Laser Kids
ENG

. : Волноводный СО2 лазер со скрещенным разрядом : .

Схема лазера со скрещенным разрядом довольно известна и носит определенную популярность. Яркий пример - технологичекий лазер ЛАНТАН. Схема его приведена на рисунке ниже. (Цитируется по книге [1])

lantan

Другой пример - лабораторный лазер, созданный авторами работы [2]. Думаю, что его схему тоже стоит привести. (см. рисунок ниже).

fian

Идея схемы состоит в том, что ионизация газа создается барьерным разрядом (напоминаю, что барьерным разрядом называется "безэлектродный" тип разряда, где электроды изолированы от плазмы слоем диэлектрика. Естественно, что гореть такой разряд может лишь при питании импульсным или переменным током.) А в ионизированном газе горит несамостоятельный разряд переменного тока.
В более широком смысле схема имеет два режима работы:

А). режим самостоятельного разряда с предионизацией барьерным разрядом;

Б). режим несамостоятельного разряда, полностью контролируемого ионизацией барьерным разрядом.

В режиме А схема выглядит привлекательной для создания TEA лазеров. Однако на практике коэффициент умножения (величина, показывающая во сколько раз энеркговклад основного разряда больше энерговклада разряда предионизации) получается небольшим для безгелиевых смесей и тем более для смесей, содержащих воздух. Хуже того, разряд имеет стойкую тенденцию приобретать форму скользящего разряда вдоль электродов предионизации. Методы борьбы с этим имеются, но в итоге схема получается сложной, требующей точной синхронизации разрядов и, при этом, очень требовательной к чистоте газовой смеси. Могу сказать, что мне, например, несмотря на многократные попытки, так и не удалось получить генерацию в схемах лазеров со скрещенным разрядом на смеси воздух:углекислый газ (и даже азот:углекислый газ) при давлениях выше 250 мм.рт.ст.

Другой интересной областью применения могут быть непрерывные либо импульсно-периодические лазеры низкого и пониженного давления с высокой средней мощностью. В лазерах такого типа условия более подходящие. Априори в них используется низкое давление и гелий. Гелий обязателен, если Вы хотите получить достойную выходную мощность, поскольку гелий придает газовой смеси высокую теплопроводность, необходимую для охлаждения. Давление же приходится снижать по "чисто лазерным" причинам: с понижением давления растет время жизни верхнего лазерного уровня, а в некотором диапазоне давлений - растет еще и сечение вынужденного усиления. И то и другое позволяет достигнуть порога генерации при умеренных мощностях накачки, при которых ни лазерная смесь не перегрета ни сам лазер еще не расплавлен. (Этого ограничения нет в импульсных системах, где мегаватты вкладываемой мощности действуют очень короткое время, за которое существенного подогрева не происходит. С другой стороны в непрерывных лазерах даже киловатт подводимой мощности конструкция должна еще суметь пережить.)

Раз давление снижено и в смеси есть гелий, принципиальных трудностей в использовании схемы со скрещенным разрядом не видно. Подходящим тут является режим Б, тем более, что режим А тут попросту невозможен - в таких лазерах разряд горит либо непрерывно, либо сотни микросекунд, а за такое время самостоятельный разряд в любом случае зашнуруется, как бы хорошо и однородно
он не был предионизован на начальной стадии.

Зачем вообще такая схема непрерывному откачному лазеру, если есть старая добрая трубчатая конструкция?

Во-первых, напряжение питания. Лазер с продольным разрядом даже метровой длины требует около киловатта питания при напряжении 15..20 кВ для фабричной лазерной трубки и 30..40 кВ в любительских условиях (примеси в газах). Лазер же с поперечным разрядом и шириной канала порядка 30 мм обещает быть работоспособным при напряжениях 1..2 кВ. Т.е. трансформатор от микроволновки вместо навороченного выссоковольтного блока питания. В качестве дополнительного бонуса Вы получаете возможность несколько увеличить рабочее давление - а значит снизить тебования к вакуумным насосам и продлить время жизни газовой смеси. Надо сказать, что самостоятельный поперечный разряд и при низких давлениях особой устойчивостью не отличается. Вот тут то и пригождается внешний высоковольтный высокочастотный ионизатор.

И последний, но немаловажный факт: геометрия лазерного канала в форме узкого зазора между двумя теплоотводящими стенками как нельзя лучше подходит для отвода тепла от газа. Взять, например, обычный трубчатый лазер: отношение перепада температуры deltaT между центром плазменного столба и охлаждаемой стенкой к мощности Q равномерно распределенного источника тепла (иными словами тепловое сопротивление Rt) не зависит от диаметра трубки и равно:

Rt = 1/(4*pi*L*lambda),

где lambda [Вт/(м*К)] - коэффициент теплопроводности газа, pi=3.14 - число "пи",
L - длина лазерной трубки. (Эта формула за три минуты выводится из закона теплопроводности, поэтому ссылку на источник приводить нет смысла).

Умозрительно независимость теплового сопротивления от диаметра цилиндра можно понять из следующих соображений: с увеличением диаметра растет площадь теплоотвода (растет пропорционально площади поверхности трубки, а значит линейно), но точно также растет и расстояние, от центра до стенки, причем растет с той же скоростью. В итоге то на то и выходит - тепловое сопротивление
не меняется.

Если теперь задаться максимально допустимой температурой газа Tmax, то получим, что энерговклад в плазму не должен превышать величины:

Qmax = (Tmax - Tout)*(4*pi*lambda)*L/(1-eff)

где Tout - температура стенки, eff - кпд лазера.

Соответственно выход лазерного излучения определится как:

Wmax = eff*Qmax = eff/(1-eff)*(Tmax - Tout)*(4*pi*lambda)*L

Вот собственно откуда растут уши у известного закона СО2 лазеров с диффузионным охлаждением: "выходная мощность зависит от длины, только от длины и от длины линейно."

Можно сделать оценки и с числами. Для этого пренебрежем зависимостью кпд од температуры и примем eff = 0.1 = 10%. Положим, что теплопроводность газа определяется в основном буферным газом, в качестве которого могут работать азот (lambda = 0.0315 Вт/(м К) ); гелий (lambda = 0.147 Вт/(м К) ) и, например, аргон (lambda = 0.0164 Вт/(м К) ). Примем, что Tout = 20°C, a Tmax = 200°C (насчет определения Tmax люди во мнениях расходятся, но здесь взято довольно "классическое" значение [3]):

буферный газ He N2 Ar
Wmax/L Вт/м 37 8 4.1

Совершенно иная ситуация, если активная зона лазера имеет форму плоской пластины (толщиной a, шириной b и длиной L) , охлаждаемой с двух сторон. Точно так же из закона теплопроводности можно получить, что в этом случае:

Rt = a/(8*b*L*lambda), или Rt = a/(8*S*lambda),

где S - площадь проекции пластины "на виде сверху".

Стало быть теперь энерговклад в плазму не должен превышать величины:

Qmax = (Tmax - Tout)*(8*S*lambda)/(1-eff)/a

a выход лазерного излучения определится как:

Wmax = eff*Qmax = (Tmax - Tout)*(8*S*lambda)*eff/(1-eff)/a

Полученную формулу можно интерпретировать как пропорциональность выходной мощности площади охлаждаемой поверхности, но можно пойти дальше и разделить достигаемую мощность для плоской пластины на достигаемую мощность для трубчатого лазера:

 

(Tmax - Tout)*(8*S*lambda)*eff/(1-eff)/a     2*S/a   2*b*L
----------------------------------------  =  ----- = ------- = (2/pi)*(b/a)
eff/(1-eff)*(Tmax - Tout)*(4*pi*lambda)*L    pi*L    pi*L*a
		

Т.е. лазер с активной средой в виде тонкого плоского слоя позволяет с единицы длины получить мощность в (2/pi)*(b/a) раз большую, чем трубчатый лазер.

Множитель (2/pi) это, по существу, отношение эффективностей плоской и цилиндрической геометрий по отношению к теплообмену, а множитель (a/b), называемый еще "аспектным отношением", характеризует вытянутость сечения газоразрядной камеры.

Например, если толщина плазменного слоя 3 мм, а ширина 3 см, то аспектное отношение равно десяти, а лазерная трубка допускает в 6.3 раза больший съем энергии с единицы длины чем цилиндрическая. Такая трубка метровой длины с гелиевой смесью позволит снять уже не 37 Вт, а 230 Вт, если, конечно не
помешают другие факторы.

Умозрительно природу этого выигрыша можно понять следующим образом. Пусть мы хотим иметь большой энергосъем с единицы длины лазера, но по каким-то причинам ограничены применением цилиндрических трубок. Первое же напрашивающееся решение - связать N лазерных трубок в пакет и поставить параллельно в один лазерный резонатор. В принципе пакет трубок не обязан быть объемным. С тем же успехом мы можем расположить трубки друг рядом с другом на плоском столе. Теперь остается только убрать стенки между соседними трубками и мы получим плоскую геометрию. При этом изза отсутствия промежуточных стенок мы слегка потеряем в эффективности охлаждения (о чем и говорит множитель 2/pi в формуле выше), зато выиграем в том, что это будет не N независимых лучей, а единый
(хотя и плоский) луч, когерентный сам с собой, а значит и хорошо фокусирующийся.

Поверьте, мне нисколько не хотелось никого утомлять рассуждениями и выкладками, но нужно было рассказать в чем весь сыр-бор и ради чего весь огород городится. Теперь, после того, как это рассказано, можно было бы и перейти к описанию опытов. Но перед этим сделаю еще одно замечание. Задача "переплюнуть фабричные трубки" здесь не ставится. Наоборот, уже давно стало привычным
получать кпд этак на порядок ниже, чем в коммерческих устройствах. Поэтому если удастся хотя бы приблизиться к характеристикам фабричных цилиндрических трубок в тех же размерах, но с использованием примуществ плоской геометрии, будет уже хорошо.

 

1. Лазерные кюветы.

Идея и схема лазерной кюветы более чем ясна из рисунков приведенных выше. Здесь стоит остановиться лишь на материалах и особенностях сборки.

Диэлектрические стенки кювет были сделаны из (оконного) стекла толщиной 2 мм. Такое стекло доступно в виде рамок для фотографий. Кроме того его иногда удается заказать в стекольных мастерских - это серьезно облегчает работу, избавляя от траблов с разрезанием стекла больших размеров. Небольшие рамки от фотографий бывают укомплектованы стеклом миллиметровой толщины, однако размеры таких рамок не превышают 200 мм и пришлось бы набирать стенки кювет из сегментов, что сильно усложнило бы жизнь на этапе герметизации.

Стеклянные стенки кювет имеют 400 мм в длину (сделаны из стекла от фоторамки 400 х 300). Ширина определяется исходя из размера электродов и зазора между ними.

Электроды двух разных типов (сделаны две разные кюветы). Одна пара электродов сделана непосредственно из Т-образного алюминиевого профиля толщиной 3 мм. (Все острые края, разумеется, скруглены, рабочая поверхность отполирована). Вторая пара электродов имеет несколько более хитрую конструкцию ради большей компактности кюветы. Электроды второго типа также имеют толщину 3 мм.
Расстояние между электродами в обоих кюветах 30 мм (аспектное отношение 1:10).

cuvette01_electrodes_a cuvette01_electrodes

cuvette02_electrodes_a cuvette02_electrodes_b

 

При размерах активной области 3 х 30 х 400 мм и фабричном качестве газов и сборки можно было бы надеяться ватт на 80 на выходе. Я же надеюсь ватт на 8..10. Вакуумная кювета со стенкой размером 3 х 40 см испытывает со стороны атмосферы давление в 120 кг на эту стенку. Для стекла толщиной 2 мм это кажется несколько великовато. Поэтому стеклянные стенки кювет упрочнены наклейкой алюминиевых
элементов, одновременно выполняющих роль и охладителей и электродов внешней ионизации.

Ионизаторы-охладители выполнены из прямоугольных алюминиевых труб сечением 25 х 10 мм и длиной 380 мм. Торцы труб заглушены - предполагается, что при необходимости внутренность этих труб может быть заполнена охлаждающей водой, если лазерные кюветы еще сумеют дожить до этой самой необходимости. Острые края и углы, как водится, скруглены. Приклейка охладителей - ионизаторов к стеклянным стенкам сделана силиконом в надежде, что это даст некоторую свободу перемещения деталей друг относитлельно друга и уменьшит напряжения, возникающие вследствие разности теплового расширения стекла и алюминия.

 

Торцы. Кто-то из великих физиков сказал: "Если Бог создал обьем, то дьявол создал поверхность." В приложении к кюветам такого типа это следует понимать как "дьявол создал торцы". Действительно, если герметичная приклейка электродов к стенкам обычно не составляет труда, то с торцами Вы наедитесь... плохой пищи... Поскольку склейку и герметизацию кювет замыслено сделать силиконом, выбор материала для концевиков кювет не так тривиален. Так, например, силикон прекрасно клеится к стеклу и имеет очень неплохую адгезию к алюминию, но концевики и юстировки как-минимум затруднительно сделать из цельного неорганического стекла, да и металлы тут не канают, поскольку через проводящий концевик пошла бы закоротка разряда. С другой стороны оргстекло, полистирол и, тем более, ПВХ и полиэтилен, будучи приклеены силиконом, отваливаются легко и непринужденно... Опуская излишние подробности, скажу сразу: почти случайно было обнаружено, что силикон весьма неплохо держится на свежих и сравнительно свежих эпоксидных отливках, что и определило выбор материала для концевиков.

mirr_mount01 mirr_mount02

mirr_mount03 mirr_mount04

Концевики и юстировочные подвижки имеют довольно нетипичную форму, что связано с геометрией кювет и разрядного канала. Как уже было сказано, концевики отлиты из эпоксидной смолы (типа ЭДП), а юстировочные подвижки выпилены из оргстекла толщиной 10 мм.

Затем все это добро за несколько этапов склеено силиконом в единую конструкцию.

piza_tower

cuvette02b cuvette01a

cuvette01b cuvette02a

 

Интерлюдия 1. Технологическая. ГЕРМЕТИЗАЦИЯ.

Во "взрослой" технике известны только два способа надежной и долговечной вакуумно-плотной герметизации: это сварка и пайка. Про всевозможные фланцы с резиновыми или фторопластовыми уплотнениями априори подразумевается, что они текут и рассыхаются. Вопрос только в том, с какой скоростью.

Пайка и сварка в свою очередь подразумевают конструкцию в стеклянной колбе либо в металлическом корпусе. Первое требует весьма нехилых навыков в стеклодувных работах, а второе мало того, что требует токарно-фрезерных работ, так еще и порождает проблемы с электропрочностью. А еще оба варианта требуют какого-то решения по вводу электрического тока в вакуумный объем и выводу из него излучения. Это могут быть металлокерамические вводы, стеклоспаи и т.д. и т.п. Все это дорого, дефицитно и трудозатратно.

Чтобы не впадать в долгострой с ценником от самолета и заранее неизвестным результатом, самодельщику, в общем-то, приходится полагаться на временные решения и мириться с некоторым натеканием. В этой области выбор вариантов куда шире: возможно применение клеев, пластиков, герметиков и т.д. Мне известны три самых распространенных способа клеевой герметизации соединений
неметаллических деталей:

  • герметизация термоклеем ("глюганом", низкомолекулярным полиэтиленом);
  • заливка эпоксидной смолой;
  • заливка силиконовым герметиком.

