Самодельная лазерная установка «Lightsaber»: как это было. Часть 2
Дисклеймер: этот проект был осуществлен из-за моей большой любви к искусству получения лазерного излучения, во многом ради процесса его реализации, посему попрошу не задавать вопрос «зачем это надо» в комментариях. Представленная ниже информация носит ознакомительный характер, автор не несет ответственности за последствия попыток повторения описанного
Краткое содержание первой части:
• Был построен макет источника питания для лазера на парах меди УЛ-102
• Методом проб и ошибок найдены условия, при котором можно было получить генерацию излучения
• Получена ощутимая мощность излучения, порядка 1 Вт
• Собран окончательный вариант излучателя
• Затем последовала странная череда отказов, поставившая проект под угрозу закрытия.
Что же происходило дальше? Смотрите под катом.
Приостановка проекта произошла из-за натекания активного элемента УЛ-102. Активный элемент был положен на хранение в рабочем состоянии, после 2 месяцев обнаружен натекшим. Судя по установившемуся давлению газа в нем — натекание было очень медленным, так как в нем все ещё можно было поджечь стримерный разряд характерного вида, но вдоль разрядного канала он уже не зажигался. Попытка найти течь успехом не увенчалась. И все это при том, что уже был собран каркас под именно этот тип активного элемента, и установка другого типа туда невозможна.
Так выглядели разряды в АЭ после его натекания.
Выбора не оставалось как искать новый УЛ-102. Пришлось мобилизовать все свои связи в различных НИИ и лазерных лабораториях в разных городах, но это таки дало свой результат — был получен новый активный элемент, также новый, в заводском ящике. При этом он был более свежего года выпуска.
Распаковка нового АЭ:
За время поиска нового АЭ я успел познакомиться с хорошим специалистом по источникам питания ЛПМ, который указал на ряд моих ошибок. Новый АЭ был немедленно вмонтирован в готовый излучатель и эксперименты были продолжены. Была возвращена снова «схема прямого возбуждения» как наиболее простая, но с небольшими модификациями сеточной цепи тиратрона, которая позволила повысить стабильность её работы до уровня генератора Блюмляйна, но все ещё недостаточно. И вновь былинный отказ — во время длительной работы на номинальной мощности сгорела вторичная обмотка одного из силовых трансформаторов ИВН, что сопровождалось выделением колоссальной тучи жёлтого едкого дыма. В качестве временного решения эти трансформаторы были заменены на высоковольтные трансформаторы из советских микроволновок (тоже наследие моего тесластроительства).
«Временное решение трансформаторного вопроса». Платой за это стало снижение достижимого анодного напряжения.
Сгоревший трансформатор был разобран с целью сохранения его железа для намотки нового. На этой фотографии наглядно видна причина перегрева — хорошая теплоизоляция обмотки. Стоило чуть превысить токоотбор (который для советских трансформаторов можно превышать на 20–30%), как обмотка легко перегрелась. Никогда ещё не встречал, чтобы весь остаток окна в железе (без малого по 1 см с каждой стороны и по 5 мм с боков) заполнялся эпоксидкой…
Оставалась одна проблема с источником питания, которую не удалось на этот момент побороть, а именно — плохая стабильность работы тиратрона в области рабочего режима. Генерацию так ещё получить можно, а вот поддерживать длительно нормальную работу лазера уже очень затруднительно. Просмотр множества статей в научных журналах позволил утверждать, что причиной является превышение обратного напряжения на аноде тиратрона в момент его запирания. Особенность импульсных водородных тиратронов состоит в том, что максимальное обратное напряжение, например, 25 кВ для тги700\25 и тги1000\25 можно прикладывать только спустя 25 микросекунд после прекращения тока через тиратрон, когда вся плазма уже рассосалась. Вполне логичным было предполагать, что это правило не нарушается, так как ЧСИ составляет 10 кГц, а значит «зазор» между импульсами — 100 мкс. Но одного фактора я не учел. Плазма дугового разряда внутри тиратрона обладает инертностью. Если не все, то многие, наверное, помнят, что если посмотреть раскадровку погасания дуги, зажегшейся на большой трансформаторной подстанции, то видно, что дуга исчезает не мгновенно, а на протяжении нескольких кадров видео постепенно распадается на отдельные клочки, которые потом постепенно гаснут. То же самое происходит и в импульсном водородном тиратроне — после прекращения тока (запирания) дуговой разряд тоже сравнительно медленно охлаждается, распадаясь на клочки, потом полностью исчезает. Только после окончания этого процесса можно прикладывать к нему 25 киловольт обратного напряжения. Если сделать это раньше — то произойдет новый, несанкционированный пробой тиратрона в обратном направлении и это вызовет КЗ ИВН и срабатывание его токовой защиты. Вернее, не все так инфернально. В момент рассасывания разряда (до истечения оговоренных послеимпульсных 25 мкс) обратное напряжение прикладывать можно, и тиратрон не пробьется. Но только 5 киловольт. Следовательно, при работе тиратрона в схеме накачки лазера на парах меди это напряжение превышается из-за разных нестационарных процессов в момент закрытия тиратрона. Более того, оно становится наибольшим именно тогда, когда в лазерном разряде появляется медь, которая очень сильно меняет характеристики АЭ как нагрузки для генератора, что и приводит к рассогласованию.
