      +--      !               !
  !      !        !               !
  !      !        !               !
  !     ---       +---------------+
  !      -                        !
  !   (Ground)                    !
  +-------------------------------+

И вдоль них положены три изолированных провода. Расстояние от провода до противоположного бруска 4 мм. Получился по существу продольный Думанчин, более простой в изготовлении, чем описанный выше.

Генерационная проба показала бодрое отстутствие генерации.

Тогда расстояние между брусками было уменьшено. Четыре миллиметра оставлено не между бруском и проводом, а между брусками. Центральный провод убран, чтобы не мешал излучению бегать по резонатору.


          -               --------+----O _/\_ HV pulse         
           \_____________/        !
             XXXXXXXXXXX          !
             XXXXXXXXXXX          !
                                  !
                                  !
                                  !    
  +----------(O)     (O)----------+
  !          XXXXXXXXXXX          !    
  !          XXXXXXXXXXX          !
  !         /-----------          !
  !      +--                      !
  !      !                        !
  !      !                        !
  !     ---                       !
  !      -                        !
  !   (Ground)                    !
  +-------------------------------+

Такая схема генерить не отказалась. При отрицательной полярности на электроде с предионизацией лазер выдал 3.6 мВт на частоте 1 Гц и 24 мВт на частоте 16 Гц (1.5 мДж). При положительной полярности на электроде с предионизацией вышло 4.2 мВт при 1 Гц и 30 мВт при 16 Гц (~2мДж).

Лазер, может выдал и немного, но по сравнению с предыдущими вариантами показывает удивительно малую просадку с частотой.

Да кстати, надеюсь Вы уже стали привыкать к ASCII графике. К этому моменту данный веб репорт содержит уже 17 схем. В пиксельном виде Я бы замаялся их рисовать, а Вы - их скачивать.

 

20.11.2014 ИСКРОВУХА.

Ну вот, как говорится, дождались. Наверное всем давно не терпелось посмотреть: "а классическая-то схема, с искровым предионизатором, что выдаст?"

Собирается самая простая схема, т.е. вот такая:

  +---+------+----+----+----+----+------+
  !   !      !    !    !    !    !      !
  V  ---    ---  ---   !   ---  --- Cpi !
     ---    ---  ---   !   ---  ---     !
  ^   !Cp    !    !  XXXXX  !    !      !
  !SG !      V    V         V    V      /
  +---+      ^    ^         ^    ^ SGpi \ Rb
      !      !    !  XXXXX  !    !      /
      !      !    !    !    !    !      \
     ---     +----+----+----+----+      /
     --- Cs            !                !
      !                !                !
      +----------------+----------------+

Для простоты на схеме не показано, что параллельно каждому кондесатору предионизации включен резистор 5.6 кОм. Кроме того показаны только четыре конденсатора предионизации и разрядника предионизации. На самом деле их - по восемь.

Как и предыдущие несколько вариантов, лазер собирается с короткими электродами - длиной в один брусок. Зазор между электродами выставляется в 4 мм.

Кстати. В процессе сборки выяснилось, что у меня расшатался штангенциркуль. Т.е. размеры и, в особенности, межэлектродные зазоры в предыдущих вариантах лазеров могли в действительности отличаться от того, что написано в этом файле. Надеюсь, что ошибка невелика, но на всякий случай заложитесь на +-1мм.

Разрядники предионизаторов сделаны из болтов на М3 и расположены на расстоянии 1 см от электродов с шагом 2 см по 4 штуки с каждой стороны. Всего 8 шт разрядников (см. рисунок):

                   20 mm
               !<-------->!

          -    O          O          O          O
          ^
     10mm !
          V
          XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX
          XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX
          XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX
          ^
     10mm !
          V
          -         O          O          O          O
                               !<-------->!
                                   20 mm

Зазор в разрядниках выставлен в 2 мм. Надо напомнить, что для правильной работы схемы необходимо чтобы пробой предионизационных разрядников С ГАРАНТИЕЙ наступал ДО пробоя основного лазерного промежутка. Поэтому зазор в них выбирают заведомо меньше чем межэлектродный зазор лазера.