Можно еще напомнить, что есть герметизация резиновых деталей резиновым клеем и герметизация металлических деталей оловянным припоем, однако на практике этими способами (в приложении к самодельным лазерам) приходится пользоваться столь редко, что буквально приходится напоминать себе, что они вообще существуют.

 

• Глюган хорошо работает при соединении "жирных" пластиков: полиэтилена, полипропилена, ПВХ и т.д. за исключением фторопласта. Очень неплохо держится на металлах (алюминий, медь, сталь, в т.ч. и оцинкованная), однако для соединения металлов их нужно предварительно "лудить" глюганом, буквально вжигая его в них горелкой или феном. Неплохие результаты получаются при склеивании стекла и оргстекла (в неорганическое стекло тоже надо вжигать). Идеально держится на эпоксидке и текстолите. Будучи жирным углеводородом сам неплохо растворяет жир, поэтому не требует тщательного обезжиривания склеиваемых поверхностей. В разумных пределах, конечно. Обильно пропитанные маслом детали Вам склеить вряд ли удастся.

Хорошо держит вакуум и слабоагрессивные газы. Неплохо держится под водой. Гораздо хуже переносит спирты и ацетон (Отслаивается в течение считанных недель или даже дней.) Растворяется бензином, керосином и машинным маслом. (Не сразу, конечно, но для длительной работы с этими жидкостями непригоден.)

Охрупчивается под воздействием солнечных лучей и просто от времени. Из-за возникающих трещин лазеры, загерметизированные глюганом, теряют вакуумную плотность за два - три года.

Исключительно хорош для герметизации. Небольшие сосуды, обьемом в единицы кубических сантиметров (лампы, разрядники) удается герметизировать до натекания менее 100 торр в год. (Хотя обычно не с первой попытки.)

При подогреве обладает свойством самозалечивания течей. Если шов устроен так, что не дает глюгану провалиться внутрь сосуда, то достаточно откачать сосуд и подогреть шов, как глюган сам закроет имеющиеся неплотности.

 

• Эпоксидная смола. Идеально клеится сама к себе и к материалам на своей основе (текстолиты, эпоксипластики). Не берет "жирные" пластики (полиэтилен, майлар, ПВХ, и т.д.) Плохо держится на неорганическом стекле даже при условии предварительного матирования склеиваемой поверхности. Лучше, но тоже плохо, склеивает оргстекло. Результаты с металлами сильно зависят от типа металла, типа применяемой смолы (буквально: написано ли на упаковке, что она предназначена для склеивания этого металла) и состояния поверхности. Перед склеиванием поверхность металла должна быть тщательно зачищена и быть шероховатой (лучше рифленой). Склеивание полированных до зеркального блеска металлов почти однозначно дает фейл.

Отдельным преимуществом эпоксидной смолы является то, что она (в отличие от глюгана и силикона) вакуумно-плотно клеится к селениду цинка. Поэтому если Вы используете селенидные зеркала или окна, то вероятнее всего вам придется использовать переходники - детали из текстолита или эпоксидки, к которым будет клеиться селенид цинка эпоксидной смолой и которые в свою очередь клеются к остальной конструкции чем угодно.

Эпоксидная смола на дух не переносит жир. Де факто большинство неудач склеивания зачастую огульно относят к влиянию загрязнения поверхности жиром. На самом деле жировое загрязнение склеиваемых поверхностей это очень удобная отмаза производителей клеев. Как известно из практики серебрения стекла, полностью удалить жир с поверхности удается лишь длительным кипячением в
крепкой азотной кислоте, а на это мало кто пойдет, да и немногие детали это выдеражат.

Неплохо держит вакуум и газы. Большинство эпоксидных смол (за исключением специально предназначенных для этого) отслаиваются от склеиваемых деталей, если шов подвергается действию воды и влаги. Еще быстрее расслоение происходит под действием спиртов. Ацетон при длительном воздействии размягчает эпоксидные смолы, что можно использовать для их удаления при разъединении клеевых соединений. Эпоксидные смолы более устойчивы к действию бензина и масел, чем глюган, однако тоже без гарантий.

Соединения, выполненные эпоксидной смолой исключительно устойчивы во времени. Многие продолжают работать даже после 10 лет эксплуатации. Однако, если шов подвергается изгибам или термомеханическим нагрузкам, продолжительность его жизни сильно сокращается.

По моему опыту, при использовании для герметизации эпоксидная смола дает средние результаты. Мне, конечно, доводилось слышать о фабричных гелий-неоновых и даже аргоновых лазерах, зеркала которых приклеены на эпоксидку. Но там, видимо, используется либо какая-то очень редкая и качественная смола либо какая-то очень хитрая технология склейки. На моей же памяти лучшие из
склеенных эпоксидкой конструкции натекали со скоростью несколько торр в сутки. О годах, понятное дело, речи не идет. Шов твердый, хрупкий, свойствами самозалечивания не обладает.

 

• Силиконовый герметик. Идеально подходит для склеивания неорганического стекла. Неплохо клеит алюминий. не держится на "жирных" пластиках (полиэтилен, майлар, ПВХ, и т.д.) С другими материалами результаты непредсказуемы и, как правило, плохи. Так, например, силикон очень бодро облазит с оргстекла, что доводит до головной боли при конструировании азотных лазеров. В последнее время, правда, удалось обнаружить, что адгезия силикона к оргстеклу сильно улучшается, если оргстекло перед склеиванием покрасить "родаминовым" перманентным маркером. Отвечает ли за это сам родамин, входящий в состав чернил, либо какие-то поверхностно-активные вещества, пока не выяснено. Кроме того было найдено, что силикон хорошо держится на отливках из эпоксидной смолы, но насколько такое соединение долговечно, пока неясно. Как и эпоксидная смола, силикон абсолютно не выносит жир. Соединяемые поверхности должны быть тщательно очищены.

Устойчив к воде, вакууму и слабоагрессивным газам. Дольше других известных мне клеев держит спирты и ацетон (хотя тоже в конце концов разваливается). Автомобильные типы силикона устойчивы к маслу и бензину.

Шов, выполненный силиконом, как правило, исключительно устойчив во времени. Может сохранять целостность десятки лет. Проблема лишь в том, что устойчив он сам по себе. Т.е. отдельно от детали. Самопроизвольно силикон не слазит только со стекла. В случаях с остальными материалами продолжительность временного интервала до момента, когда он сделает это, совершенно непредсказуема. Так или иначе, но ни один из моих лазеров, герметизированных силиконом, не сохранил вакуумной плотности более года.

В кратковременной перспективе дает иллюзию идеального материала для герметизации. Емкости, герметизированные силиконом, натекают исключительно мало (легко добиться течей менее 1 торр в сутки), причем, при наличии некоторого навыка, герметизация удается с первой попытки.

Обладает свойством самозалечивания течей. Т.е. имеется например отверстие, в которое подсасывается воздух. А над ним висит эластичная силиконовая "сопля". Естественно, эта сопля присасывается и плотно затыкает течь. Не всегда этот эффект работает в плюс, поскольку стоит лазер встряхнуть, как течи вновь откроются. А отлавливать нечто нестабильное - это всегда двойной... двойная
работа...

В общем, силикон хорош для проектов в стиле "собери - поработай - выкинь". Единственное, что осложняет его использование, так это то, что он до неприличия долго сохнет. Толстые швы с малым доступом воздуха (именно то, что Вы обычно и имеете при герметизации) могут сохнуть несколько недель. И еще потом долго портить атмосферу в лазере своими испарениями.

 

Напоследок, несколько общих рекомендаций:

  • Мест герметизации должно быть как можно меньше.
  • Швы должны быть как можно короче
  • Швы должны иметь простую и, желательно, замкнутую форму.

 

Примеры:

  • Зеркало с торца лазера или смотровое окно на его борту. Общая длина шва невелика, шов имеет форму замкнутого колечка. Герметизация обычно не составляет труда и дает хорошие результаты.
  • Клееная коробка в виде прямоугольного параллелепипеда. Суммарная длина швов велика. В углах коробки сходится по три шва - сложная форма. Да еще и швы незамкнуты - весь контур не удается нанести за один прием, а значит неизбежны разрывы. В итоге и имеем, что коробка является одной из самых сложных для герметизации конструкций с низкой вероятностью успеха. Течи, как правило находятся в углах, там где сходятся швы.
  • Полосковые (малоиндкутивные) вводы азотных лазеров. Шов хотя и длинный, но имеет простую форму, а в некоторых конструкциях его удается еще и выполнить замкнутым. Итог: вводы как правило удаются легкои доставляют в азотных лазерах куда меньше проблем, чем, скажем, торцевые элементы.

 

2. Блок питания.

Cреди англоязычной терминологии, есть один принцип, скрывающийся за аббревиатурой "KISS" - keep it simple, silly, что в буквальном переводе означает "делай все просто, дурашка." В полном соответствии с этим принципом блок питания не содержит ни атмеговского микроконтроллера ни злостных IGBT модулей ни даже водородных тиратронов с ударными обострителями на ферритовых кольцах. Все гораздо, гораздо проще.

 

Все, что потребовалось, это:

  • трансформатор от микроволновки
  • электронный трансформатор для галогенных ламп (да, да, старый добрый Feron на 250 Вт)
  • две катушки зажигания с замкнутым сердечником (Ш-образным)
  • головка от небольшого миллиамперметра
  • куча диодов для сборки сравнительно низковольтного столба (высокое напряжение от катушек здесь выпрямлять не надо, оно используется для ионизации и должно оставться переменным)

Также был использован балластный резистор в цепи питания кюветы по "низкому" напряжению и киловаттные лампочки-галогенки, включенные последовательно с сетевыми шнурами - обычная мера предосторожности при работе с мощными сетевыми устройствами. Можно, конечно заменить на предохранители, но потом замучаетесь их заменять.

 

WARNING!!! Нелишне напомнить, что выходные параметры трансформатора от микроволновки как раз соответствуют параметрам электрического тока, используемого в электрических стульях в США для казни заключенных, с той лишь разницей, что там постоянный ток, а здесь - переменный. Но тому, кто прикоснется к выводам микроволновочного трансформатора, легче от этой разницы не станет.
ПОМНИТЕ! МИКРОВОЛНОВОЧНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР - СМЕРТОНОСЕН!

 

Да, микроволновочный трансформатор смертоносен. Как, впрочем и любой другой источник питания, способный питать мощные лазеры. С другой стороны микроволновочный трансформатор был и остается самым простым и доступным способом получить питание напряжением в единицы киловольт и током в несколько сот миллиампер.

Полная схема включения получилась такой:

                                 катушка
                                 зажигания +-------+
            +-------------------+          |       |
   o--------|         )|        |---o--- |(        |  лазер
  ~ 220 V   |  Feron  )|( 16    |       )|(      =====
            |  250 W  )|( витков|       )|(   +--)   (--+
   o--------|         )|        |---o--- |(   |  =====  |
            +-------------------+          |  |    |    |
                                           +--)----+    |
  микроволновочный                Rb          |         |
  транс-           8 x HER308     6k8         | Cp 4 nf |
  форматор     ---|>|--...--|>|--/\/\/--------+---||----+
   4kV      ||(                                         |
   o------- ||(                                         |
           )||(                                         |
           )||(                                         |
   o------- ||(     0..100 mA                           |
            ||(        /                                |
               ------(mA)-------------------------------+
                     /

Микроволновочный трансформатор имеет на выходе 4 кВ амплитудного напряжения. (Такой попался. Встречаются от 2.8 кВ до 4.3 кВ.) К головке миллиамперметра подобран шунт так чтобы (постоянный) ток полного отклонения составлял 100 мА. Сопротивление шунта оказалось равным 2 ома. Сглаживание выпрямленного тока пока не применяется. Это позволяет снизить среднюю мощность и на первых порах обходиться без водяного охлаждения.

Поначалу не применялись и конденсаторы Cp, включенные параллельно основному разряду в кювете (пиковые конденсаторы, или, сокращенно "пикеры"). Однако позже было выяснено, что их подключение заметно повышает максимально достижимый ток до срыва в дуговой разряд (ток срыва).

Поначалу и катушка зажигания ставилась одна а не две впараллель. Но опыт показал серьезную ионизационную недостаточность и пришлось параллельно первой катушке подключить вторую, чтобы понизить внутреннее сопротивление получающегося из катушек трансформатора и увеличить отдаваемую мощность (но об этом см. в разделе "результаты").

Общий вид блока питания с верхней крышкой и установленной кюветой и без верхней крышки показан на фотографиях ниже.

mot_psu_with_laser1 mot_psu_with_laser2

mot_psu_open

Несколько позже мной было понято, что при тех давлениях, на которые рассчитывался этот лазер и блок питания, порога генерации достигнуть не удается. А для меньших давлений выходное напряжение, даваемое четырехкиловольтным трансформатором от микроволновки сильно избыточно. Надо было ставить на 2.8 кВ, но кто ж знал заранее. После этого схема (а точнее та ее часть, которая содержит микроволновочный трансформатор) стала подключаться не напрямую в сеть, а через ЛАТР, что дало возможность плавно менять напряжение и плавно подходить к срыву разряда в дугу.

 

3. Результаты.

 

30.01.2017

Первая из кювет (которая с фольговыми выводами) инсталлирована на первоначальный вариант блока питания (с одиночной катушкой зажигания и без регулировки напряжения ЛАТРом и без пикеров).

Кювета заполнялась сварочным аргоном при различном давлении и пробовалась на разряд. Получено следующее:

  1. При давлениях аргона свыше 2.8"Hg (дюймов ртутного столба) и при отсутствии внешней ионизации напряжения микроволновочного трансформатора не хватает, чтобы пробить кювету. Ток равен нулю.
  2. При подключении внешнего ионизатора появляется и ток в "низковольтной" цепи. Аккуратно снижая давление и подводя его к порогу самопробоя (2.8"Hg) удается более-менее воспроизводимо достигать токов в 2 деления по показаниям миллиамперметра (10 мА).
  3. С ростом давления ток быстро уменьшается и уже при 3.5"Hg неизмеримо мал.
  4. При снижении давления где-то между 2.5 и 2.7 дюймами ртутного столба ток резко подскакивает (до 25-40 мА) и разряд шнуруется. Впрочем при этих давлениях напряжение питания уже превышает напряжение самопробоя кюветы.
  5. Впараллель к миллиамперметру (сопротивление шунта 2 Ом) подключен осциллограф. По осциллограммам ток через кювету имеет вид колоколообразных импульсов с приплюснутой вершиной. Длительность импульсов по полувысоте 3.5-4.5 мс, следуют с частотой 50 Гц (период 20 мс). Амплитуда импульсов тока 60 мА.
  6. Подключение пиковых конденсаторов Cp (2 мураты, малоиндуктивно покдключеных) само по себе к заметным изменениям не приводит, но дает возможность подбором давления добиваться в 1.5-2 раза большего тока чем без них.
  7. В режиме однородного разряда (средний ток до 10 мА) кювета практически не греется. Т.е. если генерация будет, будет возможна эксплуатация без воды.
  8. Ток поднять особо не удается. Либо то, что есть, либо срыв в дугу. И это в инертном газе, где время жизни электронов должно быть велико и коэффициент умножения ионизации должен быть большим.

