自家製レーザーライトセーバー-現状のまま、パート1

皆さんを歓迎します。この記事では、私の最も複雑なプロジェクトの1つである銅蒸気レーザーを使用した自家製の設置について説明します。 私は、プロジェクトが正常に完了し、完全に完成した製品をもたらし、私が与えた名前を正当化することをすぐに予約します。 私はそれがどのように実装されたのか、そしてその実装への道で何に直面しなければならなかったのかをすべて詳細に伝える必要があると思います。 インストールの履歴は非常に長いため、いくつかの部分に分割する必要があります。

そしてもう一つの小さな免責事項：このプロジェクトは、主にその実装プロセスのために、レーザー放射を取得する技術に対する私の大きな愛のために実装されました。したがって、コメントで「なぜこれが必要なのか」という質問をしないようお願いします。 提示された情報は教育目的で示されており、著者は記述されたものを繰り返す試みの結果に対して責任を負いません。

注目を集めるための写真。



そして、継続は途切れています。

まず、余談をしなければなりません。 おそらく、私はおそらく、少なくとも現在の技術でこれが可能な形で、かつて彼らの光の剣やレーザー銃を夢見た多くの人々の一人だということです。 そして判明したように、作業すればすべてが可能です。 学生時代の初めから、電気工学、つまり高電圧と高周波数の取得に興味を持ちました。 そのため、さまざまなトポロジーとさまざまな要素ベースを使用したテスラトランスのような興味深いデバイスを自分で発見しました。 同時に、ディーゼルエンジンの美学に特に惹かれていることに気づきました。つまり、すべての製品がフランケンシュタインまたはテスラ自身の研究所から直接届いたように見せたいと思いました。 そのため、古いオイルトランス、強力なラジオチューブ、高周波モータージェネレーター（アンフォーマー）、カーボライトケース内の測定パネルメーターなどで構成されるエレメントベースを立ち上げました。 それにもかかわらず、テスラ変圧器からのかなり長い放電があっても、誰も驚かせるのはすでに難しいことが判明しました。 したがって、私は活動の方向を変えることに決め、非常に少数の人々が参入しようとするニッチを取り入れました。 つまり、彼の趣味をレーザー技術に捧げることです。 私の夢は、常にレーザーとは何かを理解し、そのデバイスと作業の秘密を明らかにし、最後に独自のコヒーレントな放射線発生器を構築することでした。 時間が経つにつれて、私は多くの文献を研究し、さまざまな人々と話をし、実験室でレーザーの研究、セットアップ、修理の経験を徐々に蓄積し、レーザー全体とその断片の形で「盗品」を取得しました。

さまざまなレーザーの中で、そのうちの1つは他のレーザーよりもはるかに注目に値します-銅蒸気レーザーです。 ある研究所で働いているときに、なんとかこのようなレーザーを見て感じることができたとき、それは私の最も強力な印象を生み出しました。 そして事はこれです。 これはスペクトルの可視範囲で動作する最も効果的なレーザーで、510 nm（明るい緑）と578 nm（飽和した黄色）の波長で数十ワットの放射パワーを持つことができます。 両方の輝線を含むビームは、独特の緑がかったレモン色をしており、さまざまな可燃性物質を燃やすことができ、赤外線CO2レーザービームほど悪くありません。 目標は、そのようなレーザーを取得することでした。

実験室でそのようなレーザーを使って作業をしていると、試みが終わったにもかかわらず、完成した設備の購入に頼ることはできないことに気付きました。 大きすぎ、重く、高価です。 他のレーザーと同様に、エミッタと電源という2つの主要部分で構成されています。 これが、このようなレーザーの最も初期のモデルの1つであるLGI-101です。 エミッターの長さはほぼ2メートルで、電源は「本格的な」家庭用冷蔵庫のサイズです。 そして、それは4つの冷蔵庫のような重さです。 両方の輝線で宣言されたレーザー放射電力は合計で5ワットで、消費電力は2.5 kWです。 エミッタと電源の外観は写真で見ることができます：





