. : 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])

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

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]):

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).

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.

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.

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.

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.

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%.

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.)

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)

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.

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

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.

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:

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:

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:

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.

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:

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.

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.

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":

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


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

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


 ----+----
     |
     |

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

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]:

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).

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).

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.):

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

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:

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:

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:

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.

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.

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.

<продолжение от 04.11.2017>

Детали с ходят долго. Да и заказать именно то, что нужно, с первого раза, как минимум трудно. Это ж надо все предусмотреть заранее... А иначе все время получается, что пока идут детали на двадцативаттную схему, лазер уже требует сорок ватт, а пока идут на сорокаваттную уже и сто ватт потребовалось. Так вот и выходит, что силовая электроника - дело какое-то небыстрое. И тем не менее с марта по ноябрь удалось протоптать дорожку от ватт до киловатт... Вообще если б мне кто-нибудь сказал, что для такого лазера потребуется сделать киловаттный высокочастотный источник внешней ионизации, я б сразу послал бы эту ветвь разработки в путешествие с эротическим уклоном и с пожеланием там и остаться навсегда. Но тем не менее, что сделано, то сделано и в завершение этой подзатянувшейся радиотехнической интерлюдии представляю вам:

МЕГАГЕРЦОВЫЙ ZVS-ДВУХТАКТНЫЙ ИНВЕРТОР КИЛОВАТТНОГО КЛАССА С ПИТАНИЕМ ОТ СЕТИ

В принципе такая схема уже была описана выше, но на тот момент за неимением годных деталей, да и достаточного опыта в этой области тоже, выходная мощность и, самое главное, надежность, оказались недостаточны. Затем пришло понимание того, что для нормальной работы от 220 вольт нужны-таки киловольттовые транзисторы. Да, балластом и нагрузкой раскачку можно прижать и заставить работать от сети даже irfp460-е. Однако лазерная кювета (в которой пробой то есть то нет) это по природе своей сильно переменная нагрузка, эквивалентное сопротивление которой имеет свойство внезапно меняться чуть более чем на порядок. А подключение дополнительной нагрузки впараллель, равно как и всяческие схемы снабберного толка это во-первых тепло (причем, в общем-то, тепло невыносимое), а во-вторых еще больший рост требований к выходной мощности...

В общем, как только пришло понимание того, что схема просто обязана быть работоспособна на холостом ходу, так все срослось и получилось.

                R1              +---+----+------------------------+ 
                 25 Ohm         |   |    | C1 = 3n3 KVI-3 x 10 kV |
            +---/\/\/--------+  |   |    ) L1 10 microHenry       |
+15V        |                |  |   |C1  )                        |
 <----------+    R2          |  |  ---   )   +------+             |
            |    25 Ohm      |  |  ---   )   |      |             |
            +---/\/\/---+    |  |   |    )   |      |             |
 <-+                    |    |  |   |    |   |      ) L2 > 100uH  )
GND|          +---------)----)--+   +----+---+      ) 100uH < L3  )
  ---         |         |    |           |          )             )
   -          |         |    |           |          )             )
              |         |    |   ||C4    |          |             |
              +---------)----)---||------+          |             |
              |         |    |   ||      |          |             |
              |         |    |           |          +-------------+
              |         |    |           |          |
              +-|<|-|<|-+    +-|>|--|>|--+          |
              |  D1, D2  \  /   D3, D4   |          |  +310V
              |  STTH806  \/    STTH806  |          +---->
        +-----+           /\             +----+
        |     |    U1    /  \      U2    |    |     +---->
 U1,2   |     +--|      /    \        |--+ C3---    | GND
IXFK   ---C2     |     /      \       |      ---   ---
24N100 ---    +--||   /        \     ||--+    |     -
        |     +--|+--+          +----+|--+    |
        |     |      |          |        |    |
        |     |      V D5     D6V        |    |
        +-----+      -          -        +----+
              |      ^          ^        |
D5, D6:       |      |          |        |  C2=C3=800pf, Teflon diy
1.5KE18CA     +------+----------+--------+
                     | GND                  C4=2200 pF Teflon diy
                    ---
                     -

Как видите, схема на вид несложная. За исключением того, что как и в большинстве других лазерных схем монтируется она не микродрелью и паяльником, а большой дрелью, ножовкой, напильником, отверткой и гаечным ключом.

Транзисторы - любые MOSFETы на рабочее напряжение не меньше киловольта и на ток не меньше 20 Ампер. При выборе надо обращать внимание, чтобы сопротивление канала в открытом состоянии не превышало одного ома. А вообще - чем меньше тем лучше. На самом деле существует не так много подходящих транзисторов за пристойную цену. Практически все это продукция фирмы Ixys. Транзисторы поставлены на радиаторах от процессоров. (Кулеры предусмотрены, но включать их
еще не приходилось).

Диоды с постоянной времени восстановления в 15 наносекунд удалось найти только 600-вольтовые да и то тандемные (содержат по два диода внутри одного корпуса). Чтобы выдерживать напряжение холостого хода на стоке в 1000 В пришлось поставить их по два последовательно. Резисторы питания затворов - по четыре штуки стоомных пятиваттных керамических прямоугольных. Такая сборка и греется в разумных пределах и индуктивность имеет приемлемую. Затвор с истоком соединены TVS защитными диодами на 18 вольт в целях предохранения от пробоя протечкой высокого напряжения.

Вот собственно и все покупные детали. Остальные детали - самодельные. Несколько слов о конденсаторах. В принципе все конденсаторв C1, C2, C3 и C4 образуют "всего лишь" контурную емкость и, казалось бы могут быть объединены в один. Тем не менее при тех токах, при которых работает эта схема, огромное влияние оказывает индуктивность токоподвода от кристалла транзистора до ближайшей из емкостей. Стоит превысить 40-60 нГн и зверский звон затворов обеспечен. А с ним и перегрев транзисторов и все причитающееся. С другой стороны подобрать одну малоиндуктивную емкость на несколько нанофарад и несколько киловольт-ампер, да еще и малоиндуктивно смонтировать прямо промеж стоков транзисторов - просто технически трудно. Поэтому контурная емкость разделена на три части. Условно говоря "снабберная" часть емкости - конденсаторы C2, C3 - вешается прямо со стоков транзисторов на общий проводник (который должен быть пошире и потолще). Постоянная часть контурной емкости C4 вешается прямо со стока одного транзистора на сток другого. А вот переменная часть контурной емкости C1 может размещаться уже ближе к катушке и служит для подбора частоты.

Конденсаторы C2, C3, C4 монтируются ПРЯМО НА НОГИ ТРАНЗИСТОРОВ с МАКСИМАЛЬНО ШИРОКИМ ТОКОПОДВОДОМ минимальной длины. Ну и наконец сами эти конденсаторы должны быть с минимальной собственной индуктивностью. При этом рабочее напряжение - не менее одного киловольта. Из того, что сподобилась предложить наша и китайская промышленность за разумную цену не подошло ничего. Ни слюда ни полипропилен ни разного рода керамики. В итоге конденсаторы пришлось намотать вручную самостоятельно. О том, как это делается см в разделе о карманном лазере на красителях, т.наз. конденсаторы "конфетного" типа.

Майлар, правда, в качестве диэлектрика не подошел. На частотах ~1 МГц дает нагрев, плавление, а за ними и пробой. Зато тефлоновая лента отлично подошла. На рабочих режимах самодельные конденсаторы, намотанные алюминиевой фольгой с тефлоновой лентой, стоят теплыми, но даже не горячими. Закраины в конденсаторах делайте не меньше 10 мм (лучше - больше, но не в ущерб минимизации паразитной индуктивности). Дело в том, что тут хотя и "всего один киловольт", зато "целый миллион герц", и в наличии все условия для скользящих и кистевых разрядов.

Дросселя L2, L3 должны выдерживать ток до 5 ампер и иметь индуктивность более 100 мкГн. К счастью можно обойтись без ферритов, намотав витков двести на подходящую керамическую или стеклянную трубку. Оба дросселя могут без помех располагаться на одной трубке достаточной длины (2 секции по 100 мм намотки при диаметре провода 0.3 мм и диаметре каркаса 25 мм). На практике дросселя почти не греются. Тем не менее, на всякий случай, я б не рекомендовал использовать пластиковую трубу.

Ну и, наконец, описание контурной катушки. Это самый сложный в изготовлении и самый ответственный элемент схемы. Дело в том, что Вы не можете выбрать ее диаметр слишком большим - вырастет длина провода, вырастут потери (в том числе и на излучение, кстати), да и получить хороший коэффициент связи со вторичной обмоткой (чтобы закинуть мощу в лазер) вряд ли получится. С другой стороны Вы не можете выбрать диаметр слишком маленьким. Во-первых катушку пробьет, а во-вторых она расплавится. А в третьих: и то и другое одновременно.

Основная проблема, конечно, нагрев. В индукционных печах это решается просто - катушка мотается медной трубкой и через нее гонится вода. Водить водопровод тут, конечно же не хочется. А тогда - толстенный провод, бескаркасная намотка и хорошая "прозрачность" для естественного охлаждения воздухом. Катушка намотана алюминиевым проводом сечением 16 квадратов (самый толстый из тех, что продаются в ближайшем электротехническом магазине). Намотка в два слоя. Внутренний слой содержит 9 витков и мотается на пластиковой канализационной трубе диаметром 50 мм. Наружный слой содержит тоже 9 витков и мотается на стеклянном стакане или бутылке диаметром 65 мм. (Не забудьте, что намотка должна идти в одну и ту же сторону.) Затем составные части катушки снимаются со своих каркасов и собираются в одну двухслойную катушку. Соединение частей катушки - на болтах M2. Чтобы слои не соприкасались в дальнейшем между слоями делаются проставки из радиотехнической теплоизоляционной слюды.

Вот так выглядит катушка в сборе.

В процессе разработки схемы было сожжено докучи катушек. Транзисторов, кстати говоря не было потеряно ни одного (!). И даже такая лютая катушка при работе схемы на холостом ходу стоит при температуре больше ста градусов цельсия. Но ничего - выдерживает.

Питание

Схема требует двух источников питания. Сетевого выпрямителя и отдельного независимого источника на 12-15 вольт для питания затворов. Вот схема сетевого выпрямителя:

          ----  Fuse 5-7Amp
      +--|----|-+
      |   ----  |
 <----+         /
 ~220V 50 Hz    \ thermistor 
 Wall plug      /   7 Amp
                |
 <----+         +
      |        / \  Diode Bridge: KBU1009 or 4 x 10A10
      |       /   \
      |   +--+ |>| +------+------------------> to +310 v powering wire
      |   |   \   /       | +
      |   |    \ /       ---
      |   |     +        === 1000 uF x 450 V 
      |   |     |         | 
      |   +-----)---------+------------------> to GND of the generator
      |         |         
      |         |
      +---------+

Выпрямитель состоит, в общем то из диодного моста не менее чем на 10 ампер и не менее чем на 500 вольт (можно самому набрать из четырех подходящих диодов, например из 10А10) и сглаживающего конденсатора на 500..1000 мкф ч 450 В. Не рекомендую выбирать тут электролитический конденсатор на рабочее напряжение 300..310 вольт - нагрузка на выпрямитель довольно велика и такой конденсатор может перегреться и взорваться.

