Хабрахабр

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.

image

Смотрите под катом. Что же происходило дальше?

Активный элемент был положен на хранение в рабочем состоянии, после 2 месяцев обнаружен натекшим. Приостановка проекта произошла из-за натекания активного элемента УЛ-102. Попытка найти течь успехом не увенчалась. 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. 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.

image

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. Выбора не оставалось как искать новый УЛ-102. При этом он был более свежего года выпуска.

Распаковка нового АЭ:

image

Новый АЭ был немедленно вмонтирован в готовый излучатель и эксперименты были продолжены. За время поиска нового АЭ я успел познакомиться с хорошим специалистом по источникам питания ЛПМ, который указал на ряд моих ошибок. 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. 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. В качестве временного решения эти трансформаторы были заменены на высоковольтные трансформаторы из советских микроволновок (тоже наследие моего тесластроительства).

Платой за это стало снижение достижимого анодного напряжения. «Временное решение трансформаторного вопроса».

image

На этой фотографии наглядно видна причина перегрева – хорошая теплоизоляция обмотки. Сгоревший трансформатор был разобран с целью сохранения его железа для намотки нового. 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… Стоило чуть превысить токоотбор (который для советских трансформаторов можно превышать на 20-30%), как обмотка легко перегрелась.

image

image

image

image

Генерацию так ещё получить можно, а вот поддерживать длительно нормальную работу лазера уже очень затруднительно. Оставалась одна проблема с источником питания, которую не удалось на этот момент побороть, а именно – плохая стабильность работы тиратрона в области рабочего режима. 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. Просмотр множества статей в научных журналах позволил утверждать, что причиной является превышение обратного напряжения на аноде тиратрона в момент его запирания. Но одного фактора я не учел. Вполне логичным было предполагать, что это правило не нарушается, так как ЧСИ составляет 10 кГц, а значит «зазор» между импульсами – 100 мкс. 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. Плазма дугового разряда внутри тиратрона обладает инертностью. Только после окончания этого процесса можно прикладывать к нему 25 киловольт обратного напряжения. 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. Вернее, не все так инфернально. Если сделать это раньше – то произойдет новый, несанкционированный пробой тиратрона в обратном направлении и это вызовет КЗ ИВН и срабатывание его токовой защиты. Но только 5 киловольт. В момент рассасывания разряда (до истечения оговоренных послеимпульсных 25 мкс) обратное напряжение прикладывать можно, и тиратрон не пробьется. 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. Следовательно, при работе тиратрона в схеме накачки лазера на парах меди это напряжение превышается из-за разных нестационарных процессов в момент закрытия тиратрона. Это сулило использование опять-таки более простых и доступных тиратронов ТГИ1-700\25 без перегрузки по рассеиваемой мощности на аноде. 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. 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. Был переделан для этого и генератор управляющего импульса для того, чтобы одновременно отпирать 2 тиратрона. Был собран новый макет силовой части, который выглядел так: 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.

image

image

А на схеме он выглядит все ещё довольно просто, хотя деталей стало больше.

image

Возможно я делал что-то неправильно. Испытания показали полную неработоспособность схемы в моем исполнении – тиратроны открывались вразнобой. Итак, модифицированный генератор Блюмляйна. После этого я решил вновь сменить топологию силовой части, после консультаций у специалиста. А именно, так называемая «цепь магнитного сжатия импульса». Он практически идентичен обычному генератору Блюмляйна, но в него добавлено ещё несколько элементов. 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. Сущность её работы состоит в том, что амплитуда протекающего импульсного тока через насыщающийся дроссель в момент насыщения дросселя резко увеличивается. Выглядит очень заманчиво. 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.