 

31.01.2017

Поставлены зеркала. Заднее - отмытое от защитной краски автомобильное зеркало заднего вида. Алюминий на стекле, вогнутое, сфера R=2 m. переднее зеркало покупное лазерное, селенид цинка с диэлектрическим покрытием. Плоское,диаметром 10 мм. Коэффициент отражения 94% (на такое высокое отражение зеркал большего диаметра у меня нет).

Кювета заполнена смесью CO2:N2:He = 2:3:15 (или, что то же самое, 0.4:0.6:3, содержание молекулярных газов - одна треть).

Первое, что было замечено - рухнул ток. Если на аргоне и на аргоне с примесью 10% азота достигался средний(!) ток 10 ма, то здесь максимум, чего удавалось достигнуть без срыва в дугу это 5 ма. (Если форм-фактор тот же, то это 30 мА в пике огибающей.) Надо сказать, что гелий брался из воздушного шарика, изрядно похранившегося в магазине до продажи. А азот, хотя и из баллона, но из старой партии и до использования похранился в буферной емкости - мячике из ПВХ. CO2 - как обычно из кроссмановского баллончика, качество которых падает год от года.

Делались пуски и на смеси CO2:N2 = 2:3. На такой смеси вообще нет рабочей области по давлению. Либо сразу дуга в кювете, либо ток неизмерим (стрелка миллиамперметра едва колышется - менее 1 ма).

Тем не менее лазер был сьюстирован и запущен. Генерацию обнаружить не удалось. Ни в режиме слабого тока (<I>=5 mA) ни в режиме с дугой (<I>=40 mA)

В попытках нарастить мощность ионизации было домотано количество витков в обмотке, питающей катушку зажигания (внутри Feron'а). В итоге напряжением пробило силикон, которым загерметизирована кювета вблизи торцов. Обугленный силикон выскреблен. Сделана попытка усилить изоляцию кюветы эпоксидной смолой.

 

02.02.2017

Напряжение ионизации возвернуто на прежний уровень, а для усиления ионизации поставлено две катушки зажигания впараллель. Заменены провода, соединяющие катушки зажигания с электродами ионизации. Использовались автомобильные высоковольтные (а заодно и проивопомеховые), теперь установлены обычные медные, что должно сократить потери на радиочастотах. Балластный резюк сокращен вдвое (стало 3.4 кОм).

Тестовый прогон на смеси азот:аргон=1:5.

Результат:

1) Свечение в кювете стало ярче. Причем стало ярче не только свечение от ионизации, но и (значительно заметнее) от основного разряда;

2) Средний ток (максимально достигаемый до срыва в дугу) не изменился. Как было 10 мА, так и осталось. В особенности непонятно при этом, чего ради тогда усилилось свечение?

3) Угол кюветы (силиконовая герметизация между электродами и юстировками) опять обуглился. Так что до пробы генерации дело не дошло. Делается попытка не разбирая кювету почистить угол от угля и залить больное место эпоксидкой. Но на самом деле понятно, что ошибка в генах. Надо было оставить куда большие стеклянные закраины от охладителей и электродов до торцевых юстировок. По хорошему - кювету надо переделывать.

4) c ЛАТР'ом кювету успешно удается откачивать до больших разрежений (чем 3 дюйма ртутного столба как было ранее) понижая напряжение. С понижением давления допустимый ток слегка снижается, но гораздо медленнее чем снижается давление. Так на одном дюйме ртутного столба удавалось достигать тока где-то посредине между 10 мА и 5 мА.

 

06.02.17

Кювета с фольговыми выводами так и не заработала. Пробой силикона у торцов оказался фатален. При попытках разогнать кювету до порога генерации, стекло перегрелось и треснуло. Таким образом первая из кювет уничтожена.

fail01a fail01b

Кювета с Т-образными выводами (электроды сделаны непосредственно из тавра) загенерила. На смеси CO2:N2:He = 2:3:15 замешанной еще 31-го числа. Резонатор такой же, как и раньше: заднее зеркало - отмытое от краски автомобильное, алюминий на стекле, сфера R=2 m, переднее ZnSe, ro=94% диаметром 10 мм.

Получена выходная мощность до 6 мВ по самодельному Пельтье-калориметру. Калибровка Пельтьехи перепроверена и осталась равной 6.4 мВт/мВ. Т.е. получено 36-38 мВт. (При скважности порядка 5 и десятимиллиметровом зеркале).

Сделано комбинированное переднее зеркало. В стеклянном вогнутом зеркале (автомобильное, R=2м, алюминий на стекле) просверлено отверстие 10 мм. И это отверстие закрыто цинк-селеновым зеркалом с ro=94%.

hybrid_mirror_a hybrid_mirror_b

С той же смесью и с новым зеркалом максимально зарегистрировано 12.5 мВ (80 мВт) но результат не совсем сравним, поскольку в этом случае допускался более глубокий уход за порог шнурования разряда.
Результаты наблюдений (измерениями это назвать сложно):

  • Оптимум по давлению довольно резкий и составляет 1.1 - 1.2 дюйма ртутного столба. При 1 дюйме и при 1.5 дюймах достигаемая мощность падает примерно вдвое. При 0.5 дюйма и 2-х дюймах генерация не достигается.
  • Порог генерации составляет около 10 мА (средних по миллиамперметру) и мало зависит от давления (в тех пределах, в которых генерация достижима. Порог искрообразования (дугообразования) при оптимальном давлении (1"Hg) находится при тех же 10 мА, т.е. генерация совсем без искр не достигается.
  • Уход выше по току в область дугообразования дает оптимум мощности на среднем токе около 20 мА. Уход еще выше дает только снижение мощности. Стрелка миллиамперметра при этом сильно колеблется (изза случайных пробоев в кювете) и точное считывание показаний становится невозможным. Напряжение на ЛАТРе при этом оказывается выставленным на уровне около 100..110 вольт.
    Максимум мощности достигается, когда дуга "бегающая" (случайным образом вспыхивает в различных местах кюветы). Когда дуга цепляется за одно место на электродах мощность генерации резко падает вплоть до полного срыва.
  • Кювета сильно перегревается. Вода в охладители в этих опытах не заливалась, а без нее за полминуты работы охладители становятся ощутимо теплыми на ощупь (градусов сорок цельсия).

К концу серии опытов что-то пошло не так и перестало удаваться получить режим "бегающей дуги" при подъеме напряжения ЛАТРом. Соответственно и выходная мощность в 12 мВ более не достигается. Дуга зацепилась за определенную точку на электродах, сидит там и не желает сползать. Максимальный достигнутый выход в этом режиме 4.5 мВ (28.8 мВт).

 

07.02.2017

Чтобы дальнейшее было понятно, надо подробнее остановиться на одной особенности используемых кювет. Схематический разрез кюветы в ASCII графике выглядит так:

                  delta
           25 mm  2.5 mm
     |<>|<------<|<>|
     |   ________   |
     |  [________]  |  
   ====================
 ////)              (////  
   ====================
     |  [________]  |
     |              |
     |    30 mm     |
     |<------------>|

Для понятности привожу еще и картинку (существенный недостаток которой в том, что она хранится отдельно от текста и, когда Вы, скачав этот файл для offline просмотра, будете листать его, картинки внезапно может не оказаться под рукой.)

section

Зазор, обозначенный на рисунках как "delta" возник вовсе не случайно. Дело в том, что от его наличия или отсутствия существенно меняется поведение разряда. В импульсных лазерах (не совсем TEA но близко к тому) введение этого зазора позволяет подавлять скользящие разряды вдоль ионизаторов и добиваться работоспособности такой схемы вплоть до давлений в 250 торр на смесях воздух:CO2. Без этого зазора максимальное давление при котором объемный разряд существует по этой схеме на кислородсодержащих смесях равно от силы 40 торр.

Пока была надежда на работоспособность лазера при повышенных давлениях, наличие этого зазора было оправданным. Сейчас же, когда видно, что лазер не достигает порога даже при 50 торр, этот зазор может только вредить, оставляя зону непроионизованного газа, которая может неадекватно пробиваться низким напряжением основного разряда.

Зазоры были закрыты алюминиевой фольгой. (Поверх стекла разумеется.) Поведение системы поменялось. Если раньше максимальное давление, при котором был достижим обьемный разряд было 3 дюйма ртутного столба, а достижимый ток слабо зависел от давления и составлял 10 ма (средних по стрелочному прибору), то теперь достижимый (без срыва в дугу) ток стал зависеть от давления и
составляет (смесь CO2:N2:He = 2:3:15)

P Imax
0.5"Hg 5 mA
1.0"Hg 10 mA
1.4"Hg 15 mA
1.5"Hg 10 mA
1.6"Hg 5 mA

 

Выше 1.6 дюйма ртутного столба обьемный разряд не удалось получить никакими усилиями.

Генерационные тесты (резонатор такой же как в записи от 06.02.17):

Наблюдается очень острый оптимум по давлению. При подходе к максимальному давлению, при котором еще удается получить основной разряд без контракции, мощность генерации быстро растет. При возникновении дуги мощность падает в 2-3 раза, но генерация остается.

Где-то чуть-чуть ниже полутора дюймов ртутного столба (наверное 1.45"Hg - точности вакууметра уже не хватает) удавалось получить до 30 мВ по калориметру (192 мВт). С линзой на выходе (f=75 mm) лазер бодро жжот копирку а также удается зажечь спичку (даже держа ее в не очень твердых руках).

 

09.02.2017

Выходное зеркало заменено на плоское ZnSe ro=85%, диаметр 15 мм. Зеркало поставлено без ухищрений - т.е. без дополнительного, увеличивающего апертуру, алюминиевого зеркала с отверстием.

При 1.45 дюйма ртутного столба лазер с этим зеркалом не достигает порога генерации. Максимальное давление при котором порог достигается: 1.1..1.2"Hg. Максимальная мощность, которую удается получить: 12 мВ = 77 мВт. Оптимальное давление: 0.9..1"Hg.

Интересно, что зависимость мощности от давления стала плавной. Такого резкого максимума как ранее более не наблюдается. Да и сдвинулся он вниз от границы устойчивости разряда.

Заменено заднее зеркало. На плоское от азотника. Тоже алюминий на стекле, только с заметным потемнением от времени. Мощность генерации еще дропнулась. Теперь это 6..8 мВ = 38..51 мВт. Оптимальное давление еще чуть снизилось. И оптимум стал еще более размазанным.

Что означают слова "оптимальное давление еще чуть снизилось"? Фактически первый раз при замене 94%-ного комбинированного зеркала на 85%-ное простое лазер перестал достигать порога в зоне стабильного разряда (15 мА) но еще достигал его в зоне разряда иногда перемежающегося с искрами (20 мА). Снижением давления порог удалось вернуть в зону стабильного разряда но мощность при этом снизилась. При замене и заднего зеркала на плоское порог генерации еще поднялся и его уже не удавалось снижением давления вернуть в зону стабильного разряда (тут надо заметить, что граница стабильного разряда по току несколько снижается с понижением давления, хотя точность миллиамперметра мала, чтобы обозначить это снижение в цифрах). Тем не менее снижением давления порог генерации все еще удавалось поместить хотя бы в зону квазистабильного разряда (<20 мА). Естественно, что мощность падала и далее.

Еще надо заметить, что граница стабильности разряда плавает со временем. Самая низкая она сразу после первого включения лазера. И это около 10 мА. Потом происходит отжиг электродов и граница смещается куда-то ближе к 15 МА, иногда подползая к 20 мА. Если в процессе экспериментов появляется дуга, то на электродах выжигается пятно и граница опять падает к 10 мА и так до нового отжига. (Здесь везде идет речь о среднем токе, регистрируемом по стрелочному прибору.)

Затем что-то меня подмыло снять мураты Cp (включенные впараллель кювете) и проверить без них. Достижимый ток разряда без срыва в дугу сильно упал (до примерно 7 мА) и никаким бандурасом его не удается поднять. Естественно, что порог генерации не достигается.

Т.е. пикеры для работы лазера играют существенную роль, что на мой взгляд обьясняется тем, что совместно с балластным сопротивлением получается релаксационный генератор на 73 кГц и питание кюветы идет переменным током высокой частоты.

Затем впараллель кювете была поставлена сборка из 4 шт конденсаторов К15-4 4700пф х 12 кВ (1/RC = 15 кГц)). Зона стабильного разряда исчезла вовсе. Когда поднимаешь напряжение ЛАТРом сначала нет тока, а потом резко в кювете начинает шить искра, белая, мощная, со слышимым звуком.

Затем сборка из К15-4 была убрана и поставлена одна мурата (2нФ). Зона стабильного разряда вновь появилась. Была даже получена генерация (4..6 мВ), но все было хуже чем с двумя муратами.

Тогда параллельно электродам кюветы поставлены три мураты (1/RC = 49 кГц). Граница зоны стабильного разряда еще сдвинулась вверх по току. Мощность генерации достигла 21 мВ = 134 мВт. (Можно предположить, что если вернуть старые зеркала, то будет 400..500 мВт, только вряд ли это на самом деле так).

Видно, что вопрос об оптимальной величине емкости Cp надо изучать. Кроме того надо бы проверить и как отнесется лазер к конденсаторам разных типов. К одиночному К15-4 например, или к китайским керамическим или к руским майларовым пленочным К75-13.

 

13.02.2017

Результаты с разными зеркалами:

 

На смеси CO2:N2:He = 2:3:15

  • С передним плоским 85% и задним плоским Al и тремя муратами по 2 нФ в качестве пиковых конденсаторов, как уже писалось выше лазер достиг 21 мВ.
  • С передним комбинированным (ZnSe 94% в дырке в сферическом Al зеркале), задним плоским алюминиевым и тремя муратами лазер дал 25 мВ.
  • С передним комбинированным и задним сферическим и двумя муратами лазер выдал 30 мВ.

 

Далее пробовались смеси (в резонаторе с передним комбинированным и задним вогнутым зеркалами)

  • CO2:N2 = 1:2
    • максимальное давление при котором достигнута генерация 0.6"Hg
    • оптимальное давление 0.5"Hg
    • достигаемый ток (по прибору) без срыва в дугу 3 деления (15 мА)
    • пороговый ток (по прибору) - чуть менее 3-х делений (14 мА)
    • максимальная зарегистрированная мощность генерации 6.4 мВ (40 мВт).
  • CO2:N2:Ar = 1:2:6
    • максимальное давление при котором достигнута генерация 1.5"Hg
    • оптимальное давление 1.3"Hg
    • достигаемый ток (по прибору) без срыва в дугу 4 деления (20 мА)
    • пороговый ток (по прибору) - 2.5 деления (12.5 мА)
    • максимальная зарегистрированная мощность генерации 25 мВ (160 мВт)
      в смесь добавлена капелька ксилола - упал ток срыва и мощность генерации (до 3 делений и 16 мВ соответственно).
  • CO2:N2:Ar = 1:3:6
    • максимальное давление при котором достигнута генерация 1.4"Hg
    • оптимальное давление 1.4"Hg
    • достигаемый ток (по прибору) без срыва в дугу 3.5 деления (17.5 мА)
    • пороговый ток (по прибору) - 2.5 деления (12.5 мА)
    • максимальная зарегистрированная мощность генерации 37 мВ (236 мВт).
  • CO2:N2:He = 1:2:6
    • максимальное давление при котором достигнута генерация 1.5"Hg
    • оптимальное давление 1.3"Hg
    • достигаемый ток (по прибору) без срыва в дугу 4 деления (20 мА)
    • пороговый ток (по прибору) - 2 деления (10 мА)
    • максимальная зарегистрированная мощность генерации 25 мВ (160 мВт).