Было перепробовано много способов устранить это явление путем оптимизации согласования на разных режимах работы, но радикального результата не получалось — условия которые давали стабильную работу на режиме генерации излучения оказывались непригодными для режима разогрева и наоборот. Радикальным решением было только смена топологии силовой части, с добавлением новых элементов.
Схема силовой части была снова переделана на казавшуюся перспективной схему «управляемого генератора Аркадьева-Маркса» на двух тиратронах. Это сулило использование опять-таки более простых и доступных тиратронов ТГИ1–700\25 без перегрузки по рассеиваемой мощности на аноде. Был переделан для этого и генератор управляющего импульса для того, чтобы одновременно отпирать 2 тиратрона. Идея обновленной схемы состояла в том, что в ней есть 2 конденсатора, которые в момент заряда находятся в параллельном включении, а в момент одновременного отпирания двух тиратронов эти конденсаторы соединяются последовательно, в результате чего их напряжения складываются и прикладываются к электродам АЭ. Это также сулило некоторое улучшение крутизны фронта импульса на АЭ и повышение в результате этого выходной мощности излучения, так как мгновенная амплитуда напряжения на электродах увеличивалась. Был собран новый макет силовой части, который выглядел так:
А на схеме он выглядит все ещё довольно просто, хотя деталей стало больше.
Испытания показали полную неработоспособность схемы в моем исполнении — тиратроны открывались вразнобой. Возможно я делал что-то неправильно. После этого я решил вновь сменить топологию силовой части, после консультаций у специалиста. Итак, модифицированный генератор Блюмляйна. Он практически идентичен обычному генератору Блюмляйна, но в него добавлено ещё несколько элементов. А именно, так называемая «цепь магнитного сжатия импульса». Сущность её работы состоит в том, что амплитуда протекающего импульсного тока через насыщающийся дроссель в момент насыщения дросселя резко увеличивается. Поскольку объем энергии переносимый одним импульсом ограничен, а исходная длительность импульса тоже ограничена, то в момент насыщения дросселя и увеличения тока в цепи — этой порции энергии ничего не остается кроме как «сжаться» во времени, соответственно импульс тока на АЭ (лазерной трубке) существенно сокращается. А раз так, значит длительность импульса тока, проходящего через тиратрон, можно увеличить, а на лазерной трубке длительность импульса — уменьшить, и что самое главное — можно увеличить крутизну фронта на АЭ и поднять выходную мощность излучения. Выглядит очень заманчиво.
Так выглядит собранная мной схема с приведенными номиналами деталей.
Дроссель L2 растягивает импульс тока через тиратрон во времени, а дроссель L4 и есть насыщающийся дроссель для «магнитного сжатия» импульса на лазерной трубке. И эта схема наконец стала стабильно работать! Результат определенно оправдывал затраченные усилия на изготовление нелинейного дросселя. На этом остановлюсь чуть подробнее. Опять же, я решил повторить конструкцию, описанную в литературе. А там предлагалось сделать дроссель, состоящий из одного «витка» толстой медной трубки, пропущенной через 120 мелких ферритовых колечек. Был куплен кусок медной трубки диаметром 12 мм в магазине для холодильщиков. Были куплены ферритовые колечки с небольшим запасом. Дело оставалось за малым — нанизать их на трубку. Нанизывать их все в один прием было нерационально — получалась слишком длинная колбаса. Тогда я решил сделать два отрезка трубки, нанизать на них по 60 колечек и сложить П-образно. Легче сказать, чем сделать. Дело в том, что трубка не идеально ровная, а в колечках диаметр чуть-чуть, на десятые доли миллиметра, но отличается. Даже попадались колечки, в которых отверстие было конусным, или эллиптическим. А то и одно и второе одновременно. Попытка натянуть колечко силой приводило к его мгновенному раскалыванию на кусочки. Около половины наделись свободно, без проблем. Потом пришлось обрабатывать медную трубку шкуркой, до тех пор, пока не начинали залазить следующие кольца. Потом опять шкурить, опять надевать… И так повторять до победного конца. В итоге получилась вот такая конструкция.
