Laser de sabre de luz caseiro: como foi. Parte 2

Isenção de responsabilidade: este projeto foi implementado por causa do meu grande amor pela arte de obter radiação laser, em grande parte por sua implementação; portanto, peço que você não faça a pergunta “por que isso é necessário” nos comentários. As informações abaixo são meramente indicativas, o autor não é responsável pelas consequências de tentativas de repetir o descrito

Resumo da primeira parte :

• Foi construído um modelo de fonte de energia para um laser de vapor de cobre UL-102
• Por tentativa e erro, foram encontradas condições sob as quais a geração de radiação poderia ser obtida
• Recebeu energia de radiação significativa, cerca de 1 W
• A versão final do emissor é montada
• Em seguida, uma estranha série de falhas se seguiu, colocando o projeto em risco de fechamento.

O que aconteceu depois? Olhe por baixo do corte.

O projeto foi suspenso devido a vazamento do elemento ativo UL-102. O elemento ativo foi colocado em armazenamento em condições de trabalho, após 2 meses foi descoberto vazado. A julgar pela pressão do gás no estado estacionário, o vazamento foi muito lento, pois ainda era possível atear fogo a uma descarga de serpentina de forma característica, mas ao longo do canal de descarga não era mais acionado. Uma tentativa de encontrar um vazamento não teve êxito. E tudo isso, apesar do fato de que a estrutura para esse tipo específico de elemento ativo já foi montada e a instalação de outro tipo é impossível.

É assim que as descargas no AE cuidam do fluxo.



Não havia escolha a não ser procurar um novo UL-102. Eu tive que mobilizar todas as minhas conexões em vários institutos de pesquisa e laboratórios de laser em diferentes cidades, mas isso ainda deu o meu resultado - um novo elemento ativo foi obtido, também um novo, na caixa da fábrica. Além disso, ele foi um ano de lançamento mais recente.

Descompactando um novo AE:



Durante a busca por um novo EA, consegui conhecer um bom especialista no fornecimento de energia da CVL, que apontou alguns dos meus erros. O novo EA foi imediatamente montado no emissor final e as experiências foram continuadas. O “esquema de excitação direta” retornou novamente como o mais simples, mas com pequenas modificações no circuito da grade de tiratron, o que permitiu aumentar a estabilidade de sua operação ao nível do gerador de Blumlyayn, mas ainda não o suficiente. E mais uma vez uma falha épica - durante operação prolongada à potência nominal, o enrolamento secundário de um dos transformadores de força do IVN foi queimado, o que foi acompanhado pela liberação de uma enorme nuvem de fumaça cáustica amarela. Como solução temporária, esses transformadores foram substituídos por transformadores de alta tensão dos fornos de microondas soviéticos (também um legado do meu trabalho).

"Uma solução temporária para a questão do transformador." O preço para isso foi reduzir a tensão possível do ânodo.



O transformador queimado foi desmontado para preservar seu ferro para enrolar novo. Nesta foto, o motivo do superaquecimento é claramente visível - bom isolamento térmico do enrolamento. Assim que a amostra atual (que para transformadores soviéticos pode ser excedida em 20 a 30%) foi ligeiramente excedida, o enrolamento foi superaquecido facilmente. Nunca conheci antes que todo o restante da janela do ferro (quase 1 cm de cada lado e 5 mm de lado) seja preenchido com epóxi ...









Havia um problema com a fonte de energia que não podia ser superado naquele momento, a saber, a baixa estabilidade do tiratron no modo operacional. A geração ainda pode ser obtida, mas a manutenção de uma operação normal a longo prazo do laser já é muito difícil. Uma revisão de muitos artigos em revistas científicas tornou possível argumentar que o motivo é o excesso de tensão reversa no ânodo de tiratron no momento do seu travamento. A peculiaridade dos tiratrons de hidrogênio pulsado é que a tensão reversa máxima, por exemplo, 25 kV, para tgi700 \ 25 e tgi1000 \ 25 pode ser aplicada apenas 25 microssegundos após a corrente através do tiratron cessar, quando todo o plasma já estiver resolvido. Era bastante lógico supor que essa regra não seja violada, já que a resposta em frequência é de 10 kHz, o que significa que o “intervalo” entre pulsos é de 100 μs. Mas não levei em conta um fator. O plasma da descarga do arco no interior do tiratron é inerte. Se não tudo, muitos provavelmente lembram que, se você olhar para o storyboard da extinção de um arco que foi incendiado em uma grande subestação de transformador, poderá ver que o arco não desaparece instantaneamente, mas, ao longo de alguns quadros, o vídeo se decompõe gradualmente em partes separadas, que gradualmente desaparecem. O mesmo ocorre em um hidrogênio tireatron pulsado - depois que a corrente cessa (desligamento), a descarga do arco também esfria de forma relativamente lenta, decaindo em pedaços, depois desaparece completamente. Somente após o final desse processo, 25 quilovolts de tensão reversa podem ser aplicados a ele. Se você fizer isso anteriormente, ocorrerá uma nova quebra não autorizada do tiratron na direção oposta e isso causará um curto-circuito no IVN e na operação de sua proteção atual. Pelo contrário, nem tudo é tão infernal. No momento da reabsorção da descarga (antes da expiração dos 25 μs pós-pulso acordados), a tensão reversa pode ser aplicada e o tiratron não romperá. Mas apenas 5 quilovolts. Consequentemente, quando um tiratron opera em um circuito de bomba a laser de vapor de cobre, essa tensão é excedida devido a vários processos não estacionários no momento do fechamento do tiratron. Além disso, ele se torna o maior justamente quando o cobre aparece na descarga do laser, o que altera muito as características do AE como carga do gerador, o que leva a uma incompatibilidade.