Типичная ошибка начинающих лазеростроителей - надежда на "несамостоятельный разряд под действием внешнего ультрафиолетового излучения". Так вот - не надейтесь. Когда достаточное напряжение к электродом уже приложено, действие внешнего ультрафиолета ничего кроме искры не вызовет. Предионизация она на то так и называется, что должна быть приложена заранее. К моменту приложения существенного напряжения к лазерным электродам, газ между ними УЖЕ должен быть проводящим.

 

24.11.2014

Лазер дособран и запущен при следующих параметрах: Cs=6nf, Cp=4x510pf, Cpi=100pf, Rb=1 кОм, параллельно каждому из Cpi установлен резюк утечки С5-37 5.6 кОм х 10 Вт.
Без ограничения частоты повторения (получилось около 16 Гц) лазер выдал:

На смеси технический азот:CO2=1:1 78 мВт (4.8 мДж)
На смеси воздух:CO2=1:1 96 мВт (6 мДж)
На смеси отожженка:CO2=1:1 84 мВт (5.2 мДж)

Не следует думать, что с техническим азотом все плохо. Просто смесь была залежалая (3 дня). Последние две смеси были свежие. Правильнее считать, что в пределах погрешностей лазер выдал на всех смесях одно и то же.

На всех смесях пятнышко луча на копирке бело-желтенькое, без признаков "электрического" цвета.

Была попытка внести в цепь питания индуктивность:

  +---+----+     +-----+----+----+----+----+------+
  !   !    !     !     !    !    !    !    !      !
  V  ---   )     !    ---  ---   !   ---  --- Cpi !
     ---   ) Lt  !    ---  ---   !   ---  ---     !
  ^   !Cp  )     !     !    !  XXXXX  !    !      !
  !SG !    !     !     V    V         V    V      /
  +---+    +-----+     ^    ^         ^    ^ SGpi \ Rb
      !                !    !  XXXXX  !    !      /
      !                !    !    !    !    !      \
     ---               +----+----+----+----+      /
     --- Cs                      !                !
      !                          !                !
      +--------------------------+----------------+

Lt - 30 см гибкого многожильного медного монтажного провода сечением 1 кв.мм. в ПВХ изоляции. Лазер был протестирован на воздушной смеси. Генерация была, хотя мощность и снизилась вчетверо. После восстановления нормального соединения выходная мощность не восстановилась.

Лазер разобран - выяснилось, что один из брусков расколот (вероятно искрой) Такчто нельзя строго сказать, что паразитная индуктивность впрямую понизила мощность излучения. Скорее - облегчила искрообразование, в результате чего был поврежден электрод.

После сборки надо будет перепроверить работу схемы при питании по ниточке и измерить мощность на малой частоте повторения.

inside_classic01 inside_classic02
inside_classic03 inside_classic04

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ВЫВОДЫ:

  • много дури в предионизации (14% от полной энергии в накопителе) помогло: несмотря на удаленность разрядников от электродов, предиоизации для работы лазера хватает.
  • резисторы утечки параллельно конденсаторам предионизации не случайно выбраны малого номинала. Идея в том, чтобы даже после зарядки емкостей Cpi обеспечить подсветку лазерного зазора УФ излучением дугового разряда. Поскольку все образующиеся отрицательные ионы (в т.ч. и от O2) имеют
    низкий потенциал ионизации, при непрерывной подсветке промежутка все отрицательные ионы должны почти мгновенно разваливаться и возвращать свободные электроны в разряд. Судя по работоспособности схемы с воздухом и отожженкой так оно и получилось. Т.е. непрерывная УФ подсветка похоже действительно нейтрализует вредное воздействие кислорода.

 

25.11.2014

Сломанный брусок в лазере заменен. Лазер собран и запущен. Выдал меньше чем мало. Причиной оказался поставленный брусок. То ли он сам плохо проводит, то ли мешает след от искрового пробоя. Так или иначе но в искру с этим бруском идет много а в свечение - мало. Бруски опять заменены.

В этот раз лазер вроде как вернулся к тому что было: 84 мВт при 16 Гц.
При запуске на 1 Гц выдал 9 мДж. Т.е. просадка энергии с частотой идет меньше чем вдвое.

