Parte 5,4 láser de nitrógeno a baja presión de alta potencia y portátil

22 de Febrero del 2009

Mi tercer prototipo de baja presión, estoy intentando ensamblarlo todo en un maletín transportable.

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Las dimensiones del cabezal láser son de 360 milímetros de largo, un espejo 95% reflectante y una ventana que reflejará sobre un 7%, condensador "peak" de 5 a 6 nF y como "Dumper" irán 6 de 2nF 40KV, o sea 12nF.
En la maleta ya esta colocada la bomba de vacio, consigue unos 70 militors, ideal para este tipo de cabezal, según la separación de electrodos.
También he insertado un cable preionizador como en los otros modelos.
La diferencia con este modelo va a ser que los electrodos son en forma de Z para aprovechar mejor el espacio y la configuración, además afilado un poco los electrodos.

07 de Marzo del 2009

Estas fotos son más detalladas del ensamblaje del cabezal. Los perfiles tipo U de aluminio, afilados un poco para mejorar un poco la salida del láser.

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La ranura o regata del plástico es para el cable del preionizador, en la salida estará conectada a un condensador y a masa.

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En principio el láser iba a ser con el condensador "peak" de plástico, pero parece que algo no funcionó bien...

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Los condensadores cerámicos y luego prueba con tensión,, en la tercera foto se ve como se agujereó por la parte más cerca al electrodo, donde descargan los cerámicos. Después de 3 plásticos nuevos todos ellos se rompieron por el mismo sitio.

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Dos plásticos más que también rompió. La tercera foto es una modificación con condensadores cerámicos para el "peak" ...

Modificando el cabezal, nueva configuración:

53_2753_28Hasta aquí he con esta configuración he montado un video en youtube http://www.youtube.com/watch?v=VLC7U7_J-k4

He tomado referencia de potencia con aire, excitaba el tinte coumarín con aire y con lupa cilíndrica hasta unos 65 a 80 centímetros de distancia.

El láser consta de un circuito de carga de un condensador grande a uno pequeño.
El condensador grande está formado por 4 de 2nF y 40KV, total 8nF
El condensador pequeño está formado por 2 de 2nF y 40KV, total 4nF
La tensión de trabajo ha sido de 20KV
La presión de vacio de la bomba es de 90 milibars, o unos 60 ~65 Torr
Preionización con un condensador cerámico de 600pF

He visto un posible fallo en el láser, y es que el condensador grande descarga sobre el electrodo directamente y luego la tensión fluye hacia el condensador, por lo que deduzco que puede ser un problema de arcos entre electrodos.

Modificando la configuración 2:

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53_32Para mejorar el posible fallo he diseñado la configuración que se ve en las fotos.
Los agujeros en el conductor de los dos condensadores conectados a masa, son para que la tensión fluya por igual en todo el canal, al estar más cerca sería un "punto caliente" y arcos entre electrodos, con lo cual un agujero hará que la corriente tenga que desviarse y más o menos se igualará.
El condensador grande, en vez de estar tan cerca del electrodo que provocará chispas, lo he alejado y para igualar la descarga de los 4 condensadores cerámicos, los he puesto a la misma distáncia del spark gap.

Próximos días probaré las últimas mejoras, y probaré de nuevo con aire y el mismo colorante para ver si obtengo más potencia.

9 de Marzo del 2009

Ya he probado el láser con las nuevas modificaciones, y no han sido satisfactorias, han ido peor de lo que creía, la potencia era menor y con aire solo excitaba el tinte coumarín con lupa a unos 15 centímetros, comparado con los 65 a 80 centímetros antes de la modificación.

La potencia del láser con estas modificaciones no se han notado mucho, ya que al trabajar con un tiempo de varios ns, la descarga no hace falta que sea tan rápida que para el láser a presión atmosférica. También tenía el problema de la bomba de vacio, que no llegaba a su valor óptimo.

lowpres33lowpres34Unas fotos con aire, viendo el haz de salida desde un ángulo que no peligre la camara.