Не очень понятно, почему увеличение отношения азота к углекислому газу в смеси с гелием привело к падению мощности, а в смеси с аргоном - к ее увеличению. То ли это нативное различие смесей, то ли это нечистота эксперимента. Дело в том, что в этот раз гелий был старый - хранился в автомобильной шине с мая прошлого года. (Кстати в воздушных шариках он уже раз пять бы утек и сдох, а в шине судя по всему хоть как то но сохранился.)

 

Были еще пуски (на смеси с аргоном 1:2:6 уже после добавления ксилола) в газостатическом режиме. Генерация, видимо, в первый момент есть, но зарегистрировать ее вследствие инерционности калориметра не удается.

Здесь надо сказать, что все предыдущие пуски, в которых была лазерная генерация, делались в режиме медленной прокачки. Выходной (идущий к вакуумному насосу) шланг слегка пережимается. Кран, стоящий на входном шланге (идущем от шины с газовой смесью к кювете) регулируется так, чтобы давление установилось на нужном уровне (например на полутора дюймах ртутного столба). После чего включается ионизация и питание основного разряда. Прочитав в статьях и других веб-репортах про то насколько быстро откачные CO2- лазеры сжигают смесь я как то даже и не пытался до сих пор пробовать статический режим. А когда было попробовано, то результат был вполне ожидаем. (Да, есть и отпаянные CO2 лазерные трубки, но там принят такой комплекс мер по сохранению газовой смеси, что воспроизводить такое не было ни желания ни возможности.)

 

Жанр web-report'а плох тем, что зачастую чтобы понять, что хотел сказать автор, приходится читать все целиком. Даже то, что Вам кажется неинтересным. Впрочем гайды тоже иногда стоит читать целиком. Бывает, что человек прочел три абзаца, посмотрел картинки, подумал, что ему все ясно - и бегом, делать. Ан нет - не получается. И тут же в мейл трезвонить. А прокрутить пару экранов до того места, где все разьяснено - терпения уже не хватает...

 

Была попытка заставить лазер работать с более открытым выходным зеркалом (надо бы переизмерить его прозрачность. По памяти то ли 50% то ли 75%). Плоское ZnSe диаметром 25 мм. С этим зеркалом лазер порога не достиг.

 

14.02.2017

Включаем бошку.

Итак, максимум мощности, который удалось выжать к этому моменту, это 236 мВт. С учетом того, что резонатор, возможно, плохо собирает свет с тонкого плоского канала (скажем, собирает только половину) и принимая во внимание скважность (отношение периода следования импульсов к их длительности) предположительно равную пяти, получаем, что в полный максимум выходной мощности для этого лазера будет 236 мВт х 5 х 2 = 2.36 Вт.

Про осторожность, которой следует придерживаться, выполняя такие "пересчеты по пропорциональности", я уже говорил. Хотя, может быть, и не очень внятно. Так, например, что касается сбора света резонатором, то комбинации плоскость-плоскость, сфера-плоскость, плоскость-сфера и сфера-сфера уже попробованы. Лучшей оказалась сфера-сфера и существенного продвижения по этой части ждать не приходится. Раве что попытаться вклеить зеркала прямо внутрь волновода. Посмотрим, что у нас с волноводными условиями имеет место сейчас. Волноводный параметр B = pi*w^2/wavelength , где wavelength = 10.6e-6 m - длина волны лазерного излучения; а для плоского волновода w = 0.7*(a/2) = 0.7*1.5e-3 m. Подставив числа получим: B = 0.326 метра. Условие близости зеркал к торцам волновода, имеющеее вид [3] h<B/10, где h - расстояние от поверхности зеркала до торца волновода, заведомо выполняется (сейчас это расстояние менее 2 см.) так что потери на согласование поля должны быть малы уже сейчас и дальнейшее приближение зеркал (или вообще установка их внутрь лазера) ничего не должно давть. Но сдругой стороны вспоминаем карманный лазер на красителе, где это условие выполнялось еще более заведомо, но приближение зеркал к торцам капилляра эффект давло огромный. Так что на самом деле тут все вилами по воде...

Переход от импульсного питания к постоянному тоже, хотя и обещает пятерку в средней мощности, но на самом деле может столкнуться с выгоранием смеси или с уходом юстировки от перегрева и тд и тп. И обещанная пятерка запросто может обернуться тройкой или даже двойкой.

Тем не менее, даже если надеяться на лучшее, ожидаемые два с небольшим ватта как-то не дотягивают до "хотелок" в 8-10 Вт. Стало быть засучив рукава надо начинать искать "куда все деется". К счастью, в отличие от импульсных систем, с их наносекундами, килоамперами, десятками и сотнями киловольт, и совершенно убойным электромагнитным импульсом, этот лазер почти непрерывный, здесь все культурненько, все пристойненько... и сравнительно легко поддается измерениям.

Ток и напряжение на кювете в момент лазерной генерации измерены осциллографом. Использовалась смесь CO2:N2:He = 1:2:6. Измерения проводились при показаниях миллиамперметра в 3 деления. Порог генерации при этом достигался при 2.5..3 делениях.

Вот осциллограмма тока (на самом деле осциллограф непосредственно измерить ток не способен, поэтому это осциллограмма падения напряжения на шунте номиналом 2 Ома, включенном последовательно с лазерной кюветой). Для лучшей видности я сделал изображение монохромным и обвел осциллограмму жирной черной линией. Оригинал осциллограммы можно посмотреть кликнув на изображение.

BW_He_3del_lasing_current_2_Ohm

 

А вот осциллограмма напряжения (осциллограф подключен к кювете через делитель
напряжения 1:1000):

BW_He_3del_lasing_voltage_1_to_1000

 

Напряжение несколько нестабильно, поэтому наложенные друг на друга импульсы показывают такой разброс. Средняя линия также проведена жирной черной линией, а оригинал можно посмотреть кликнув на иображение.

 

Видно, что средний по вершине импульсов ток составляет 50-55 мА. Длительность импульса тока по основанию 6 мс, по вершине 2.5 мс. Соответственно скважность по основанию 3.3, скважность по вершине 10. Поскольку измерения проводились при токе, соответствующем трем делениям показаний миллиамперметра, можно сказать, что одно деление соответствует примерно 17 мА тока на вершине импульса (если, конечно, ширина импульсов меняется мало).

Напряжение имеет сравнительно короткий фронт (2 мс), плоскую вершину (5-7 мс) и длинный плавный спад (10..12 мс), обусловленный остаточным зарядом на пикерах. Высота плоской вершины над уровнем нуля 1.5 - 1.9 кВ.

Интересно сравнить измеренное напряжение с расчетом. По Виттеману [4] напряженность поля самостоятельного разряда в смеси CO2:N2:He = 1:1:3 равна 13 кВ/см при 760 торр. Здесь разряд, конечно, несамостоятельный, но в любом случае его приходится подгонять близко к самостоятельному, так что если взять это же значение ошибка будет невелика.

В пересчете к 1.5"Hg это будет 13 kV/cm * 1.5"/29.9" = 0.65 kV/cm. Полное падение на 30 mm зазора будет 1.95 kV. По сравнению с измеренными 1.7 кВ, с учетом доступных точностей, совпадение, можно сказать, идеальное.

 

Используя полученные данные, попробуем понять, что происходит в лазере (сколько там есть полезной энергии и сколько ее выходит в виде света). Пусть пороговый ток составляет 3 деления (51 мА в пике) а рабочий ток 4 деления (68 мА в пике). Полезной мощностью для лазера является все то, что сверх порога
генерации. Т.е. полезная мощность = 1.7 кВ*(68-51) мА = 29 Вт.

 

С другой стороны, время, которое ток превышает пороговый (уровень 0.77) составляет 2.5-3 мс. По отношению к периоду следования импульсов это одна седьмая - одна восьмая, а значит и измеренные 200 мВт средней мощности генерации отвечают 1400-1600 мВт в каждом импульсе.

 

Отсюда кпд = 1.5 Вт излучаемых / 29 Вт подводимых сверх порога = 5.2%.

 

Итак дифференциальный кпд составляет 5%. Даже больше, чем ожидалось на момент начала проекта. (На самом деле, используя максимальные из полученных результатов, кпд можно натянуть за уши до 8-10%, но мне больше нравятся более стабильные величины.)

Из проведенных выкладок становится понятно и "куда все деется" - под порог. Действительно, если, скажем, увеличить ток вдвое, то полезная мощность станет равна 1.7 кВ*(68*2-51) мА = 144.5 Вт, а излучаемая достигнет 7.2 Вт - почти столько, сколько от этого лазера и ожидалось.

Посмотрим, не перегреется ли лазер при увеличении тока вдвое (до 136 мА). В непрерывном режиме полная (включая и "бесполезную") мощность энерговклада будет равна U*i = 136 * 1.7 kV = 231 W.

При сечении теплоотвода 0.03*0.35 = 0.01 кв.м; толщине газового слоя a=3e-3 m и теплопроводности lambda = 0.147 Вт/(м К) тепловое сопротивление составит Rt = a/(8*S*lambda) = 0.25°K/W откуда перепад емператур deltaT = 231 Вт * 0.25 K/Вт = 58°K.

Чтобы оценить перепад температур в стеклянной стенке кюветы вспомним, что в одну стенку будет стекать только половина выделяющегося тепла т.е. 115 Вт.

Теплопроводность стекла возьмем из пальца и примем равной 1 Вт/(м К); толщина используемого стекла 2 мм. Стало быть перепад температур в стекле:
115 Вт * 2e-3 м/0.01 м^2/1 Вт/(м К) = 23°K.

Итого полный перепад 58 + 23 = 81°K а температура газа 111°C. Вроде бы все в порядке. Для безгелиевых смесей все хуже. Перепад температур в газе будет уже 500 градусов и газ, очевидно, перегреется.

Значит, для того, чтобы лазер выдал желаемое, нужно (продолжать) использовать гелиевую смесь и поднять ток питания вдвое. И всего-то. Но ток поднять не дает нестабильность разряда. на горизонте вновь забрезжила схема Болье с ее стройными рядами резисторов, тускло поблескивающих по бокам кюветы... Есть ли менее инфернальные способы? Авторам-то работы [2] как-то удавалось разгонять свой лазер до подводимого тока в пол-ампера и при этом размеры лазера были почти вдвое меньше.

Возможно плохо влияют импульсы несглаженного питания и на постоянном токе нагрузочные характеристики станут мягче. Но разом увеличить среднюю мощность в восемь раз - слишком велик риск сжечь кювету, а у меня на нее еще остались виды.

Возможно плохо влияет материал электродов. Алюминий легко окисляется (анодируется) что вызывает сильное изменение приэлектродного падения напряжения в разряде, что в свою очередь может провоцировать образование дуги.

Возможно просто недостаточна мощность сторонней ионизации. Самый прямой и непосредственный путь ее наращивания уже уткнулся в электропрочность кюветы. Как еще ее нарастить, не усложняя сильно генератор ионизации, идей пока нет.

 

Пока на стапелях заложена новая кювета. С медными электродами. Посмотрим, что это даст.

new_dubai

 

16.02.2017

Пока скленная силиконом кювета сохнет (а делать она это будет не менее недели) были сделаны еще некоторые измерения. Была измерена чувствительность лазера к разъюстировке и к замене пиковых конденсаторов на конденсаторы аналогичной емкости но другого типа.

 

О разъюстировке

Для простоты описания договоримся о системе координат. Пусть ось Z направлена вдоль канала и вдоль оптической оси лазера. Пусть ось X направлена перпендикулярно оси Z и лежит в плоскости волновода (направлена по сути вдоль разрядного тока по направлению электрод-электрод). И пусть ось Y направлена пенпердикулярно плоскости волновода.

Вот картинка (если только она поможет, а не еще больше запутает):

          ^ Y
          |
  ========|==================
          +--------> X
  ===========================

В принятой системе координат получено, что увод пятна, отраженного от переднего зеркала на экран юстировочного лазера (расстояние 1.5 м), на 1 см по оси Y (неважно вверх или вниз) выводит лазер на порог генерации, понижая достижимую мощность генерации в 10 раз. Уведи юстироваочное пятно чуть дальше - и генерацию получить не удается вообще никак.

По оси X порог соответствует уводу юстировочного пятна на 3 см.

Таким образом требуемая точность юстировки ±10 mrad по оси лежащей в плоскости волновода и ±3 mrad по оси перпендикулярной плоскости волновода. (Походу напоминаю, что отклонение отраженного юстировочного луча равно удвоенному отклонению зеркала.)

Резонатор использовался устойчивый с обоими вогнутыми зеркаламм. Заднее сферической с радиусом кривизны R=2 м, переднее - комбинированное с радиусом кривизны сферической части тоже 2 м.

Юстировка поперек волновода оказалась неожиданно остра, что заставляет думать о необходимости слегка расширить волновод (миллиметров до четырех).

 

О влиянии типа пиковых конденсаторов

К сожалению на практике конденсаторы характеризуются не только емкостью и выдерживаемым напряжением. как минимум есть еще параметры ESR и ESL:

  • ESR - эквивалентное последовательное (активное) сопротивление;
  • ESL - эквивалентная последовательная индуктивность.

Способность конденсатора греться под воздействием протекающего через него переменного или импульсного тока определяется в основном параметром ESR. А вот предельно достижимая скорость разряда (или ток короткого замыкания) определяется уже обоими параметрами ESR и ESL.

Что еще хуже, хотя к рассматриваемому случаю и не относится, зато в полной мере относится к TEA лазерам, так это то, что у конденсаторов с сегнетоэлектрическим диэлектриком (проще говоря у большинства керамических) диэлектрическая проницаемость зависит от приложенной напряженности поля. Это приводит к тому, что накопленный конденсатором электрический заряд q перестает линейно зависеть от прикладываемого напряжения U; т.е. перестает выполняться закон q = C * U (где C - емкость конденсатора); а стало быть и параметров C, ESR и ESL уже перестает хватать для адекватного описания поведения конденсатора. Так например TEA CO2 лазеры прекрасно работают с керамическими конденсаторами К15-4, неплохие результаты дают с керамическими импульсными конденсаторами фирмы Murata и абсолютно отказываются работать с (казалось бы) малоиндуктивными конденсаторами фирмы Максвелл. И это даже когда емкость Максвеллов в два раза ниже емкости батареи керамических конденсаторов. Объемный разряд просто напрочь отсутствует и все.

Так что и из теории и из опыта более чем известно, что с разными конденсаторами, пусть даже и одинаковой емкости, лазер может вести себя по разному. А вот как это будет выглядеть на практике в приложении к мучаемому лазеру и предстояло выяснить.

Пуски делались на смеси CO2:N2:He = 1:2:6 не первой свежести. Резонатор использовался: заднее зеркало вогнутое, переднее - комбинированое.

Начальный (реперный) пуск был сделан когда в качестве пиковых конденсаторов стояли керамические импульсные конденсаторы фирмы Murata 2 нФ х 40 кВ в количестве 3 шт, подключенные широкими алюминиевыми лентами.