Термистор нужен для того, чтобы током заряда сглаживающей емкости не вышибло пробки, не убило диодный мост и не спалило предохранитель. ПРЕДОХРАНИТЕЛЬ ПО ПИТАНИЮ ИСПОЛЬЗОВАТЬ ОБЯЗАТЕЛЬНО! Термистор используется выпаянный из сгоревшего компьютерного ATX блока питания на 400 Вт. Вот его фото:

В принципе комбинацию предохранитель + термистор можно заменить одной галогенной лампочкой на 220 вольт на киловатт - полтора, но тогда выходная мощность заметно снизится.

Источник питания затворов делается из электронного трансформатора для питания 12-вольтовых лампочек накаливания ватт на 60. Электронный трансформатор используется без каких либо доработок и переделок. Его выход нагружается на диодный мост и сглаживающий конденсатор микрофарад на 500...1000.

                -------------------       Diode bridge
 <-------------| Halogen lamp      |------------+  4 x HER308
  ~220V 50 Hz  | electronic        |           / \                 to +15v wire
  wall plug    | transformer       |          /   \            of the generator
 <-------------| 12v x 60 W output |---+  +--+ |>| +---+---------------------->
                -------------------    |  |   \   /    |                 
                                       |  |    \ /     | +
                                       +--)-----+     ---
                                          |           ===
                                          |            | 1000 uF x 50V
                                          |            |
                                          +------------+---------------------->
                                                        to GND of the generator

Диоды в мосте лучше выбрать сравнительно быстродействующими. Например серии HER или, на худой конец FR. Да, по сравнению с STTH они уже кажутся тормознутыми, но по сравнению с 10A10 или KBU - они все-таки быстродействующие.

Наладка схемы не составляет труда, если у Вас есть осциллограф и, скажем ЛАТР, или другой источник питания вольт на 50..100. Для начала подключите осциллограф параллельно одному из защитных диодов исток-затвор транзисторов. Подайте питание затворов. На затворе должен быть "акулий плавник" - четверть синусоиды, слегка искаженная эффектом Миллера:

Затем подайте пониженное основное напряжение питания. Частота и амплитуда колебаний на затворах должна вырасти, но в целом вид осцилограммы должен остаться гладким и красивым. Если на затворах появляется "кровавое месиво" полное выпрямленное сетевое напряжение (310 вольт) на схему подавать нельзя. Убедившись в нормальном виде напряжений на затворах подключите к одному из стоков транзисторов резистивный делитель (с коэффициентом деления этак один к ста) и посмотрите осциллограммы стокового напряжения. Должны быть импульсы в виде половинок синусоид.

Если идут "расколбасы" в виде паразитной высокочастотной генерации или выбросов самоиндукции схему тоже нельзя включать на полное напряжение питания. Что можно посоветовать при неправильной форме импульсов? Перекраивайте геометрию схемы - снижайте паразитные индуктивности. Всяческие емкостные шунтирования и резистивные балласты не помогут - не тот уровень мощности.

Если осциллографа нет - просто сразу конструируйте схему на минимально возможные индуктивности. Проводники везде минимально возможной длины и максимально возможной ширины. Пайки широкие (не точечные) и т.д.

При первом включении подайте только питание затворов и внесите в катушку пробник из маломощной лампочки (3 вольта 0.12 ампер) подключенной к паре-тройке витков провода:

    +----------+
    |          |
   (           |
   (   +--(X)--+
   (   | Incadescent lamp ~3V ~0.12 Amp
    |  |
    +--+

Лампочка должна засветиться. Если нет - ищите ошибку в монтаже. Если засветилась - осторожно пробуйте подавать "высокое" напряжение. Следите за нагревом транзисторов. Если перегреваются - геометрию схемы надо перекраивать. Так, к сведению, у меня температура радиаторов слегка не дошла до 30°С после нагрева до красна ходовой части настольных тисков внутри катушки. И это даже без включения вентиляторов.

И помните: СХЕМА НЕ РАЗВЯЗАНА ОТ СЕТЕВОГО НАПРЯЖЕНИЯ. ПОКА ВИЛКА ВОТКНУТА В РОЗЕТКУ ПРИКАСАТЬСЯ К НЕЙ НЕЛЬЗЯ! ТРОГАТЬ РАДИАТОРЫ НА ПРЕДМЕТ НАГРЕВА - ТОЛЬКО ВЫДЕРНУВ ВИЛКУ (ВИЛКИ) ПИТАНИЯ ИЗ РОЗЕТКИ!

Впрочем в случае использования схемы в качестве источника ВЧ ионизации в CO2 лазере это не должно сильноь напрягать, поскольку после подключения к лазеру схема в любом случае будет не только "неприкасаема" но и "неприближаема".

Схему можно использовать в качестве индукционной печи, хотя для достижения высоких температур ее родная катушка крупновата. Если хотите использовать в качестве индукционки - рекомендую сделать катушку поменьше и применить водяное охлаждение.

Можно использовать и в качестве мощного преобразователя напряжения. Для этого наденьте вторичную обмотку поверх основной катушки. Схема легко накаливает галогенку на 220 в х 1000 Вт. Вот серия снимков снятых в процессе накаливания такой лампочки. На самом деле свет вокруг никто не выключал. Просто камера сокращает экспозицию в попытке скомпенсировать мощную засветку от лампы. Т.е. темень на последних снимках дает Вам возможность косвенно судить о том, насколько ярко все сияет.

Надо помнить, что холодная галогенка такой мощности - это практически короткое замыкание, поэтому надевайте вторичку с подключенной лампочкой на первичку плавно. Желательно при помощи длинной диэлектрической рукоятки.

При использовании схемы в качестве повышающего преобразователя возникает искушение попробовать вторичку "на искру". Предупреждаю сразу: эксперимент весьма опасен. В мгновение ока прогорают десятки сантиметров провода, на месте которых начинает полыхать дуга и все это сопровождается разлетом капель расплавленной меди. Фото приводить не буду, поскольку нет желания повторно воспроизводить фейерверк. Одного раза хватило... При этом транзисторы и даже предохранитель остаются целыми, т.е. это вполне штатный режим работы схемы.

<end of interlude>

04.11.2017 ПРОДОЛЖЕНИЕ ОПЫТОВ С ЛАЗЕРОМ

Итак новый генератор внешней ионизации имеется. А вот с лазером не все так радужно. Последняя из сделанных кювет (секционированная с медными электродами толщиной 4 мм) рассохлась и протекла. Делается попытка залечить течи силиконом.

Пока сохнет силикон достата на испытания самая старая кювета - та, которая еще с алюминиевыми электродами из T-образного профиля.

Внешняя ионизация подключена по "безэлектродной" схеме (не по "барьерной"). ВЧ напряжение ионизации берется с киловаттного мегагерцового ZVS-инвертора cо вторичной обмотки, представляющей собой 90 витков провода ПЭЛ-0.5 виток к витку на каркасе диаметром 85 мм (картонная сердцевина от катушки скотча).

Смесь использовалась CO2:N2:He = 2:5:14.

В результате опытов получено, что только лишь ВЧ-мощностью внешнего ионизатора кювета разогревается до температуры, когда "рука не держит" менее чем за две минуты. Если это тепловыделение в разряде, а не в силиконе, то по идее лазер должен быть работоспособен при питании от одного только ВЧ генератора.

Лазер съюстирован и запущен. При питании только от ВЧ генерации не обнаружено. При подключении постоянного тока от микроволновочнеого трансформатора с выпрямителем показания миллиамперметра достигли предела шкалы (10 делений или около 200 мА) без срыва в дугу.

Шунт миллиамперметра был сменени с одного ома на половину ома (два резистора по одному ому впараллель). Калибровка в статике дает цену деления в 46 мА. Балласт кюветы также переконфигурирован. Теперь это резистор на 1 кОм и резистор на 1.3 кОм впараллель. (Итого: 565 Ом.)

На смеси CO2:N2:He = 2:5:14 при давлении 1.1 дюйма ртутного столба при токе в 6 делений (276 мА средних по статической калибровке) лазер выдал 550 мВ по Пельтье калориметру. При калибровочном коэффициенте 6.4 мВт/мв это дает 3.5 Вт.

Тут надо заметить, что на такие мощности калориметр уже не совсем рассчитан, поэтому к измеренной мощности нельзя относиться как к точной.

20.11.2017

В дополнение к уже написанному: была еще одна модификация схемы, не отмеченная мной в предыдущей записи. Сглаживающий конденсаторр выпрямителя микроволновочного трансформатора был увеличен до 50 мкф. Тех четырех микроволновочных конденсаторов, что использовались раньше, на достигнутых сейчас токах уже катастрофически не хватает.

При описанных выше пусках ток срыва в дугу составлял 6 делений, а ток порога генерации 4 деления. Забавная ситуация. По сравнению самыми первыми тестами удалось поднять ток почти в 10 раз а от порога отойти толком так и не получилось. Для того, чтобы понять, что происходит, впараллель кювете подключен самодельный киловольтметр. Выяснилось, что падение напряжения на кювете едва достигает 800 вольт даже при давлении в два дюйма ртутного столба. Т.е. ВЧ разряд от киловаттного ZVS-генератора настолько сильно ионизует газ, что падение напряжения становится слишком низким.

Что с этим можно поделать? Попытаться питать основной разряд тоже ВЧ током?

Был сделан второй ВЧ ZVS генератор по образу и подобию первого.

Подключалось вот так:

                       +----------------+
                       |                |
                       |              =====
                       |         +--|-     -|---+
                +--+   |         |    =====     |
    ---------   |  |  (          |      |       |
  | KW & MHz |--+   ) (     +----)------+       |
  | rated    |      ) (     |    |              |
  | ZVS #1   |--+   )  |    |    |              |
    ---------   |  |   +----+    |              |
                +--+             |              |
                                 |              |
          -------------          |              |
         | KW & MHZ    |---------+              |
         | rated       |                        |
         | ZVS #2      |------------------------+
          -------------

Понятно, что шунтирующие кювету конденсаторы были сняты (поскольку для ВЧ это закоротка). Равно как и убраны миллиамперметр с вольтметром, поскольку переменный ток, да еще и такой частоты, ими не измеришь.

Для опытов была замерана свежая смесь состава: CO2:N2:He = 2:3:15 и в смесь добавлена малюсенькая капелька ксилола. Получено:

Проще говоря с двумя ZVS-ами не удалось превзойти результат, полученный при питании основного разряда постоянным током. Для сравнения вот что получено на той же смеси при питании постоянным током по вот такой схеме:

                                 +------||------+
                                 |    Cp=12nF   |
              +----------+  +----)------+       |
              |          |  |    |      |       |
       -------+-------   )  (    |    =====     |
      | KW x MHZ ZVS  |  )  (    +--|-     -|---+
       -------+-------   )  (    |    =====     |
              |          |  |    |      |       |
              +----------+  +----)------+       |
                                 |              |
                                 |       /      |
                       <---------+-----(kv)-----+
                   1..3 kV от          /        |/
          Микроволновочного трансформатора     (mA)
                  с выпрямителем               /|
                       <---------/\/\/----------+
                                  Rb=565 Ohm

Все остальные условия те же самые: то же положение юстировки, та же кювета.

При этом достигался ток до 6 - 6.5 делений. Падение напряжения строго не измерялось (все делалось очень быстро, водяного охлаждения-то нет) но по порядку величины составляло 800 Вольт.

При тех же условиях и давлении 1.0"Hg на смеси 2:5:15 c 0.1 ml ксилола было получено 300 mv. И это был почти оптимум.

Основная проблема внешней ВЧ ионизации - то, что никак не удается попасть в резонанс с контуром, образованным емкостью электродов-охладителей и вторичной обмоткой генератора.

Когда плазма в кювете изначально не горит и зажигается только под действием подаваемого напряжения т.е. емкость пропорциональна заряду на конденсаторе), то, как показывают расчеты в моделирующих программах, такая схема вообще ангармонична т. е. для гармонических синусоидальных/косинусоидальных) колебаний резонанса попросту нет. Когда плазма в кювете горит, емкость зависит от площади накрытой этой плазмой и от параметров этой плазмы. При подходе к резонансу эта площадь увеличивается, и собственная частота уплывает. Нет уверенности, что даже фазовая автоподстройка частоты тут может помочь. Кроме того, схема генератора с автоподстройкой частоты в корне противоречит изначально принятому здесь принципу "KISS".

Именно из-за трудностей попадания в резонанс и пришлось городить киловаттный ВЧ генератор, в то время как хватило бы поглощенной в плазме мощности на уровне 20..50 Вт.

Другой способ получения ВЧ напряжения для внешней ионизации - это подключить к электродам ионизатора катушку индуктивности, стукнуть по получившемуся контуру импульсом высокого напряжения и оставить колебаться как ему заблагорассудится. Именно такой способ и применен авторами работ, цитированных мной в начале этого веб-репорта. Не сказать, что такой способ эффективнее, просто он другой. Когда авторы пишут, что "Энерговклад от импульсного генератора изменялся от 20 до 50 Вт, т.е. затраты на инициирование не превышали 10%" это еще не означает, что энергопотребление по цепи ионизации было таким же низким. Действительно, пусть емкость кюветы по отношению к току ионизации составляет 600 пф. И авторы [2] пишут, что на кювету подавались импульсы амплитудой 10 кВ. Т.е. в каждом импульсе емкость кюветы заряжалась до 10 кв и запасала энергию CU^2/2 = 30 мДж. Значит на частоте повторения 30 кГц к ней подводилось никак не меньше

30 мДж х 30 кГц = 900 Вт.

Да-да. И тут опять он - ненулевой тензор кривизны не будем говорить чего. Создано впечатление, что все красиво, а на самом деле - мощность по цепи ионизации как минимум сравнима с мощностью в цепи основного разряда, а то и превышает ее.

Правда в нашем случае это пофигу, так как задача получения максимального кпд тут и не ставилась. А вот на то, что получится на выходе при использовании "генератора помех" в качестве внешнего ионизатора стоит посмотреть.

Был собран генератор по вот такой вот схеме:

                                        C3-C6 слюда 0.05 мкФ x 500 V
                  R1 300 Ом x 300Вт   ||       ||
   o------+--|>|----+----/\/\/----+---||---+---||---+
          |         |             |   ||   |   ||   | коэффициент 
 ~220V    |        --- C1         |        |        | трансформации
  50Hz    |        === 220мкФ     |   ||   |   ||   | 1:10             
          |         |  450V       +---||---+---||---+     +---------> _/\_
   o------)---------+             |   ||       ||   |     | выходные импульсы
          |         |  C2         |                 |  W (  амплитудой до 2 kV.
          |        --- 220мкФ     +--|<|-------+     ) W (
          |        === 450V      /  HER608     |     ) W (
          |         |          ||              |     ) W (
          +--|<|----+      +---+|  IGBT:       |    |  W (
                    |      |     \ Imax>20 Amp |    |     |
                    |      |      |Vmax>1kV    |    |     |
                    +------)------+------------+----+-----+
                           |
                           |
            _    -> >------+
          _| |_ Прямоугольные управляющие импульсы:
                30мкс-выключено  10мкс-включено
                амплитуда импульсов 9-12V

Схема довольно примитивна. В качестве IGBT транзистора используется FGA25N120AN - распространенный и довольно дешевый. Коллектор-эмиттер шунтированы диодом HER608. Схему управления затвором приводить не буду, она может быть легко собрана 555-м таймере, элементе НЕ, и каком-нибудь драйвере затвора навроде TC4420. Схема управления настроена на выдачу прямоугольного импульса амплитудой в 9-12 вольт (в зависимости от напряжения питания самой схемы управления) длительность плоской вершины импульса порядка 10 мкс, длительность паузы между импульсами порядка 30 мкс (частота повторения 25 кГц).

Трансформатор намотан на Двух П-образных половинках сердечника от ТВС110 смотанных изолентой ВПАРАЛЛЕЛЬ а не встречно. Т.е. сердечник так и остается П-образным. Провод для намотки трансформатора берется довольно толстый - диаметром не меньше 0.5 мм. Первичная обмотка 5 витков. Вторичная, стало быть, 50.

Конденсаторы слюдяные - с малым затуханием ВЧ.

Балластный резистор R1 - три последовательно включенных кипятильника по 500 Вт каждый.

При срабатывании транзистора на выходе трансформатора появляется импульс быстрозатухающих ВЧ колебаний с частотой около 200 кГц. За полный период амплитуда падает примерно в три раза. Несколько быстрее чем хотелось бы, но как уж вышло так вышло.

С таким генератором ионизационных импульсов кювета включалась по следующей схеме:

                                       Cp 12 nF
                                 +---||---------------+
                                 |                    |
             +----------+   +----)------+----------+  |
             |          |   |    |      |          |  |
   ----------+--------   ) (     |    =====        |  |
  |Генератор Импульсов|  ) (     +--|-     -|---+--)--+
   ----------+--------   ) (     |    =====     |  |
             |          |   |    |      |       |  |
             +----------+   +----+      +-------)--+
                                 |              |
                                 |       /      |
                       <---------+-----(kv)-----+
                   1..3 кВ             /        |/
               от МОТ'а с выпрямителем        (mA)
                                               /|
                       <---------/\/\/----------+
                                 Rb=565 Ohm

Получено:

При давлении в 1.8 дюйма ртутного столба порог генерации был 160 мА, максимальный ток был 300 мА, причем ограничивался не срывом в дугу а возможностями питания. Падение напряжения на кювете около 800 вольт.

Т.е. использование генератора затухающих импульсов позволяет получить примерно столько же, сколько и использование киловаттного генератора незатухающих колебаний, но при этом генератор затухающих импульсов существенно проще и дешевле. Что до потребления, то жрут от сети оба генератора по порядку величины одинаково.

27.11.2017

Из закромов достата кювета с медными электродами.

Возможность водяного охлаждения здесь не заложена даже в конструкции. Но тем не менее, из-за течей в охладителях водяное охлаждение и в алюминиевой кювете использовать не удалось, так что в настоящий момент алюминиевая кювета дает мало преимуществ по сравнению с "сухой" медной. Разве что теплоемкость ее повыше. С другой стороны медная кювета раньше выдавала раза в полтора больше чем алюминиевая. Может и сейчас согласится.

Кювета была поставлена, сьюстирована и запущена по вот такой схеме:

                                       Cp 27 nF
                                 +---||---------------+
                                 |                    |
             +----------+   +----)------+----------+  |
             |          |   |    |      |          |  |
   ----------+--------   ) (     |    =====        |  |
  |Генератор Импульсов|  ) (     +--|-     -|---+--)--+
   ----------+--------   ) (     |    =====     |  |
             |          |   |    |      |       |  |
             +----------+   +----+      +-------)--+
                                 |              |
                                 |       /      |
                       <---------+-----(kv)-----+
                   1..3 кВ             /        |/
               от МОТ'а с выпрямителем        (mA)
                                               /|
                       <---------/\/\/----------+
                                 Rb=565 Ohm

Делались попытки пусков на смеси CO2:N2:He = 2:3:15. Что с ксилолом, что без лазер мощность выдавать отказался. С пикером емкостью 12 нФ достигался ток 6 делений и около 200 мВт на выходе. Пикер был уменьшен до 6 нФ, после чего срыв в дугу стал начинаться при токе в 3.5 деления и лазер попросту не вышел на порог. Пикер был увеличен до 27 нФ, но достигаемый без срыва в дугу ток вырос (по сравнению с исходным вариантом) незначительно - 6.5 делений. Мощность тоже не захотела подниматься выше 500 мВт. Потом прямо в этом веб-репорте было вычитано, что эта кювета уже один раз отказывалась работать со смесью 2:3:15.

(Как оказывается полезно хоть иногда читать свои собственные работы. О том факте, что смесь 2:3:15 в этой кювете не работала, было уже благополучно и с успехом забыто.)

Смесь была разбавлена азотом до состава CO2:N2:He ~ 2:7:15. На этой смеси исчезли проблемы с нестабильностью разряда и кювета гладко выдала два ватта, а после небольшой подъюстировки и все три ватта. Причем оптимума по давлению не видно. Либо нет нормального разряда (срыв в дугу) либо сразу три ватта.

В попытке увеличить теплопроводность смеси в смесь был долит гелий. До состава CO2:N2:He ~ 2:7:25. Ни предельный ток разряда ни выходная мощность не поменялись. Как было три ватта и 280 мА, так и осталось. Зависимость мощности от давления тоже не обострилась.

В итоге была замешена новая смесь CO2:N2:He = 2:5:21. (Сначала две объемные части углекислого газа смешаны с пятью объемными частями азота, а потом, одна часть полученной смеси смешана с тремя частями гелия. И на одну автомобильную камеру смеси добавлена маленькая капелька ксилола.) Дела пошли заметно веселее.
Вот результаты:

Для иллюстрации того, что может лазер на этой мощности было отснято небольшое
видео:

И вот еще несколько фотографий вдогонку

Думаю, что сосиска более чем наглядно показала, что пальцы в луч совать уже не следует. Что до полезных применений... В принципе пятиваттные лазерные модули с определенным успехом используются для в CNC станочках для гравировки и раскроя тонких органических листовых материалов. Другое дело, что длительной работе лазера мешает отсутствие эффективного охлаждения. Тем не менее видно, что если не гнаться за большей мощностью, то можно с охлаждением отъехать даже без воды.

Кстати говоря, в процессе опытов громко треснуло заднее зеркало резонатора (алюминий на стекле). Треснуло оно от нагрева светом, естественно. Плазма от него находится достаточно далеко и напрямую зеркало от разряда практически не греется.

В принципе подобное поведение зеркал ожидалось с самого начала, и есть мысли, как с этим быть. Только вот как-то долго лазер до этого рос.

Итак выходная мощность лазера уже достигла 5 Вт, т.е. примерно половины от того, что и ожидалось от этого лазера с самого начала проекта. Можно конечно и дальше пытаться наращивать энерговклад и, судя по всему, с хорошим охлаждением и хорошим ионизатором это вполне возможно, но...

Есть еще один резерв, который пора использовать. А именно: надо увеличивать сбор света резонатором. Дело в том, что диаметр полупрозрачного выходного зеркала составляет 10 мм, а ширина разрядной части кюветы 30 мм. Т.е. по простейшей схеме (схема А на рисунке ниже) сбор света без учета разного рода
паразитных потерь не превышает 30%.

Проще всего обстояли бы дела, если бы в наличии было селенид-цинковое зеркало, прозрачностью пять - десять процентов и диаметром не меньше 30 мм. Тогда эффективный сбор света можно было бы организовать по схеме B (рисунок ниже). Только вот одна закавыка - такое зеркало мало того что стоит не меньше среднестатистической лазерной трубы ватт на тридцать, так еще и в продаже его найдешь не каждый год.

Как простое и компромиссное решение сейчас используется схема С (см. рисунок выше). Полупрозрачное зеркало установлено в обрамляющем его глухом алюминиевом зеркале. По сравнению со схемой А это дает полутора - двухкратный выигрыш в выходной мощности при прочих равных условиях. Тем не менее из-за проблем взаимной юстировки полупрозрачного зеркала и обрамляющего его алюминиевого зеркала, из-за потерь на краях отверстия и из-за сравнительно большого расстояния между зеркалами и волноводом есть подозрение, что и эта схема собирает никак не больше половины световой мощности, гуляющей по резонатору. Т.е. просто заменой резонатора на более эффективный можно имеющийся пятиваттный лазер сделать десятиваттным!

Большие надежды подает схема D (см. рисунок выше). При сравнительно малых размерах зеркал свет в резонаторе обходит весь разрядный обьем и выводится наружу. Но с этой схемой есть свои заморочки. Во первых придется учиться инсталлировать зеркала внутрь кюветы. Это для того чтобы свести к минимуму потери, и потому, что ставить целых четыре малюсенькие юстировочки - это сумасшедший дом. А во-торых: пока непонятно, удастся ли съюстировать такой лазер и как это вообще делать...

СТАТУС ПРОЕКТА:
• Мощность лазера достигла 5 Вт; А это не только уже половина от "проектной" мощности, но и находится на уровне самых дорогих и элитных лазерных указок.
• Имеется изрядный резерв по повышению выходной мощности без увеличения потребления - за счет оптимизации резонатора.
• Имеется резерв повышения мощности за счет применеия хорошей системы охлаждения.

04.12.2017

ВНЕЗАПНО: лазер оказался работоспособен на безгелиевой смеси. После пробных пусков, почти чисто забавы для, в кювету были пущены остатки безгелиевой смеси CO2:N2: = 2:5; использовавшейся для на первом этапе смешения смеси, содержащей гелий. ВОт что получилось:

Т.е. генератор внешней ионизации получился достаточно мощным даже для того, чтобы гонять ток сквозь безгелиевую смесь. 3.2 ВТ выглядят, конечно, скромнее чем 5 Вт, зато за гелием бегать не надо.

Достигнуто 12 ватт

09.01.2018

↑

Были сделаны две новые кюветы. Одна с медными электродами, другая - с алюминиевыми. Обе с толщиной электродов ~3мм. Основное отличие новых кювет - то, что стеклянные стенки лазерного канала продолжены (сквозь торцевые юстировки) практически до самых зеркал резонатора.

Кроме того электроды внешней ВЧ ионизации сделаны из плоской алюминиевой полосы (толщиной 2 мм), что образует обширные теплоотводящие плоскости, на которые можно притирать внешние радиаторы. (Было понято, что делать массивный радиатор совместно с кюветой и выбрасывать его каждый раз, когда кювета вышла из строя - слишком накладно).

Основные размеры неизменны для всех кювет описанных в этом файле, начиная от самых первых, и кончая описанными только что. А именно: ширина разряда: 30 мм, толщина волновода (высота зазора между стеклянными стенками): 3 мм, длина разрядной зоны 350 мм, расстояние между зеркалами резонатора 450 мм.

Поначалу кюветы пускались с резонатором по схеме С (см рисунок выше) все с тем же селенид-цинковым 92%-ным зераклом десятимиллиметрового диаметра в обрамляющем алюминиевом слегка вогнутом зеркале. Генератор внешней ионизации - импульсный генератор на IGBT (также описан выше).

Основные результаты пусков следующие:

• Кювета с медными электродами отказалась брать ток выше 270 мА на смеси CO2:N2:He = 2:5:14. Для достижения тока в 350 мА и более пришлось еще увеличить содержание азота. Стала использоваться смесь CO2:N2:He = 2:7:18.
• На смеси 2:7:18 кювета с медными электродами оказалась работоспособной до давлений 2.5"Hg. Оптимум по давлению 1.7"Hg. При этом давлении и токе в 350 мА из кюветы вышло около 6 Вт.
• Кювета с алюминиевыми электродами на смеси 2:7:18 оказалась работоспособна до давлений в 5.5"Hg. Оптисальное давление 4.5"Hg. При этом давлении и токе в 350 мА из этой кюветы тоже вышло около 6 Вт. При попытке раскочегарить выше было убито выходное зеркало:
  
  
  

На фото четко виден глубокий проплав стекла, по виду и размерам которого можно заключить, что по резонатору гуляло гораздо больше, чем измеренные шесть ватт.

Кроме того треснуло и стекло самой кюветы:

Причем есть вероятность, что эта трещина возникла от нагрева светом а не теплом разряда.

Трещина замазана силиконом и кювета оставлена сушиться.

Выходное зеркало было заменено на германиевое с коэффициентом отражения 70%. Германиевое зеркало имеет полный диаметр 25 мм. Причем отражающее покрытие нанесено не на всю поверхность зеркала а только на кружочек диаметром 15 мм Обрамляющее зеркало на этот раз не ставилось.

С таким зеркалом кювета с медными электродами разогналась до примерно 7 Вт на выходе. Предельное и оптимальное давления не изменились: 2.5"Hg и 1.7"Hg соответственно. В общем-то уже неплохо, но...

Силикон, которым чинилась алюминиевая кювета, высох, и были сделаны пуски кюветы с алюминиевыми электродами и новым выходным зеркалом. Результат превзошол все ожидания. Показания калориметра 1910 мВ. 12.2 Вт!

Это при давлении 4.5 дюйма ртутного столба (114 мм.рт.ст. или 0.15 атм) и токе 350..380 мА. Падение напряжения на кювете при этом составляло около 900 В. Газовая смесь - по прежнему 2:7:18.

Интересно, что при этих опытах была забыта закорачивающая перемычка между электродами внешней ионизации. Т.е. по сути кювета пускалась с одним подключенным электродом ионизации а не с двумя. Т.е. по схеме:

                                       Cp 27 nF
                                 +---||---------------+
                                 |                    |
             +----------+   +----)------+             |
             |          |   |    |      |             |
   ----------+--------   ) (     |    =====           |
  |Генератор Импульсов|  ) (     +--|-     -|---+-----+
   ----------+--------   ) (     |    =====     |  
             |          |   |    |      |       |  
             +----------+   +----+              |
                                 |              |
                                 |       /      |
                       <---------+-----(kv)-----+
                   1..3 кВ             /        |/
               от МОТ'а с выпрямителем        (mA)
                                               /|
                       <---------/\/\/----------+
                                 Rb=565 Ohm

Попытка исправить ошибку - подключить второй электрод ионизации - привела лишь к тому что максимальный достигаемый без срыва в дугу ток через кювету снизился до 270 мА и лазер едва выходил на порог генерации.

По видимому в таком включении цепь из индуктивности вторичной обмотки трансформатора и емкости электрода ионизации заметно ближе к резонансу с первичной цепью из индуктивности первичной обмотки и накопительной емкости генератора импульсов.

Тут надо отметить, что предыдущий трансформатор в генераторе импульсов внешней ионизации самым наглым образом сгорел. (Расплавилась межобмоточная изоляция и настал межвитковый пробой. Транзистор при этом выжил.) Нынешний трансформатор намотан на тех же сердечниках от ТВС-ов. Вторичная обмотка - 55 витков провода ПЭЛ-0.5. Первичная - 6 витков сдвоенным проводом ПЭЛ-1.0. Межслойная и межобмоточная изоляция выполнена каптоновой лентой (так называемый "термоскотч").

СТАТУС ПРОЕКТА:
• Мощность лазера достигла 12 Вт; Это даже чуть больше, чем от него ожидалось в начале проекта
и уже на уровне небольших коммерческих СО2 трубок.
• Вакуум, необходимый лазеру, легко может быть создан недорогими распространенными насосами, вроде реверснутых холодильных и автомобильных компрессоров.
• Резерв по повышению выходной мощности по видимому все еще имеется.

Что до сравнения с лазерными указками, то в принципе на Ютубе имеется видео, демонстрирующее возможности "указки" на 7 диодах мощностью по 7 ватт каждый. Итого 49 ватт. Переплюнуть такое в самодельной конструкции как-то вот не совсем просто даже для углекислотного лазера. Другое дело, что лазерные диоды - это по существу готовые лазеры, технология производства которых не оставляет надежд на возможность их воспроизведения в домашне/гаражных условиях в обозримом будущем. Да и назвать их недорогими распространенными комплектующими тоже язык не поворачивается. Не лучше обстоят дела и с самими лазерными указками на мощность более 10 Вт, - до сих пор они являются эксклюзивным товаром, стоят бешеных денег и изготавливаются штучно "на заказ". (Фальшивки не в счет - им только на лайбе приписана огромная мощность. На деле выдают они не больше ватта.)

Что такой лазер может? Вот небольшое видео:

Нефокусированным лучом:

• Вполне способен обугливать и зажигать дерево. Луч на выходе имеет прямоугольное сечение шириной 18мм и высотой 3 мм. Т.е. интенсивность порядка 22 Вт/кв.см.

Фокусированным лучом (линза с фокусным расстоянием 85 мм)

• Может проткнуть палец. Меньше чем за минуту почти насквозь.
• За две секунды (от подачи тока) может проткнуть насквозь четырехмиллиметровую дощечку.
• Может выжигать по дереву с той скоростью, с какой Вы способны рисовать.
• При механизации процесса и при подборе режима должен быть способен разрезать тонкую (миллиметров до шести толщиной) фанеру. Вручную это получается плохо - трудно удерживать фокус на одной и той же линии, а при промахе или при замедлении движения дерево воспламеняется и горит. Вы могли видеть это на
  видео.

Удивительно, что лазер так и не смог:

• Просверлить бритвенное лезвие. И мало того, что не смог, но отраженным от лезвия лучом была даже повреждена юстировка выходного зеркала, после чего опыт было решено прекратить.
• Просверлить полуторамиллиметровый текстолит печатной платы. (Избавленный от медной фольги, конечно.) Текстолит бодро обугливается, вспучивается, шипит, воняет, но сквозной дыры не образуется. Такчто для сверления печатных плат этот лазер все еще неприменим.
• Просвелить микроскопное стекло. На стекле сияет маленькое солнце, стекло плавится, плывет, трескается, но сквозной дыры опять таки нет.