Для проверки работоспособности от "высокоиндуктивного" питания была собрана следующая схема:

      +------->  <-----+----+----+----+----+------+
      !        SG      !    !    !    !    !      !
      !               ---  ---   !   ---  --- Cpi !
     ---              ---  ---   !   ---  ---     !
     --- Cs3           !    !  XXXXX  !    !      !
      !                V    V         V    V      /
     ---               ^    ^         ^    ^ SGpi \ Rb
     --- Cs2           !    !  XXXXX  !    !      /
      !                !    !    !    !    !      \
     ---               +----+----+----+----+      /
     --- Cs1                     !                !
      !                          !                !
      +--------------------------+----------------+

Накопитель был собран из трех последовательно соединенных конденсаторов К73-14 0.015 мкФ х 10 кВ. (пленочные высоковольтные майларовые рулонные). Параллельно разряднику SG действительно не был включен пиковый конденсатор. Это не ошибка, это тест на выживание. Rb=100 кОм. Подключение везде выполнено гибким монтажным проводом с сечением чуть меньше 1 кв. мм. Зазор в разряднике 8 мм.

high_inductance_power_supply

Как это ни удивительно, но лазер заработал! Выдал 40 мВт на частоте 11 Гц. Поработал несколько минут, которых только-только хватило на измерения, и сдох.

Выяснилось - опять в брусках искрой прожгло дырку. И вместо объемного разряда внутри лазера жмет лишь бодрая искра.

ВЫВОД:
В общем, смысл такой: получена идеальная почти во всех отношениях схема
лазера.

  • Работоспособна при атмосферном давлениями на смесях почти любой степени загрязненности, с кислородом и без.
  • Не затыкается с поднятием частоты повторения.
  • Не требует малоиндуктивного подключения и малоиндуктивных конденсаторов.
  • Дает высокое усиление - работоспособна даже для очень коротких лазеров, в этом макете длина электродов была всего 10 см.
  • Дает длинный импульс генерации (о чем все так мечтают). Измерить нечем, но, наверное, несильно ошибусь, если скажу, что несколько микросекунд.

Схема имеет всего один и только один малюю-ю-юсенький недостаток:

  • ОНА НЕНАДЕЖНА!!!
    Пока горит ровный объемный разряд - все в порядке, но стоит проскочить хоть одной искре и карборунду ППЦ. А искра, как с ней не борись, будет хотя бы изредка проскакивать. И ничего с этим не поделаешь.

Работоспособность схемы так понравилась, что возникло предположение: может она лучше схемы с дырчатыми электродами и предионизацией барьерным разрядом. Может все эти годы мы маялись дурью, а первые фейлы с классической схемой на углекислотно-воздушных смесях были лишь ошибкой эксперимента?

Для проверки были изготовлены два алюминиевых электрода. В виде параллелепипеда шириной 10 мм, длиной 100 мм, высотой 4 мм. Все острые края скруглены, естественно. Рабочая сторона электродов отполирована. Эти электроды поставлены на место карборундовых брусков и трубка подключена к малоиндуктивной схеме питания (на Муратах). Cs=4 нФ.

classic_with_metal_electrodes1 classic_with_metal_electrodes2

Тесты на смесях с воздухом и отожженкой показали: нет, чуда не произошло. С металлическими электродами схема просто искрит. Свечения нет, генерации нет. Света в конце туннеля тоже нет - даже под откачкой до 25 торр схема неработоспособна. С одной стороны - жаль, конечно. А с другой - это означает, что лазер с дырчатыми электродами и предионизацией барьерным разрядом не зря был придуман - в своих самых примитивных вариантах он дает объемный разряд даже с воздухом при 200..300 торр, а в последних модификациях работоспособен на смесях воздух:CO2 при давлениях даже выше атмосферного.

 

03.12.2014 ЛИРИЧЕСКОЕ ОТСТУПЛЕНИЕ - КОНДЕНСАТОРНЫЙ ЛАЗЕР

Если говорить безотносительно лазерных параметров, объемный разряд в воздухе при атмосферном давлении получить - как два пальца об асфальт. Возьмите два металлических электрода без острых краев, оберните слоем тонкого, но электропрочного диэлектрика (например листом майлара), подключите к источнику импульсного или переменного высокого напряжения и наслаждайтесь. В некоторых статьях такой вид разряда называют "короной на (или по) поверхности диэлектрика", хотя имхо название "барьерный разряд" более вразумительно.

Однако попытки заполнить получившийся объемный разряд лазерной смесью и поместить в резонатор успеха не приносят - низок энерговклад.