Получено:

Пороговый ток (по миллиамперметру) 2.5 дел (42 мА пиковых)
Ток срыва в дугу 4 дел (68 мА пиковых)
Достигнутая выходная мощность 25 мВ (160 мВт средних)

 

Пиковые конденсаторы заменены на керамические высоковольтные конденсаторы в синей пластиковой заливке с проволочными выводами. Номинал 2 нФ 40 кВ. Емкость подтверждается мультиметром, а что до рабочего напряжения, то даже по внешнему виду конденсаторы его заведомо не выдержат (зазор между "ногами" менее 15 мм). Производитель "noname", Китай. Продавец, правда приписывал их проиcхождение фирме Murata, но я не верю, чтобы такая серьезная фирма могла гнать на рынок такую пургу. Так что будем считать их китайской подделкой.

Таких конденсатора впараллель кювете было подключено 3 штуки. Подключение медной проволокой диаметром 1 мм. Субьективно, по ощущениям лазер стал работать хуже. Впрочем измерениями это не подтверждается:

Пороговый ток (по миллиамперметру) более 2.5 и менее 3 дел (48 мА пиковых)
Ток срыва в дугу чуть менее 4 дел (68 мА пиковых)
Достигнутая выходная мощность 20 мВ (130 мВт средних)

 

Результаты надо понимать как: "в пределах погрешностей ничего не изменилось".

 

Наконец в качестве пиковых были поставлены три российских К73-13 по 2 нФ х 10 кВ. Маларо-рулонного типа с проволочными выводами. На этот раз стало хуже и в цифрах:

Пороговый ток (по миллиамперметру) чуть более 3 дел (51 мА пиковых)
Ток срыва в дугу 3.5 дел (60 мА пиковых)
Достигнутая выходная мощность 16 мВ (100 мВт средних)

 

После возврата в исходное состояние (после подключения "хороших" Мурат) лазер
выдал 24 мВ - т.е. выходная мощность вернулась на место.

 

19.02.2017

В эти выходные сделаны две вещи:
Сделана попытка увеличить мощность предыонизации путем более точного согласования высокочастотного генератора (Ферон) с (емкостной нагрузкой) лазерной кюветой. Были испробованы разные количества витков в обмотке, питающей катушку зажигания. Впрочем в диапазоне от 10 витков до 20 витков явного улучшения или ухудшения замечено не было. Ток срыва в дугу и максимальная мощность генерации как то не особо хотят от этого зависеть. В конце концов обмотка возвернута к первоначальному состоянию - к 15 виткам.

В порядке плавного приближения к непрерывному режиму заапгрейжен Ферон. Внутри на его плате имеется диодный мост. Так вот параллельно выходу этого диодного моста был добавлен сглаживающий конденсатор: 1000 мкФ х 450 В. (Все мы знаем, как устроен выпрямитель, так что, думаю, схему рисовать не надо). Ферон не отказался работать в непрерывном режиме. И не сгорел.

feron_a feron_b

feron_c

Сколько проживет будем посмотреть. А вот лазер к такому апгрейду отнесся, похоже, не совсем позитивно. Выходная мощность упала процентов на тридцать, если только это не вызвано другими причинами.

А причин таких - масса. Попадено/непопадено в оптимум по давлению, попадено/непопадено в оптимум по составу смеси, попадено/непопадено в оптимум юстировки. Насколько большой ток удалось получить после очередного отжига электродов и т.д. и т.п. Если каждый промах дает потерю выхода на 30%, то совместное действие трех причин - и на выходе будет уже только треть от максимума. Что кстати и наблюдается на практике: если "через мать" лазер удается разогнать до ~230 мВт, то в основном он предпочитает отсиживаться где-то на уровне 80..100 мВт.

 

24.02.2017

Кювета с медными электродами досохла. Точнее говоря, по хорошему ей бы дать еще недельку, но будем считать, что все готово.

Вот как выглядит лазер с новой кюветой в сборе:

laser_Cu_cuvette_a laser_Cu_cuvette_b

Электроды в кювете сделаны из толстой медной проволоки (диаметром 3 мм). С выпрямлением проволоки, понятное дело, были проблемы. Самый простой способ сделать проволоку прямой - это растянуть ее до разрыва. При этом диаметр проволоки слегка уменьшается, но это приемлемо. Вблизи точки разрыва диаметр уменьшается сильно, но этот участок проволоки можно спокойно вырезать и отправить в брак.

Порвать трехмиллиметровую медную проволоку руками мало кому дано. Кроме того, поскольку процедуре выпрямления подвергался разом десятиметровый кусок, всяческие домкраты и рычаги не канали. Было решено связать проволокой буксировочные крюки двух автомобилей, и одним из автомобилей дернуть. Порвать проволоку оказалось неожиданно трудно даже таким способом. К счастью, в смысле жизни и здоровья никто не пострадал. Все ограничилось только материальным ущербом. Описывать веселье я здесь не буду - отдам на волю Вашего буйного воображения.

Для желающих воспроизвести экспириенс дам лишь один хинт: проволоку желательно зачистить от окислов до выпрямления. Когда проволока уже выпрямлена, ее довольно сложно не погнуть, елозя по ней наждачной бумагой.

Так или иначе проволока была выпрямлена. От прямого участка была отрезана пара кусков подходящей длины, и из этих кусков выгнуты электроды. Далее эти электроды были вклеены между двух стекол на силиконовый герметик. Размеры кюветы были оставлены прежними: ширина разряда 30 мм, толщина волновода 3 мм, длина разрядной зоны 350 мм, длина по стеклянным стенкам 400 мм, длина по юстировкам - 450 мм.

laser_Cu_cuvette_assembling

Кроме отличия в материале электродов, новая кювета отличается еще и тем, что в качестве охладителей-ионизаторов были поставлены не пустотелые прямоугольные алюминиевые трубки, а Ш-образный профиль. Предполагается, что он сможет служить в некотором смысле радиатором воздушного охлаждения. С водой связываться все еще неохота. Если интересно, почему, - вспомните, что было написано выше про микроволновочный трансформатор и электрический стул.

 

Новая кювета гонялась на смесях с аргоном CO2:N2:Ar = 2:3:15 и CO2:N2:Ar = 1:2:3, а также на смеси с гелием, которая по началу имела состав CO2:N2:He = 2:3:15.

Напомню, что в кювете с алюминиевыми электродами удавалось стабильно получать ток разряда в 3 деления по миллиамперметру и временами удавалось доводить ток до 4-х делений по миллиамперметру без срыва в дугу. Причем величина достигаемого тока мало зависела от соотношения азота с углекислым газом и от того, гелий или аргон используются в качестве буферного газа.

На смесях с аргоном медная кювета позволила стабильно получать ток разряда до 5 делений по миллиамперметру без срыва в дугу и временами доводить его до 6 делений. Тем не менее мощность генерации выросла не столь существенно. Порог генерации вырос до 4 делений. Похоже, что средний ток вырос не столько за счет роста амплитуды импульсов тока, сколько за счет роста их ширины. Однако осциллограф еще на эту тему не расчехлялся, так что это только предположение.

На смеси с гелием CO2:N2:He = 2:3:15 ток срыва в дугу на удивление не вырос. Те же 3..3.5 деления, что и в кювете с алюминиевыми электродами. При этом Лазер не достиг порога генерации. Гелий был, конечно же из воздушного шарика. Хотя и свежекупленного.

Исходя из предположения, что в смеси не хватает гелия, смесь была разбавлена гелием примерно вдвое. Т.е. получилось что-то вроде CO2:N2:He = 2:3:35. Тем не менее ток срыва в дугу упорно продолжил равняться трем - трем с половиной делениям по миллиамперметру (при давлении 1.2"Hg). Правда лазер с этой смесью достиг-таки порога генерации, но выходная мощность была душещипательна.

В емкость со смесью была аккуратно (чтобы не напустить воздух) впрыснута капелька ксилола. И вновь ток срыва не изменился. Зато перестал достигаться порог генерации.

Было предположено, что каким-то образом для достижения большего тока может быть необходим аргон. В смесь был добавлен аргон в количестве примерно 25% от объема смеси. Итого стало CO2:N2:He:Ar = 2:3:35:10. Ток срыва вновь порадовал своим постоянством. Да и генерация не появилась.

В конце концов, практически наудачу, в смесь был добавлен азот. Количество азота не отслежено - была восполнена доля смеси, израсходованная при опытах. Где-то от 10% до 20% от объема. Т.е. получилось CO2:N2:He:Ar = 2:8-13:35:10. (или, деля все на два: CO2:N2:He:Ar = 1:4-6:18:5).

После добавления азота смесь внезапно перестала артачиться и ток срыва достиг значений, уже полученных на аргоновых смесях: 5-6 делений по миллиамперметру. Появилась генерация. И мало того, что появилась, так еще и превысила 240 мВт. На этой смеси почти неизвестного состава - едва ли не лучший результат из полученных.

Затруднюсь сказать, какое соотношение CO2:N2 для этого лазера оптимально, но уже видно, что ему нравится, когда много азота. На аргоновой смеси и на этой гелиевой ХБЗ-какого состава было заснято видео с поджиганием спички лазерным лучом:

 

На смеси CO2:N2:Ar = 1:2:3 получено максимум 25 мВ (160 мВт).

На гелиевой ХБЗ-какого состава получено максимум 42 мВ (269 мВт).

 

При работе лазер греется, но тепловой инерции кюветы хватает минут на пять до того момента, как мощность начинает падать от перегрева.

28.02.2017

Применение медных электродов действительно позволило увеличить предельный ток разряда, достигаемый до срыва в дугу. Но только на "хороших" смесях и далеко не в два раза. На абы каких смесях кювета с медными электродами ведет себя практически так же, как и кювета с алюминиевыми электродами.

Что там у нас дальше по списку? Посмотреть, не станет ли характеристика разряда более мягкой при переходе к питанию постоянным током. Напомню, что сейчас лазер питается от однополупериодного выпрямителя без сглаживания, т.е. импульсами, следующими с частотой 50 Гц. Генератор ионизации к работе в постоянном режиме уже подготовлен (см. запись от 19.02.2017). Двигаемся дальше.

Дополнительно к уже имеющемуся были спаяны еще три столба, содержащие по 8 последовательно соединенных диодов HER308 каждый. Из этих столбов собран полный выпрямительный мост. Сглаживание по-прежнему не применяется.

rectifier

Стало быть кювета теперь питается импульсами тока, следующими с частотой 100 Гц. Это надо иметь в виду при соотнесении показаний миллиамперметра с реальными значениями тока. Поскольку механизм миллиамперметра усредняет усилия во времени, то импульсы тока той же амплитуды, но следующие со вдвое большей частотой приведут и ко вдвое большим показаниям. Но это - в теории. А на практике это просто значит, что нужна перекалибровка.

После модификации лазер был собран, сьюстирован и запущен.

На смеси CO2:N2:Ar = 1:2:3 мощность достигала 45 мВ (288 мВт).

На гелиевой смеси неясного состава (см запись от 24.02) достигалось 70 мВ (450 мВт).

Итого на аргоновой смеси мощность выросла в 1.8 раза, а на гелиевой -
в 1.7 раза. По идее и в том и в другом случае должно было бы быть ровно вдвое
больше чем раньше. А получено меньше чем вдвое. Но ИМХО рано бить панику,
поскольку на фоне имеющихся погрешностей и нестабильностей это больше похоже
на "неточную двойку", чем на "завал мощности".

Лазер с такой мощностью может не только зажигать спичку, но и прожигать
бумагу. Даже белую. Парадокс, но для CO2 - лазера прожигание белой бумаги почти
настолько же труднее прожигания черной бумаги, насколько это имеет место для
неодимового лазера. Хотя, казалось бы, на длине волны 10.6 мкм любая бумага
должна выглядеть черной. Вот видео:

Водяное охлаждение все еще не используется, поэтому лазер при работе перегревается менее чем за три минуты. И если хочется успеть что-нибудь пожечь или что-нибудь измерить, приходится шевелить... пальцами... чтоб хватило времени и на плавный подъем тока и на все остальное.

Наконец, выход диодного моста был нагружен сглаживающим конденсатором. Использовался микроволновочный конденсатор емкостью около одной микрофарады. Для того чтобы полностью выгладить питающее напряжение при имеющихся токах нагрузки емкость должна быть заметно больше. Однако переход сразу к непрерыву это четырехкратный прирост тепловыделения - порядка полминуты до перегрева. Чтобы избежать этого емкость была сознательно занижена.

В итоге лазер оказался совершенно неспособен достигать порога на аргоовой смеси при любых давлениях. А на "адской" ("HELLium") смеси едва вышел на порог при наиоптимальнейшем давлении.

Надо бы чуть подробнее рассказать, что происходит.

После подключения сглаживающего конденсатора порог срыва в дугу уменьшился на одно-два деления по шкале миллиамперметра (а для мучаемой системы это довольно много). Если раньше подход к предельному току был плавным - сопровождался постепенным нарастанием нестабильности, то теперь срыв резкий и не в некий промежуточный режим "с искорками", а сразу в мощную, гудящую тяжелую дугу, вызывающую опасения за целостность лазера. Секунда такой дуги - и лазер перегрет. Даже если ее удалось погасить кратковременным отключением, лазерный порог уже не достигается изза слишком высокой температуры. И потом лазеру требуется с полчаса на отдых.

Похоже, что токовые импульсы при питании несглаженным напряжением играли огромную роль в гашении дуги. Действительно, когда дуга старалась вспыхнуть - через пару миллисекунд уже не было нужного напряжения и все гасло. И так сто раз в секунду. Соответственно подход к порогу дугообразования был плавным, поскольку все небольшие срывы гасились, и была возможность в динамике (на короткое время на самой вершине питающего импульса) даже переходить этот порог.

Теперь же, со сглаживающим конденсатором, ток перестал уходить в ноль во впадине между импульсами. Дуга перестала гаснуть, а значит один мелкий одиночный срыв и хана всему до полного резета лазера.

 

06.03.2017

(Я) Сам-то хоть понял, че сказал?

Во введении к этому веб-репорту я назвал вид разряда, которым осуществляется предыонизация в этом типе лазера "барьерным". Почему было не применить старый добрый термин: "безэлектродный разряд емкостного типа"? тем более, что давая определение я погорячился уже в нем самом использовав слово "безэлектродный". На самом деле, в отличие от безэлектродного разряда, барьерный разряд вовсе не обязан быть безэлектродным. Хотя изолирующий слой диэлектрика в нем все равно присутствует. На схеме ниже показаны три вида разрядов, в которых помещенный между электродов диэлектрик препятствет прямому горению разряда - создает на пути разряда "барьер":

     |
     |
//---+---//
///////////


///////////
//---+---//
     |
     |
1) оба электрода изолированы (безэлектродный разряд емкостного типа)
     |
     |
//---+---//
///////////


 ----+----
     |
     |
2) один из электродов изолирован (барьерный разряд)
      |
//    |    //
//  --+--  //
//         //
/////////////
//         //
//  --+--  //
//    |    //
      |
3) ни один из электродов не изолирован путь разряда перекрыт диэлеткриком

 

Барьер может быть создан на обоих электродах (тогда разряд становится безэлектродным), на одном из электродов, и, наконец, вообще вдали от электродов - где-то на пути разряда. Последние два типа разряда отнюдь не являются безэлектродными, однако ток разряда в любом из трех вариантов определяется не током проводимости, а током смещения, возникающим при зарядке распределенной емкости поверхности диэлектрика. (Понятно, что диэлектрик должен быть достаточно прочным. Если его пробьет, разряд потеряет свойства барьерного и станет обычным "электродным" разрядом, основанным на токах проводимости.)