Здесь интересно отметить, что по прошлому опыту, ТЕА-лазер на средней мощности всего 350 мВт (50 мДж 7 Гц) за 4 минуты вполне справлялся просверлить в микроскопном стекле сквозную дырку, в которую можно было даже просунуть проволоку диаметром 0.1 мм. Т.е. ТЕА лазеру хватало 0.35х4х60 = 84 Дж, а непрерывный лазер с этой задачей не справился даже затратив 720 Дж (= 12Вт х 60сек). ТЕА лазер работал при этом на "медленной" смеси с молярным отношением азота к углекислому газу не менее трех. Это позволяет генерировать более длинный импульс и до некоторой степени уменьшать непроизводительное
поглощение энергии в плазменном факеле.

Неудачный опыт с попыткой просвелить лезвие высветил два важных момента:

Тест лазера на безгелиевой смеси не впечатлил. После некоторой оптимизации смеси, давления и тока удалось выдоить 620 мВ по Пельтье калориметру (3.9 Вт), но на фоне двенадцати ватт это смотрится очень скромно.

Оптимальная безгелиевая смесь: CO2:N2 = 2:5 с добавкой небольшой капельки ксилола и капельки воды на полную автомобильную камеру газа (6..8 литров). Без добавки воды получалось только 520 мВ (3.3 Вт). Оптимальное давление 2..2.5"Hg.

Еще в порядке освоения встроенных зеркал лазер был опробован с самодельным зеркалом из отполированной вручную алюминиевой пластинки. Испытываемое зеркало ставилось на место заднего зеркала резонатора. Переднее так и оставалось германиевым с пропусканием 30%.

С таким зеркалом на гелиевой смеси лазер выдал 112 мВ (0.7Вт). Было сделано предположение, что самопальная полировка не позволила выдержать форму (привела к завалу плоскости) и что поэтому с ним лазер работает столь уныло. Зеркало было заменено на фабричное плоское алюминированное зеркало и снова был сделан тестовый пуск. Итог: 22 мВ или 140 мВт. Видать завал формы самодельного зеркала был в нужную сторону и сказывался наоборот позитивно. Оба пуска делались на смеси CO2:N2:He = 2:7:18 при давалении 4 дюйма ртутного столба.

Наверное не совсем правильно было бы сказать, что лазер неработоспособен с плоско-плоским резонатором. Скорее тут требуемая точность юстировки на порядок выше и с обоими плоскими зеркалами лазер попросту не удается достаточно хорошо сьюстировать.

ДУРШЛАГ

12.02.2018

↑

Широкие полупрозрачные зеркала для СО2 - лазеров не только дороги, но еще и дефицитны. Зеркало с пропусканием 30% и диаметром рабочей области не менее 30 мм так и не удалось найти в продаже на разумных (для самодельщика) условиях и по разумной цене.

Было решено сделать попытку изготовить полупрозрачное зеркало самостоятельно. Поскольку в DIY-шных условиях напыление диэлектрических покрытий с заданными свойствами не каждому дано, было решено остановиться на варианте зеркала с отверстиями. Прозрачность такого зеркала в первом приближении будет равна отношению суммарной площади дырок к рабочей площади зеркала.

Понятно, что лучше всего было бы взять одно из стеклянных алюминированных бытовых или автомобильных зеркал, работоспособность которых в СО2-лазере более чем доказана на примере множества конструкций, и насверлить в нем нужное количество дырок нужного диаметра. Однако с тонкими алмазными борами, необходимыми для сверления стекла, тоже как-то не задалось...

В итоге было решено вручную отполировать алюминиевую пластинку и насверлить в ней отверстий обычным металлическим сверлом.

Шлифовка и полировка зеркала - процесс ответственный и сокращений не допускает. Нельзя, например, просто пройтись по поверхности насаженным на дрель войлочным кругом с пастой ГОИ - плоскостности зеркала не останется и в помине. Нельзя сократить этап шлифовки - как только Вы возьметесь за тонкие абразивы, сразу же полезут все недошлифованные бугры и неровности...

Можно, например, сократить количество этапов полировки. Т.е. например сразу после десятимикронного абразива перейти к трехмикронному. Но продолжительность обработки придется при этом увеличить, иначе следы работы предыдущего абразива так и останутся в виде царапин.

Подробнее всего, насколько мне известно, процесс полировки в DIY-шных условиях описан в книжке "Телескоп астронома-любителя".

Несколько советов от меня:

В процессе шлифовки и полировки зеркало должно издавать тихий равномерный шипящий звук. Если зеркало движется беззвучно - значит металл не снимается и вы попусту елозите зеракалом по полировальнику. Если раздается внезапный хруст - можете спокойно прекращать работу, мыть зеркало и начинать все заново, с этапа самой грубой шлифовки.

Фаски на краях заготовок очень важны. В процессе полировки край зеркала затачивается не хуже ножа. Острая кромка может начать рвать полировальник, или, что еще хуже, дать скол, после чего осколки края пойдут драть полированную поверхность.

Полировка с водой, в качестве смазочной жидкости, идет раза в два быстрее, чем с маслом. Но вода имеет неприятное свойство высыхать. При высыхании частицы абразива склеиваются в крупные агломераты и все кончается фатальным хрустом. Часто это происходит внезапно - Вам кажется, что поверхность полировальника равномерно мокрая, а через три секунды она уже сухая со всеми вытекающими... Так что, если нет желания конструировать систему автоподачи воды, рекомендую все-же пользоваться маслом.

Большое значение имеет и качество металла самих заготовок. Частенько появление "ненавистного хруста" связано не с внешней грязью, а с тем, что из металла выколупнулась очередная частичка "встроенного" песка.

Сама по себе полировка и шлифовка - процесс сравнительно недолгий. Примерно по полчаса на каждом абразиве, а их в общей сложности около десятка, и еще по полчаса - промывка и очистка после каждого этапа. Итого, каких-нибудь десять часов работы - и готовое зеркало у Вас в руках... К сожалению завал формы и внезапные задиры поверхности заставят Вас повторить эту процедуру далеко не один раз. Так что мой последний совет на эту тему:

Если у Вас есть хоть малейшая возможность избежать процедуры полировки лазерного зеркала - ИЗБЕГАЙТЕ ЭТОГО ЛЮБОЙ ЦЕНОЙ!!!

...На первые три отполированные пластинки было стыдно смотреть, не то что в лазер ставить. Впрочем, в этом я сам виноват - пытался тем или иным способом "перехитрить природу" - сократить длительность и трудоемкость процесса. А чтобы результат стал приемлемым надо было попросту тщательно и последовательно пройти все этапы до конца.

Четвертый образец получился вот таким:

Можно видеть, что край линейки отображается в виде более-менее прямой линии, что означает, что плоскость кое-как удалось удержать. На фото плохо видно, что поверхность зеркала сплошь покрыта тонюсенькми царапинками. Так работает самый тонкий из имеющихся у меня абразивов - полуторамикронный. Впрочем для излучения с длиной волны в десять микрон поверхность должна выглядеть идеальной.

Затем были насверлены отверстия. Диаметр самого большого из имеющихся у меня окон равен 25 мм. Стало быть рабочая область зеркала 25х3 мм (напомню, что 3 мм это высота лазерного канала-волновода). Прозрачности в 30% соответствует суммарная площадь отверстий в 22.5 кв. мм. В свою очередь, это отвечает двенадцати дыркам, диаметром полтора миллиметра каждая. Такие дырки и были насверлены более менее равномерно в пределах рабочей области. Перед сверлением зеркало было покрыто защитным лаком а в процессе сверления зажималось между двух деревянных шпонок. И несмотря на все меры защиты после сверления вокруг отверстий появилась узкая матовая каемка шириной около четверти миллиметра. Т.е. с точки зрения потерь света в резонаторе можно сказать, что дырки стали не полуторамиллиметровыми а двухмиллиметровыми. Таким образом отражающая способность зеркала снизилась от 70% до 50%.

К сожалению дырки не могут быть насверлены до полировки зеркала. Иначе в процессе полировки вокруг окружности каждой из дырок образуется глубокий завал.

Несмотря на видимые дефекты, зеркало было установлено на юстировочную подвижку и загерметизировано наклейкой окна из хлорида калия поверх отверстий:

Пуск лазера на смеси CO2:N2:He = 2:7:18 даже позволил зарегистрировать выходную мощность - около 120 мВт. На предельном токе и при давлении около трех дюймов ртутного столба лазер находится практически на пороге генерации.

Зеркало было снято и подполировано для устранения матовости вокруг отверстий. Матовость исчезла, зато появились завалы формы в виде провалов в области отверстий:

С таким зеркалом лазер и вовсе отказался выйти на порог генерации.

Затем зеркало было смещено при наклейке таким образом, что "в поле зрения" лазерного канала остался лишь один ряд дырок. Т.е. прозрачность зеркала была снижена с 30% до 15%.

При такой наклейке зеркала лазер согласился загенерить и, после подстройки юстировки по максимуму мощности, выдал около двух Ватт (309 мВ по Пельтье калориметру).

Замена зеркала на плоское германиевое позволяет легко получить более 10 Вт даже без особой оптимизации по положению юстировки и давлению.

Полученный результат вызывает двойственные чувства. С одной стороны, конечно, радует, что вручную можно сделать зеркало, с которым лазер не только заработает, но и выдаст вполне заметную мощность. С другой стороны - качество самодельного зеркала оказывается достаточно низким, чтобы вместо ожидавшегося улучшения давать серьезное снижение выходной мощности даже по сравнению с зеркалом меньшего диаметра, зато имеющим фабричное качество....

28.01.2019

Как Вы могли и сами предположить (см. интерлюдию по герметизации) к настоящему моменту времени все собранные в прошлом году кюветы потеряли герметичность и ремонту не подлежат.

Сей факт подтвержден экспериментально (всегда хочется надеяться на лучшее), после чего кюветы разобраны на запчасти. Повторно удается использовать юстировки и, при хорошем раскладе, электроды. Стеклянные пластины и накленный на них теплоотвод однозначно отправляются в мусорную корзину.

Перед разборкой кюветы натекали со скоростью от одного до четырех дюймов ртутного столба в час. Дюйм в час - это где-то на грани приемлемости для работы в режиме с прокачкой газа. Четыре дюйма в час это неприемлемо даже для режима с прокачкой.

В порядке поиска решения, позволяющего создавать более долговечный лазер была собрана новая кювета, герметизация которой делалась эпоксидной смолой. Технические характеристики ее такие же как и у предыдущих кювет:

длина активной области, (занятой плазмой газового разряда) - 35 см;

габаритная длина (по зеркалам резонатора - 44 см;

расстояние между электродами - 30 мм;

толщина электродов (и, соответственно, разряда тоже) - 3 мм;

материал стенок - оконное стекло толщиной 2 мм;

материал электродов - алюминий.

Основных отличия от предыдущих кювет два: торцевые заглушки и юстировки были распечатаны на 3D-принтере, герметизация сделана эпоксидной смолой ЭДП а не силиконовым герметиком.

Что до 3D-печатных юстировок - надежд они не оправдали. Оказалось, что они безбожно текут даже при коэффициенте заполнения при печати 100%. Пришлось их снять (повезло, что это удалось сделать не разрушив стекло кюветы) и заменить на эпоксидные отливки, такие же, как в предыдущих кюветах.

После замены юстировок на эпоксидные кювета показала неплохую герметичность: натекание не выше дюйма в сутки.

На смеси CO2:N2:He = 2:10:18 были сделаны пробные пуски. Пока подбиралось давление и длительность работы на полном токе не превышала 15 сек все было нормально. Но как только давление было подобрано (2 дюйма ртутного столба) и был сделан пуск на измерение мощности (около минуты работы на полном токе), кювета растрескалась со всей втекающей потерей герметичности. Удалось лишь заметить, что выходная мощность достигала 10 Вт по калориметру.

К сожалению фотографий кюветы не сохранилось. Ожидалось, что они будут сделаны, когда кювета будет выведена на режим, а после пробных пусков фотографировать было уже нечего.

В принципе результат вполне ожидаемый - в процессе работы кювета изрядно греется и из-за разницы в коэффициентах теплового расширения стекла, алюминия и эпоксидной смолы, ее ломает. Тем не менее, оставлась надежда "а вдруг?.."

Так что теперь можно с увереностью сказать, что склейка кюветы должна обязательно выполняться эластичным клеем.

29.02.2019

За эластичный клей мог бы сойти глюган, что и было опробовано. Сделан вариант кюветы с герметизацией глюганом (стержнями низкомолекулярного полиэтилена для клеевого пистолета).

В принципе кювету собрать удалось. Удалось даже запустить. Однако на рабочем режиме нагрев электродов столь силен, что подплавление клеевого шва и разгерметизация кюветы произошли прежде, чем показания калориметра достигли устоявшегося значения.

Общий вид кюветы без юстировок. Видны стекляхи, продолжающиеся то самых зеркал.

Общий вид кюветы с юстировками. Последние версии эпоксидных юстировок отливались в 3D-печатные формы.

Стрелкой на фото отмечено место прососа.

ДВУХМИЛЛИМЕТРОВАЯ ТРУБА

26.03.2019

↑

Поскольку стабильная (со сроком сохранности года три минимум) конструкция щелевого лазера из доступных материалов пока не придумывается, пришлось вернуться к экспериментам. Собственно, а на что еще годится работоспособная, но недолговечная конструкция, как не на эксперименты?

Что до экспериментов, то самое насущное, что хотелось бы знать относительно этого лазера - это выдержит ли он дальнейшее сужение волновода. Чем уже (или тоньше - какой термин правильнее?) волновод, тем лучше условия теплоотвода, - об этом было сказано во введении к этому веб-репорту. С другой стороны: чем меньше расстояние между отражающими стеклянными пластинами, тем хуже условия распространения волн вдоль волновода. Очень грубо, но наглядно пояснить это можно следующим образом: дифракционную расходиомость луча никто не отменял, даже если луч распространяется вдоль волновода. Просто его стенки непрерывно возвращают пытающийся разбежаться свет на место - в лазерный канал. И чем сильнее мы сжимаем луч, сближая стенки волновода, тем сильнее этот луч расходится, и тем больше переотражений испытывает на пути между зеркалами резонатора. А стенки-то у нас отнюдь не являются идеальными зеркалами - просто стеклянные пластины. Т.е. каждое переотражение - это дополнительные потери. В какой то момент потери превысят усиление и лазер погаснет. Стало быть есть некоторый нижний предел на расстояние между стенками канала, после которого лазер станет неработоспособен. Ну а раз поначалу мощность лазера растет со снижением расстояния между стенками волновода, а при дальнейшем снижении обращается в ноль, значит где-то должен быть оптимум. Впрочем, до поиска оптимума еще дожить надо. Для начала хотелось бы просто знать "границы дозволенного".

Итак на стапелях была заложена лазерная трубка с зазором 2 мм между стенками волновода. Склейка велась автомобильным силиконом, поскольку из доступного ничего лучше не придумалось.

Самый главный полученный результат - труба заработала. Измеренная выходная мощность 2.45 вольта по Пельтье - 15 Ватт.

Оптимальное давление 55-64 мбар (1.7-1.8"Hg); Ток срыва оказался равным 5.5 делений по миллиамперметру (250 мА) при предионизации на анод основного разряда и оба теплоотвода. И более 9.5 делений (более 410 мА) при предионизации на анод основного разряда и один из теплоотводов. Падение напряжения на кювете при токе срыва в обоих случаях около 1.2 кВ. В первом случае достигалась мощность в 15 Вт, во втором - 14 Вт, причем достигалась сравнительно легко и воспроизводимо. Без лишних танцев с бубном.

Походу выяснилось, что ВАЖНА ПОЛЯРНОСТЬ ВНЕШНЕЙ ИОНИЗАЦИИ.

Ситуация здесь примерно такая же, как со строчником и умножителем. Хотя ток и переменный, но изза несимметричности импульса одно из подключений дает желаемый результат, а другое - нет.

В процессе поисков оптимума по давлению и интенсивности ионизации выходная мощность плавно но неотвратимо сдулась. В итоге лазер давал около 6 Вт вне зависимости от давления и типа подключения генератора ионизационных импульсов к электродам.

Вскрытие лазера показало, что выходное (германиевое) зеркало сильно загрязнилось продуктами горения оправы зеркала. Луч, гуляющий по резонатору оказался заметно шире выходного зеркала (кто б сомневался) в результате чего оправа внутри лазера начала гореть.

В дальнейшем, для защиты выходного зеркала, его оправа изнутри оклеивалась алюминевой фольгой. Алюминий отражает инфракрасное излучение и предотвращает возгорание оправы.

Еще один инциндент - при пусках был поврежден юстировочный лазер. Поскольку выходная оптика (окна линзы зеркала) обычно не пропускает излучение CO2 лазера, опасаться за целостность его внутреннего содержимого обычно не приходится. Да и сама оптика обычно довольно дубовая и не повреждается. Поэтому довольно привычным стало оставлять юстировочный лазер без защиты (и даже не выключать его) при пусках CO2-Трубы. Безусловно это неправильно и ничем кроме дурной привычки это не назовешь, но вот так. В этот раз такой подход не прокатил. В качестве юстировочного лазера использовалась лазерная указка (не брелковая, а подолговечнее - на двух ААА батарейках и в корпусе, похожем на авторучку). Коллимирующая линза этой указки оказалась оргстеклянной и бодро выгорела не то что в прямом луче, а в рассеянном далеко за фокусом селенид-цинковой линзы, использовавшейся для фокусировки луча при опытах по резке деревяшки.

Если не считать мелких инциндентов и доработок, то лазер просто работает. По производимым эффектам луч мощностью 15 Вт мало отличается от луча на 12 Вт. На глаз разницу можно и не заметить. Тем не менее, вот видео:

20.05.2019

... Продолжаются извращения в поисках дешевых и доступных заменителей лазерных зеркал... Помните, выше было написано, что работе лазерной трубы может мешать развитие паразитной генерации между электродами? (Точнее - мешать даже не работе. Внутри себя такая трубка лазерит очень бодро. Только вот наружу излучение фиг вытащишь.) В связи с этим возникла мысль использовать в качестве зеркала алюминиевую пластинку, зажатую между стекол - стенок лазерного канала. Если пластинка обрабатывалась не дома ножовкой с напильником, а отрезана от полосы/листа фабричного изготовления, то хотя бы одна (узкая) торцевая грань будет с хорошей точностью перпендикулярна (широким) боковым граням. А поскольку широкие грани пластинки будут зажаты между стекол лазерного канала, то торцевая грань пластинки автоматически встанет перпендикулярно оси лазера. Она то и будет зеркалом. К сожалению все еще останется необходимость юстировки в направлении поперек канала, поэтому просто вклеить пластинку внутрь лазера не удастся.

От фабричной алюминиевой полосы толщиной 2 мм и шириной 20 мм были отрезаны 5 кусочков длиной по 38 мм. Получившиеся алюминиевые квадратики сложены стопкой, выровнены и стопка эта зажата в тисках. Грань стопки, образованная торцевыми гранями пяти пластинок, отполирована. На самом деле "отполирована" - это громко сказано. Ввязываться в многотрудную процедуру полноценной полировки не хотелось совершенно. Поэтому по торцевой грани просто елозилось фетровым диском с пастой ГОИ в течение 15 минут. (Шпиндель с диском был, естественно, зажат в микродрель, которая была выставлена на 15000 оборотов в минуту.) Предполагалось, что раз генерация может развиваться между совсем неполированными электродами, то и здесь справится. На десятимикронное излучение все шероховатости оказывают в 20 раз меньшее влияние, чем на видимый свет, и матовая в видимом свете поверхность очень даже может быть зеркальной для длинноволнового излучения. Другое дело - форма. Завал на краях зеркала может оказаться фатален. Именно поэтому полировалась стопка из пяти пластин, сжатых вместе, а не одна отдельно взятая пластинка.

Пластинка (полированной гранью в сторону переднего зеркала) была закреплена на задней юстировке таким образом, чтобы при работе лазера она размещалась между стенками лазерного канала и могла при этом юстироваться.

С таким задним зеркалом лазер был собран и запущен. Трудности вызвала юстировка. Пластинка отполированная таким способом недостаточно зеркальна в видимой области и дает пятно с сильным ореолом рассеянного излучения. Фактически в отраженном пятне есть только ореол. Ядра не видно. Поэтому юстировка делалась почти наугад.

Тем не менее с таким зеркалом и такой юстировкой лазер заработал. Достигаемая мощность, на которую его удавалось вывести, сильно зависела от начального приближения, в которое выставлялись зеркала по юстировочному лазеру. Дело в том, что зависимость выходной мощности от угла установки зеркала в этом лазере немонотонна. Вследствие множественных переотражений от стенок волновода, эта зависимость имеет множество локальных максимумов и минимумов, и подкручивая зеркало "на ходу" по показаниям калориметра, Вы запросто можете не улучшать дело, а ухудшать.

Максимум, на что удавалось вывести лазер - это на полтора ватта. Вот отпечатки пятна на термобумаге (бумага для факса) при выходной мощности 0.4 Вт. Напоминаю, что при нормальной работе лазера пятно на выходе должно иметь форму полоски шириной 2 мм и длиной 30 мм - по форме сечения лазерного канала. Для наглядности я пометил на фотографиях пунктирной линией каким должно было бы быть пятно при полном заполнении апертуры

Термобумага удерживалась руками, что и объясняет видимую на фотографиях
размазанность пятен и их "хвосты". Видно, что юсировка "косит вправо".

Вот фотография пятна, после переюстировки лазера. Здесь выходная мощность
около 1.4 Вт. Видны сквозные дыры в термобумаге.

Пятно, как видите, так и не стало сплошным. Имеется центральная часть, где содержится большая часть мощности и слабые пятнышки по краям.

ПОЛУТОРАМИЛЛИМЕТРОВАЯ КЮВЕТА

↑

Тем временем досохла собранная кювета с зазором между стенками волновода в полтора миллиметра - идем дальше в сторону более тонких волноводов.

Как видите, конструкция кюветы почти не поменялась. Тем не менее, это первая кювета у которой поменялась не только толщина волновода. Все предыдущие описанные здесь кюветы имели активную область размерами 350x30xh мм, где h - зазор между стеклянными стенками волновода.

В новой кювете, с h=1.5 мм, поменялся еще и зазор между электродами. Теперь он стал равен двум с половиной сантиметрам. Т.е. размеры активной области сейчас 350x25x1.5 мм. Обратите внимание: КЮВЕТА СТАЛА МЕНЬШЕ. Ее теплоотводящая площадь сократилась почти на двадцать процентов. А значит при равной выходной мощности УДЕЛЬНАЯ нагрузка на кювету на двадцать процентов выше. Поэтому результаты, полученные на этой кювете, строго говоря, впрямую несравнимы с результатами, полученными на предыдущих кюветах.

Изменение ширины активной области связано с тем, что мне, к настоящему моменту, не удалось придумать, как, имея маленькие зеркала, организовать съем излучения со всего лазерного объема. Не то чтобы идей совсем нет - их пруд пруди. Но одни требуют повышенной точности установки зеркал, а значит и не ручной обработки деталей а уже станочной. Другие слишком трудозатратны. (Например: по паре юстировок с каждой стороны трубы. Одна - побольше, а поверх нее еще одна поменьше. И все это сложной формы, чтобы и луч не подрезать и герметичность сохранить.) Третьи требуют экзотического инструмента (пример: изготовление дырчатого зеркала из фабричного алюминированного стекла, которое предполагает разом погубить штуки четыре алмазных бора). Еще одна идея - вклейка зеркал прямо внутрь канала, предполагает их юстировку прямо в процессе наклейки. А это, я Вам скажу, нетривиальный навык. Что еще хуже, если кювета собрана с ошибочной юстировкой, исправить ее будет уже нельзя. Потребуется изготовление новой кюветы... И даже, предположим, мне удастся преодолеть "все тяготы и невзгоды" и научиться делать подобные вещи. Что я смогу предложить Вам? Тем кто читает этот веб-репорт с целью сделать себе такой же лазер. Год учиться вырезать зеркальца и юстировать их при наклейке? Это неприемлемо...

Вот такие соображения и привели меня к тому, что, похоже, нефиг маяться дурью, а надо делать лазерный канал ровно такой ширины, какой имеются зеркала.

Кювета собрана, подключена к имеющейся системе питания, сьюстирована и запущена. Смесь использовалась CO2:N2:He = 2:7:18. Резонатор состоял из видавшего виды крытого алюминием стеклянного сферического зеркала (все тот же кусок отмытого от краски автомобильного зеркала с радиусом кривизны около трех метров) и покупного плоского германиевого зеркала с пропусканием 30%.

На настоящий момент результаты таковы:

• Верхний предел работоспособности по давлению 3.2" ртутного столба;
• Оптимальное (на текущий момент) давление 2.8" ртутного столба;
• Ток срыва в дугу при давлении 2.8" ртутного столба - не достигнут;
• Ток срыва в дугу при давлении 3.0" ртутного столба - 370 мА;
• выходная мощность при p=2.8"Hg, I=400mA - 11.3 Вт;
• падение напряжения на кювете при p=2.8"Hg, I=400mA - 750 Вольт.

Таким образом, если в предыдущей кювете достигалась выходная мощность в 0.149 Ватт на квадратный сантиметр сечения теплоотвода, то на этой кювете практически в первых же пусках получено 0.13 Ватт на квадратный сантиметр.

Надеюсь, что это не предел.

Надеяться на это позволяет то, что поведение кюветы довольно сильно поменялось по сравнению с поведением предыдущих кювет. А это, вероятнее всего, значит, что оптимум по составу смеси, давлению и уровню внешней ионизации еще не найден.

В поведении кюветы поменялось вот что: если в предыдущих кюветах при подходе к верхнему пределу работоспособности по давлению значение тока срыва в дугу падало плавно, то в новой кювете идет очень резкое падение. При 2.8 дюйма ртутного столба мой блок питания просто не способен выдать такой ток, чтобы разряд сорвался в дугу. При трех дюймах ток срыва вполне достигается, а при трех и двух десятых дюйма измеримый постоянный ток уже не удается пропустить через кювету сохранив при этом объемный разряд. Кювета стала, что называется, "жестче".

Второй момент - кювета любит довольно высокие давления. В принципе, среди сделанных мною кювет уже попадались "любительницы большого давления" (см. напр. запись от 09.01.2018), но свойство это прямому клонированию не поддается. Т.е. из пяти сделанных кювет одна будет работать при давлении 4.5 дюйма, а остальные получатся с давлениями 1.5 - 2.5 дюйма. С чем это связано, пока непонятно. В принципе теория предсказывает, что с уменьшением толщины волновода оптимальное давление должно расти. Но поскольку это первая кювета со столь малым зазором, еще неясно является ли ее поведение типовым или артефактным.

27.05.2019

БЕС ГЕЛИЯ

↑

По сравнению с исходным вариантом толщина волновода сократилась вдвое (полтора миллиметра против трех миллиметров). Стало быть и сократилось и тепловое сопротивление газового слоя. Значит ли это, что использование газовой смеси с высокой теплопроводностью уже не является жизненно необходимым и можно уже избавляться от гелия?

Было решено проверить.

Замешана смесь состава CO2:N2 = 2:7. Смесь, как обычно, замешивалась в автомобильной камере (объемом около 20 литров) и перед замешиванием в камеру была добавлена маленькая капелька ксилола (объемом 1-2 куб.мм.). Вот на такой смеси и гонялся лазер. Получено следующее:

• При давлении 1.2"Hg
  порог генерации был 4 дел (4х46=184 мА)
  стрелку миллиамперметра легко удавалось положить на ограничитель (ток срыва > 500 мА)
  мощность 1.7 - 1.9 Вольт по Пельтье (11 - 12 Вт)
  падение напряжения на кювете было около 800 вольт
• При давлении 1.6"Hg
  порог генерации не отслежен
  стрелку миллиамперметра все так же легко удавалось положить на ограничитель, и срыв все так же не достигался (ток срыва > 500 мА)
  мощность однако была ниже: 0.6 - 0.8 Вольт по Пельтье (4 - 5 Вт)
  падение напряжения на кювете было ближе к 1000 вольт

Затем была несколько уменьшена интенсивность внешней ионизации. Как? Да самым прямым образом - было понижено напряжение питания выходного каскада генератора импульсов (с 220 вольт действующего до 200 вольт действующего). После чего вновь выполнены пуски.

• При давлении 1.2"Hg
  порог генерации был все те же 4 дел (4х46=184 мА)
  ток срыва составлял 7-9 дел (320 - 420 мА)
  падение напряжения на кювете было 1100 - 1200 вольт
  мощность достигала 2.2 Вольт по Пельтье: 14 Вт

В принципе, при этом же уровне внешней ионизации был сделан и прогон при давлении в 1.6"Hg, однако лазер вел себя нестабильно и вразумительных результатов получить не удалось. Единственное, что можно утверждать с определенностью - генерация была.

Затем в смесь была добавлена вода. Вода улучшает расселение нижнего лазерного уровня углекислого газа и, если ее немного, повышает мощность и усиление лазера. Когда воды слишком много, начинает сказываться тушение верхнего лазерного уровня и лазеру становится худо. В автомобильную шину с готовой замешанной смесью 2:7 (шприцом) было впрыснуто чуть меньше чем 0.1 мл воды. Оставлено на ночь испаряться.

• Пуск при давлении 1.2"Hg:
  порог генерации был 3.5 дел (3.5х46=161 мА)
  ток срыва не достигался при полной мощности блока питания (>500 мА)
  мощность 2.35 Вольт по Пельтье (15 Вт)
  падение напряжения на кювете было около 900 вольт

Далее для понимания, как будут влиять течи кюветы на работоспособность лазера, было "исследовано" влияние добавки воздуха. К остаткам смеси в шине (около 8 литров) было (автомобильным насосом) впрыснуто 300 мл воздуха. После этого сделан тестовый прогон. Затем было впрыснуто еще 300 мл воздуха и сделан еще один тестовый прогон. В целом результаты были получены мало отличающиеся от приведенных выше. В обоих прогонах удавалось получить более 14 Вт мощности и более 400 мА тока накачки без срыва в дугу. Порог генерации и падение напряжения на кювете тоже в пределах погрешностей не изменились.

НО: Если без воздуха кювета легко срывалась в дугообразование при повышенных давлениях и наоборот: практически не было границы снизу, чем ниже давление, тем легче она выдерживала предельный ток, то после добавки воздуха все стало совсем не так. Появилась узкая область по давлению, где достижим требуемый уровень тока накачки. Примерно от 1"Hg до 1.3"Hg. И сверху и снизу от этой области попытки поднять ток приводили к срыву в дугу.

ИТАК ПОЛУЧЕНО 15 ВАТТ БЕЗ ГЕЛИЯ.

Полученные результаты настораживают. Привычным уже стало, что с гелием выходная мощность больше чем без гелия.

Был выполнен забег по магазинам за свежим гелием (в виде воздушных шариков, разумеется), замешана свежая смесь CO2:N2:He = 2:7:9 (смесь молекулярных газов один к одному с гелием). Пуски при давлениях 2", 2.5", 3".

Результат таков:

Итак получено 18.5 Вт. Лазер вплотную подобрался к двадцати ваттам излучаемой мощности.

Вот видео, как таким лазером удается перепилить карандаш. Заметьте - вместе с грифелем.

Довольно интересен факт, что несмотря на то, что измерения выполняются старым добрым Пельтье калориметром, абсолютно не рассчитанным на такие мощности, он все еще работоспособен.

Для измерений используется калориметр, мало чем отличающийся от конструкции, описанной в этом гайде. Основные отличия: добавлена стойка для удобства установки и добавлены шунтирующие цепи для увеличения помехозащищенности. Когда делался этот калориметр, речи об измерении больших средних мощностей не шло, и его линейность была проверена лишь до трех ватт. Казалось очевидным, что на мощностях в десяток ватт и более прибор просто обязан впадать в нелинейность. Хотя бы изза перегрева радиатора с тыльной стороны элемента Пельтье. И тем не менее практика его использования на мощностях порядка тридцати ватт упорно демонстрирует линейность. Подтверждается это хотя бы тем, что если светить на него лазерными диодами (по три Ватта каждый) по отдельности и записать показания от каждого диода, а потом включить их вместе (суммарная мощность около 24 Вт), то результатирующее показание калориметра с точностью не хуже +-5% сходится с суммой показаний от отдельных диодов. Удивительно, но факт.

ФОТОСЕССИЯ

↑

Так или иначе я удосужился выполнить фотосессию лазера. На фотографиях ниже он показан с разных сторон. На нем инсталлирована кювета с волноводом высотой в полтора миллиметра. Кроме того хорошо видны:

• микроволновочный трансформатор - питание основного разряда,
• диодный мост,
• П-образный трансформатор вспомогательного разряда (на двух половинках сердечника от ТВС),
• кипятильники - балластный резистор генератора вспомогательного разряда,
• резисторы балласта основного разряда (большие зеленые трубчатые),
• регулируемой высоты ножки - серьезное подспорье при юстировке.

Заметьте, что то, что показано на фотках, это и есть весь лазер практически целиком. Плюс к тому, что показано на фотках, для работы ему требуется:

• вакуумный насос, который изза слабых требований к вакууму может быть и небольшим,
• сглаживающий конденсатор цепи основного разряда (50 мкф 2 кв) - может быть набором электролитических конденсаторов, а значит небольшим по размерам,
• автомобильная шина или баллон с газовой смесью,
• и два ЛАТРа. К одному из них подключается силовая часть генератора внешней ионизации. Это обеспечивает регулировку мощности, вкладываемой во вспомогательный разряд. К другому ЛАТРу подключается микроволновочный трансформатор питания основного разряда. Использование ЛАТРа в этой цепи позволяет плавно менять ток разряда и подходить близко к порогу срыва в дугу.

Т.е. не сказать, что лазер вот прямо совсем карманный, но одному человеку вполне по силам унести его целиком за один заход. Со всеми прибабахами, включая насос и газы.

Лазер можно сделать еще легче, заменив микроволновочный трансформатор на умножитель сетевого напряжения кратностью в 4х. Заодно и отпадет необходимость в отдельном сглаживающем конденсаторе в цепи основного разряда. Можно также исключить ЛАТР питания силовой части генератора вспомогательного разряда. Он нужен, в основном, для исследований - для подбора оптимальной интенсивности вспомогательной ионизации. В большинстве случаев лазер прекрасно работает при непосредственном включении вилки генератора вспомогательного разряда в сеть 220 вольт.

9.01.2020

Приход нового десятилетия ознаменовался испытаниями новой лазерной трубки. Зазор между стенками волновода стал равным 1 мм. Ширина разряда в новой трубке 25 мм. Длина активной части 350 мм. Полная длина лазера "по зеркалам" 400 мм.

Не то, чтобы от этой трубки ожидалось увеличение выходной мощности. Она и так в настоящее время ограничена, в основном, площадью разрядного канала в "плане" и теплопроводностью стекла. Лазер давно уже работает на режимах, когда перепад температур в стеклянной стенке близок и к пределу прочности стекла по отношению к термораскалыванию и к пределу работоспособности газовой смеси по температуре. Поэтому без перехода к кюветам с более тонкими стеклами по части роста мощности ждать особо нечего.

С другой стороны, уменьшение зазора в волноводе могло бы принести увеличение предельно допустимого давления, при котором лазер еще работоспособен, и увеличение стабильности разряда на "плохих" смесях (под "плохими" здесь подразумеваются смеси газов, содержащих большое количество примесей, в том
числе и кислорода). Т.е. можно надеяться на то, что лазер с уменьшенным зазором будет работоспособен на смесях углекислого газа с обычным воздухом при откачке обращенным автомобильным насосом или компрессором от холодильника. Вот фотографии новой кюветы

Система питания и параметры зеркал резонатора остались без изменений. Конструкция кюветы тоже стандартная - алюминиевые боковые электроды, вклеенные силиконом между двух стеклянных пластин. Поверх стеклянных пластин наклеены алюминиевые пластины - теплоотводы, к которым на термопасту притираются алюминиевые воздушные радиаторы.

Первые препятствия встретились при юстировке. По сравнению с предыдущим вариантом лазера толщина волновода была уменьшена всего в полтора раза (с 1.5 мм до 1 мм), а трудности возросли многократно. Луч обыкновенных (красных) юстировочных лазеров оказался неспособен пролезть через миллиметровую щель не зацепив стенку волновода. В результате на выходе, конечно же, множество ложных пятен. И какое из них правильное, каким из них следует попадать в диафрагму юстировочного лазера, непонятно от слова совсем. После пары пусков с ошибочной юстировкой, когда лазер ни в какую не хотел выдавать мощность больше пары Ватт, было решено выполнить юстировку по фиолетовому лазеру.

Как известно, дифракционная расходимость излучения лазера прямо пропорциональна длине волны и обратно пропорциональна диаметру пучка. Увеличить диаметр пучка нельзя - пучок начинает цепляться краями за стенки волновода и давать кучу ложных пятен. Но и уменьшать диаметр нельзя - пучок начинает сильнее расходиться и, в конечном итоге, опять же цепляется за стенки волновода и дает кучу ложных пятен

Длина волны фиолетового лазера (405 нм) в 1.6 раза короче, чем длина волны красного (650 нм). Соответственно и достижимая расходимость во столько же раз меньше. И, если кювету с полуторамиллиметровым зазором удавалось съюстировать по красному лучу, то можно было ожидать, что миллиметровую кювету удастся съюстировать по фиолетовому лазеру. Панацеей это, конечно, не назовешь, но юстировать действительно стало легче.

В итоге лазер был с грехом пополам съюстирован и запущен на смеси CO2:N2=2:7. При давлении 1.5 дюйма ртутного столба в режиме слабой прокачки газа лазер легко выдал 12 Вт по калориметру. Попытка поднять давление, однако, успеха не имела. Выходная мощность быстро заваливается с ростом давления и выше двух дюймов ртутного столба генерации как ни бывало. При этом разряд горит стабильно и равномерно. Никаких срывов в искру вплоть до давлений, при которых мой блок питания еще мог продавливать вразумительный ток через кювету (три - четыре дюйма ртутного столба). Срыва в искру не удавалось достигнуть даже при уменьшении напряжения питания генератора предионизации вдвое (с двухсот вольт действующего до ста вольт).

Разряд горит красиво. Через трубу прет полампера тока (около 700 Вт вкладываемой мощности) а генерации нет.

В принципе, ситуация вполне объяснимая. Сужение волдновода привело к росту потерь, и на их компенсацию необходимо усиление. Усиление в лазере можно поднять либо увеличив энерговклад в газ, либо повысив усиливающие свойства среды при том же энерговкладе. Увеличение энерговклада натыкается в первую очередь на тепловой предел кюветы. Стеклянные стенки имеющейся толщины и так на пределе своей теплоотводящей способности. Что до увеличения усиливающих свойств среды, то оно легко достигается понижением давления, но, к сожалению, давление-то как раз хотелось бы повысить. Еще можно было бы поднять мощность накачки при сохранении средней тепловой нагрузки путем перехода к импульсно-периодическому режиму, но и там свои заморочки. Да и вообще, для этого существуют TEA лазеры.

Стало быть ожидаемого поднятия рабочего давления уменьшение толщины волновода не принесло. Поглядим, как там с "плохими смесями". Далее лазер пускался на смесях углекислый газ + воздух. В таблице(таблицах) ниже приведены результаты измерения выходной мощности лазера в зависимости от состава и давления газовой смеси. Состав выражен в объемных долях, давление в дюймах ртутного столба. (Напомню, что хороший самодельный насос из холодильного или автомобильного компрессора способен дать вакуум в 2..2.5 дюйма ртутного столба. Среднестатистический насос такого рода дает лишь 3..3.5 дюйма.)

Видно, что на смесях с воздухом вместо азота вполне удается получать такие же мощности, как и на смесях с углекислым газом. Видно также, что предельное давление работоспособности растет с разбавлением смеси. Однако предельная, достигаемая в оптимуме, мощность при этом падает. Похоже что при разбавлениях в 1:12..1:15 можно было бы заставить лазер работать при откачке самодельным вакуумным насосом, однако мощность при этом не порадовала бы (ватт пять..шесть в лучшем случае).

Февраль 2020

ТРУБА ШИРИНОЙ 50 мм

↑

Если анализировать результаты опытов, то получается, что уменьшение зазора между стенками волновода от 3 мм до 2 мм и от 2 мм до 1.5 мм давало существенное улучшение. И по мощности генерации и по стабильности разряда и, временами, по давлению. (Хотя максимально достигаемое рабочее давление по прежнему зависит больше от индивидуальных особенностей труб, чем от их геометрии.) Дальнейшее уменьшение зазора с 1.5 до 1 мм не увеличило ни выход ни стабильность, ни толерантность к примесям в газах. Зато злостно выросли трудности юстировки. (Возможно даже и то, что труба с миллиметровым зазором на самом деле лучше предыдущих, но трудности с юстировкой не дали этот потенциал реализовать). В итоге было решено, что оптимальной является толщина волновода в 1.5 мм.

Куда двигаться дальше? Оптимальная толщина найдена. Наращивать трубку в длину пока не хочется. Тогда что? Вновь попробовать увеличить ширину, и надеяться, что как-то удастся собрать свет с большого резонатора, используя маленькие зеркала?

Сделана труба с шириной разряда 50 мм (электрод-электрод). Толщина волновода взята равной 1.5 мм. Стенки трубки по прежнему стеклянные, стекло толщиной 2 мм. Длина активной части 350 мм. Длина резонатора по зеркалам 400 мм.

Были некоторые опасения, что двухмиллиметровое стекло может не выдержать атмосферного давления на такой большой площади (35х5х1 = 175 кгс), однако наклеенный поверх стекла алюминиевый термоинтерфейс (пластинка алюминия размерами 350 х 50 х 2 мм) сильно увеличивает прочность конструкции и не дает атмосферному давлению сломать стекло. Напомню, что приклейка термоинтерфейсных пластин (они же электроды внешней ионизации), равно, как и склейка всей кюветы, делается автомобильным силиконом.

Как результат: кювета прекрасно держит откачку. И в холодном состоянии и под нагревом током накачки. Поскольку увеличилась ширина разряда, выросло и падение напряжение на кювете. На смеси CO2:N2 = 2:7 при токе накачки 370 мА падение напряжения достигает 1.7..1.8 кВ. Почти вдвое больше, чем на "узких" кюветах.

В "обычном" резонаторе, состоящем из заднего сферического зеркала с радиусом кривизны 3 метра (алюминий на стекле) и переднего плоского германиевого зеркала диаметром 25 мм с пропусканием 30% кювета выдала 12.6 Вт на смеси CO2:N2 = 2:7 при давлении 22 мм. рт. ст. Т.е. примерно столько же, сколько и "узкая" кювета с шириной разрядного канала, соответствующей диаметру выходного зеркала.

Далее лазер был оснащен комбинированным зеркалом. Идея зеркала примерно та же, что и у самых первых вариантов этого лазера: полупрозрачное зеркало находится в отверстии металлического зеркала, однако конструктивное исполнение несколько другое. В качестве обрамляющего зеркала теперь используется не цельное вогнутое зеркало с отверстием, а две плоских зеркальных полоски. При наклейке все три части зеркала (германиевое полупрозрачное и две плоских полоски) настраиваются так, чтобы отражение от них выглядело так, как если бы они были единым зеркалом.

Первый же опыт с таким зеркалом позволил снять 18.3 Вт выходной мощности. Однако после первого же пуска зеркало пригорело и получить с него более 10 Вт не получалось.

Чтобы в мощном пучке излучения стекло не пригорало плоские пластинки были слегка модифицированы: при отрезании пластинок от большого куска зеркального стекла специальное внимание обращалось на то, чтобы сколы стекла были скошены таким образом, чтобы алюминиевый слой заведомо прикрывал оголенное стекло от излучения в резонаторе:

Пуск лазера с таким зеркалом позволил зарегистрировать выходную мощность 26 Вт. Однако проплав стекла вновь не заставил себя долго ждать.

В конце концов в качестве плоских зеркальных пластинок установлены кусочки полированного алюминия, отпиленные от ранее использовавшегося дырчатого зеркала. Прогары стекла прекратились, однако и мощность не порадовала: всего 19-20 Вт.

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