Так выглядит собранная мной схема с приведенными номиналами деталей.

image

И эта схема наконец стала стабильно работать! Дроссель L2 растягивает импульс тока через тиратрон во времени, а дроссель L4 и есть насыщающийся дроссель для «магнитного сжатия» импульса на лазерной трубке. На этом остановлюсь чуть подробнее. Результат определенно оправдывал затраченные усилия на изготовление нелинейного дросселя. А там предлагалось сделать дроссель, состоящий из одного «витка» толстой медной трубки, пропущенной через 120 мелких ферритовых колечек. Опять же, я решил повторить конструкцию, описанную в литературе. Были куплены ферритовые колечки с небольшим запасом. Был куплен кусок медной трубки диаметром 12мм в магазине для холодильщиков. Нанизывать их все в один прием было нерационально – получалась слишком длинная колбаса. Дело оставалось за малым – нанизать их на трубку. Легче сказать, чем сделать. Тогда я решил сделать два отрезка трубки, нанизать на них по 60 колечек и сложить П-образно. Даже попадались колечки, в которых отверстие было конусным, или эллиптическим. Дело в том, что трубка не идеально ровная, а в колечках диаметр чуть-чуть, на десятые доли миллиметра, но отличается. Попытка натянуть колечко силой приводило к его мгновенному раскалыванию на кусочки. А то и одно и второе одновременно. Потом пришлось обрабатывать медную трубку шкуркой, до тех пор, пока не начинали залазить следующие кольца. Около половины наделись свободно, без проблем. В итоге получилась вот такая конструкция. Потом опять шкурить, опять надевать… И так повторять до победного конца.

image

image

Она была установлена в новый макет силовой части.

image

image

Лазер разогревается. Установка запущена. Это успех! За полчаса ни одного срабатывания защиты. Потом подстройка зеркал резонатора. Наконец появляется спонтанное излучение меди, а за ним и слабая генерация. Световое пятно на белой кафельной стене настолько яркое, что вся комната ярко освещена. И комнату озаряет мощнейший лазерный луч ядовито-зелёного цвета! По мере увеличения яркости менялся и цвет луча с ядовито-зелёного до зелёно-лимонного, что свидетельствовало об эффективной генерации жёлтой линии. И при этом яркость свечения продолжала увеличиваться, пока не достигла постоянной величины. При потребляемой мощности 1800 Вт. Мощность излучения превышала полученную до этого минимум в несколько раз, нижний предел предполагался не меньшим чем 3 Ватта.

image

image

Луч пропущенный через линзу уже очень бодро выжигает на картоне.

image

Испытания лазера есть и на видео:

Диаметр его соответствует диаметру разрядного канала, 20 мм. Лазерный луч хорошо виден.

image

image

Разрядный канал внутри АЭ при рабочей температуре раскален практически добела.

image

Луч лазера хорошо виден в освещенном помещении.

image

Горючие предметы в фокус лучше не помещать. За короткофокусной линзой красиво виден конус сначала сходящегося перед фокусом пучка, потом расходящегося (область “перетяжки” лучей).

image

Тут хорошо видно, что луч имеет зеленую и желтую линии, при этом желтая стала гораздо мощнее чем раньше. С помощью осколка CD-диска можно разложить луч в спектр.

image

Желтую линию можно выделить отдельно светофильтром, блокирующим зеленый свет, а именно – оранжевым.

image

image

Первой в корпус была упакована силовая часть. Теперь можно было выдохнуть и начать переход от макета к готовому изделию. Все элементы разместились на компактном основании, дроссель магнитного сжатия спрятался в отрезок канализационной трубы и продувается там вентилятором. В качестве материала для корпуса было выбрано дерево и фанера, как такие что наиболее легко обрабатываются с помощью домашнего электроинструмента. А чтобы горячий воздух не накапливался в закрытом корпусе то установлен ещё третий самый мощный вентилятор, создающий внутри блока сквозняк. Анод тиратрона обдувается своим вентилятором. Во время установки компонентов это выглядело так.

image

image

А в сборе – вот так.

image

Задающий генератор и усилитель переместились в общий корпус, сделанный так, чтобы его ширина и глубина были равны ширине и глубине силового блока. Следующим был упакован управляющий генератор для сетки силового тиратрона.

image

image

Блок ИВН был в общем-то уже готов, понадобилось добавить только боковые стенки. Стало получаться что-то наподобие приборной стойки. Параллельно продолжалась внешняя отделка блоков – было решено покрасить их в черный цвет.

image

Готовая стойка получилась такой.