Если внимательно посмотреть на схему включения лабораторного лазера (см. второй рисунок во введении к этому веб-репорту), то выяснится, что между одним из электродов ионизации и одним из электродов основного разряда имеется электрическая связь (через "землю"). Т.е. по отношению к внешней высокочастотной ионизации лазер включен отнюдь не по безэлектродной схеме.

К лазеру "ЛАНТАН" это, правда, не относится. Из схемы, показанной во введении этого не видно, придется процитировать еще один рисунок из книги [1]:

lantan2

Здесь уже четко видно, что в ЛАНТАН'е применена именно "безэлектродная" схема внешней ионизации. (Кстати, если речь идет о несамостоятельном разряде, не очень понятно, почему авторы цитируемых работ упорно используют термин "предионизация"? Ну да, фиг с ним, видать привычка.)

В чем разница? Первое, что заметно - различается мощность ионизации.

ВЧ разряд подключен к высокочастотному (или импульсному) генератору через конденсатор, одной из обкладок которого является электрод-охладитель-ионизатор, второй обкладкой является плазма, а диэлектриком является стеклянная пластина. При размерах обкладки 35 х 3 см, толщине пластинки 2 мм и диэлектрической проницаемости 5 емкость плоского конденсатора будет:

Ci = 8.85e-12[Ф/м]*5*0.35[м]*0.03[м]/0.002[м] = 232 пФ.

В случае "настоящего безэлектродного" разряда лазер подключен к генератору ВЧ или импульсов так:

 _/\_  Ci||     +-----+     || Ci
  o------||-----|LASER|-----||------o
         ||     +-----+     ||

И энергия, вкладываемая в плазму при каждой перезарядке емкостей составляет: Ei = q * Ui , где q - электрический заряд, прошедший через плазму, ui - падение напряжения на плазме.

Электрический заряд, прошедший через плазму при зарядке емкостей до напряжения Uc равен заряду, накапливаемому на обкладках, т.е. q = (Ci/2)*Uc. Взята половина Ci, потому что два конденсатора емкостью Ci включены последовательно.

Напряжение на плазме оценить тоже нетрудно. Измеренное падение напряжения на основных электродах было 1.7 кВ, а по отношению к ионизации длина разряда в 10 раз меньше (3 мм). Т.е. Ui = 170 В. Напряжение заряда Uc возьмем "из пальца" равным 10 кВ. Тогда Ei = (232e-12/2)*1e4*170 = 1.97e-4 Дж. На частоте f=20 кГц мощность ионизации составит 8 Вт (учли что за период перезарядка происходит два раза). И это от двухсотваттного-то генератора! (Ферон'а).

На самом деле вопрос о том, способен ли генератор развить на такой емкости такое напряжение - тот еще вопрос. Оценим требуемую мощность как энергию, неободимую для заряда конденсатора до зарядного напряжения (Ci*Uc^2/2), помноженную на частоту перезарядок (2f):

 

Wi = 2*2e4[Гц]*232e-12[Ф]*(1e4[В])^2/4 = 232 [вт]

 

Откуда сразу ясно, что справится з задачей перезарядки емкостей ионизаторов с частотой 20 кГц даже для двухсотваттного Feron'a как минимум непросто. Тем не менее путем тщательного согласования, если и не достигнуть, то хотя бы приблизиться к напряжению в 10 кВ можно.

Для эффективного использования мощности генератора следовало бы стремиться к равенстству Uc ~ Ui, однако при снижении подводимого напряжения падает ток, а с ним и мощность ионизации. Можно было бы поднимать ток, наращивая частоту, но пришлось бы городить радиочастотный генератор, от чего может сильно пострадать DIY-шность схемы (многие считают, что ВЧ-техника это сложно).

Кроме наращивания чатоты и напряжения для увеличения мощности ионизации можно еще наращивать емкость Ci. ВОт тут то и вылазят различия схемы ЛАНТАН'а и схемы лабораторного лазера. Правда если точно так же, как это было сделано для схемы безэлектродного разряда, разрисовать схему включения лабораторного лазера получится странноватая штука:

                      ||Ci
                   +--||----+
                   |  ||    |
                   |        |
 _/\_  Ci||     +--+--+     |
  o------||-----|LASER|-----+-------o
         ||     +-----+     

Которая, несмотря на странноватость, отличается тем, что лазер включен уже не последовательно с емкостью (Ci/2) а последовательно с емкостью Ci, что вдвое больше. Развивая эту идею дальше можно нарисовать:

_/\_  Ci||    
  o--+---||---+
     |   ||   |
     |        |  +-----+     
     |        +--|LASER|-------------o
     |        |  +-----+
     | Ci||   |
     +---||---+
         ||

Что отвечает подключению цепи ионизации лазера через емкость в 2*Ci - т.е. в четыре раза большую, чем в исходном варианте. И это не только без применения более тонких стенок, но и вообще без переделки кюветы(!) Оба охладителя - ионизатора соединяются вместе проводником (следить за тем, чтобы не было пробоев с этого проводника на другие части схемы) а высоковольтный генератор внешней ионизации (выход катушек зажигания) подключается одним выводом к одному из (любому) электродов ионизации, а вторым выводом к одному из электродов основного разряда.

В итоге вырисовывается вот такая схема включения:

                                       2 катушки зажигания
                                        впараллель +-------+----------+
            +---------------------------+          |       |          |
   o--------|  +---+         )|         |---o--- |(        |  лазер   |
  ~ 220 V   | /_\ ---  Feron )|( 16     |       )|(      =====        |
            | \^/ ---  250 W )|( витков |       )|(   +--)   (--+     |
   o--------|  +---+         )|         |---o--- |(   |  =====  |     |
            +---------------------------+          |  |    |    |     |
                                                   |  |    +----)-----+
                                                   |  |         |
                                                   +--)---------+
  микроволновочный                             Rb     |         |
  транс-            8 x HER308                 3k4    | Cp 4 nf |
  форматор     --+--|>|--...--|>|--+-------+--/\/\/---+---||----+
   4kV      ||(  |                 |       |                    |
   o------- ||(  |                 |       |                    |
           )||(  |  8 x HER308     |       |                    |
           )||(  +--|<|--...--|<|--)---+   |                    |
   o------- ||(                    |   |   |                    |
            ||(                    |   |   |                    |
               |  8 x HER308       |   |   |                    |
               +--|>|--...--|>|----+   |  --- Cf                |
               |                       |  ---                   |
               |  8 x HER308           |   |          /         |
               +--|<|--...--|<|--------+---+-------(ma)---------+
                                                   / 

На схеме помечено, что электронный трансформатор Feron доработан не только путем перемотки вторичной (выходной) обмотки, но и путем подпайки сглаживающего конденсатора на выход его внутреннего диодного моста. Кроме того показано, что сейчас основной разряд питается уже не от однополупериодного выпрямителя, а от полного диодного моста.

Лазер был собран и подключен по такой схеме. Использовалась кювета с медными электродами. Сглаживание пока не использовалось (Cf=0).

На смеси CO2:N2:Ar = 1:2:3 получено 50 мВ (320 мВт)

На свежей смеси CO2:N2:He = 2:5:21 получено 110 мВ (700 мВт)

Большинство мощных синих (450 нм) лазерных указок, позиционируемых на рынке как "одноваттные", излучают на самом деле не более 600 мВт, а похранившись с годик - другой, просаживаются до 0.3-0.5 Вт. Стало быть, описываемый здесь лазер уже превзошел мощные лазерные указки. Хотелось бы верить, что это далеко не предел.

Как видно из схемы, сейчас ВЧ напряжение генератора внешней ионизации подключено между катодом и обоими (соединенными вместе) электродами - охладителями. Пробовалось также подключение между анодом и обоими (опять же соединенными вместе) электродами - охладителями. Более того, поскольку катушки зажигания на самом деле две, то были испытаны еще варианты подключения, когда одна из катушек включена между анодом и одним из охладителей, а другая - между катодом и другим охладителем. Варианты отличались полярностью подключения катушек (для переменного тока "полярность" - понятие, конечно, условное, на самом деле означающее фазировку, синфазно или противофазно включались катушки). В любом из испробованных альтернативных вариантов достигаемый до срыва в дугу ток и выходная лазерная мощность были ниже, чем для показанного на схеме варианта, но выше, чем для варианта с "чисто безэлектродным разрядом." Еще интересно, что если при "безэлектродном" включении разряд практически однороден, то в "барьерном" включении разряд расслоился на стримеры. Поскольку давление низкое стримеры сравнительно крупные - миллиметра по три шириной. Темные зазоры между стримерами - порядка миллиметра. Но, как видно, генерации это не мешает.

 

Наконец на выход выпрямителя, питающего основной разряд, включена сглаживающая емкость. Вначале, из осторожности, подключено Cf = 1 мкф. Затем увеличено до Cf = 4 мкф.

На смеси CO2:N2:Ar = 1:2:3 получено 90 мВ (570 мВт)

На свежей смеси CO2:N2:He = 2:5:21 получено 170 мВ (~1100 мВт)

Порог срыва в дугу по среднему току (по миллиамперметру) достиг 70 мА

Порог генерации 50 мА.

Причем ток срыва в дугу не зависит от типа смеси в пределах +-5 мА. То же самое относится и к току порога генерации.

Интересно, что если раньше, при питании лазера по старой схеме (безэлектродный разряд) срыв в дугу однозначно означал останов - уменьшение питающего напряжения ЛАТРом на 30-50% не приводило к срыву дуги, то теперь, при питании по новой схеме (барьерный разряд) возникающую дугу удается сорвать снижением напряжения на 15-20%. Да и сам подход к срыву в дугу стал более плавным - лазер "предупреждает" об этом кратковременными белыми вспышками в области разряда и колебаниями стрелки миллиамперметра. Кроме того возникающая дуга перестала столь упорно цепляться за одно, выбранное ею, место. Стало возможно получать режим "бегающей искры", которого на этом лазере давно уже не видели.

Такое ощущение, что переменное напряжение внешней ионизации, приложенное к катоду, принудительно "срывает" дугу. Возможно за счет кратковременного прекращения тока или вообще за счет переполюсовки.

Итак, мощность лазера перевалила за один ватт... Все еще на порядок меньше, чем было задумано, но уже кое что.

 

07.03.2017

Поскольку проходная цепи внешней ионизации емкость увеличилась в 4 раза коэффициент трансформации катушек зажигания теперь явно избыточен. В порядке очередной попытки согласования Feron'а c разрядом к его выходу вместо пары катушек зажигания прицеплен строчный трансформатор от телевизора. Марка трансформатора: ТВС110-ПЦ15. Первичная обмотка строчного трансформатора не используется. Вместо нее прямо на ферритовый сердечник, рядом со вторичной обмоткой, намотано 4 витка толстого (сечением 3 кв.мм.) провода в ПВХ изоляции. Намотка в 2 провода (т.е. в сумме 6 квадратов).

feron_tvs

Вторичка на тороидальном трансформаторе внутри Feron'a тоже заменена. На четыре витка. Тоже в два провода того же сечения (6 кв. мм в сумме).

                                        TBC110-ПЦ15
                                                   +-------+----------+
            +---------------------------+          |       |          |
   o--------|  +---+         )|         |---o--- |(        |  лазер   |
  ~ 220 V   | /_\ ---  Feron )|(   4    |   4   )|(      =====        |
            | \^/ ---  250 W )|( виткa  | витка )|(   +--)   (--+     |
   o--------|  +---+         )|         |---o--- |(   |  =====  |     |
            +---------------------------+          |  |    |    |     |
                                                   |  |    +----)-----+
                                                   |  |         |
                                                   +--)---------+
  микроволновочный                             Rb     |         |
  транс-            8 x HER308                 3k4    | Cp 4 nf |
  форматор     --+--|>|--...--|>|--+-------+--/\/\/---+---||----+
   4kV      ||(  |                 |       |                    |
   o------- ||(  |                 |       |                    |
           )||(  |  8 x HER308     |       |                    |
           )||(  +--|<|--...--|<|--)---+   |                    |
   o------- ||(                    |   |   |                    |
            ||(                    |   |   |                    |
               |  8 x HER308       |   |   |                    |
               +--|>|--...--|>|----+   |  --- Cf                |
               |                       |  --- 4uF               |
               |  8 x HER308           |   |          /         |
               +--|<|--...--|<|--------+---+-------(ma)---------+
                                                   / 

Проба получившегося генератора "на искру" на первый взгляд разочаровывает.
Всего 4 мм искры между тонкими медными проволочками (между остриями). Хотя по внимательном рассмотрении можно заметить, что проволочки при этом плавятся. Т.е. напряжение сравнительно низкое, а мощность серьезная.

С таким генератором внешней ионизации:

На смеси CO2:N2:Ar = 1:2:3 лазер выдал 110 мВ (700 мВт)

На свежей смеси CO2:N2:He = 2:5:21 лазер выдал 328 мВ (2100 мВт)

Давление было 1.2 дюйма ртутного столба в обоих случаях. Кювета использовалась с медными электродами, а в выпрямителе цепи основного разряда стояла сглаживающая емкость 4 мкф. (4 шт микроволновочных конденсатора) Плавно поворачивая ручку ЛАТРа легко и гладко удается положить стрелку миллиамперметра на ограничитель (средний ток основного разряда превысил 100 мА). Порог генерации достигается где-то на 60..70 миллиамперах.

Видно, что схема, в своем нынешнем воплощении, достигла предела. Надо уменьшать балластный резистор Rb, надо уменьшать шунт миллиамперметра (с последующей калибровкой, естественно), надо увеличивать сглаживающую емкость Cf.

СТАТУС ПРОЕКТА:
• мощность лазера превысила 2 Вт;
• полный кпд лазера превысил 1%;
• дифференциальный кпд лазера ~3%;

 

09.03.2017

Схема доработана. Теперь балластный резюк состоит из трех резисторов по 6.8 к впараллель (итого 2.26 кОм). Шунт миллиамперметра составлен из двух резисторов по 2 Ома впараллель (итого 1 Ом). Ферон с ТВС'ом убраны в "подвал шасси блока питания" лазера. Сглаживающая емкость не увеличивалсь (ибо попросту нечем).

feron_tvs_full

Почему-то после пересборки оптимальным стало подключение ТВС'а не между катодом и парой охладителей, а между анодом и парой охладителей. В первом случае срыв в дугу наступает уже при токе в 5 делений миллиамперметра а во втором (подключение к аноду) при токе в 7 делений. Что кстати рушит идею о срыве катодных пятен током источника ионизации. Видимо тут дело не в полярности а в паразитных связях.

Вообще паразитные связи в высоковольтных высокочастотных (или импульсных наносекундных) схемах играют огромную роль. Так например еще Alfonso Rodriguez в своем блоге отмечал, что схемы, показанные справа и слева на рисунке ниже, при питании азотного TEA лазера дают совершенно разные результаты.

        ||
   +----||--+-----------+
   |  Cs||  |           |
   |        |  LASER    |
   V        +--)  (--+  )
SG          |        |  ) Lc
   ^       ---       |  )
   |       ---       |  |
   |        |        |  |
   +--------+--------+--+
   |
  ---
   -
    SG
 +--> <----+--------------+   
 |         |              |
 |         |  LASER       |
 |Cs       +---)  (---+   )
---        |          |   ) Lc
---       ---         |   )
 |        --- Cp      |   |
 |         |          |   |
 +---------+----------+---+
 |
---
 -

 

Хотя очевидно, что в электрическом смысле они полностью эквивалентны. Виной всему паразитные емкости на общий (земляной) провод. Если их учесть, схемы сразу начинают различаться.

Другой пример - схема Аркадьева-Маркса. Он же "ГИН", он же "каскадный генератор Маркса". Есть и еще названия. Схема в общем-то простая, и в реальности вполне работоспособная. но если Вы ее забьете в любую из моделирущих программ (тот же Microcap например), компьютер радостно сообщит Вам о неработоспособности схемы. И только долгое и кропотливое подрисовывание (паразитных) емкостей на землю и на другие детали, позволит, наконец, привести электронную модель в чувство.

Так и в нашем случае. Изменилась геометрия расположения и подключения генератора внешней ионизации, изменились паразитные емкости - и уже другой вариант подключения стал оптимальным.

Максимум, что зарегистрировано с новой схемой и компоновкой: 365 мВ (2300 мВт). Это со смесью CO2:N2:He = 2:5:21 и, разумеется, с прокачкой. Давление, при котором достигается максимум мощности, стало ровно 1 дюйм ртутного столба. Это заметно ниже, чем в предыдущих опытах.

На мощности в 2 Вт лазером можно уже не только поджечь спичку, но и перерезать (см короткое видео ниже):

 

 

Вообще, как показывает опыт лазерных указок, при некоторой настырности спичку можно перерезать и одним ваттом. Но, как Вы могли видеть на видео, двумя ваттами это получается без особых затруднений.

На работающем лазере были сняты осциллограммы напряжения и тока.

Напряжение (при токе 6 делений миллиамперметра и давлении 1 дюйм рт.ст.):

voltage_at_1_inch_Hg

 

Напряжение (при токе 6 делений миллиамперметра и давлении 1.2 дюйма рт.ст.):

voltage_at_1_2_inch_Hg

 

В обоих случаях использовался делитель 1:1000 так что один вольт на осциллограмме соответствует одному киловольту на кювете. Падение напряжения на кювете почему-то стало ниже. Если раньше было 1.7 кВ при 1.4 дюймах Hg, что соответствовало 1.2 киловольта на дюйм, то теперь стало почти ровно 1 киловольт на дюйм. Возможное обьяснение: сейчас уровень мощности выше, газ греется и тому же давлению соответствует более низкая плотность молекул. А значит и более низкая электропрочность газа. Кроме того видно, что фильтрующая емкость в цепи основного разряда достаточна - просадки напряжения с частотой 100 Гц нет. Есть некотроые незначительные (наверное) осцилляции, но с частотой переменного тока они не связаны.

Если с напряжением хотя бы в целом все понятно, то с током дела обстоят заметно хуже. Вот, например осциллограмма тока (напряжение на одноомном шунте) при давлении 1 дюйм ртутного столба и показаниях миллиамперметра 6.5 делений:

current_at_1_inch_6_5_divisions

 

Вначале я думал, что это помехи или глюки программы осциллографа, соединяющей линиями точки отсчета (так тоже бывает, если осциллограф цифровой). Однако частота осцилляций (~400 Гц) не позволяет их соотнести ни с одним из мыслимых источников помех. Сеть - 50 Гц, диодный мост - 100 Гц, Feron - десятки килогерц. Предположение о глюках тоже не подтверждается - вид осциллограммы воспроизводим от опыта к опыту, хотя частота и амплитуда немного (<10%) плавают.

С изменением подводимого к кювете тока форма и частота импульсов довольно бодро меняются. Вот ток при показаниях миллиамперметра в 6 делений:

current_at_1_inch_6_0_divisions

 

Вероятно это еще хоть как-то можно соотнести со стогерцовыми пульсациями цепи питания, хотя осциллограммами напряжения это не подтверждается.

Но вот пара осциллограмм тока при показаниях миллиамперметра в 7 делений:

current_at_1_inch_7_0_divisions01

current_at_1_inch_7_0_divisions02

 

Ни частота ни форма импульсов тока от опыта к опыту не воспроизводятся. Более менее сохраняется только среднее значение. Да и то, только потому, что оно и выставляется путем выкручивания ручки ЛАТР'а глядя на миллиамперметр.

Единственное, что можно сказать, так это то, что 7 делений миллиамперметра соответствует примерно 140 мА среднего тока через трубку и под 300 мА пикового тока. 7 делений в этих опытах - как раз на пороге срыва в дугу. Порог лазерной генерации - 4.5..5 делений.

 

Интерлюдия 2. Радиотехническая.

28.03.2017

Видно, что лазеру не хватает внешней ионизации. Если вкладываемую в газ мощность от внешнего источника ионизации поднять раз эдак в пять, лазер выдаст все, что от него хотят и вероятно еще и с хорошим запасом. Однако генератор внешней ионизации на базе ферона с катушкой зажигания или строчным трансформатором себя уже почти исчерпал. Нет, на самом деле и на этом поприще есть еще кой-какие резервы. Можно например электроды-охладители сделать разрезными - сегментированными, и нагрузить на кювету аж два ферона со строчниками. Однако это решение мало того, что некрасивое, так еще и быстро упрется в затык когда напряжение на электродах ионизации зашкалит за 30 кВ и начнет невыдерживать изоляция.

По хорошему, надо бы повышать частоту внешнего источника как минимум до нескольких мегагерц и включать кювету в колебательный контур, чтоб не заставлять генератор зазря генерировать сотни ватт реактивной мощности.

Поиски радиочастотных транзисторов подешевле и помощнее заставили меня не полагаться на собственные силы в ВЧ схемотехнике а выползти на просторы интернет-серфинга. После долгих сомнений, стоит ли включать находки и опыты по их тестированию в этот веб-репорт, все-же выкладываю. Думаю, что лазерным самодельщикам это должно быть интересно, хотя, как это уже сейчас стало понятно, в приложении к мучаемому лазеру вряд ли из этого получится что нибудь полезное.

 

ВНЕЗАПНО: МНОГИЕ ИЗ "ПИТАЛЬНО - ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ" ТРАНЗИСТОРОВ УСПЕШНО РАБОТАЮТ НА ЧАСТОТАХ В ДЕСЯТКИ МЕГАГЕРЦ! А поскольку для целей внешней ионизации (да и для накачки на самом деле тоже) десяти мегагерц более чем хватает, нет никакой необходимости покупать дорогущие транзисторы в виде золоченых болтиков и шайб. Можно спокойно обойтись силовыми полевиками, которые на раз покупаются на радиорынке или даже выдергиваются из попавшихся под руку плат от разгромленных неисправных блоков питания. Глядя на то, что творят люди в интернете, создается впечатление, что на частотах ~10 MHz и выше работает все, что попало: с этим справляются не только "легкие на подъем" irf510 и irf840, но и "тяжеловесы" навроде IRFP460. И даже "тормоза" навроде IRF3205 с его огромным временем задержки срабатывания тоже удается использовать.

 

2.1 Качер.

Первое, на что напарываешься при поиске того, как люди используют такие транзисторы для получения высокочастотных высоких напряжений, это так называемый "качер". В принципе у этого термина имеется автор, схема и принцип работы. Однако социум - штука своенравная. То что называется "качером" в сообществе имеет мало общего и с изобретателем термина и с авторским принципом работы. Название "качер" применяется к целому классу схем, который, по моему мнению, можно опредилить так:

КАЧЕР - ЭТО РЕЗОНАНСНЫЙ АВТОГЕНЕРАТОР С ТОКОВОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ ПО ЦЕПИ ЗАЗЕМЛЕНИЯ РАСКАЧИВАЕМОГО КОНТУРА.

В простейшем случае представляет собой однокаскадную схему об одном транзисторе. Более сложные схемы могут содержать многокаскадные усилители и цепи коррекции фазы.

Схема простого качера на полевом транзисторе приведена ниже:

                     V
           вторичка  |
           длиной    )
           250мм     )  -----------------+
           виток к   ) (                 |
           витку     ) ( 5 витков        |
           проводом  )  --------------+  |
             0.18 мм |                |  |
       R1 1k         |       R2 5.1k  |  |
   +---/\/\/---------+-------/\/\/----+  |
   |                 |                |  |
   |  20V   / 20V    |                |  |
   +---|>|--|<|------+                |  |
   |     /           |                |  |
   |                 |  VT1 IRF840    |  |
   |                 ---              |  |
   |                -------           |  |
   |                |  ^  |           |  |
   |   R3 3 Ом      |  |  |           |  |
   +---/\/\/---+----+--+  +-----------)--+
   |           |                      |
   |  c1 10нф  |                      |
   +----||-----+                      |
   |           |                      |
   |  C2 10мкф |                      |
   |    ||     |                      |
   +----||-----+                      |
   |    ||+                           |
   |                                  |
   |           Cf1 2 x 470нФ          |
   +----------------||----------------+
   |                                  |
   |                || Cf2 10мкф      |
   +----------------||----------------+
   |                || +              |
   |                                  |
   |                                  | защитная лампа
   |                                 (X) 
   |                                  |
   O GND                              O +20 V и более

 

Цепь автоматического смещения R3C1C2 дает отрицательную обратную связь по постоянному току и помогает избавиться от ставших уже классикой переменных резисторов в цепях смещения затвора. Кроме того, когда качер раскачивается (тьфу тавтология) падение напряжения на резисторе R1 позволяет (иногда) добиться условий, когда исток находится под более положительным потенциалом, чем затвор, т.е. увести транзистор в класс "С", чем повысить кпд и снизить разогрев транзистора.

Изюминка схемы в том, что она "по определению" может раскачиваться только на резонансной частоте контура, образованного индуктивностью вторички, пазазитной емкостью со вторички на общий провод (на землю) и емкостью затвор-исток транзистора (в случае использования биполярников переход база-эмиттер
можно считать "закороткой" на землю, тем более, если он защищен диодом от чрезмерного обратного смещения). Действительно, показав в явном виде емкости затвор-исток и вторичка-земля и перерисовав цепь управления как на фигуре ниже

                       +-----+
                       |     |
                       )     |
 ...-+--|              )     |
        |              )     |
     +->|L--...----+---      | C "вторичка-земля"
     +--|    C     |        ---
     |    "затвор ---       ---
     |     исток" ---        |
     |             |         |
     +------...----+---------+

 

можно заметить, что управление транзистором осуществляется классическим "емкостным трансформаторм Коллинза", используемым обычно в выходных каскадах передатчиков для согласования антенн. Для функционирования емкостного трансформатора необходимо, чтобы получившийся контур был настроен в резонанс с частотой проходящего тока. При этом он осуществляет преобразование от малых токов и больших напряжений на малой емкости "земля-вторичка" к большим токам и малым напряжениям на большой емкости "затвор-исток".

Принцип работы качера на биполярном транзисторе в целом точно такой же, за тем лишь исключением, что база-эмиттерный переход транзистора и встречный ему защитный диод образуют скорее закоротку, чем емкость и для обьяснения того каким именно образом большое напряжение и малый ток через паразитную емкость "вторичка-земля" преобразуется в малое напряжение и большой ток управления базой приходится аппелировать к понятиям "стоячая волна", "пучность напряжения" на конце вторички и "пучность тока" в ее начале, заметив попутно, что отражение "в поверхности земли" дополняет четвертьволновый (полу) контур образованный вторичкой и паразитной емкостью до полуволнового (полного) контура.

Схема проста как анекдот и, если у Вас есть хоть капля (радиотехнического) чувства юмора, то вполне понятно, что зачешутся руки ее собрать. Даже несмотря на то, что в практическом смысле пользы от нее почти ноль - частота низкая (несколько сот килогерц), кпд низкий, нагрузочная способность - никакая (чуть что генерация срывается).

При повторении схемы крайне не рекомендую избавляться от цепи автоматического смещения в истоке (R3,C1,C2). Без нее MOSFET'ы начинают вести себя как спички. Биполярные транзисторы поустойчивей. Но и им эта волшебная RC-цепочка не помешает. Если схема не работает с первого раза - надо поменять местами выводы первичной обмотки (той, что стоит в стоке или коллекторе транзистора). Странно, что по теории вероятностей свежесобранная схема такого рода должна работать сразу с вероятностью одна вторая. И тем не менее сколько бы мной не собиралось качеров, блокингов и иже с ними - всегда приходится менять местами выводы катушки связи. Даже, когда с учетом этого знания они поменяны местами заранее. Вот фото "фитончика" - плазменного кустика, полученного с однотранзисторного качера при напряжении питания 30В и токе 1 Ампер.

kacher fitonka

 

2.2. Классика.

Сравнивались три схемы. (Защитные стабилитроны, ограничивающие напряжение на затворах транзисторов для простоты не показаны.)

 

А) Осциллятор Мейсснера с выделенным контуром (резонансный автоколебатель с индуктивной связью в виде отдельной катушки связи). Идея в том, что катушки связи L2 и L3 могут иметь небольшое количество витков, в то время как катушка основного контура L1 может иметь большое количество витков, что дает высокую добротность и раскачку до больших напряжений.

   +----------------+------------------+--------o +12..24 V
   |                |                  |
   |      +-------  ) L3               |
   |   C1 |    L1 ) )  ---------+      |
   |     ---      ) ) (         |      |
   |     ---      ) ) ( L2      |      | 
   |      |       ) ) (         |      /
   |      +-------  |  -----+   |      \ R2
   |                |       |   |      / 2k2
   |        VT1     |       |   |      \
   |        IRF510  +--|    |   |      /
  ---        ...       |    |   |      |
  --- C5    IRF840  +->|L---+   |      |
   | 100n           +--|        |      |
   |                |           +------+
   |     +-----+----+           |      |
   |     |     |    |       C4  |      |
   |     |     |    /      10n ---     /
   |  C2 |+  C3|10n \ R1       ---     \ R3
   |    ---   ---   / 3.0       |      / 1k
   |    ---   ---   \           |      \
   |     |     |    /           |      /
   |     |     |    |           |      |
   +-----+-----+----+-----------+------+-------o GND

 

Б) Емкостная трехточка (осциллятор Колпитса - резонансный автогенератор с обратной связью через емкостной делитель C1a C1b, включенный в состав главного колебательного контура). Здесь в основном колебательном контуре опять емкостной трансформатор Коллинза. Если емкости C1a и C1b велики, а С1c - мала, то можно достичь высоких напряжений раскачки контура.