エミッターは、独自のパーツセットで構成されます。最も重要なのは、アクティブエレメント、次に共振器ミラー、冷却システム、およびすべてが一緒に組み立てられるハウジングです。 電源は、以下で説明するいくつかの機能ブロックで構成されています。 そのため、私はかけがえのない部分、つまりアクティブエレメント（ガス放電レーザーチューブ）だけを検索し、すべての経験と盗品を動員して、欠けているものすべてを構築する必要がありました。 しばらくして、友人から貴重な助けを借りて、LGI-101に比べて最近開発されたUL-102“ Quantum”などのまったく新しいアクティブな要素を備えた大切な木製の箱を郵送しました。 LGI-101と比較して、UL-102はほぼ半分のサイズであり、まったく同じ放射電力を生成し、電力消費は1.5倍少なくなります。 はるかに経済的です。 UL-102の「裸の」アクティブエレメント（AE）は次のようになります。



これは、金属、セラミック、ガラスでできた巨大なデバイスです。 電気エネルギーの高電流ガス放電への変換が行われるのはその内部であり、その熱から金属銅が蒸発し、銅原子が励起状態に移行します。 励起状態から地面への遷移時に、原子は光子を放出し、他の励起原子と衝突すると、新しい光子が放出されます。そのため、光は、活性媒体の励起の程度によって決まる最大値まで増幅します。 光がレーザーチューブを自由に通過して増幅するために、端に大きな光学窓があり、銅をその蒸発温度まで加熱する電力を少なくするために、ピンクピンクのセラミックアウターケーシングで囲まれた内部セラミック放電チューブの良好な断熱が必要です。 電気エネルギーは外側から2つの金属電極に供給され、チューブの内側には大気圧が低下したネオンがあります。 放電チャネル内の小さな破片の形にある銅の蒸発のための主な熱源として機能するのはネオンの放電であり、コールドチューブには蒸気がなく、完全な真空が存在する場合は放電を点火することはできません。 レーザーチューブと共に、共振器ミラーのセットも入手しました。



したがって、最も重要な詳細はすでに私に現れています。

このレーザーの動作原理と、スペアパーツから強力なコヒーレント放射を得るために必要なものについてはすでに考えていました。 能動素子の熱安定化の最適なシステムを考え出し、すべてをレーザーエミッターの形にまとめ、最も重要なことは、電源を構築することが必要でした。

文献から、銅蒸気レーザーはパルスモードでのみ動作できることが知られています。 UL-102チューブのパルス繰り返しレートは、6〜16 kHzの範囲で変更できます。 個々の電力パルスは、放電による電流の立ち上がりが急峻でなければなりません。 理想的には、放電を通る電流フロントの急峻度は50ナノ秒のレベルにあり、これは銅原子の励起状態の寿命に対応し、パルス内の電流の大きさは300から1000 nsのパルス持続時間で数百アンペアになります。 一般的に、レーザーの生成は、100 ns、さらには300 nsのレベルで、前面の低い勾配で発生しますが、その効率ははるかに悪くなります。 また、絶縁破壊前の瞬間のチューブの電極の電圧は、少なくとも10 kV以上でなければならないことに注意してください。 個別のパルスによる放電に費やされる平均電力は、銅蒸気の最適温度を加熱および維持するのに十分でなければならず、UL-102の場合、この電力の最小値は1600 Wです。 良いニュースがありました：銅蒸気が最高のゲインを持っています。 これは、共振器の位置合わせ精度の要件が非常に自由であることを意味します（ミラーの取り付けと位置調整のための特別な高精度デバイスは必要ありません）。 さらに、放電中の銅原子の濃度が高いほど、つまり、 十分に強く加熱されると、2つではなく1つのミラーで、またはまったくミラーなしでも生成が得られます（自然放出または「スーパールミネセンス」のシングルパス増幅）。 これにより、プライマリレイアウトの構築作業が大幅に容易になりました。 タスクは電源のみの構築に簡素化され、エミッターの構築は、電力の微妙さが解決される瞬間に延期することができます。 栄養について。 チューブの電源回路を見ると、一見するとすべてが非常に簡単です。 文献で「直接励起方式」と呼ばれる最も単純なトポロジを使用する場合のほんの一部の詳細。



