Doy la bienvenida a todos, este artículo analizará uno de mis proyectos más complejos: una instalación casera con un láser de vapor de cobre. Haré una reserva de inmediato para que el proyecto se haya completado con éxito, llevado a un producto completamente terminado y justifique el nombre que le di. Considero necesario contar con todos los detalles cómo se implementó y lo que tuve que enfrentar en el camino hacia su implementación. La historia de la instalación es bastante larga, por lo que deberá dividirse en varias partes.
Y un pequeño descargo de responsabilidad más: este proyecto se implementó debido a mi gran amor por el arte de obtener radiación láser, en gran parte por su implementación, por lo tanto, le pido que no haga la pregunta “por qué es esto necesario” en los comentarios. La información presentada se muestra con fines informativos, el autor no es responsable de las consecuencias de los intentos de repetir lo descrito.Una foto para llamar la atención.
Y la continuación está debajo del corte.
Primero, tienes que hacer una digresión. La cuestión es que probablemente soy una de esas muchas personas que alguna vez soñaron con su espada de luz o pistola láser, al menos en la forma en que esto es posible con las tecnologías actuales. Y resultó que todo es posible si trabajas en ello. Desde el comienzo de mis días de estudiante, me interesé en la ingeniería eléctrica, es decir, en la obtención de altos voltajes y altas frecuencias. Así que descubrí por mí mismo un dispositivo tan interesante como el transformador Tesla en sus muchas manifestaciones usando una variedad de topologías y una variedad de componentes. Al mismo tiempo, me di cuenta de que me atraía especialmente la estética del motor diésel, es decir, quería que todos mis productos parecieran llegar directamente a mí desde los laboratorios de Frankenstein o Tesla. Es por eso que lancé la base del elemento, que consta de viejos transformadores de aceite, potentes tubos de radio, generadores de motores de alta frecuencia (umformers), medidores de panel de medición en una caja de carbolito, etc. Sin embargo, resultó que ya era difícil sorprender a alguien, incluso con una descarga bastante larga del transformador Tesla. Por lo tanto, decidí cambiar la dirección de la actividad, tomando el nicho en el que muy pocas personas se aventuraron a entrar. A saber, dedicar su hobby a la tecnología láser. Mi sueño siempre fue descubrir qué son los láseres, revelar los secretos de su dispositivo y trabajar, finalmente, para construir su propio generador de radiación coherente. Con el paso del tiempo, estudié mucha literatura, hablé con diferentes personas, gradualmente acumulé experiencia en el estudio, la instalación y reparación de láseres en laboratorios y obtuve "swag" en forma de láseres enteros y sus fragmentos, que estudié de la manera más detallada.
Entre toda la variedad de láseres, uno de ellos merece mucha más atención que los demás: un láser de vapor de cobre. Cuando logré ver y sentir un láser de este tipo mientras trabajaba en uno de los laboratorios, creó mis impresiones más poderosas. Pero todo esto es esto. Este es el láser más efectivo que opera en el rango visible del espectro, capaz de tener una potencia de radiación de decenas de vatios a longitudes de onda de 510 nm (verde brillante) y 578 nm (amarillo saturado). Un haz que contiene ambas líneas de emisión tiene un color verde-limón único y es capaz de quemarse a través de varios materiales combustibles no peor que un haz láser infrarrojo de CO2. El objetivo era adquirir dicho láser.
Mientras trabajaba con un láser similar en el laboratorio, me di cuenta de que no puedo contar con la compra de una instalación terminada, a pesar de los intentos realizados. Demasiado grande, pesado y caro. Como cualquier láser, consta de dos partes principales: el emisor y la fuente de alimentación. Así es como se ve uno de los primeros modelos de un láser de este tipo: LGI-101. El emisor mide casi 2 metros de largo y la fuente de energía tiene el tamaño de un refrigerador doméstico "completo". Y pesa como 4 refrigeradores. La potencia de radiación láser declarada en total para ambas líneas de emisión es de 5 vatios con un consumo de 2.5 kW. La apariencia del emisor y la fuente de energía se puede ver en las fotografías:
El emisor, a su vez, consta de su propio conjunto de partes: la más importante: el elemento activo, luego los espejos del resonador, el sistema de enfriamiento y la carcasa en la que está todo ensamblado. La fuente de alimentación consta de una serie de bloques funcionales, que se describen a continuación. Por lo tanto, tuve que limitarme a buscar solo la parte irremplazable: el elemento activo (tubo láser de descarga de gas), y luego movilizar toda mi experiencia y botín para construir todo lo que falta. Después de un tiempo, con la invaluable ayuda de mis amigos, finalmente recibí una valiosa caja de madera por correo, con un elemento activo completamente nuevo como UL-102 "Quantum", un desarrollo más reciente en comparación con LGI-101. En comparación con LGI-101, UL-102 es casi la mitad del tamaño, produce exactamente la misma potencia de radiación y el consumo de energía es 1.5 veces menor, es decir. Es mucho más económico. El elemento activo "desnudo" (AE) del UL-102 tiene este aspecto.