Действительно. Пусть Egas - напряженность поля горения разряда в газе (напомню, что она с точностью до 10..20% близка к напряженности поля вызывающей пробой в однородном поле, для воздуха 30 кВ/см). Пусть Ed - электрическая прочность диэлектрика, а e - его диэлектрическая проницаемость. Очевидно, что предельный электрический заряд q, который можно пропустить через единицу площади диэлектрика, не разрушив его, равен удельной на единицу площади электрической емкости C, умноженной на зарядное напряжение, которое по понятным причинам не может превышать Ed*delta, т.е.

q = Ed*delta * e0*e/delta = 8.85e-12*e*Ed

Забавно, что толщина диэлектрика delta сократилась. Да и напряжение питания лазера в явном виде выражение не вошло. Предельный пропущеный заряд на единицу площади оказался связан только с характеристиками диэлектрика.

Из опыта азотников известно, что листы майлара держат на грани пробоя около 10кв на 100 мкм толщины. Т.е. 100 кв/мм или 1e8 В/м. Табличная диэлектрическая проницаемость полиэтилентерефталата e=4, но по моим измерениям емкости упорно получается e=2. Отсюда:

q = 8.85e-12*2*1e8=0.0018 Кл/кв.м.=0.18 мкКл/кв.cм.

Электрическая мощность это по определению проходящий ток, умноженный на падение напряжения на участке цепи. Падение напряжения на газовом разряде есть величина постоянная. (Даже газоразрядные стабилитроны когда-то выпускались). Т.е. цепь с газовым разрядом эквивалентна цепи со стабилитроном,
имеющим напряжение стабилизации Egas*Delta:

                  o                  o
                  !                  !
                  !                 ---
               -------              ---
               =======               !  Ust=Egas*Delta
                                     +---L<|---+
               =======                         !
               -------               +---------+
                  !                  !
                  !                 --- 
                  o                 ---
                                     !
                                     o

Электрическая энергия, выделившаяся в газе (на стабилитроне) равна:

W=S*q*Ust=S*q*Egas*Delta

Где S - площадь электродов (или площадь сечения разряда) а Delta - величина межэлектродного зазора.
Удельная же на единицу объема энергия:

w=W/(S*Delta)=q*Egas ; w=8.85e-12*e*Ed*Egas

Как видим, технические параметры (площадь и высота разряда) опять вылетели и остались только электрические параметры диэлектрика и газа.

Для q = 0.18 мкКл/кв.cм. и Egas=30 кВ/см (разряд в воздухе между обкладками, изолированнымим майларом): w=5.4 мДж/куб.см.=5.4 Дж/л.

Как говорится... выше головы не прыгнешь. Большинство TEA лазеров имеют порог при 50..70 Дж/л, а тут в десять раз меньше. Причем из формул выше видно, что ни изменения напряжения ни изменения толщины диэлектрика на самом деле не помогут. Помочь может лишь замена диэлектрика. Например на применяемый в керамических конденсаторах титанат бария. Но это уже отдельная история.

От чесания репы над полученными формулами зреет и еще один забавный вывод. Дело в том, что с ростом толщины диэлектрика Ed падает. И, если для майлара в тонких пленках мы имеем более 100 кВ/мм, то уже к одному санитиметру толщины электропрочность просядет куда-нибудь к 30..50 кВ/мм. Т.е. конденсаторный лазер выгоднее делать сравнительно низковольтным с тонким диэлектриком.

Сказанное справедливо для однократной зарядки. Если мы успеем за нужное время перезарядить емкости электродов N раз, то в N раз вырастет энерговклад. Чему равно N понятно - если мы хотим энерговклад на уроване 200 Дж/л как в "нормальных" лазерах, то N = 200 Дж/л / 5 Дж/л = 40.

А вот чему равно это самое "нужное" время? Энергию нужно успеть вложить, пока углекислый газ ее не растерял. Другими словами время энерговклада должно быть меньше времени жизни молекулы СО2 на лазерном уровне. Чему оно равно для смеси воздух:СО2 атмосферного давления в справочниках не пишут. Очень грубые прикидки (которые я не буду приводить по причине их грубости) приводят к временам порядка 1 мкс. То есть за одну микросекунду надо успеть 40 раз перезарядить обкладки лазера. Отсюда получается частота в 10 МГц (один полный период = четыре перезарядки). Если ориентироваться на подведенную энергию 1 Дж, получается, что мощность генератора должна быть равна 1Дж/1мкс=1 МВт.

Тупик. К чему привели потуги создать такой генератор в DIY-шных условиях Вы можете видеть здесь

Отсюда видно, что сделать лазер с емкостным разрядом барьерного типа (конденсаторный лазер) на майларе - анреал. Однако предыдущий тестовый лазер (искровуха) показал, что все может быть и не так плохо. Если учесть, что конденсаторы К73-14 в принципе неспособны разряжаться быстрее чем за 4 мкс, а лазер с ними работал, то оценка требуемого времени энерговклада существенно поправляется в лучшую сторону.

Так или иначе конденсаторый лазер был сделан.

capas1 capas_in1

Вот схема его устройства.

capacitive1.GIF
capacitive2.GIF

Корпусом служит канализационная труба Ду50. Лазерные электроды выполнены в виде отрезков двадцатимиллиметровой ППРС трубы, на которые наклеен алюминиевый скотч (обкладки) заизолированный 120-микронным майларом в один слой. Расстояние между электродами 4 мм. Рабочая длина электродов 100 мм. Полная длина лазера (по зеркалам) 205 мм. Зеркала такие же, как и в прошлом
и в позапрошлом вариантах лазера.
А вот схема подключения:

                  +--/\/\/---+
                  ! Cpi      ! +-/\/\/\--+
   +---||---+     +----||----+ !         !
   !        !     !          ! !         !
   !        !     !        +---+-||-+----+
   !        !     !        ! !      !
   +-->  <--+-----+------o)   (o----+
   !   SG   !     !        ! !      !
   !        !     !        +---+-||-+----+
   !        !     !          ! !         !
   !        !     +----||----+ !         !
  --- Cs    )     ! Rpi      ! +-/\/\/\--+
  ---       )     +--/\/\/---+           !
   !        ) Ll                         !
   !        )                            !
   !        !                            !
   !        !                            !
   !        !                            !
   +--------+----------------------------+

Предионизаторы здесь в 2 мм от поверхности майлара. По две проволочки на электрод. Включение перекрестное т.е. проволочка, расположенная у электрода одной полярности подключена через емкость к шине питания другой полярности.
Cpi=23 pf; Rpi=100 кОм
L1 - мотана на пластиковой трубе Ду50 проводом ПЭЛ-2. Намотка с шагом 10 мм (иначе катушку пробивает). Наилучшие результаты получались, когда L1=1..2 витка, Cs=4nf.

Что самое удивительное - лазер заработал. Правда очень слабо (неизмеримо калориметром, "на глаз" по яркости плазменного пятнышка - микроджоулей 300, может 500) и неcтабильно. И только на смеси с техническим азотом. Но заработал.

 

4.12.2014

Вот некоторые результаты попыток оптимизировать цепочки предионизации
(зазор в разряднике SG в этих тестах был 10 мм):

Rpi Cpi вероятность генерации
100k 23pf <10%
5k6 23pf >10%
5k6 34pf >80%
5k6 68pf ~50%

Вот такая забавная табличка. В правой колонке не мощность и не энергия а отношения числа импульсов с генерацией к общему. Да и то для малых значений это отношение еще и плавает, поэтому можно только грубо прикинуть.

Основной результат в том, что с цепочками Rpi=5.6 кОм Cpi=34 pf лазер почти стабильно генерит. Мощность от импульса к импульсу, конечно, шатается в разы, но генерация есть почти в каждом.

При Rpi=5.6 кОм Cpi=34 pf лазер запущен на смеси воздух:CO2=1:1. Вероятность возникновения генерации была около 10% (т.е. как на смеси с азотом и неоптимизированной цепочкой предионизации).

Да, это не первая моя попытка собрать конденсаторный лазер с майларом в качестве диэлектрика. И, вообще говоря, не первый из них, который заработал. Но при атмосферном давлении - первый. И, тем более, на смеси СО2 с воздухом. Несколько неожиданным оказалось, что такой маленький лазер загенерил, после того как даже полутораметровые экземпляры напрочь отказывались работать. Ключом к успеху оказалось применение предионизации. И это тем более неожиданно, что уж с чем с чем, а с получением однородного разряда у конденсаторного лазера никогда не было проблем. Видать предионизация оказывает на работу лазера гораздо более комплексное влияние, чем просто облегчает зажигание объемного разряда.

