تعلم الليزر النيتروجيني - الجزء 2: الليزر التفريغ الطولي

في الجزء الأخير ، درسنا أمثلة لتصاميم محلية الصنع ومصنع من أشعة الليزر النيتروجينية المستعرضة ، وهذا هو الهيكل الذي أصبح الأكثر شعبية للتكرار من قبل افعل ذلك بنفسك. وهنا مزايا لها:

1. البساطة. كما ذكر أعلاه ، في كثير من الحالات حتى بناء ليزر النيتروجين البسيط محلي الصنع الذي يعمل في الهواء الجوي ينطبق تماما ، حتى مع العمل العلمي الجاد جدا في المختبر.
2. طاقة نبضية خرج خطير للغاية - عشرات من الميلي جول في المنشآت الكبيرة.
3. مدة نبضة قصيرة جدًا ، تصل في بعض الحالات إلى مئات البيكو ثانية.
4. مزيج من اثنين من العوامل السابقة يجعل من الممكن تحقيق قوى دافعة هائلة - عشرات إلى مئات ميجاوات.

ولكن هذا الهيكل لا يخلو من بعض العيوب. أي منها وما الذي أدى إلى القضاء عليها؟ اقرأ على.



في الجزء الأخير ، قدمت أمثلة على أشعة الليزر النيتروجينية المتاحة في الغرب. ولكن في الاتحاد السوفيتي السابق ، كانت "مدرسة التصميم" مختلفة تمامًا.

إذا كان الليزر النيتروجيني يخفض الضغط تدريجياً ويزيد المسافة بين الأقطاب ، فيمكنك تدريجياً الوصول إلى ... ليزر التفريغ الطولي. عندما يتم محاذاة كل من التفريغ الكهربائي في الغاز والإشعاع. في هذه الحالة ، يحترق التفريغ في أنبوب زجاجي رقيق ، كما هو الحال في ليزر الهليوم النيون. عند انخفاض ضغط النيتروجين ، يكون كسب الوسيط أقل ، وتقترب مدة النبضة من الحد الأقصى الممكن (القيمة الطبيعية هي 10-20 نانوثانية) ، ومتطلبات الطاقة أقل.

تتميز ليزرات التفريغ الطولية بمزايا تتغلب على عيوب أشعة الليزر العرضية:

1. جودة عالية الشعاع ، حيث أن التفريغ يحترق في أنبوب دائري ، وعادة ما يعمل الليزر مع مرنان بسيط مصنوع من مرآة عمياء بالألمنيوم ومخرج واحد في شكل لوحة زجاجية متوازية. شعاع ، على التوالي ، هو أيضا جولة من كثافة أكثر اتساقا على المقطع العرضي.
2. القدرة على العمل على ترددات تكرار النبض عالية (تصل إلى عدة آلاف هرتز).
3. قدرة إشعاعية عالية نسبيا في المتوسط ​​، تصل في بعض الحالات إلى مئات ميغاواط.
4. ارتفاع الاستقرار من قوة الإشعاع.

تختلف طريقة إثارة فترة قصيرة من التفريغ اختلافًا جذريًا - عادة ما يتم تحفيزها باستخدام محول نبض عالي الجهد. يتم تحويل المحول على كومة من حلقات الفريت باستخدام كبل متحد المحور عالي الجهد. يتم قطع الجديل الخارجي للكابل إلى أجزاء بحيث ، عبر ثقب في الحلبة ، تكون هذه القطع من الجديل مكونة من دورة واحدة أو 2-3 لفات وترتبط أطراف هذه القطعة من الجديل بشكل متوازٍ. والجوهر المركزي للكابل ، الذي يتم توزيع قطع الجديل عليه بالتساوي ، يتم جرحه على كومة من الحلقات باستمرار ، مكونة من 10 إلى 15 دورة. وبالتالي ، من خلال تغيير طريقة قطع الجديل ، من الممكن تحديد جهد الخرج بمرونة ، بينما لا توجد قيود أساسية على جهد الخرج القابل للتحقيق. يمكن أن يكون لهذا المحول أي نسبة تحويل ، في حين أن مولد Blumlein يمكنه مضاعفة الجهد فقط.

ومع ذلك ، فإن الليزر التفريغية الطولية لا تخلو أيضًا من عيوبها ، بالإضافة إلى الحاجة إلى مرنان ضوئي وفراغ. هم الذين تسببوا في انخفاض معدل انتشارهم ، باستثناء بلدان الاتحاد السوفياتي السابق ، حيث احتلوا مكانة التطبيق الخاصة بهم ، والتي اضطروا إلى تحملها مع هذه العيوب. كان المجال الرئيسي لتطبيق هذه الليزر هو المعدات التكنولوجية للصناعة الإلكترونية الدقيقة ، والتي تتطلب جودة عالية من الشعاع وإمكانية تركيزها بدقة عالية على متوسط ​​طاقة مرتفع نسبيا (لبعض النماذج).

يتميز ليزر التفريغ الطولي أيضًا بـ:

1. انخفاض الطاقة من دفعة واحدة.
2. يتطلب ضغط الغاز المنخفض في الأنبوب تصنيع أنابيب محكمة الغلق ، وهي عملية نفخ الزجاج تستغرق وقتًا طويلًا.
3. عمر خدمة محدود للأنابيب المغلقة بسبب التلوث التدريجي للنيتروجين بواسطة منتجات الانحلال للأقطاب الكهربائية.

الآن دعونا نلقي نظرة على الليزر الأكثر شهرة والأكثر انتشارًا الذي تم تصنيعه بواسطة اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية - LGI-21 ، المعروف أيضًا باسم LGI-503. وهذا هو أول ليزر لي ، حيث بدأت شغفي بالليزر. لقد استعدتها مرة أخرى في أيام طلابي أثناء إيقاف تشغيل الأدوات من أحد المختبرات. مثل أي ليزر ، فإنه يتكون من باعث وإمدادات الطاقة. تبلغ طاقة الليزر المعلنة 3 ميغاواط بمعدل تكرار النبضة يصل إلى 100 هرتز ، وهو بصفة عامة صغير جدًا.



داخل باعث هو أنبوب زجاجي مع تصميم محوري. يوجد في الوسط أنبوب رفيع يحترق فيه التفريغ ، وفي الخارج يوجد حجم صابورة يحتوي على كمية معينة من النيتروجين.





امدادات الطاقة داخل بسيط جدا. يتم وضع محول نبض عالي الجهد في الركن الأيمن العلوي ، ويتم تفريغ المكثفات التخزينية قليلاً إلى اليسار ، والتي يتم تفريغها بواسطة الثايرترون إلى لفه الأساسي ، وفي الوسط يوجد ثايراترون النبض TGI2-130 \ 10 ، وعلى اليسار يوجد محول طاقة عالي الجهد مزود بمضاعف الجهد. يوجد في الركن الأيمن السفلي مولد ذو مصباحين للسيطرة على الثايراترون.



هذا هو بالتحديد الليزر الذي كنت أول من تعلم إصلاحه وضبطه ودراسته بعناية.

الآن ، سوف أخبرك كيف تمكنت من استعادة القدرة على العمل لأنبوب ليزر محكم الإغلاق لأول مرة ، والذي كان في ليزر LGI-503 ، الذي حدث منذ فترة طويلة ، في بداية شغفي بتكنولوجيا الليزر.

بعد ضبط المرايا بعناية عند تشغيلها ، أنتج الليزر شعاعًا "بطيئًا" للغاية.





لم تعد هناك أي حيل مع إعدادات مصدر الطاقة وإعدادات النسخ المتطابقة - فقد أشار كل شيء إلى أن الغاز الصادر منه "قد نفد". اعتقادي أنه لن يكون أسوأ من ذلك ، قطعت الحلمة على أنبوب الليزر ولصقت قطعة من الأنبوب الزجاجي بها. في الداخل ، قمت بإدخال قطعة من الخرطوم من قطارة ووصلتها بمضخة تفريغ. تم إدخال إبرة في اللثة بخرطوم آخر من القطارة ، حيث كان هناك مشبك - تم الحصول على تسرب غاز مرتجل.



ثم قمت بتشغيل المضخة وانتظرت أن تضخ الأنبوب إلى أقصى فراغ ، ثم فتحت قليلاً "التسرب" وشغّلت مصدر الطاقة. تم إضاءة تصريف ساطع وثابت في الأنبوب ، وظهرت أشعة ساطعة للغاية (فيما يتعلق بما حدث) في الخرج!



في الوقت نفسه ، في "الهواء المنعش" ، كان الليزر قادرًا على إعطاء جيل دون مشاركة مرآة الإخراج الخاصة بالرنان ، إلا أن قوته كانت أقل بالتأكيد.