Este es un dispositivo masivo hecho de metal, cerámica y vidrio. En su interior tiene lugar la conversión de energía eléctrica en una descarga de gas de alta corriente, a partir del calor del cual se evapora el cobre metálico, y en el que los átomos de cobre pasan a un estado excitado. Al pasar del estado excitado al suelo, los átomos emiten fotones que, al chocar con otros átomos excitados, provocarán la emisión de nuevos fotones, hasta que la luz se amplifique al máximo valor posible, que está determinado por el grado de excitación del medio activo. Para que la luz pase libremente a través del tubo láser y se amplifique en él, se necesitan ventanas ópticas masivas en los extremos, y para consumir menos energía para calentar el cobre a su temperatura de evaporación, se requiere un buen aislamiento térmico del tubo interno de descarga de cerámica, que está encerrado en una carcasa externa de cerámica rosa. . La energía eléctrica se suministra a los dos electrodos metálicos desde el exterior, y dentro del tubo hay neón bajo presión atmosférica reducida. Es la descarga en neón la que sirve como fuente principal de calor para la evaporación del cobre, ubicada en forma de pequeños pedazos dentro del canal de descarga, no hay vapores en el tubo frío, y sería imposible encender la descarga si hubiera un vacío completo. Junto con el tubo láser, también obtuve un conjunto de espejos de resonador.
Por lo tanto, los detalles más importantes ya han aparecido en mí.
Ya tenía una idea sobre el principio de funcionamiento de este láser y lo que se necesita para obtener una potente radiación coherente de un conjunto de piezas de repuesto. Era necesario encontrar el sistema óptimo de estabilización térmica del elemento activo, armar todo en forma de un emisor láser y, lo más importante, construir una fuente de energía.
De la literatura se sabe que un láser de vapor de cobre solo puede funcionar en modo pulsado. La frecuencia de repetición de pulso para el tubo UL-102 puede variar de 6 a 16 kHz. Cada pulso de potencia individual debe tener un frente pronunciado de aumento de corriente a través de la descarga. Idealmente, si la inclinación del frente de corriente a través de la descarga está en el nivel de 50 nanosegundos, que es proporcional a la vida útil del estado excitado de los átomos de cobre, y la corriente en el pulso será de varios cientos de amperios con una duración de 300 a 1000 ns. En términos generales, la generación láser se producirá en una pendiente más baja del frente, a un nivel de 100 ns e incluso 300 ns, pero su eficiencia será mucho peor. También debe tenerse en cuenta que el voltaje en los electrodos del tubo en el tiempo previo a la ruptura debe ser de al menos 10 kV, y preferiblemente más. La potencia promedio invertida en la descarga por pulsos individuales debería ser suficiente para calentar y mantener la temperatura óptima del vapor de cobre, y para UL-102 el valor mínimo de esta potencia es de 1600 vatios. Hubo buenas noticias: los vapores de cobre tienen la mayor ganancia. Esto significa que los requisitos para la precisión de alineación del resonador son muy liberales (no se necesitan dispositivos especiales de alta precisión para montar y ajustar la posición de los espejos). Además, la ganancia es mayor, mayor es la concentración de átomos de cobre en la descarga, es decir si se calienta lo suficientemente fuerte, el láser puede obtenerse no con dos, sino con un espejo, o incluso sin ellos (amplificación de emisión espontánea o "superluminiscencia" en un solo paso). Esto facilitó enormemente la tarea de construir el diseño primario, es decir la tarea se simplificó a la construcción de solo una fuente de energía, y la construcción del emisor se puede posponer hasta el momento en que se resuelvan las sutilezas con energía. Ahora sobre nutrición. Si observa el circuito de alimentación del tubo, a primera vista, todo es extremadamente simple. Solo algunos detalles cuando se utiliza la topología más simple, que en la literatura se llama el "esquema de excitación directa".