Взять, например, откачной азотник. Давление в нем низкое. Разряд наносекундный. Никаких проблем с зажиганием объемного разряда. И тем не менее предионизация здесь более чем уместна. Могу сослаться на прекрасную работу Джона Сингера [5], а могу и поделиться собственным опытом: откачной лазер, в котором предусмотрен даже не очень сильный предионизатор, имея воздух в качестве активной среды, выдает БОЛЬШЕ, чем подобный ему лазер без предионизатора при заполнении чистым азотом.

Или карборунд (см. начало этого веб-отчета). Без предионизации не генерит, хотя объемный разряд зажигается и без нее. А с другой стороны и при ее наличии искры полностью не исчезают.

С третьей стороны вот этот конденсаторный лазер. Чтобы он заработал оказалось необходимым "всего лишь" добавить предионизатор. Причем визуально разряд с предионизатором хуже, чем без него - больше доля стримеров.

Один раз - случайность, два раза - совпадение, три раза - закономерность. В трех разных типах лазеров (причем таких, которые и без специальных мер легко дают объемный разряд) предионизация либо увеличивала выход либо вообще позволяла перейти от неработающих лазеров к работающим.

С чем это связано? Первое, что приходит на ум - увеличение скорости формирования разряда и уменьшение времени энерговклада. Но это может быть существенно для азотников или для конденсаторных лазеров (только представьте, если первый полупериод успевает проскочить без разряда - почти половина энергии потеряна впустую с учетом того, что колебания затухающие).

Однако последние два лазера (из описанных здесь) демонстрируют, что скорость - не главное. И усиление и выходная энергия вполне могут быть достаточными при вкладе энергии за несколько микросекунд.

Следующее - это повышение однородности энерговклада. Как говорят классики теории возжигания объемного разряда, любой, даже самый однородный на вид разряд, состоит на самом деле из микростримеров наностримеров пикостримеров и т.д. вплоть до уровня отдельных молекул. И предионизации будет мало ровно до тех пор, пока стримеры не начнут заполнять весь объем с точностью до расстояния между молекулами. Может это както влиять или нет? В принципе, если в отдельно взятых стримерах плотность энергии зашкаливает за насыщение (ну например, если все молекулы СО2 внутри стримера возбуждены и возбуждать больше нечего) то среднее усиление будет расти с увеличением равномерности. Если же нет, то все величины складваются линейно и среднее по объему усиление будет зависеть только от среднего энерговклада, безотносительно его микроструктуры. Большинство из мучаемых мной лазеров имеет энерговклад на один-два порядка величины ниже насыщающего. Может ли ток в стримерах быть на один два порядка выше, чем в среднем по объему? Может и может, хотя и сомнительно, поскольку стримеры при этом становились бы искрами.

Другой причиной могло бы быть изменение электронной температуры при переходе от режима разряда с предионизацией к режиму без предионизации и обратно. Однако это по идее должно влиять только на начальную стадию разряда, а поскольку время занимаемое ею мало, то мал должен быть и вклад.

Можно долго продолжать выдумывать механизмы влияния предионизации и взвешивать все за и против. Но без глубокого исследования и точных (а не по порядку величины) измерений никогда нельзя будет сказать, что именно тут происходит и какой из процессов главный, а какими можно пренебречь. Поэтому эти рассуждения находятся тут, скорее, чтобы показать насколько сложно могут обстоять дела, нежели в попытках прояснить реальную суть вещей.

8.12.2014

Был собран новый вариант конденсаторного лазера. Рабочая длина электродов увеличена до 22 см. Полная длина лазера - до 30 см. Проволочки предионзации в новом лазере подключены с обоих концов. Поскольку проволочек четыре а концов у них по два, то и цепочек предионизации стало восемь. Cpi=34pf, Rpi=100k. Зеркала - прежние. Cs=6nf, L1 - прежняя.

capas_v2

Лазер заработал гораздо бодрее, чем его более короткий вариант. Вероятность генрации на смеси с воздухом превысила 80% на частоте 1 Гц. Даже удалось измерить мощность. На смеси воздух:CO2=1:1 она получилась 2.5 мВт (2.5 мДж). На смеси технический азот:CO2=1:1 она получилась 4.5 мВт (4.5 мДж).