すべてがシンプルです-インダクタ2個、コンデンサ2個、スイッチングサイラトロン、サイラトロン制御トランス。 部品の定格とそれらの要件を見るまで、すべては簡単です。 タスクはアクティブエレメントを通る電流パルスの前部の適切な勾配を取得することであるため、サイラトロンには水素充填、高逆電圧、高スイッチング電流を備えた高速が必要です。 サイラトロンに必要な最小パルス電流は500アンペアです。 より良い-1000以上。 逆電圧には少なくとも20 kV、好ましくは25 kVが必要です。 このようなサイラトロンは通常レーダーで使用され、それらを入手するのは簡単ではありません。 しかし、私は幸運になりました。 カップルが盗品の瓦rubの中に横たわりました。 視線は、ソーダの2リットルのボトルのサイズの美しいガラスTGI-700 \ 25に落ちました。 それが適合する名目上のパラメーターによれば、比較的低い（700 Hz）宣言された速度だけが恥ずかしかったが、今のところそれを使用しようとすることに決めた。 コンデンサ 1000〜3300 pFの主ストレージと、チューブの電極間の235〜470 pFの追加。 うーん、それだけ。 しかし！ 動作電圧は15 kVから必要です。 また、高周波での低損失が非常に望ましいため、スプリアスインダクタンスを最小限に抑える必要があります。 結局のところ、チューブを流れる電流の短い前線を取得する必要があります。そうしないと、コヒーレントな光子が自分の耳として見えなくなります。 したがって、許容される無効電力が高いセラミックコンデンサのみが適切であり、これらはチューブ無線送信機および同じレーダーで使用されます。 Fffuh、あなたは息を吐くことができます、私もそのようなものを持っています、なぜなら彼らが私がテスラに従事していた時から蓄積しているからです。 インダクタンス。 しかし、彼らにとってはより困難です...今まで、少なくとも0.5 Hの大きさの、さらには電気的強度のあるコアなしでも、クラフトにチョークは必要ありませんでした。 いわゆるスロットルには、このようなスロットルが必要です。 ストレージコンデンサの「共振充電」。 このモードでは、充電プロセスが最大効率で行われ、コンデンサの電圧は電源に対して2倍になります。 経験があるので、このようなスロットルをいくつかのセクションから巻き上げなければなりませんでした。 必要な数のセクションを接続することにより、インダクタンスを段階的に調整することができ、それらの間の距離を変更することにより、インダクタンスを一定の制限内でスムーズに調整できます。 能動素子に直流電流が流れるのを防ぐために必要な2番目のブロッキングインダクタを使用すると、はるかに簡単になります。必要なインダクタンスは100〜300μHですが、電気的強度も高くなります。 したがって、私はまた、セクションに分割されたフレームに巻いた。 これが、最初の「スープセット」が最も重要なものを探した方法です。



しかし、これでは十分ではありません。 サイラトロンが正常に動作するためには、カソードが光る電圧源が必要です-最初の重い変圧器が現れます。 レーザー管内の放電を点火して通勤させるには、高い定電圧源が必要であり、0〜7〜8 kVに調整できることが非常に望ましいです。 最後に、サイラトロンのロックを解除するのに十分な強力な制御信号の発生器が必要です。 別の難しいブロックがそれを生成しているようです。 後者では、パルスモードの動作を行うテスラランプコイルの設計に失敗したブロックがあったため、希望の周波数で動作するように再構成するだけで十分でした。

ここでは、「IVN」と呼ばれる電源ユニットのアノード電圧のこのようなモデルサブシステム-高電圧源を組み立てました。 最大8 kVの交流電圧を直列に供給する2つの電源トランス、KTs201D極のダイオードブリッジの形の整流器、2 uF 10 kVのフィルタリングコンデンサk41-1a、電源トランスの一次回路の9AのLATR、オンおよびオフボタンで構成されていました発電機とIVN、電圧と電流を監視するデバイスを個別に制御します。









コントロールジェネレーター（サブモジュレーター）は、マスターオシレーターとパワーアンプの2つのメインブロックで構成されています。 両方のブロックはランプで作成されます-マスターでは、TGI1-10 \ 1サイラトロンの予備アンプを備えた6n6pランプのブロッキングジェネレーターが使用されます。 陽極回路の電源は、ケノトロンによって整流されます。



2番目のブロックは電力増幅器で、この段階ではGMI-5ランプに組み立てられ、増幅器自体と、1番目と2番目のグリッド用のバイアスソースの形の本体キットと、ケノトロン整流器で構成されています。 6d22sケノトロンでも、電圧ダブラーを使用して2 kVのアノード電圧が得られます。 そのため、このブロックには非常に多くのランプがあります。



すべての要素を単一の回路に接続する必要があるときがきました。 こんな感じでした。



パワーユニットの回路はテーブルの近くにあり、何かをやり直し、部品の値を調整する必要があるかもしれないので、「鼻水で」組み立てられました。
打ち上げは即時でした。







一見、すべてのコンポーネントは正しく相互作用します。 トランスが鳴り、レーザー管で放電が点灯し、10 kHzの周波数で特徴的なきしみ音が聞こえ、スイッチングサイラトロンが点灯しますが、供給電圧はまだ「設計」6 kVに増加していません。 厳密に言えば、電圧は決定的な役割を果たしません。レーザー放電に投資される特定の平均パワーを達成することが重要です。このチューブでは、少なくとも1600ワットでなければなりません。 これは問題が行き詰まった場所です。 500 Wのターンで、サイラトロンは制御を失い、単に開いた位置でホバリングし、IVNで短絡に至りました。 パルス繰り返し率（以下、ChSIと呼びます）、メインコンデンサと追加のコンデンサの静電容量、および充電チョークのインダクタンス（大きなセクションから）を試し、このラインを克服して、最初に1000、1500 Wのラインに到達しました。 緩やかな加熱とチューブが動作温度に達するのを待つだけでした。



しかし、10分ほどの短い時間の後、サイラトロンは再び制御を失い、IVNを閉じました。 そして、サイラトロンに何か問題があることに気づきました！ その陽極は赤熱していた！



装置が安定して動作している間、レーザー管の放電チャネルも赤熱になりました。彼にとっては、これはサイラトロンとは異なり、通常の作業以上です。 しかし、放電チャネルのこの温度はまだ完全に不十分です。



再起動を何度か試みた後、このタイプのサイラトロンでは電力損失が大きすぎることが明らかになりました。より適切な別のサイラトロンが必要です。 TGI1-1000 \ 25サイラトロンを別のパルスレーザーから削除する必要がありましたが、同時に電源ユニットのトポロジをより「高度な」回路、いわゆる 「Blumlyaynジェネレーター。」



レイアウトが完全に変更されました-レーザーチューブとパワーユニット間の長い接続ケーブルがなくなりました。



このようなトポロジでは、状況はすぐに改善されました。 回路は非常に安定して動作し、2000ワットのレベルで放電へのエネルギー入力を達成することができました。 放電チャネルの安定した加熱が開始されました。



約半時間の作業の後、放電の色が顕著になりました。 オレンジ色のネオンから、最初はピンク色に変わり、その後ほぼ白色になるまで明るくなり、その後、汚れた緑がかった黄色の色相になりました。 銅の自然放出が現れ、蒸発し始めました。 最後に、放電からの光の背景に対して、「スペックル」を伴う虹色の比較的明るい緑色のスポットが現れ始めました。 超発光の形でのレーザー生成、すなわち 共振器ミラーなし。 レーザー光のスポットの明るさは急速に増加し、数分で目がくらむほど明るくなりました。



チューブの片側に空の共振器ミラーを取り付けて正しい位置に固定すると、明るさが約5倍になり、ビームの発散が大幅に減少します





レーザー光線がはっきりと見える！



そして、あなたがビームの経路にレンズを置くならば、それはすでに合板で燃えることができます。 これは、光パワーが少なくとも0.5〜1ワットであることを示しています。 これは、共振器ミラーを1つだけ使用したものです。 そのため、2つ目のミラーを設置することにより、出力電力の大きな予備がまだあります。 自家製のレーザーシステムの場合、これはすでに大成功です！ 特に、そのような電源スキームが初めてマスターされるとき。
壁にCDの破片があるビームを反射すると、ビームには緑と黄色の2つの成分があることがわかります。黄色の成分は緑よりも目立ちません。



それにもかかわらず、得られた結果にもかかわらず、最終アセンブリに進むことができない問題が1つありました。すなわち、レーザーがすでに動作温度まで暖められているモードでのサイラトロンの不安定性。動作モードの新しい徹底的な調整により、安定性がわずかに向上し、高速短絡保護が追加されたことにより、IVNを何度も何度も再起動しやすくなりました。しかし、LATRはすでに破損しており、巻線の絶縁は深刻な損傷を受けていました。実験はしばらく停止する必要がありました。エミッターの構築に焦点を合わせることが決定されました。まず、ウォータージャケット付きのケーシングを作成し、その内部にレーザーチューブを配置しました。 AEの非常に熱い側面からレーザーケースが熱くならないように、エミッタ全体を熱的に安定させるために必要です。また、AEと同軸に配置された逆電流導体の機能も実行します。これにより、AEの寄生インダクタンスをわずかに減らすことができます。古い冷蔵庫の金属くずやケーシングの破片を受け入れるために購入した街灯柱のパイプは、その製造に役立ちました。パイプを必要なサイズに変更し、リングと外側部分をケーシングから切り取りました。リングをパイプに置き、1層のシートシースをパイプに巻き付け、すべてをろう付けしました。その結果、二重壁の金属パイプができました。取り付けフランジを下から溶接し、この部品をアルミニウムディスクに接続しました。さらに、共振器ミラーが取り付けられた2つのアルミニウムディスクと、AEセクターマウントが配置された1つのテキソライトが作成されました。これらのディスクはすべて、ねじ棒で引っ張られて堅固で堅固な構造になっています。故障を防ぐために、「熱い」AE電極は、自作のテキソライト絶縁体によってケーシングから分離されています。テキソライトも自家製でした-スリーブはガラス繊維テープから巻かれ、各層はエポキシでコーティングされました。その後、スリーブが乾燥しました。エポキシが完全に乾燥した後、スリーブを旋盤で回転させて所望のサイズにしました。

ウォータージャケット付きのエミッターフレーム。



アクティブな要素がインストールされています。





これは、アクティブな要素の絶縁体がどのように見えるかです。





50 kVの電圧用に設計された大きな同軸コネクタを備えた接続ケーブルが作成されました。コネクタハウジングはLGI-21シリアルレーザーから借用されており、コネクタコアは自家製です。ケーブル-レーダーからのアンテナRK-50、中央コアのモノリシック絶縁。追加の470 pFコンデンサーの役割は、この接続ケーブルの分布容量と浮遊取り付け容量によって今や果たされます。





その結果、組み立てられたエミッターのそのような設計が得られました。外側の装飾ケーシングを作るために残ったのは、直径250 mmの下水道管がすでに在庫されていたためです。しかし、これまでのところ、私は作業のこの部分を先送りにしました。エミッタが適切に動作していることを確認する必要がありました。









実質的に焼けたLATRで作業を続けることは不可能であったため、LATRを巻き戻し、タップを固定した自動変圧器に変えることにしました。 「前」



と「後」の巻線条件



この巻線と旧LATRのフレームには、特別なマルチポジションスイッチを作成する必要がありました。 LATRのモバイル部分のコンポーネントが使用されました。



巻線で組み立てると、このようになりました。





変換された自動変圧器がその場所にインストールされます。



また、白いケースの自動機械の形で、短絡「低速」に対する迅速な保護に追加されました。新しい一連の実験を開始できます。打ち上げの試みは成功しませんでした-何らかの未知の理由により、GMI-5ランプが制御信号のパワーアンプで損傷していることがわかりました。彼女は足をガラスでつないだ空気を吹きました。おそらく不十分な冷却から。すぐに注文すると、ランプはセラミック製サイラトロンTGI-270 \ 12に置き換えられます。これには、特にアンプ回路のいくつかの変更が必要でしたが、今ではグリッドの電源回路が不要になりました。





必要なすべての変更について、エミッタフレームの製造、単巻変圧器および電力増幅器の変更に約2か月かかりました。この間ずっと、アクティブな要素はボックス内にありました。すべての変更が完了した後、そこから削除され、エミッターが完全に組み立てられ、開始が試行されました。再び失敗しました。漏れている空気によって検出されたアクティブな要素。これは、放電がどのように見えるかです。写真の場合、AEはエミッターから削除されました。



その瞬間、プロジェクトは無期限に停止する必要がありました。続き、次のパートを参照してください。