Todo es simple: 2 inductores, 2 condensadores, un tirotrón de conmutación, un transformador de control de tirontrón. Todo es simple hasta que observe los valores de las piezas y los requisitos para ellas. Dado que la tarea es obtener una buena pendiente del frente del pulso de corriente a través del elemento activo, el tiratrón necesita una alta velocidad, con llenado de hidrógeno, alto voltaje inverso y alta corriente de conmutación. La corriente de pulso mínima deseada para un tiratrón es de 500 amperios. Mejor: 1000 o más. El voltaje inverso necesita al menos 20, preferiblemente 25 kV. Tales tirratrones generalmente se usaban en radares y obtenerlos no es fácil. Pero tuve suerte. Una pareja yacía entre los escombros del botín. La mirada cayó sobre el hermoso vaso TGI-700 \ 25, del tamaño de una botella de refresco de dos litros. Según los parámetros nominales con los que se adapta, solo la velocidad declarada relativamente baja (700 Hz) fue vergonzosa, pero se decidió intentar usarla por ahora. Condensadores De 1000 a 3300 pF el almacenamiento principal y 235-470 pF adicional entre los electrodos del tubo. Ugh, solo eso. Pero! Se necesita una tensión de funcionamiento de 15 kV. Y una baja pérdida a alta frecuencia es altamente deseable; la inductancia espuria debe ser minimizada. Después de todo, necesito obtener un frente corto de la corriente a través del tubo, de lo contrario no veré fotones coherentes como mis propios oídos. Por lo tanto, solo son adecuados los condensadores de cerámica con una alta potencia reactiva permisible, que se utilizan en transmisores de radio de tubo y los mismos radares. Fffuh, puedes exhalar, yo también tengo esos, porque se han acumulado desde el momento en que estuve involucrado en Tesla. Inductancia Pero es más difícil con ellos ... Hasta ahora, no necesitaba estranguladores en mis embarcaciones, al menos de tal magnitud, de 0.5 H, e incluso sin un núcleo, con alta resistencia eléctrica. Tal acelerador es necesario para el llamado. "Carga resonante" de condensadores de almacenamiento. En este modo, el proceso de carga ocurre con la máxima eficiencia, y el voltaje en el condensador puede duplicarse en relación con el suministro. Tuve que cerrar el acelerador en varias secciones, ya que hay experiencia. Al conectar el número deseado de secciones, fue posible regular la inductancia en pasos, y al cambiar la distancia entre ellos, la inductancia se puede ajustar suavemente dentro de ciertos límites. Con el segundo inductor de bloqueo, que es necesario para evitar que la corriente directa fluya a través del elemento activo, es mucho más simple: la inductancia requerida es de 100-300 μH, pero la resistencia eléctrica también es alta. Por lo tanto, también me enrollo en un marco dividido en secciones. Así es como se veía el primer "conjunto de sopa" para la parte más importante, como la llamé, de la fuente de energía.
Pero esto no es suficiente. Para que el tiratrón funcione normalmente, necesita una fuente de voltaje para que el cátodo brille, aparece el primer transformador pesado. Para encender una descarga en un tubo láser y conmutarla, se necesita una fuente de alto voltaje constante, y es muy deseable poder regularla de 0 a 7-8 kV. Finalmente, necesita un generador de una señal de control lo suficientemente potente como para desbloquear el tiratrón. Otro bloque difícil parece generarlo. También fue más fácil con este último, ya que había bloques del diseño fallido de la bobina de la lámpara Tesla con un modo de funcionamiento pulsado, fue suficiente para reconfigurarlos para que funcionen a la frecuencia deseada.
Aquí se montó un subsistema modelo de la tensión del ánodo de la unidad de potencia, llamado "IVN", una fuente de alta tensión. Consistía en dos transformadores de potencia que daban hasta 8 kV de voltaje alterno en serie, un rectificador en forma de puente de diodos en los polos KTs201D, un condensador de filtrado k41-1a a 2 uF 10 kV, LATR a 9A en el circuito primario de transformadores de potencia, botones de encendido y apagado Control individual del generador e IVN, dispositivos para el monitoreo de voltaje y corriente.
El generador de control (submodulador) consta de dos bloques principales: un oscilador maestro y un amplificador de potencia. Ambos bloques están hechos en lámparas: en el maestro, se usa un generador de bloqueo en una lámpara 6n6p con un preamplificador en el tirotrón TGI1-10 \ 1. La fuente de alimentación de los circuitos anódicos es rectificada por el kenotron.
El segundo bloque es un amplificador de potencia, en esta etapa se ensambló en una lámpara GMI-5, consta de un amplificador en sí mismo y un kit de cuerpo en forma de fuentes de polarización para la primera y segunda rejilla, también en rectificadores de kenotrón. Se obtiene un voltaje anódico de 2 kV usando un duplicador de voltaje, también en kenotrones 6d22s. Por eso hay tantas lámparas en este bloque.