image

Поскольку внутри ИВН все ещё оставались «временные» трансформаторы от микроволновок, которые не позволяли получить выходное напряжение больше 5 кВ уже после выпрямителя. И все же меня преследовало ощущение, что работу лазера можно ещё улучшить, ещё увеличить мощность излучения. Поставлена задача: выходное переменное напряжение 7 кВ, длительный выходной ток – 400 мА. Было принято волевое решение – изготовить полностью новый высоковольтный трансформатор с масляной изоляцией и водяным охлаждением. 5 кВ. От вторичной обмотки решил сделать отводы через каждые 500В, начиная с напряжения 4. Сначала намотал сам трансформатор. Расчеты показали, что можно использовать сердечник от сгоревшего трансформатора, окно при этом заполнялось полностью.

image

Потом он был укреплен к текстолитовой пластине, через которую вышли все выводы.

image

image

Потом был изготовлен бак из листового железа найденного на приемке лома.

image

Внутрь вложен змеевик для охлаждения масла.

image

Потом трансформатор был собран.

image

И установлен на положенное ему место.

image

Т.е. Запуск лазера с новым трансформатором позволил повысить мощность примерно до 5 Ватт! Только меньших габаритов, веса и с меньшим потреблением энергии. получился полный эквивалент заводской установки, упомянутый в начале статьи.

image

image

На полной мощности цвет луча становится более желтым.

image

image

Осталось только косметическое оформление. Желаемый результат достигнут! В это же время родилось название лазера – Lightsaber. Сначала я заказал печать стильных табличек-шильдиков на английском языке для обозначения всех органов управления. И моя, когда-то детская мечта о таком мече стала удовлетворена, пусть и в такой, довольно искаженной форме. Потому что мощность лазерного пучка, его толщина, характерные звуковые эффекты, сопровождающие работу лазера, очень напоминают световые мечи джедаев. 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.

image

image

image

image

Здесь есть видеообзор получившейся лазерной установки от моего друга, который приезжал в гости.

Сырье для него уже было подготовлено – пластиковая канализационная труба диаметром 250 мм. Оставалось сделать внешний кожух излучателя и подставку. Подставка была также сделана из дерева, конкретно из стенки старого шкафа. Она была обрезана по размеру, был срезан раструб чтоб было незаметно, и просверлены вентиляционные отверстия. Сверху к полученному корпусу была приделана красивая ручка для переноски.

image

image

Лазерный излучатель наконец обрел свою окончательную форму. Затем все было покрашено и сделаны дополнительные фальш-панели, закрывающие корпус с торцов.

image

Особенно когда потом оно сменяется не менее зловещим зелёным свечением. Зловещее оранжевое свечение лазерной трубки в темноте никого не оставит равнодушным.

image

image

Что также выигрывает у заводского шкафа. А источник питания в своей окончательной форме получился размером в два раза меньше обычного холодильника, и с общим весом не более 100 килограмм. И при этом неплохо вписывается в интерьер.

image

Этот проект не был бы осуществлен без поддержки моих друзей и знакомых. Вот такое получилось повествование о самодельной лазерной установке, которая принесла мне колоссальный опыт в лазерной технике, высоковольтной импульсной технике и прочих смежных дисциплинах. А также всех тех, кто следили за реализацией этого проекта и оказывали моральную поддержку. 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 тем, у кого до сих пор возникает вопрос «Зачем все это было нужно» – читайте дисклеймер. Благодарю всех за чтение.

Основные литературные источники:

Григорьянц А. 1. А., Лябин Н. Г., Казарян М. Лазеры на парах меди: конструкция характеристики и применения. А. Физматлит, 2005

Батенин В.М., Бохан П.А., Бучанов В.В., Евтушенко Г.С., Казарян М.А., Карпухин В.Т., Климовский И.И., Маликов М.М. 2. Физматлит, 2011 Лазеры на самоограниченных переходах металлов.

Лябин Н. 3. Создание современных промышленных лазеров и лазерных систем на парах меди для прецизионной обработки материалов. А. Диссертация на соискние ученой степени доктора технических наук, Москва, 2014

Г. 4. Петраш Лазеры на парах металлов и их галогенидов. Г. 181, 1987 Труды ФИАН, т.

ГЛ201 «Кристалл». PS: Почти сразу после завершения проекта удалось отловить совершенно новый активный элемент лазера на парах меди, с выходной мощностью 20 Ватт. Но это будет уже совсем другая история…

image

Начало в первой части

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть