Домашняя Звезда Смерти — это возможно
И снова здравствуйте. Честно говоря, я планировал писать эту статью в самую последнюю очередь, планируя сначала рассказать о более «приземленных» вещах, тянул время. Но вот наступил критический момент, когда тянуть уже дальше некуда.
Бывало, задавали вопросы, а можно ли построить самостоятельно Звезду Смерти в домашних условиях, обладая знаниями лазерной техники. При всей абсурдности и глупости этого вопроса ответ на самом деле — «можно». По крайней мере, действующий макет в уменьшенном масштабе. Который даже стрелять лазерным излучением будет. 
Сначала небольшой экскурс в историю. Он может содержать ошибки и неточности, если у кого будет достоверная информация — не стесняйтесь указывать на мои ошибки в тех или иных фактах. Также тут присутствуют мои субъективные взгляды на описываемые ниже события.
Эпоха лазеров началась тогда, когда был изобретен первый в своем роде оптический квантовый генератор на кристалле рубина, в 1960 году. Изобретение лазера дало толчок массе исследований в духе «из чего ещё можно сделать лазер кроме рубина» и поискам новых активных сред для них. В ходе такого поиска в 1961 году была обнаружена возможность генерации лазерного излучения в активной среде из стекла с добавкой неодима. Неодимовое стекло было на момент изобретения лазера давно известно, и было бы странным его не проверить в качестве лазерной активной среды, тем более что технология изготовления активного элемента из стекла на порядок проще, чем выращивание кристалла. На удивление, неодим стал крайне многообещающим материалом для лазерной генерации. В силу особенности структуры энергетических уровней эффективность лазерной генерации у неодима намного выше чем у рубина, возможна работа в импульсном и непрерывном режиме излучения, а возможность отливать из неодимового стекла активные элементы практически любых возможных форм и размеров сулит то, что достижимая энергия импульса излучения неодимового лазера теоретически ничем не ограничена. Практика, правда, не столь радужна, но всё равно именно на неодимовом стекле получены рекордные показатели энергии импульса излучения, как, например, на установке NIF в Ливерморской Национальной Лаборатории — 1.5–2 МДж.
Но я вернусь опять в 1960е годы. Пока в других странах лазеры исследовали и думали, для чего их можно применять, в СССР решили вновь доказать что и в области лазеров «мы впереди планеты всей». А значит надо запустить в производство самые мощные в мире (на тот момент) лазеры и выпускать их серийно партиями в сотни-тысячи штук. Таким образом, родились первые серийные семейства твердотельных лазеров ГОР и ГОС. Что означало «Генератор Оптический на Рубине» и «Генератор Оптический на Стекле». Линейка ГОР состояла как минимум из 3 моделей — ГОР-0.2 (переносной рубиновый лазер для демонстраций в учебных заведениях с выходной энергией 0.2 Дж), ГОР-100 (100 Джоулей выходной энергии в режиме свободной генерации), ГОР-300 (300 Джоулей на свободной генерации). Линейка ГОС была представлена по неподтвержденной информации 4 мя моделями — ГОС-30 (30 Дж), ГОС-100 (100 Дж), ГОС-301 (300 Дж) и ГОС-1001 (1000 Дж!). Все эти лазеры конструировались по принципу подобия и выпускались на заводе ЛОМО довольно большими партиями. Как минимум в каждой лаборатории связанной с лазерами можно было встретить хотя бы один из них. Особенно много было выпущено лазеров ГОС-1001. Общий вид установки приводится ниже.
И действительно, ГОС-1001, появившись в 1969 году, стал самым мощными серийным лазером в мире, не имея зарубежных аналогов. Тут я опять подчеркиваю отличия между плановой и рыночной экономикой. За рубежом 1000 Джоулей лазерной энергии тогда просто никому не были нужны. Лабораторные прототипы наверняка были, но мыслей о том, чтобы производить лазеры на 1000 Дж тысячами штук, и набивать ими склады не было. ГОС-1001, как и остальные модели в линейке, выпускались просто в виде самостоятельного объекта — лазерного излучателя в комплекте с источником питания. Он мог или использоваться самостоятельно или встраиваться в какое-нибудь оборудование — научное, технологическое, или даже медицинское. Да, в то время думали, что 1000 Дж лазерной энергии может помочь избавиться пациенту от какой-нибудь болезни и велись активные исследования в этой области. Даже выпустили специальную установку Импульс-1, начинка которой практически полностью идентичная таковой у ГОС-1001.
Остановлюсь немного на конструкции лазера. Излучатель состоит из литого алюминиевого основания, на котором смонтирован квантрон, содержащий активный элемент из стекла ГЛС-1 с диаметром 45 и длиной 620 мм соответственно. Активный элемент окружен 4 мя лампами накачки ИФП-20000, каждая из которых способна к излучению 20000 Дж света. Для того, чтобы свет ламп накачки максимально эффективно поглощался АЭ, лампы снабжены отражателями, которые направляют и фокусируют свет в центр стержня. Для отвода тепла АЭ снабжен рубашкой водяного охлаждения из стеклянной трубы. Говорят, стекло какое-то особое там применяется, возможно оно выполняет функцию светофильтра для отсечки того участка спектра, который не пригоден для накачки. По бокам от квантрона установлены зеркала резонатора на юстировочных механизмах. Зеркала имеют диаметр 52 мм, коэффициенты отражения 99.9 и 20% соответственно. Фото излучателя без крышки и отражателей представлено ниже.
Ниже приводятся выдержки из книги «Лазеры в клинической медицине» Плетнева, согласно которым становится понятно, что внутри медицинской установки Импульс-1 потроха от ГОС-1001.
Источник питания лазера (как ГОС1001 так и Импульс-1) представляет собой шкаф, большую часть места в котором занимает батарея конденсаторов поделенная на 4 секции — по одной на каждую лампу накачки. Емкость каждой секции составляет 1200 мкФ, а напряжение заряда для лазера ГОС-1001 достигает 5 кВ. Остальное место в шкафу занимают системы управления, заряда и поджига ламп накачки, а также блок охлаждения АЭ. Скорострельность лазера — 1 выстрел в 5 минут, и это ограничивается тепловыми свойствами АЭ, а не источником питания. При более частых выстрелах АЭ начинает перегреваться и энергия излучения снижается, а при дальнейшем перегреве возможно разрушение АЭ.
Не было бы этой статьи, если бы излучатель от ГОС-1001 не попал в мои руки. Сценарий все тот же — в одной из лабораторий он уже никому не нужный собирал пыль на полке. Часть кабеля была обрезана, а источник питания был разобран. Конденсаторы благополучно отправились в металлолом, а некоторые детали, такие как поджигающие трансформаторы, разрядные дроссели, вакуумные выключатели для снятия заряда с конденсаторов нашлись по разным углам. Также удалось найти новую трубу водяной рубашки АЭ и несколько ламп ИФП-20000.
Фото спасенного от помойки излучателя ниже.
Без наружного кожуха. Маленький квантрон К301 для масштаба.
Кабель питания напоминает силовой для высоковольтных электросетей.
Далее я принялся за разборку и дефектовку. То, что излучатель хорошо потрепан жизнью — было вполне очевидно. На торцах АЭ присутствовал налет пыли и нагара.
С отражателей начало отслаиваться покрытие.
Покрытие зеркал резонатора пошло трещинами.
В водяной рубашке было большое количество накипи, рубашка явно требовала замены.
Активный элемент обладает очень внушительными размерами и весом.
Лампы накачки ему не уступают
Мелкие детали на время дефектовки сложил в коробку.
Первое что я сделал — заменил водяную рубашку и отчистил торцы АЭ. Было так.
И так стало.
Также требовалось восстановить изоляцию внутренней электропроводки излучателя. Старая резина потрескалась и отваливалась лоскутами в некоторых местах. Поврежденные участки переизолировал стеклослюдинитовой лентой, которая применяется для изоляции обмоток электромоторов на высокое (6 кВ) напряжение.
Было-стало.