Ha llegado el momento en que necesita conectar todos los elementos en un solo circuito. Se veía así.
El circuito de la unidad de potencia se encontraba cerca de la mesa, y se ensambló "en el moco", ya que puede tener que rehacer algo, ajustar los valores de las partes.
El lanzamiento fue inmediato.
A primera vista, todos los componentes interactúan correctamente. Los transformadores están zumbando, se enciende una descarga en el tubo láser, se escucha un chirrido característico con una frecuencia de 10 kHz, se enciende el tiratrón de conmutación, pero la tensión de alimentación aún no se ha incrementado al "diseño" de 6 kV. Estrictamente hablando, el voltaje no juega un papel decisivo, es importante lograr una cierta potencia promedio invertida en la descarga del láser, que para este tubo debe ser de al menos 1600 vatios. Aquí es donde el asunto se estancó. A la vuelta de 500 vatios, el tiratrón perdió el control, simplemente flotando en la posición abierta, lo que provocó un cortocircuito en el IVN. Después de jugar con la frecuencia de repetición de pulso (en adelante denominada ChSI), la capacitancia de los condensadores principales y adicionales, y la inductancia del estrangulador de carga (de grandes secciones), logramos superar este límite y alcanzar el límite primero a 1000 y luego a 1500 W. Solo quedaba esperar a que el calentamiento gradual y el tubo alcanzaran el régimen de temperatura de funcionamiento.
Sin embargo, después de un corto tiempo, unos 10 minutos, el tiratrón volvió a perder el control, cerrando el IVN. ¡Y se hizo evidente que algo estaba mal con el tiratrón! ¡Su ánodo estaba al rojo vivo!
Durante el tiempo en que el dispositivo funcionó de manera estable, el canal de descarga en el tubo láser también se calentó al rojo vivo, ya que, a diferencia del tiratrón, es más que un trabajo normal. Pero esta temperatura para el canal de descarga sigue siendo completamente insuficiente.
Después de varios intentos de reinicio, se hizo evidente que en el tirratrón de este tipo las pérdidas de potencia son demasiado grandes, se necesita otro tirotrón, más adecuado. Tuve que extraer el TGI1-1000 \ 25 thyratron de otro láser pulsado, al mismo tiempo cambié la topología de la unidad de potencia a un circuito más "avanzado", el llamado "Generador Blumlyayn".
Y el diseño ha cambiado por completo: el largo cable de conexión entre el tubo láser y la unidad de alimentación ha desaparecido.
En tal topología, las cosas inmediatamente mejoraron. El circuito funcionó de manera bastante estable y fue posible lograr una entrada de energía en la descarga a un nivel de 2000 vatios. El calentamiento constante del canal de descarga ha comenzado.
Después de aproximadamente media hora de trabajo, el color de la descarga se hizo notable. De naranja neón, primero se volvió rosado, luego se iluminó hasta que se volvió casi blanco, después de lo cual adquirió un sucio tono amarillo verdoso. Apareció la emisión espontánea de cobre, que comenzó a evaporarse. Finalmente, en el contexto de la luz de la descarga, comenzó a aparecer una mancha verde relativamente brillante iridiscente con "manchas". Generación de láser en forma de superluminiscencia, es decir. sin espejos de resonador. El brillo del punto de luz láser aumentó rápidamente, en pocos minutos se volvió deslumbrante.
Si instala un espejo resonador en blanco en un lado del tubo y captura su posición correcta, entonces el brillo aumenta aproximadamente 5 veces y la divergencia del haz disminuye considerablemente
¡El rayo láser es claramente visible!
Y si coloca una lente en el camino de la viga, entonces ya puede quemarse en madera contrachapada. Lo que sugiere que la potencia de la luz es de al menos 0.5-1 vatios. Y esto es con solo un espejo resonador. Por lo tanto, todavía hay una gran reserva de potencia de salida para aumentar mediante la instalación de un segundo espejo. Para un sistema láser casero, ¡esto ya es un gran éxito! Especialmente cuando tales esquemas de poder se dominan por primera vez.
Si refleja el haz con un fragmento de un CD-ROM en la pared, puede ver que hay dos componentes en el haz: verde y amarillo, el componente amarillo es aún menos pronunciado que el verde.