   +-----------------------+-----------+--------o +12..24 V
   |                       |           |
   |                   +---+---+       |
   |                C1a|       |       |
   |                  ---      |       |
   |                  ---      )       | 
   |                   |    L1 )       |
   |      +------------+       )       |
   |      |         C1b|       )       |
   |      |           ---      )       |
   |      |           ---      |       |
   |      |            |       |       /
   |      |         +--+       |       \ R2
   |      |         |  | C1c   |       / 2k2
   |      |         | ---      |       \
   |      |         | ---      |       /
   |      |         |  |       |       |
   |      |         |  +-------+       |
   |      | VT1     |                  |
   |      | IRF510  +--|               |
  ---     |  ...       |               |
  --- C5  | IRF840  +->|L-------+      |
   | 100n |         +--|        |      |
   |      |         |           +------+
   |      +---------+           |      |
   |                |       C4  |      |
   |                /      10n ---     /
   |     +-----+    \ R1       ---     \ R3
   |     |     |    / 3.0       |      / 1k
   |   L2)     |    \           |      \
   |     )     |    /           |      /
   |     )     |    |           |      |
   |     |     +----+           |      |
   |     |                      |      |
   +-----+----------------------+------+-------o GND

 

В) Индуктивная трехточка (схема Хартли - резонансный автогенератор с обратной связью от отвода в контурной катушке индуктивности)

   +---------------------+----------------------+--------o +12..24 V
   |                     |                      |
   |                     |                      /
   |                     |                      \ R2
   |                     |                      / 2k2
   |            VT1      |                      \
   |            IRF510   +--|                   /
  ---             ...       |                   |
  --- C5        IRFP460  +->|L---+--------------+
   | 100n                +--|    |              |
   |                     |       |              |
   |          +-----+----+       |  C4          |
   |          |     |    | R1   --- 10n         |
   |          |     |    / 3.0  ---             /
   |       C2 |+  C3|10n \       |              \ R3
   |         ---   ---   /    +--+---+          / 1k
   |         ---   ---   \    |      |          \
   |          |     |    /    |      |          /
   |          |     |    |    |C6    )  ---+    |
   |          +-----+----+   ---   L2) ( L1|    |
   |                     |   ---     ) (  ---   |
   |                     |    |      ) (  ---   |
   |                     +----)------+ (   |C1  |
   |                          |      )  ---+    |
   |                          |      )     |    |
   +--------------------------+------+-----+----+--------o GND

 

По выходной мощности, по разнообразию транзисторов, согласившихся работать на высокой частоте и по легкости запуска безусловным лидером с большим отрывом стала схема Хартли. Результат, впрочем, ожидаемый - на ВЧ биполярниках все было точно также: хочешь мощи с одного транзистора - ваяй индуктивную трехточку.

В лузерах - трехточка емкостная. Тяжелые и тормозные MOSFET'ы в этой схеме не особо соглашаются генерить на высоких частотах. Транзисторы с легким затвором навроде irf510 - irf840 работают нормально, но мощность не впечатляет. Схему губит "перекос" контура при попытках увеличить напряжение раскачки и частоту путем снижения C1c при больших С1а и С1b.

Схема Мейснера дала промежуточные результаты. По идее она не должна уступать индуктивной трехточке. Но на практике, при попытках подобрать оптимальное положение и количество витков в обмотках L2 L3 схема проявляет сильную тенденцию к переключению мод. Мода, колебаний, для которой частотнозадающим элементом является контур L1C1 часто оказывается менее устойчивой, чем моды, где в качестве контура работает L2 и емкость исток-затвор транзистора, либо L3 с емкостью сток-затвор.

Почему хочется иметь внешний контур? Дело в том, что было бы проще подключить параллельно лазерной кювете абы-какую катушку, связать получившийся контур с генератором и вкачивать мощность, чем согласовывать частоты контуров генератора (хорошо если он один) и контура запитки лазерной системы и добиваться того, чтобы "вся эта гармошка заиграла".

Индуктивная трехточка (в том виде, как она показана здесь) имеет как минимум три моды:

  • когда частота определяется контуром L1C1
  • когда частота определяется контуром L2C6
  • когда частота частью витков катушки L2 и внутренними емкостями транзистора.

Как это ни удивительно, но мода, для которой частотнозадающим является внешний контур оказывается довольно устойчивой. В особенности если добротность внешнего контура велика, а частоты внутреннего и внешнего контуров либо близки, либо их отношения близки к кратным.

На фото и видео ниже - пример генерации индуктивной трехточки "на внешней моде". Частота 1.6 МГц. Собственная частота генератора без внешней "колонки" 3.65 МГц. Видео снято при напряжении питания ~50В и токе потребления 1.5 Ампера.

popaziller

Встроенный микрофон фотоаппарата режет низы и впечатление от просмотра видео передает лишь малую долю того, что Вы ощущаете наблюдая это своими глазами. На самом деле этот "пушистик" выглядит и рычит довольно пугающе. Обратите внимание на кончик иглы, остывающий от ярко белого свечения после выключения генератора.

Да и на брызги расплавленного металла (в виде оранжевых искр) при его работе.

 

2.3. ZVS-двухтактник.

           R1             +---+----+
         50..100 Ohm      |   |    |
      +---/\/\/--------+  |   |    ) L1 2x0.5microHenry
+24V  |                |  |   |C1  ) 
 <----+    R2          |  |  ---   +----+
      |  50..100 Ohm   |  |  ---   )    |
      +---/\/\/---+    |  |   |    )    |
 <-+              |    |  |   |    |    ) L2 >100 microHenry
GND|    +---------)----)--+   +----+    )
  ---   |         |    |           |    )
   -    +---|<|---+    +----|>|----+    )
        |  D1      \  /    D2      |    |  +20..100V
        |  HER506   \/    HER506   |    +---->
        |           /\             |
        |    U1    /  \      U2    |    +---->
 U1,2   +--|      /    \        |--+    | GND
IRF540     |     /      \       |      ---
...     +--||   /        \     ||--+    -
IRFP460 +--|+--+          +----+|--+
        |      |          |        |
        |      \ R3   R4  \        |
        |      / 10k  10k /        |
        |      \          \        |
        |      |          |        |
        +------+----------+--------+
               | GND
              ---
               _

Cхема интересна тем, что это как бы не совсем автогенератор. А в качестве драйвера затворов работает внешний источник питания на 24 вольта. Через резисторы R1 R2 этот источник заряжает затворы транзисторов. Разряжаются же они сами через диоды и весьма малое сопротивление сток-исток открытого
транзистора в противоположном плече схемы.

До тех пор пока живы диоды и вспомогательный источник питания, напряжение на затворах транзисторов не превысит заданного (24В), а стало быть можно не заморачиваться поиском дефицитных защитных стабилитронов.

Основную часть схемы (цепи стоков) можно питать напряжением и током побольше. Впрочем тут есть ньюанс: колебательный контур L1C1 имеет свойство неплохо раскачиваться на резонансной частоте и амплитудное напряжение на стоках достигает удвоенного а то и утроенного напряжения питания. Поэтому если Вы используете транзистор с максимально допустимым напряжением сток-исток, скажем,
400 В, то не стоит питать схему напряжением выше 130 В. Если же используются низковольтные irF540 или irf3205, то ограничение по питанию становится еще ниже - порядка 30 вольт. Под нагрузкой напряжение раскачки контура снижается. (Энергию со схемы удобно снимать индуктивной связью - намотав поверх L1 катушку связи в 1..2 витка и подключая к этим виткам нагрузку. Например лампочку ватт на сто.) Используя сравнительно высоковольтные транзисторы (irf840, irfp460), аккуратно подбирая нагрузку и вводя в цепь питания небольшой балластный резистор (ом на десять) можно добиться того, что схема будет работоспособна при питании непосредственно от розетки с выпрямителем, что позволяет сэкономить на мощном трансформаторе или блоке питания, который совершенно необходим, если схема питается пониженным напряжением.

Схема устойчива к срыву генерации. Можно заметить, что если заменить колебательный контур в стоках на резистивную нагрузку, то схема превращается в обычный триггер Шмидта, который, как известно имеет два устойчивых состояния. В любом из них один из транзисторов полностью открыт и мощности не потребляет (падение напряжения на нем близко к нулю) а второй транзистор полностью закрыт и тоже мощности не потребляет (ток через него близок к нулю), так что перегрев при срыве генерации транзисторам не страшен. Перенапряжению тоже взяться неоткуда. Единственное чему может непоздоровиться - это блоку питания. Тут предполагается, что допустимый ток стока транзисторов (много десятков а то и сотни ампер) сильно превышает возможности блока питания (единицы ампер - единицы десятков ампер).

Колебательный контур L1C1 ушатывает триггер и превращает его в автогенератор. Схема работоспособна при любых частотах ушатывающего контура, при которых затворы транзисторов успевают заряжаться через резисторы R1 R2. IRFP460 у меня генерили на 480 кГц, IRF540 на 1 МГц. При опытах зарядным устройством затворов работал небольшой импульсный преобразователь (еще один небольшой Ферон на 60 Вт с диодным мостом и сглаживающим конденсатором на выходе). Забавно, что при подключении зарядника затворов схема генерит колебания на частоте контура L1C1 даже без подключения основного питания. Даже выдает заметную мощность - пару ватт, однако не для этого она делалась. При подключении основного питания мощность на выходе резко возрастает. Схема может работать и при питании напрямую, без дросселя L2. Дроссель лишь несколько урезонивает ее аппетиты.

Самым интересным свойством схемы является то, что транзисторы практически не греются. При любых испробованных уровнях выходной мощности. Ключевой режим позволяет им перекидывать через себя десятки вольт и ампер без заметного выделения тепла. Создается стойкое впечатление, что схему можно раскачать до совершенно невзъ разумительных мощностей и высоких частот...

Однако это впечатление ложное. То, что транзисторы не греются и не перегружаются по току и напряжению еще не значит, что не перегружены и другие детали. На резисторах R1 R2, например, можно кипятить чай. Но и это не самое плохое. Чайный кипятильник - это, в конце концов, тоже разновидность резистора. Самое неприятное, что трещат и дымятся диоды D1 и D2. А при перегреве эти диоды имеют свойство увеличивать обратный ток, пропускать напряжение с раскачавшегося контура на затворы и вышибать их. Обидно то, что сами-то диоды при этом (после охлаждения) оказываются живыми. А вот MOSFETы - нет.

Из того что было под рукой лучшие результаты показали диоды серии HER (HER506 и т.д.). Даже когда пластик их корпусов обугливается а выводы покрываются цветами побежалости, они продолжают нести свою нелегкую службу. А вот могучие 10A10-ые угробили мне гору MOSFETов. Сами при этом в порядке издевательства оставшись живыми. Шоттковские диоды из комповых блоков питания во-первых имеют низкое обратное пробивное напряжение (30-40 Вольт), что заставляет ограничиваться низким напряжением питания. Но даже при низких напряжениях они греются как собаки (hot-dogs).

В итоге ZVS двухтактник показал себя зверской но низкочастотной схемой. Причем частота ограничивается в основном диодами. Когда затвор полегче (2 нФ, IRF540) пределом является 1 МГц. С более тяжелыми затворами (4нФ, IRFP460) получается только 0.5 МГц. Но это на короткое время. Продолжительная же работа видимо возможна лишь на частотах в 2-3 раза ниже.

 

2.4. "Обычный" двухтактник.

           || C4 47нф
    +------||---+
    |      ||   |        Q1 IRF510, IRF540N, IRFML8244, и т. д.
    |           |
    +----/\/\/--+---+ +  +-----------------------------+------+
    |   R1 3 Oм     | V  |       C2 1 нф               |      |
    |              --------         ||                 |      |
    |                --         +---||----+            | L1   |
    |   R3 1k        |          |   ||    |            |      |
    +----/\/\/-------+          |         |       2 вит )     |
    |                \          |         |             )     |
    |                 \       --+--/\/\/--+-------------+     |
    |                  \     /                    2 вит )     | C1
    |                   \   /    R6 3k3                 )    ---
    |                    \ /                       +----+    ---
    |                     \      R4 3k3            | 2  )     |
    |                    / \                       |вит )     |
    |                   /   \---+--/\/\/--+--------)----+     |
    |   R5 1k          /        |         |        | 2  )     |
    |                 /         |   ||    |        |вит )     |
    +----/\/\/-------+          +---||----+        |   |      |
    |                |              ||             |   |      |
    |                --          C3 1 нф           |   |      |
    |              --------                        |   |      |
    |   R2 3 Oм     | ^  |  Q2 IRF510, IRF540N...  |   |      |
    +----/\/\/--+---+ +  +-------------------------)---+------+
    |           |                                  |
    |      ||   |                                  |
    +------||---+                                  |
    |      || C5 47нф                              |
    |                     ||  C6 47нф              |
    +---------------------||-----------------------+
    |                     ||                       |
    o                                              o
   общ                                           +12..24V

Выглядит почти как ZVS. Однако на месте диодов стоят конденсаторы обратной связи C2 C3. Да и затворы "развешены промежду землей и небом" резисторами смещения R3/R4 и R5/R6. Как обычно в резонансных схемах контур имеет обыкновение раскачиваться до двух-трех напряжений питания, поэтому конденсаторы обратной связи затворов имеет смысл цеплять не на стоки транзисторов противоположного плеча а к отводам контурной катушки. Бонусом идет меньшее влияние емкости затворов на частоту контура. В итоге L1 получается состоящей из четырех секций. (В моем случае каждая секция содержала по два витка провода диаметром 1 мм. Все это хозяйство намотано на диаметре 11 мм - на палке глюгана. Глюганина потом из катушки вытащена. С конденсатором C1 на 1 нф и транзисторами irf510 это генерило на 11..13 МГц. Где-то в этих краях, говорят, имеет место диапазон технологических ВЧ устройств. Уменьшением C1 и L1 частоту удавалось дотащить где-то до 22 МГц, после чего генератор переходил в режим блокинг-генератора, ему становилось начхать на частоту контура, а его собственная частота устаканивалась где-то в районге 7.5 МГц.)

В отличие от ZVS тут транзисторы греются. При подборе смещения на затворах наименьшим, при котором генератор еще запускается, КПД получается 60..70%. Тем не менее даже на субтильных 510-х генератор в полный накал засвечивает лампочку 12 вольт 20 Вт выходным ВЧ током. Нагрев транзисторов - приемлемый.

Вывод: схема работает на нужных частотах, но для ионизации лазера 20 Вт это как-то мало. Собрать бы такой генератор на IRF540N или IRFP460A. Но их с нужными буквочками нет в наличии, а простые 540-е и 460-е нужных частот не держат. Максимум 3-3.5 МГц. Заказ по интернету это долго. А в местных магазинах мало того что нужную букву днем с огнем не сыщешь, так еще и цены... За штуку MOSFETы в них стоят столько, сколько они же на Али за десяток... А по хорошему к MOSFET'ам нужны бы еще супрессоры (1.5KE12...1.5KE350) и тд и тп...

Сказанное наводит на мысль о недостаточной DIY-шности данного подхода. Видать правы те, кто считает, что ВЧ-техника это не так уж и просто... Сам-то я, конечно продолжу эти изыскания... когда придут заказанные транзисторы... и, как-нибудь расскажу о том, что получилось. Однако тем, у кого нет злостного опыта в ВЧ технике, всерьез рассматривать такой вариант внешнего ионизатора для лазера не рекомендую. А что до тех, у кого этот самый злостный опыт есть - ИМХО проще взять рацию, двухсотваттный антенный усилитель, сварганить простенький согласующий трансформатор... нажать тангенту и вдуть мощу в кювету не заморачиваясь особо со сборкой отдельного девайса.

 


  1. Лазерная техника и технология. В 7-ми кн. КН. 2. Инженерные основы создания
    технологических лазеров: Учеб. пособие для вузов/В.С. Голубев, Ф.В. Лебедев;
    Под ред. А.Г. Григорьянца. - М.: Высш. шк., 1988 - 176 с.: ил.
  2. А.А. Кузнецов, М.З. Новгородов, В.Н. Очкин и др. Компактный щелевой
    СО2-лазер с возбуждением несамоcтоятельным разрядом постоянного тока,
    поддерживаемым короткими импульсами. Препринт ФИАН им. П.Н. Лебедева,
    Москва, 1997.
  3. В.Н. Очкин. Волноводные газовые лазеры. - М. Знание, 1988 (Новое в жизни,
    науке, технике. Сер. "Физика" №1).
  4. В. Виттеман. CO2-лазер. Пер.с.англ. - М.: Мир, 1990. ISBN 5-030001351-2.

 

<< ГЛАВНАЯ СТРАНИЦА