Она была установлена в новый макет силовой части.
Установка запущена. Лазер разогревается. За полчаса ни одного срабатывания защиты. Это успех! Наконец появляется спонтанное излучение меди, а за ним и слабая генерация. Потом подстройка зеркал резонатора. И комнату озаряет мощнейший лазерный луч ядовито-зелёного цвета! Световое пятно на белой кафельной стене настолько яркое, что вся комната ярко освещена. И при этом яркость свечения продолжала увеличиваться, пока не достигла постоянной величины. По мере увеличения яркости менялся и цвет луча с ядовито-зелёного до зелёно-лимонного, что свидетельствовало об эффективной генерации жёлтой линии. Мощность излучения превышала полученную до этого минимум в несколько раз, нижний предел предполагался не меньшим чем 3 Ватта. При потребляемой мощности 1800 Вт.
Луч пропущенный через линзу уже очень бодро выжигает на картоне.
Испытания лазера есть и на видео:
Лазерный луч хорошо виден. Диаметр его соответствует диаметру разрядного канала, 20 мм.
Разрядный канал внутри АЭ при рабочей температуре раскален практически добела.
Луч лазера хорошо виден в освещенном помещении.
За короткофокусной линзой красиво виден конус сначала сходящегося перед фокусом пучка, потом расходящегося (область «перетяжки» лучей). Горючие предметы в фокус лучше не помещать.
С помощью осколка CD-диска можно разложить луч в спектр. Тут хорошо видно, что луч имеет зеленую и желтую линии, при этом желтая стала гораздо мощнее чем раньше.
Желтую линию можно выделить отдельно светофильтром, блокирующим зеленый свет, а именно — оранжевым.
Теперь можно было выдохнуть и начать переход от макета к готовому изделию. Первой в корпус была упакована силовая часть. В качестве материала для корпуса было выбрано дерево и фанера, как такие что наиболее легко обрабатываются с помощью домашнего электроинструмента. Все элементы разместились на компактном основании, дроссель магнитного сжатия спрятался в отрезок канализационной трубы и продувается там вентилятором. Анод тиратрона обдувается своим вентилятором. А чтобы горячий воздух не накапливался в закрытом корпусе то установлен ещё третий самый мощный вентилятор, создающий внутри блока сквозняк. Во время установки компонентов это выглядело так.
А в сборе — вот так.
Следующим был упакован управляющий генератор для сетки силового тиратрона. Задающий генератор и усилитель переместились в общий корпус, сделанный так, чтобы его ширина и глубина были равны ширине и глубине силового блока.
Стало получаться что-то наподобие приборной стойки. Блок ИВН был в общем-то уже готов, понадобилось добавить только боковые стенки. Параллельно продолжалась внешняя отделка блоков — было решено покрасить их в черный цвет.
Готовая стойка получилась такой.
И все же меня преследовало ощущение, что работу лазера можно ещё улучшить, ещё увеличить мощность излучения. Поскольку внутри ИВН все ещё оставались «временные» трансформаторы от микроволновок, которые не позволяли получить выходное напряжение больше 5 кВ уже после выпрямителя. Было принято волевое решение — изготовить полностью новый высоковольтный трансформатор с масляной изоляцией и водяным охлаждением. Поставлена задача: выходное переменное напряжение 7 кВ, длительный выходной ток — 400 мА. От вторичной обмотки решил сделать отводы через каждые 500В, начиная с напряжения 4.5 кВ. Расчеты показали, что можно использовать сердечник от сгоревшего трансформатора, окно при этом заполнялось полностью. Сначала намотал сам трансформатор.
Потом он был укреплен к текстолитовой пластине, через которую вышли все выводы.