В отличие от десятисантиметрового лазера, этот экземпляр положительно отнесся к увеличению накопительной емкости. Увеличение Cs От 2 до 6 нф положительно сказалось и на энергии и на ставбильности.
Вот отпечатки пятна на термобумаге для факсов(фокусировка ZnSe линзой f=50мм):

termpaper termpaper_dots

Видно, что пятно "жопочкой", если придерживаться концепции "free language". Т.е. состоит из двух независимых пятен. Пятна расположены со стороны предионизаторов, что наводит на мысль о том, что предионизация плохо доходит до оси трубы и разряд горит преимущественно по бокам - ближе к предионизаторам. Т.е. в сущности организовались два лазера, генерящих независимо и параллельно. Попытка раздвинуть предионизаторы (увеличить расстояние между проволочками, сохраняя при этом расстояние проволочка - электрод) действиельно привела к резкому падению энергии и вероятности генерации. Так, что, видимо их следует не раздвигать а сближать. Однако совершенству нет предела и уже понятно, как такой лазер сделать мощным. Однако детально здесь об этом писать не буду вовсе не из соображений скрытности, а от лени рисовать сложный чертеж. Вкратце принцип, в общем прост (пробуйте воспринять из текста). Смысл в том, чтобы нарастить площадь электродов не увеличивая радиус закругления (иначе вырастет ширина разрядного столба, а это ни к чему.) По всей увеличенной площади ставятся проволочные предионизаторы, действие которых сводится к зажиганию разряда над диэлектриком в тех местах, где электроды далеко друг от друга. Электрический заряд со всей этой площади собирается и течет по плазме к основному разрядному столбу, где и вкачивает энергию. как то вот так:

     +-------------------------------+
     !                               !
     !              +----------------)------+
     !              !                !      !
     !  +--+--+--+--+    +--+--+--+--+      !
     !  !  !  !  !  !    !  !  !  !  !      !
     !  -  -  -  -  -    -  -  -  -  -      !
     !  -  -  -  -  -    -  -  -  -  -      !
     !  !  !  !  !  !    !  !  !  !  !      !
     !  o  o  o  o  o    o  o  o  o  o      !
     ---------------      -------------------
 +                  )    (                     -
  ------------------      ----------------------
     !  o  o  o  o  o    o  o  o  o  o      !
     !  !  !  !  !  !    !  !  !  !  !      !
     !  -  -  -  -  -    -  -  -  -  -      !
     !  -  -  -  -  -    -  -  -  -  -      !
     !  !  !  !  !  !    !  !  !  !  !      !
     !  +--+--+--+--+    +--+--+--+--+      !
     !              !                !      !
     !              +----------------)------+
     !                               !
     +-------------------------------+

Майлар на электродах не показан. резюки впараллель к конденсаторам - тоже.
Делать такой лазер дабы испытать принцип мне как-то не с руки, поскольку в трубу его уже не упихать, а подходящей плоской коробки, достаточно герметичной и прочной, чтобы выдержать давления, в пределах доступности не наблюдается.

Тут надо отметить, что попытки сделать лазер в негерметичной а, так-сказать "газоограниченной" коробке предпринимались, но ни одна из них к успеху не привела. После успешных экспериментов с наполнением безоткачным способом (способом промывки) стало понятно почему. На промывочный коэффициент 30..60 для более-менее крупных лазеров смеси под рукой попросту не хватает.

На этом по этому типу лазера пока все.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ:

  • создан работоспособный лазер с барьерным разрядом с использованием майларового диэлектрика.
  • лазер работает на смесях СО2 с воздухом и с азотом при этом выдает вполне измеримые выходную энергию и мощность.
  • понятно как его масштабировать.

Если захотите повторить конструкцию - крайне желательно иметь диэлектрическое полупрозрачное зеркало с коэффициентом отражения 95%. В резонаторе, составленном целиком из алюминиевых зеркал лазер генерить без сомнения будет (по моим измерениям мои неособо качественные алюминиевые зеркала имеют отражение от 92% до 96% на длине волны CO2 лазера) но доля излучения, вышедшая через дырку может оказаться недостаточной, чтобы суметь понять, что лазер работает.