Muitos métodos foram tentados para eliminar esse fenômeno, otimizando a coordenação em diferentes modos de operação, mas nenhum resultado radical foi obtido - as condições que deram operação estável no modo de geração de radiação se mostraram inadequadas para o modo de aquecimento e vice-versa. Uma solução radical era apenas alterar a topologia da unidade de potência, com a adição de novos elementos.

O diagrama da unidade de energia foi novamente refeito em um circuito aparentemente gerador de "Arkadyev-Marx" promissor em dois tiratrons. Isso prometeu o uso dos tiratrons mais simples e acessíveis TGI1-700 \ 25, sem sobrecarregar a energia dissipada no ânodo. O gerador de pulsos de controle também foi refeito para isso, a fim de desbloquear simultaneamente 2 tiratrons. A ideia do circuito atualizado era que ele tivesse 2 capacitores que estão em conexão paralela no momento do carregamento e, no momento em que dois tiratrons são desbloqueados simultaneamente, esses capacitores são conectados em série, e dessa forma suas tensões são adicionadas e aplicadas aos eletrodos AE. Isso também prometeu alguma melhora na inclinação da parte frontal do pulso no AE e, como resultado, um aumento na potência de radiação de saída, uma vez que a amplitude instantânea de tensão nos eletrodos aumentou. Um novo layout da unidade de energia foi montado, com a seguinte aparência:





E no diagrama ainda parece bastante simples, embora haja mais detalhes.



Testes mostraram a completa inoperabilidade do circuito no meu desempenho - os tiratrons se abriram. Talvez eu estivesse fazendo algo errado. Depois disso, decidi alterar a topologia da unidade de energia novamente, depois de consultar um especialista. Então, um gerador Blumlyayn modificado. É quase idêntico ao gerador Blumlyayn usual, mas mais alguns elementos são adicionados a ele. Ou seja, o chamado "circuito de compressão de pulso magnético". A essência de seu trabalho é que a amplitude da corrente de pulso que flui através de um indutor saturável no momento da saturação do indutor aumenta acentuadamente. Como a quantidade de energia transferida por um pulso é limitada e a duração inicial do pulso também é limitada, no momento da saturação do acelerador e do aumento de corrente no circuito, essa porção de energia não tem nada a fazer além de "comprimir" no tempo, respectivamente, o pulso atual no AE (tubo laser) é significativamente está encolhendo. E, nesse caso, a duração do pulso atual que passa pelo tireatron pode ser aumentada e, no tubo do laser, a duração do pulso pode ser reduzida e, o mais importante, é possível aumentar a inclinação da frente do AE e aumentar a potência de radiação de saída. Parece muito tentador.

É assim que o circuito que montei com os valores fornecidos das peças se parece.



O indutor L2 estica o pulso de corrente através do tiratron no tempo, e o indutor L4 é um indutor saturável para a "compressão magnética" do pulso no tubo do laser. E esse circuito finalmente começou a funcionar de forma estável! O resultado justificou definitivamente o esforço despendido na fabricação de um estrangulador não linear. Vou me debruçar sobre isso em mais detalhes. Mais uma vez, decidi repetir o desenho descrito na literatura. E lá foi proposto fazer um acelerador, consistindo em uma "volta" de um tubo grosso de cobre, passando por 120 pequenos anéis de ferrite. Um pedaço de tubo de cobre com diâmetro de 12 mm foi comprado em uma loja de refrigeradores. Anéis de ferrite com uma pequena margem foram adquiridos. A única coisa que restava era amarrá-los no cano. Amarrá-los todos de uma só vez era irracional - a linguiça era muito longa. Decidi fazer dois pedaços do tubo, amarrar 60 anéis sobre eles e dobrá-los em forma de U. Mais fácil falar do que fazer. O fato é que o tubo não é perfeitamente liso e, nos anéis, o diâmetro é um pouco, em décimos de milímetro, mas difere. Eu até me deparei com anéis nos quais o buraco era cônico ou elíptico. E então um e o segundo ao mesmo tempo.

Uma tentativa de puxar o anel pela força levou a seu instante em pedaços. Cerca da metade estava vestida livremente, sem problemas. Depois tive que tratar o tubo de cobre com lixa, até os próximos anéis começarem a subir. Então, novamente, a pele, vista novamente ... E repita até o fim. Como resultado, obtivemos esse design.





Foi instalado em um novo layout da unidade de energia.





A instalação está em execução. O laser está aquecendo. Durante meia hora, nem uma única operação de proteção. É um sucesso! Finalmente, a emissão espontânea de cobre aparece, seguida por geração fraca. Depois, ajuste os espelhos do ressonador. E a sala é iluminada por um poderoso raio laser de uma cor verde venenosa!

O ponto de luz na parede de azulejos brancos é tão brilhante que toda a sala fica bem iluminada. E, ao mesmo tempo, o brilho do brilho continuou a aumentar até atingir um valor constante. À medida que o brilho aumentava, a cor do feixe mudava de verde venenoso para verde-limão, o que indicava a geração efetiva de uma linha amarela. A potência de radiação excedeu o mínimo obtido anteriormente várias vezes; o limite inferior foi considerado não inferior a 3 watts. Com um consumo de energia de 1800 watts.





O raio que passa pela lente queima muito vigorosamente no papelão.



Os testes a laser também estão em vídeo:



O raio laser é claramente visível. Seu diâmetro corresponde ao diâmetro do canal de descarga, 20 mm.





O canal de descarga no interior do AE a uma temperatura operacional está quase branco quente.



O raio laser é claramente visível em uma sala iluminada.



Por trás da lente de foco curto, o cone do feixe primeiro convergindo na frente do foco e depois divergindo (a região da “constrição” dos raios) é lindamente visível. É melhor não colocar objetos combustíveis em foco.



Usando um fragmento de um CD-ROM, você pode decompor o feixe no espectro. Pode-se ver claramente que o feixe tem linhas verdes e amarelas, enquanto o amarelo se tornou muito mais poderoso do que antes.



A linha amarela pode ser distinguida separadamente por um filtro que bloqueia a luz verde, ou seja, laranja.





Agora era possível expirar e iniciar a transição do layout para o produto final. A primeira unidade de energia foi embalada no gabinete. Como material para o estojo, foram escolhidos madeira e compensado, como os que são mais facilmente processados ​​com uma ferramenta elétrica doméstica. Todos os elementos foram colocados em uma base compacta, o acelerador de compressão magnética foi escondido em uma seção do tubo de esgoto e soprado por um ventilador. O ânodo de tiratron é soprado por seu ventilador. E para que o ar quente não se acumule no gabinete fechado, o terceiro ventilador mais potente é instalado, criando uma corrente de ar dentro da unidade. Durante a instalação do componente, ficou assim.





E montado - assim.



Em seguida, foi o gerador de controle para a rede de energia thyratron. O oscilador e o amplificador principais foram para um compartimento comum, feito de forma que sua largura e profundidade fossem iguais à largura e profundidade da unidade de potência.





Aconteceu algo como um painel. O bloco de IVN já estava pronto; em geral, era necessário adicionar apenas as paredes laterais. Ao mesmo tempo, a decoração exterior dos blocos continuou - foi decidido pintá-los de preto.



O suporte pronto ficou assim.



Ainda assim, fiquei assombrado com a sensação de que a operação do laser ainda poderia ser melhorada e o poder da radiação ainda aumentava. Como ainda havia transformadores “temporários” das microondas dentro do IVN, os quais não permitiam obter uma tensão de saída superior a 5 kV após o retificador. Foi decidida com força de vontade - fabricar um transformador de alta tensão completamente novo com isolamento de óleo e resfriamento de água. A tarefa está definida: tensão alternada de saída de 7 kV, corrente de saída contínua - 400 mA. A partir do enrolamento secundário, decidi fazer curvas a cada 500V, começando com uma tensão de 4,5 kV. Os cálculos mostraram que é possível usar um núcleo de um transformador queimado, enquanto a janela estava completamente cheia. Primeiro enrole o próprio transformador.



Em seguida, foi reforçada para uma placa textolite através da qual todas as conclusões foram tiradas.