تلألأ لوحة زجاج اليورانيوم بشكل خاص تحت الشعاع.



كما اتضح فيما بعد ، يعمل هواء الغرفة أيضًا بشكل كامل في أجهزة الليزر ذات الضغط المنخفض مع التفريغ الطولي. من خلال تحديد الضغط ، كان من الممكن العثور على أقصى طاقة إشعاعية. نظرًا لحقيقة أنني أتيحت لي الآن الفرصة لتجربة الكثير باستخدام ليزر تسلسلي ، لم أكن مهتمًا ببناء جهاز عصامي ذو تفريغ عرضي. وعلاوة على ذلك ، أنا أحب شعاع رقيقة من قسم الجولة أنيق أكثر من ذلك بكثير. وبالتالي ، فإن عملية استعادة أنبوب ليزر النيتروجين عملية بسيطة للغاية ، وهي كافية لفتحه ، وضخه مرة أخرى وتحديد الضغط الأمثل. نطاق الضغط الذي يوجد فيه توليد واسع نسبيا - من أعشار إلى عشرات ملليمترات من الزئبق. الآن ، عندما تمكنت من استعادة القدرة على العمل لأنبوب الليزر لأول مرة ، قررت أن أجني أموالاً جيدة لتعزيز خبرتي وجعل الأنابيب التالية ملحومة مرة أخرى. جمعت 3 أشعة ليزرية غير صالحة للعمل من مختبرات الجامعة وتوجهت إلى مخبأ زجاجي مألوف ، قام بتركيب تجهيزات جديدة من أجل الضخ والتعبئة بدلاً من الكباش المفتوحة.



في نفس المكان في ورشة النفخ بالزجاج ، تمكنوا من ضخ هذه الأنابيب وملئها بالنيتروجين النقي ، ولكن هذا مميز - لم يكن هناك فرق ملحوظ في طاقة الخرج مقارنة بالهواء. يبدو سطوع بقعة التلألؤ كما هو الحال في حالة الهواء والضخ في المنزل.





ثم تم إغلاق الأنابيب ، وتم تجميع أشعة الليزر وإعادتها إلى العملاء. بعد ذلك ، أصبح من الأسهل بكثير الحصول على المكونات التي توقفت عن العمل ، ثم أشعة الليزر الجديدة - تمكنت من الحصول على أنبوبين من ليزر النيتروجين LGI-505 الأقوى والأكثر ندرة ، والذي يتمتع بقدرة معلن من 40 إلى 120 ميجاوات من مصادر مختلفة. لديه أيضًا أنبوب تصريف طولاني ، لكن التصميم أكثر "بلوطًا" - يحترق التصريف في الشعيرات الخزفية ، والتي يتم تبريدها خارجيًا بالماء ، الكاثود مصنوع على شكل أسطوانة ألمنيوم بقطر كبير ، وهي عملية ملحومة على الجانب ، حيث توجد ملحومة دوامة من بعض المواد لإعادة التجديد. النيتروجين إذا انخفض ضغط الغاز في الأنبوب لسبب ما. نوافذ بروستر الضخمة المصنوعة من الكوارتز مذهلة أيضًا. أنبوب الصورة أدناه. الهاتف الثاني في حقيبة لا تزال مغلقة في مكان قريب.



داخل الباعث ، يتم تجميع الأنبوب جنبًا إلى جنب مع دوائر توليد نبضات النانو ثانية تتكون من ثيراترون ، ومحول نبضات (خزان صغير به زيت وعوازل) ، وبعض التفاصيل الأخرى. نظرًا لأنني لا أملك سوى الأنابيب نفسها ، يتم التقاط صورة الباعث من Google.



ولكن ما زلت حصلت على مصدر طاقة خارجي مع الأنابيب. لكنه يتعامل فقط مع توليد الجهد العالي لشحن المكثفات التخزينية داخل نبضات الرادياتير والتحكم في الثايراترون.





في الداخل ، لديه تصميم مثير للاهتمام إلى حد ما - المولد عالي الجهد هو مصدر طاقة سوفيتية قديم للتبديل على الثايرستور مع محول زيت مصغر عند الخرج ، والذي يحتوي على سترة تبريد مياه.



باستخدام الرسوم البيانية من التعليمات المرفقة ، تمكنت من استعادة "جزء الطاقة" الضروري للباعث وتشغيل LGI-505. تتشابه الدائرة بشكل أساسي مع تلك الخاصة بـ LGI-21 ، فقط محول النبض ، الثايترون أقوى ، ومكثف التخزين ذو سعة أكبر. المحول محلي الصنع ، وملف بكابل متحد المحور إلى 6 حلقات من الفريت بحجم 120 * 80 * 12. يتم قطع الجديل على الكابل إلى 8 أجزاء ، جميع الأجزاء متصلة بشكل متواز وتشكل دورة واحدة من اللف الأولي. النواة المركزية للكابل تشكل 8 لفات من اللف الثانوي. تقدر سعة نبض الجهد من المحول بحوالي 70-80 كيلو فولت. تم تثبيت الثايراترون TGI-1-1000 \ 25 ، والذي من حيث المبدأ زائدة ، ولكن لم يكن هناك غير ذلك في ذلك الوقت. تم استخدام مكثف واحد k15-10 بقيمة اسمية 4700 pF 50 كيلو فولت كمكثف تخزين.



يتم توفير نبضات الجهد العالي والتحكم من مصدر الطاقة الأصلي الموضح أعلاه.

عند بدء التشغيل الأول ، ظهر إشعاع ساطع في كلا طرفي الأنبوب ، متجاوزًا قوة الليزر LGI-21 بقوة الرنان الضوئي.



إضافة مرنان إلى أنبوب الليزر هذا جعل من الممكن زيادة كبيرة في انتاج الطاقة.





يبدو مذهلاً بشكل خاص بمشاركة زجاج اليورانيوم كهدف.



كان لهذا الليزر كل فرصة ليصبح منتجًا كاملاً تمامًا ، حتى الانتهاء من العلبة الخارجية.



ولكن بعد ذلك بدأ بناء ليزر البخار النحاسي ، ومن هناك احتجت أولاً إلى TGI1-1000 \ 25 thyratron ، ثم محول النبض لإجراء التجارب. وقد تم تفكيك هذا التصميم جزئيًا ووضعه جانباً في زاوية بعيدة ، وظل مصيره غير معروف حتى وقت قريب جدًا. حتى أردت أن أجعل أنبوب خاص بي من أجل ليزر نيتروجين.

من الصعوبة بمكان صنع ليزر نيتروجين ذي تفريغ طولي أكثر من ليزر التفريغ العرضي ، حيث إنك تحتاج إلى العمل باستخدام أنابيب زجاجية وتلمس فراغًا ، فأنت بحاجة أيضًا إلى أبسط مرنان بصري من مرآة أعمى مبلورة ونافذة شفافة موازية للطائرة. لكن حتى في هذه الحالة ، من الممكن الحصول على جيل باستخدام مولد Blumlein ، الذي أصبح تقليديًا ، مُجمَّع على عدة مكثفات خزفية. الليزر التفريغ الطولي النيتروجين نادرة للغاية بين الشركات المصنعة محلية الصنع ، لكنها كذلك. لسبب ما ، معظمهم من الألمان. فيما يلي أمثلة على التصاميم.

الليزر من adrian-homelab.de





مصغرة ليزر النيتروجين طولية من deralchemist.wordpress.com



واحد آخر ، على ما يبدو ، والذي كان بمثابة المصدر الرئيسي للمصدر السابق ، ليزر توماس راب من pulslaser.de



إنها شعاع ليزر رفيع ومستدير يمثل الحجة الرئيسية لصالح ليزر التفريغ الطولي

أيضًا على الإنترنت ، هناك أمثلة على تغييرات أشعة الليزر الهليونية النيليّة المدللة إلى نيتروجين - في الأساس ، تتمثل المهمة في بناء مصدر للطاقة ونظام فراغ. حسنًا ، تحتاج إلى فتح الأنبوب بعناية ولصق الحلمة به من أجل الضخ. والنتيجة هي نفسها كما في حالة أنبوب منزلي الصنع بالكامل.

وأخيرا ، تصميمي الخاص!

تم تجميع هذا الليزر على منصة كهربائية موجودة تم تجميع ليزر LGI-505 عليها مع بعض التغييرات التجميلية. تم تصنيع محول نبض جديد أكثر استنباطًا ، بنفس المعلمات التي كانت عليها.



تم تثبيت ثايراترون جديد ، أظهر عدم اتساقه في مصدر طاقة ليزر بخار النحاس ، لكنه يعمل بشكل رائع هنا - TGI-1-700 \ 25 ، كبير وزجاجي. تمت إضافة مكثف ثاني k15-10 ، مما يزيد من إمداد الطاقة الكلي للنظام. عن طريق تغيير اتصال المكثفات ، يمكنك اختيار "طاقة المضخة" المناسبة. نتيجة لذلك ، بدأت المنصة التجريبية في الظهور بهذا الشكل ، مع نفس أنبوب LGI505 الذي تم اختباره عليه.



بعد ذلك ، بدلاً من أنبوب LGI-505 ، قمت بتثبيت الأنابيب الخاصة بي.



يتكون أنبوب الليزر من جزء من شعري زجاجي يبلغ قطره الداخلي 3.5 ملم ويبلغ طوله 25 سم تقريبًا ، وتنتهي نهايته بأقطاب من الألمنيوم الملصق والصمغ. كل قطب له تركيب ؛ من خلال واحد ، يتم ضخ الهواء خارج المضخة ، ومن خلال الثاني ، يتدفق الهواء ببطء في الأنبوب. أظهرت الإبرة من حقنة الأنسولين ، والتي يتم إدخالها في خرطوم فراغ مع طرفه داخل ، تماما كما تسرب. على الجانب الآخر من كل قطب كهربائي توجد فتحات توضع عليها شرائح من أنبوب زجاجي بقطر أكبر ولصقها أيضًا ، ونهايتها منشورة بزاوية من Brewster. الكوارتز (كما اعتقدت) يتم لصقها على النوافذ للإشعاع الإلتصاق لهم. يتم تثبيت مرآة الألومنيوم على جانب واحد من الأنبوب لزيادة الطاقة الإشعاعية.



يتم ضخ الأنبوب بمضخة 3NVR1D. عندما يتدفق الهواء عبر إبرة الأنسولين ، يتم ضبط ضغط التوازن على حوالي 10 ملم زئبق. الفن



عند تشغيله ، بدأ الليزر في العمل على الفور. ومع ذلك ، كانت هناك مفاجأة تامة أن نافذة الخروج لم تمرر الإشعاع على الإطلاق ، ولكنها عكست فقط أسفل ، حيث امتص جزئيا في أنبوب بيركس. تحولت النافذة اليسرى إلى أنها حقا الكوارتز وتنبعث منها عادة الإشعاع ، وكان من السهل مراقبة تلألؤ فائقة.



هذا ما حدث على جانب نافذة الإشعاع غير شفاف.



إذا قمت بحظر المرآة المملة ، فستضعف الوهج الأيمن السفلي.



اضطررت إلى استبدال النافذة اليمنى ، هذه المرة بالإطار الصحيح. بعد ذلك ، تجاوزت طاقة الخرج طاقة LGI-21 واقتربت من قوة LGI505 ، التي عملت في وضع بدون مرآة.





وهكذا ، فإن ليزر النيتروجين الطولي الذي يعمل في الهواء والذي يعمل في الهواء كان ناجحًا تمامًا! وبما أن الأنبوب يعمل في وضع التدفق ، فهذا يعني أنه يمكن أن يعمل على غازات أخرى ، باستثناء النيتروجين والهواء. لكن هذه قصة مختلفة تمامًا وحقل غير محروث للتجارب. هذا هو أول ليزر منزلي الصنع بالكامل ، حيث يوجد كل من العنصر النشط (أنبوب تصريف الغاز) ونظام المضخة منزلي الصنع.

لذا ، إذا أراد شخص ما الدخول إلى عالم الليزر والتخصصات ذات الصلة ، فيمكنك البدء بأمان في بناء ليزر النيتروجين. يمكنك اختيار ليزر التفريغ العرضي باعتباره أبسط الليزر ، أو ليزر التفريغ الطولي ، إذا كان لديك مضخة تفريغ وتزويد أجزاء لتجميع نظام مضخة محول. ولكن ، على أي حال ، هذا أكثر متعة من "توصيل الصمام الثنائي ليزر بسائق جاهز وصنع مؤشر ليزر" ، لأن المشاركة في عملية فهم مبادئ تشغيل الليزر على هذا النحو هي أعمق بكثير ، وهذا يعطي تجربة ومعرفة لا تقدر بثمن.