Потом был изготовлен бак из листового железа найденного на приемке лома.
Внутрь вложен змеевик для охлаждения масла.
Потом трансформатор был собран.
И установлен на положенное ему место.
Запуск лазера с новым трансформатором позволил повысить мощность примерно до 5 Ватт! Т.е. получился полный эквивалент заводской установки, упомянутый в начале статьи. Только меньших габаритов, веса и с меньшим потреблением энергии.
На полной мощности цвет луча становится более желтым.
Желаемый результат достигнут! Осталось только косметическое оформление. Сначала я заказал печать стильных табличек-шильдиков на английском языке для обозначения всех органов управления. В это же время родилось название лазера — Lightsaber. Потому что мощность лазерного пучка, его толщина, характерные звуковые эффекты, сопровождающие работу лазера, очень напоминают световые мечи джедаев. И моя, когда-то детская мечта о таком мече стала удовлетворена, пусть и в такой, довольно искаженной форме. Возможно, адепты мощных лазерных указок со мной не согласятся относительно сходства со световым мечом, но, по моему мнению, у этого лазера сходств больше, несмотря на то, что махать им как указкой никак не получится.
Здесь есть видеообзор получившейся лазерной установки от моего друга, который приезжал в гости.
Оставалось сделать внешний кожух излучателя и подставку. Сырье для него уже было подготовлено — пластиковая канализационная труба диаметром 250 мм. Она была обрезана по размеру, был срезан раструб чтоб было незаметно, и просверлены вентиляционные отверстия. Подставка была также сделана из дерева, конкретно из стенки старого шкафа. Сверху к полученному корпусу была приделана красивая ручка для переноски.
Затем все было покрашено и сделаны дополнительные фальш-панели, закрывающие корпус с торцов. Лазерный излучатель наконец обрел свою окончательную форму.
Зловещее оранжевое свечение лазерной трубки в темноте никого не оставит равнодушным. Особенно когда потом оно сменяется не менее зловещим зелёным свечением.
А источник питания в своей окончательной форме получился размером в два раза меньше обычного холодильника, и с общим весом не более 100 килограмм. Что также выигрывает у заводского шкафа. И при этом неплохо вписывается в интерьер.
Вот такое получилось повествование о самодельной лазерной установке, которая принесла мне колоссальный опыт в лазерной технике, высоковольтной импульсной технике и прочих смежных дисциплинах. Этот проект не был бы осуществлен без поддержки моих друзей и знакомых. Специально я хотел бы поблагодарить людей с помощью которых мне удалось достать 2 активных элемента УЛ-102, Павла Гугина из ИФП СО РАН, который помог советами и ссылками на литературу в оптимизации силовой части источника питания, Алекса Neuromantix«a за помощь в поиске научных статей по теме и плодотворное обсуждение, Александра «Ежа» Ларионова за то что продал мне дополнительные тиратроны, а особенно хочу поблагодарить тех людей из Питера которые помогли с доставкой этих тиратронов из РФ, ну и напоследок хотелось бы поблагодарить Дениса «Нейтронную бурю» за вдохновение заняться этим проектом, за то что вновь смог пробудить детскую мечту. А также всех тех, кто следили за реализацией этого проекта и оказывали моральную поддержку. Благодарю всех за чтение. А тем, у кого до сих пор возникает вопрос «Зачем все это было нужно» — читайте дисклеймер.
Основные литературные источники:
1. Григорьянц А. Г., Казарян М. А., Лябин Н.А. Лазеры на парах меди: конструкция характеристики и применения. Физматлит, 2005
2. Батенин В.М., Бохан П.А., Бучанов В.В., Евтушенко Г.С., Казарян М.А., Карпухин В.Т., Климовский И.И., Маликов М.М. Лазеры на самоограниченных переходах металлов. Физматлит, 2011
3. Лябин Н.А. Создание современных промышленных лазеров и лазерных систем на парах меди для прецизионной обработки материалов. Диссертация на соискние ученой степени доктора технических наук, Москва, 2014
4. Г.Г. Петраш Лазеры на парах металлов и их галогенидов. Труды ФИАН, т. 181, 1987
PS: Почти сразу после завершения проекта удалось отловить совершенно новый активный элемент лазера на парах меди, с выходной мощностью 20 Ватт. ГЛ201 «Кристалл». Но это будет уже совсем другая история…
Начало в первой части