Sin embargo, a pesar de los resultados obtenidos, hubo un problema que no nos permitió proceder a la asamblea final. A saber, la inestabilidad del tiratrón en el modo cuando el láser ya se ha calentado a la temperatura de funcionamiento. Un nuevo ajuste cuidadoso del modo operativo logró mejorar ligeramente la estabilidad, y la protección adicional de alta velocidad contra cortocircuitos facilitó el reinicio del IVN una y otra vez. Pero LATR ya estaba en mal estado, el aislamiento de su devanado estaba seriamente dañado. Los experimentos tuvieron que ser detenidos por un tiempo. Se decidió centrarse en la construcción del emisor. En primer lugar, se hizo una carcasa con una camisa de agua, dentro de la cual se colocó un tubo láser. Es necesario para estabilizar térmicamente todo el emisor para que la carcasa del láser no se caliente desde la superficie lateral muy caliente del AE.También realiza la función de un conductor de corriente inversa ubicado coaxialmente con el AE. Esto le permite reducir ligeramente la inductancia parasitaria de la EA. Un trozo de tubo de una farola comprado en la aceptación de chatarra y fragmentos de la carcasa de un viejo refrigerador fueron útiles para su fabricación. La tubería se giró al tamaño requerido, y los anillos y la parte exterior se cortaron de la carcasa. Se colocaron los anillos en la tubería, se envolvió una capa de revestimiento de láminas y se soldaba todo esto. El resultado fue una tubería de metal con paredes dobles. Se soldaba una brida de fijación desde abajo, que conecta esta parte al disco de aluminio. Además, se hicieron 2 discos de aluminio más en los que se montan los espejos de resonador, y una textolita, en la que se coloca el soporte del sector AE.Todos estos discos se unen mediante varillas roscadas para obtener una estructura sólida y rígida. Para evitar averías, el electrodo AE "caliente" está separado de la carcasa por un aislante de textolita hecho a sí mismo. La textolita también estaba hecha en casa: una funda se enrollaba con una cinta de fibra de vidrio, cada capa estaba recubierta con epoxi. Luego la manga se secó. Después de que el epoxi se secó por completo, el manguito se convirtió en un torno al tamaño deseado.Marco emisor con una chaqueta de agua.
Con el elemento activo instalado.
Así es como se ve el aislante del elemento activo.
Se fabricó un cable de conexión con un conector coaxial grande diseñado para un voltaje de 50 kV. La carcasa del conector está tomada del láser serie LGI-21, y el núcleo del conector está hecho en casa. Cable - antena RK-50 del radar, con aislamiento monolítico del núcleo central. El papel del capacitor adicional de 470 pF ahora es desempeñado por la capacitancia distribuida de este cable de conexión junto con la capacitancia de montaje parásito.
Como resultado, se obtuvo tal diseño del emisor ensamblado. Solo quedaba por hacer la carcasa decorativa exterior, para la cual ya estaba abastecida una tubería de alcantarillado con un diámetro de 250 mm. Pero hasta ahora he pospuesto esta parte del trabajo. Era necesario asegurarse de que el emisor funcionaba correctamente.
Era imposible continuar trabajando con el LATR prácticamente quemado, por lo que se decidió rebobinar el LATR, convirtiéndolo en un autotransformador con grifos fijos. Estado del devanado “antes”:
y “después”
Se tuvo que hacer un interruptor especial de varias posiciones para este devanado y el marco del antiguo LATR. Se utilizaron los componentes de la parte móvil del LATR.
Montado con una bobina, resultó así.
El autotransformador convertido se instala en su lugar.
También se agregó a la protección rápida contra cortocircuito "lento" en forma de una máquina automática en una caja blanca. Puedes comenzar una nueva serie de experimentos. El intento de lanzamiento no tuvo éxito; por razones desconocidas, se encontró que una lámpara GMI-5 estaba dañada en el amplificador de potencia de la señal de control. Ella sopló aire sobre la unión de las piernas con vidrio. Quizás por enfriamiento insuficiente. En un orden inmediato, la lámpara se reemplaza por un tiratrón de cerámica TGI-270 \ 12. Esto requirió algunas alteraciones en el circuito amplificador, en particular, ahora los circuitos de alimentación de las redes se volvieron innecesarios.
Cabe señalar que, para todas las alteraciones requeridas, tomó alrededor de 2 meses de tiempo: fabricar el marco del emisor, la alteración del autotransformador y el amplificador de potencia. Todo este tiempo, el elemento activo yacía en el cuadro. Después de completar todas las alteraciones, se retiró de allí, el emisor se ensambló completamente y se intentó iniciarlo. Sin éxito de nuevo. Elemento activo detectado por fugas de aire. Así es como se ve la descarga, para la fotografía se eliminó el AE del emisor.
En ese momento, el proyecto tuvo que ser detenido indefinidamente. Continúa, ver en la siguiente parte.