Em seguida, um tanque de chapa metálica foi encontrado na recepção de sucata.



Uma bobina é inserida dentro para esfriar o óleo.



Em seguida, o transformador foi montado.



E coloque em seu devido lugar.



Iniciar um laser com um novo transformador aumentou a potência para cerca de 5 watts! I.e. resultou o equivalente total da configuração de fábrica, mencionada no início do artigo. Apenas tamanho menor, peso e menor consumo de energia.





Na potência máxima, a cor do feixe fica mais amarela.





O resultado desejado é alcançado! Existe apenas um design cosmético. Primeiro, pedi a impressão de placas de identificação elegantes em inglês para indicar todos os controles. Ao mesmo tempo, nasceu o nome do laser - Lightsaber. Porque o poder do feixe de laser, sua espessura, os efeitos sonoros característicos que acompanham a operação do laser, são muito remanescentes dos sabres de luz Jedi. E meu sonho de infância de uma espada se realizou, embora de uma forma tão distorcida. Talvez os seguidores de ponteiros a laser de alta potência discordem de mim sobre as semelhanças com o sabre de luz, mas, na minha opinião, esse laser tem mais semelhanças, apesar de não poderem acenar como um ponteiro.









Aqui está uma revisão em vídeo do sistema laser resultante do meu amigo que estava visitando.


Restava fazer o revestimento externo do emissor e ficar em pé. As matérias-primas já foram preparadas - um tubo de esgoto de plástico com um diâmetro de 250 mm. Foi cortado à medida, um sino foi cortado de modo a ser imperceptível e foram feitos orifícios de ventilação. O suporte também era de madeira, especificamente da parede de um armário antigo. Uma bela alça de transporte estava presa na parte superior do estojo.





Depois, tudo foi pintado e foram feitos painéis falsos adicionais, cobrindo a caixa pelas extremidades. O emissor do laser finalmente recuperou sua forma final.



O brilho laranja ameaçador do tubo do laser no escuro não deixará ninguém indiferente. Especialmente quando é substituído por um brilho verde não menos sinistro.





E a fonte de energia em sua forma final era da metade do tamanho de uma geladeira comum e com um peso total não superior a 100 kg. O que também supera o gabinete da fábrica. E, ao mesmo tempo, se encaixa bem no interior.



Aqui está uma história sobre um sistema de laser caseiro, que me trouxe uma enorme experiência em tecnologia a laser, tecnologia de pulso de alta tensão e outras disciplinas relacionadas. Este projeto não teria sido implementado sem o apoio de meus amigos e conhecidos. Gostaria de agradecer especialmente às pessoas que me ajudaram a obter 2 elementos ativos da UL-102, Pavel Gugin, do Instituto de Física e Tecnologia da Filial Siberiana da Academia Russa de Ciências, que ajudou com dicas e links para a literatura na otimização da parte de poder da fonte de energia, Alex Neuromantix, por me ajudar a encontrar artigos científicos discussão relacionada e frutífera, Alexander "ouriço" Larionov para o fato de que eu vendi mais tiratrões e, especialmente, quero agradecer a transportadora e seu amigo, que ajudou com a entrega destes tiratrões da Rússia, bem e, finalmente, eu gostaria de agradecer a Dennis "nêutrons tempestade "para a inspiração para fazer este projeto, para o que poderia despertar sonho de infância. E também todos aqueles que acompanharam a implementação deste projeto e forneceram apoio moral. Obrigado a todos pela leitura. E para aqueles que ainda têm a pergunta "Por que tudo isso era necessário" - leia o aviso.

O final do épico sobre UL102 está aqui

As principais fontes de literatura:

1. Grigoryants A. G., Kazaryan M. A., Lyabin N. A. Lasers de vapor de cobre: ​​características e aplicações do projeto. Fizmatlit, 2005

2. Batenin V. M., Bohan P. A., Buchanov V. V., Evtushenko G. S., Kazaryan M. A., Karpukhin V. T., Klimovsky I. I., Malikov M. M. Lasers baseados em transições de metal autolimitadas. Fizmatlit, 2011

3. Lyabin N. A. Criação de modernos lasers industriais e sistemas de laser baseados em vapor de cobre para processamento preciso de materiais. A dissertação para o doutorado em Doutor em Ciências Técnicas, Moscou, 2014

4. G. G. Petrash Lasers de vapor de metal e seus halogenetos. Anais do Lebedev Physical Institute, volume 181, 1987

PS: Quase imediatamente após a conclusão do projeto, um elemento ativo completamente novo do laser de vapor de cobre foi capturado com uma potência de 20 watts. GL201 "Cristal". Mas essa será uma história completamente diferente ...



O começo da primeira parte .