Кроме того были тщательно вымыты лампы и отражатели. С зеркалами резонатора, увы, ничего не сделать, пришлось их оставить как есть. Самое главное, что нужно для запуска такого лазера — это конденсаторы, хотя бы половина от исходного количества. Встречаются в продаже они не часто, и достать их — дело случая. В течении нескольких лет удалось купить необходимое количество, постоянно мониторя доски объявлений. С тех пор такие конденсаторы больше не появлялись в продаже. Купить удалось 32 штуки, часть из которых имеют дефекты, около трети их ужасно ржавые, вплоть до того, что точечно потеряли герметичность и уже сочились касторовым маслом. Применяются тут конденсаторы к41-и7 с номиналом 100 мкФ 5 кВ. В перспективе хотелось бы довести количество конденсаторов до 48.
После приобретения конденсаторов можно было начинать делать блок заряда и управления. В первую очередь был намотан высоковольтный трансформатор для источника зарядного напряжения. Сетевое напряжение 220В он повышает до 3400В.
После этого можно было начинать компоновку будущего БП. Изначально была нарисована вот такая схема. В итоге она служила лишь некоторым ориентиром, по ходу сборки вносилось много изменений и доработок.
Силовая схема одного канала накачки выглядит так.
Цепь с трансформатором Т1, диодом D1, конденсатором С1, резистором R1 и неоновой лампочкой служит для контроля срабатывания лампы накачки. При прохождении импульса тока во время вспышки лампы во вторичной обмотке трансформатора тока Т1 возникает напряжение, которое заряжает С1. После этого неоновая лампочка горит несколько секунд. Если вспышки не происходит — то, соответственно, и лампочка не горит. Дроссель L1 служит для затягивания импульса разряда до необходимой длительности. При слишком резком разряде лампы могут взрываться.
Первая прикидка компонентов блока заряда. На нижнем уровне расположились зарядный трансформатор, пускатель для его включения, высоковольтный выпрямитель, зарядно-разрядные резисторы, вакуумный выключатель, низковольтный трансформатор, трансформатор питания цепи поджига, резисторы гасящие для киловольтметра, а также механическое реле времени, с помощью которого определяется напряжение, до которого успеет зарядиться батарея.
На втором уровне расположились трансформаторы поджига, трансформаторы тока и разрядные дроссели. Один из трансформаторов поджига пришлось перематывать из-за пробоя изоляции. В качестве трансформатора тока решил попробовать обычные строчники от ламповых телевизоров.
К нижней части второго «этажа» крепятся разрядные дроссели, накопительный конденсатор системы поджига и его коммутационный разрядник, а также второе реле времени для задержки включения зарядного трансформатора относительно низковольтного.
Первый поджиг импульсной лампы ИФП-20000
Эксперименты показали недостаточную электропрочность изоляции в поджигающих трансформаторах. Пришлось перемотать их все. Не смотря на то, что они залиты эпоксидкой, раскурочить её и достать обмотку не составило больших трудностей.
Место пробоя
Куски заливки смотрятся крайне аппетитно.
Размотанный трансформатор
После перемотки трансформаторы поджига выглядят так. В качестве трансформаторов тока теперь классические, собственно, трансформаторы тока. С номиналом 50\5А.
Также первые эксперименты выявили плохую надежность работы механического реле времени. Вибрации создаваемые включающимся или выключающимся контактором провоцировали сильный дребезг контактов реле времени. Тогда я заменил его электронным, собранным по простейшей схеме. Номиналы RC-цепи R1-R3 C2 подбираются исходя из желаемой величины задержки. На место одного из резисторов я поставил переменный резистор, что позволило регулировать задержку от 40 секунд до 5 минут.
В «железе» эта схемка у меня выглядит так.
Все силовые выводы я смонтировал в специальной клеммной коробке на задней стенке БП.
После этого занялся сборкой передней панели. На ней расположились силовой автомат, кнопки вкл-выкл заряда, контрольные лампочки, регулятор энергии заряда, замок-выключатель для защиты от несанкционированного запуска, киловольтметр, разъем для подключения выносного пульта и кнопка-микрик, маленькая и незаметная — для поджига ламп накачки.
Для пробных запусков ламп накачки сделал соединительные провода
После установки передней панели на место БП приобретает более-менее законченный вид. Лампы также приготовлены и подключены.
Пилотный вариант батареи конденсаторов, легковесный. По 2 конденсатора на лампу.
С ней были проведены первые пуски ламп накачки и удалось убедиться что все лампы срабатывают, и делают это синхронно. Вспышка ламп чрезвычайно яркая, хорошо видна в других комнатах из-за переотражения света от стен коридора. А также великолепно освещает улицу через окно. А ещё вспышка сопровождается громким бабахом. Следует отметить, что средства защиты глаз при экспериментах с такими лампами строго обязательны. А ещё не лишним будет напомнить, что конденсаторная батарея, заряженная до 4–5 кВ смертельно опасна.
При выключении питания вакуумный выключатель закорачивает батарею на зарядные резисторы, что позволяет безопасно снять заряд в течении нескольких минут.
После первых испытания я собрал батарею из 20 конденсаторов, по 5 штук на каждую лампу.
Затем я изготовил небольшой объектив для фокусировки излучения лазера.
Подключил лазер к источникe питания и установил систему охлаждения.
Ну, а дальше начал большую серию экспериментов уже с лазером. Это удивительно, но порог генерации лазера составил 9 кДж, что намного меньше, чем заявлено в документации на него.
Полетели искры из металла.
2 последовательных выстрела в стальную пластину толщиной 3 мм дают сквозное отверстие.
В картоне сразу получались сквозные отверстия с сильными окружающими повреждениями — вокруг входящей стороны отверстия картон расслоен и порван на лоскуты.
Первые результаты впечатлили и были очень многообещающими. Ведь измеренная энергия при накачке 9 кДж составляла всего 25–27 Дж. Измерения делал с помощью прибора ИКТ-1
Казалось бы, стоит довести энергию накачки до предела, и он будет одним выстрелом прошивать 5–10 мм стали. Но не тут-то было. При увеличении энергии искр становилось больше, разлетались они в большем радиусе, кратер на стальной пластине увеличивался в диаметре, но на пробой 3 мм пластины все равно требовалось 2 выстрела. Просто финальное отверстие получалось бОльшего диаметра. Зато с одного выстрела с легкостью дырявились пятаки с внушительным диаметром выходящего отверстия и стальные пластины до 2 мм толщиной.
Причин возникшего «топтания на месте» в плане пробиваемой толщины стали за один выстрел виделось как минимум две: во-первых, за те несколько сделанных выстрелов фокусирующая линза оказалась наглухо запорота — её просто сжигает факелом плазмы из точки попадания. Вторая возможная причина — неточная юстировка зеркал резонатора, о ней будет ниже. Вот так выглядит факел плазмы в момент воздействия лазерного излучения. Розовый фон это не дефект «баланса белого». Это не что иное как засветка отраженным лазерным излучением, которое фотоаппарат воспринимает как розовое. Его интенсивность достаточно велика, чтобы преодолеть все имеющиеся внутри фильтры, поэтому опять же, защита глаз при экспериментах с таким лазером строго обязательна, очки с фильтрами СЗС-22 позволяют вполне безопасно работать, так как для излучения в 1060 нм там ослабление в 1000000 раз (OD6).
А это то, что происходит с короткофокусной линзой. Поверхность полностью теряет оптическое качество, становится шершавой на ощупь и практически непрозрачной.
Увеличение фокусного расстояния линзы также увеличивает диаметр фокального пятна, а значит «пробивная способность» у излучения снижается. Хотя, новая линза позволила на более длинном фокусе также легко пробивать пятаки и сталь толщиной до 2 мм. Юстировка резонатора также самым прямым образом влияет на излучаемую энергию, но, вместе с этим, влияет и на набор излучаемых мод. Действительно, при переюстировке резонатора удалось добиться бОльшей энергии излучения и снижения порога генерации до 6–7 кДж. Розовая кривая соответствует хорошо съюстированному резонатору, а синяя — плохо съюстированному. Измерения велись тем же прибором ИКТ-1. Каждая точка выставлялась по усреднению трех измерений на выбранной энергии накачки. Зависимость выходной энергии от накачки практически линейная в обоих случаях. Кроме того, постепенный нагрев воды в системе охлаждения также снижает энергию излучения — это третий фактор влияния. На самом деле с нагревом сначала увеличивается расходимость пучка (фокусировка становится хуже), а потом снижается энергия генерации. 10 выстрелов на полной энергии хватает, чтобы температура воды в системе охлаждения поднялась до «ощутимо теплой». Потребовалось подключить второй контур охлаждения для того чтобы устранить перегрев.