 

19.01.2015

Был создан конденсаторный лазер на основе титаната бария. Были взяты конденсаторы 2000 pf x 30 kv (это китай, такчто 30 кв - одна реклама. конструктивно они выполнены так что на воздухе выдержат не более 15кв, да и в масле надежд на превышение 20 кв нету).

Конденсаторы были были освобождены от пластиковой изоляции (купанием в ацетоне).
ceramic_01 ceramic_02 ceramic_03 ceramic_04
Керамические таблетки внутри имеют диаметр 22 мм и толщину 6 мм.

Отгрохивать лазер с шириной разрядного столба в 20 мм не хотелось совсем, поэтому керамические таблетки были напилены алмазным диском напополам. Затем из полученных полукружочков собрано подобие линии:

      --
  |)   ^
  (|   !
  |) ~150 mm
  (|   !
  |)   V
      ---
 >--< ~10 mm
			  

Пара таких электродов установлена в лазер с Ламбертон-Пирсоновским предионизатором (натянутые вдоль электродов проволочки). Зазор между электродами выставлен в 4 мм. Лазер установлен на типовую (малоиндуктивную) раму с накопителем 4 нф (две Мураты). Объемный разряд получить не удалось. Ни на смеси азот:СО2 ни на смеси воздух:CO2. Искры множественные (дождь искр) но фиолетового свечения не видно.

Электроды переставлены в лазер с искровой предионизацией (в этом файле упоминается как "классическая схема") чуть измененной конструкции по сравнению с уже описанной. Были трудности, связанные с пробоем с электрододержателей на предионизаторы по поверхности керамики. (Вообще вдоль керамики с высокой диэлектрической проницаемостью искры умеют очень далеко летать). Керамические электроды пришлось залить эпоксидкой (лицевая поверхность оставлена чистой, естественно).
ceramic_electrode
Искры на предионизатор были в итоге подавлены, но объемный разряд при атмосферном давлении так и не был получен. Ни с воздухом ни с азотом. Однако после заливки электродов электропрочность лазера выросла настолько, что его стало возможно испытывать при небольшой откачке.

При 900 мбар (90% атмосферного давления) между электродами кроме дождя искр стало заметно мощное фиолетовое свечение, дающее надежду на генерацию.

После установки резонатора и юстировки генерация даже была получена. Однако вопреки ожиданиям - мало и нестабильно. Энергия около 1 мДж, вероятность генерации менее 10%. Причем судя по сравнительно большой энергии импульса нестабильность связана больше с нестабильностью разряда чем с близостью к порогу генерации.

ВЫВОД: распределенный импеданс электродов (эффективное сопротивление) создаваемый удельной емкостью 526 пф/кв.см (каждый электрод) оказался слишком мал для стабилизации разряда. Повышение поверхностьной емкости электродов в 30 раз по сравнению с майларовым лазером принесло не только
увеличение энерговклада, но и снижение стабильности разрядного столба.

Если полученный "успех" развивать, то вероятно толщину керамики надо увеличивать втрое (до 15..20 мм) и, возможно, придется профилировать электроды.

Создание такого лазера оказалось довольно затратно, а результат... "несколько разочаровывает".

 


  1. P. Pace, P. Mathieu, J. Cruickshank. Miniature, sealed TEA-CO2 lasers with integral semiconductive preionization. Rev. Sci. Instrum. 53 (1982) No. 12, 1861-1863
  2. D. Beaupere, G. Helias, A. Bettinger. TEA CO2 laser with a SiC anode. Rev. Sci. Instrum. 56 (1985), No. 12, 2251-2258
  3. А,И. Павловский, М.А. Воинов, В.В. Горохов и др. Поперечная пространственная структура высоковольтных диффузных разрядов. ЖТФ Т.60, № 1, 1990 стр 64-71
  4. В.Ю. Баранов, В.М. Борисов, Ю.Б. Крохин и др. Свободная генерация электроразрядного СО2 лазера в наносекундном диапазоне длительности светового импульса. Квантовая электроника т.5 №5, 1978г, с 1141-1143.
  5. Jon Singer. TJIIRRS: Number 5C [New] of an Ongoing Series; “Theorie und Praxis IIA”: Revamping the “DKDIY” Laser Part 1.

 

<< ГЛАВНАЯ СТРАНИЦА