Результат на розовом графике достигается за счет появления в излучении мод высших порядков. Поскольку резонатор состоит из плоских зеркал, то селекции мод не происходит — условия генерации для всех мод одинаковы. Моды высших порядков фокусируются крайне плохо, а значит, практически не участвуют в углублении отверстия в фокусе, а лишь разогревают металл вокруг. От этого кратер увеличивается в диаметре, но практически не идет в глубину. На данном фото наглядно видна разница между величиной кратеров — правый получен короткофокусной линзой на меньшей энергии, а левый — длиннофокусной на бОльшей. И в том и другом случае потребовалось 2 выстрела для сквозного пробоя.
Неожиданным было увидеть, что оказывает влияние, какой стороной плосковыпуклая линза обращена к излучению — это влияет на величину её сферической аберрации. Если линза обращена к излучению выпуклой стороной, а не плоской, то аберрация меньше и фокусировка острее. Это позволило снизить энергию для пробоя пятака примерно в 1.5 раза — с 300–320 до 180–200 Дж.
Также весьма эффектно выглядит стрельба в алюминий. Кусок алюминиевого листа 6 мм толщиной пробивается насквозь за 2 выстрела при хорошей острой фокусировке и за 3 выстрела при плохой на полной энергии в 350 Дж.
Отдельно стоит сказать несколько слов о воздействии несфокусированного излучения — из резины оно вышибает факел огня длиной примерно 20 см, а с алюминированных зеркал просто бесследно испаряет покрытие. К сожалению, я не задокументировал этот эксперимент, так что придется поверить на слово. Зато он поставил жирную точку в спорах «спасет ли зеркало от лазера» и «можно ли защититься от боевого лазерного излучения зеркальным покрытием». Однозначный ответ — нет.
Теперь изложу кратко выводы из всего вышеизложенного.
Лазеры серии ГОС действительно являются уникальным наследием советской лазерной промышленности. Но, по правде говоря, мои ожидания несколько разошлись с реальностью. Мне стало понятно, что сама по себе энергия излучения не так важна, как возможность эту энергию хорошо сфокусировать. Из-за плохой фокусировки, обусловленной расходимостью, модовым составом, не самыми качественными линзами не удалось достичь ожидаемых результатов, например сквозного пробоя 6 мм стали с одного выстрела. Еще стоит отметить что на таких энергиях заметная доля лазерной энергии поглощается плазмой в фокальном пятне и уходит по сути в свисток. Именно поэтому более мелкомасштабные лазеры, с энергией в десятки Дж ровно также дырявят одним выстрелом пятаки итп — просто от того, что исходный их пучок тоньше (а не с пол-ноги толщиной), фокусировка лучше, а плазмы в фокальном пятне меньше. У меня была возможность подключить ещё 10 конденсаторов к батарее, и я это сделал, но результаты мало отличались от уже полученных. Экстенсивное наращивание энергии приводит к наращиванию светошумовых эффектов, но не «полезной работы». Именно поэтому в одной из лабораторий ГОС-1001 справедливо называли «Тысяча джоулей понтов» и мало на что годным «из коробки» кроме как для светошумовых эффектов. Желание сделать из этого лазера что-то более приличное приводит к тому, что нужны не самые тривиальные доработки — например установка криволинейных зеркал резонатора для компенсации тепловой линзы АЭ и элементов селекции для генерации одномодового излучения. Но заслуживает ли этот лазер титула «домашней звезды смерти» при всех его недостатках? Однозначно заслуживает.
Также есть видеобзор этого лазера сделанный моим другом, доступный по ссылке:
Использованная литература:
1. Генератор оптический на стекле ГОС-1001. Техническое описание и инструкция по эксплуатации
2. Б.Р. Белостоцкий Основы лазерной техники
3. Плетнев С.Д. Лазеры в клинической медицине.
Добровольную матпомощь можно отправить на следующие реквизиты:
doge: DLLNGqSeyXo786jiurzMAnj8USwaU5u9xY
BTC: 3BV9B2Jsy8CY86YHpsBgrXsQe3N2db8yF8
ETH: 0×193c70a3826c63eb3738a9d3c982c02ba3a07c84