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Fotos del láser trabajando con aire, la camara era diferente pero se nota que la potencia era menor que antes de la modificación. (En el video se puede ver la diferencia) , la potencia en vez de excitar el tinte hasta 65 ~ 80 centímetros, solo llegó a 15 centímetros. (tinte coumarín y lente dilíndrica, con aire)

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Primera foto con alta resolución. Y estas fotos con nitrógeno, esta vez en vez de bajar la botella de N2, llené con un poco de gas un globo y me sirvió perfectamente para unos 20 minutos de trabajo, y todabía sobró gas para próximos días.

10 de Marzo del 2009

Hoy, después de hacer varias pruebas, estoy muy desorientado, por una parte la segunda configuración no ha dado buenos resultados, y volviendo a la primera configuración tampoco dió la misma potencia que el video en Youtube.

Entonces, he estado probando, hasta ver que el condensador del preionizador hacía perder potencia, al quitarlo también perdía, pero al dejarlo "flotante", la potencia aumentaba como en el video.

Al ver el problema del preionizador también probé la presión de la bomba a 12 voltios, y la presión no bajaba de los 70 Torr, por lo que probé a bajar a 30 Torr y mejoró la estabilidad, potencia y arcos entre electrodos, por lo que la presión óptima debe rondar sobre los 30 Torr, un fallo que he tenido por confiar en el cabezal de 80 centímetros.

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En la primera foto se ve la pinza desconectada, en la segunda está conectada.

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Estas fotos son sin el condensador flotante, la estabilidad es bastante mala, el 50% fallan o dan muy poca potencia.

Todo esto ha pasado por mal vacio, días después llegé a esa conclusión.

29 de Marzo del 2009

Estos días he avanzado mucho sin publicar nada concluyente, por que habían varias cosas que no tenía claro y no quiería engordar la página con teorías erróneas.

Primer fallo que he tenido y confirmado, ha sido la presión de trabajo, el láser trabaja mejor a presiones por debajo de 70 torr, por lo que el trabajo óptimo va desde 30 a 60 torr.
Otro detalle es que va mejor hacer circular el aire por el cabezal, tanto para aire normal como para N2, al recircular o dejarlo salir la potencia aumenta bastante, y es constante en todos los pulsos. Por el contrario si cierro bomba y dejo vacio, con aire normal no es del todo estable, puede variar un 30% en cada pulso, más o menos. Con N2 en vacio sin bomba, no se nota mucho y podría funcionar bien durante una o dos horas hasta que va perdiendo el vacio.
Los cambios en el diseño último no hicieron falta, ya que no se notaba mucho la mejora, digamos que con la energía de los condensadores ya ha llegado a su máximo, si tuviera más energía entonces obtendría más potencia, pero no voy a comprar más cerámicos para esta versión.
El condensador preionizador puesto o quitado no se nota a simple vista por lo que he dejado uno de plástico conectado de una capacidad de 250pf.

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El diseño no es del todo bueno, ya que las puntas positivas por encima de 15KV saltan arcos,, en el diseño final aislé con plástico dieléctrico, y más o menos soporta 30KV de trabajo, que para los condensadores de 40KVDC es algo por encima de su rango óptimo.

 

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4 fotos superiores: 1- Coumarin, 2- Rhodamina 6G, 3- triple láser, N2, colorante coumarín, y Rhodamina6G, 4- Igual que el anterior.

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3 Fotos superiores: 1- Triple láser N2, colorante coumarín, y colorante verde de rotulador fluorescente. 2- Igual que la primera, pero con un espejo para amplificar la salida del verde. 3- El montaje sin botella, usando un simple globo con N2, realmente es muy práctico y da para unos minutos de flujo continuo.

Y el video en Youtube: http://www.youtube.com/watch?v=_l2DRS3iMbc donde enseño desde la maleta cerrada, abrir, poner en marcha y a disparar ^_^.
Unas fotos resumen del vídeo:
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Unas fotos con explicaciones de los diferentes componentes del láser:
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laser visual 02Y el conjunto montado.

Podeis clicar en las fotos para verlas con más detalle. El disparador del spark gap no estaba montado todabía.

disparador spark gapEl disparador del spark gap, es un simple flyback pequeñito, con dos bobinas extra para hacer funcionar un transistor de potencia disipado, el esquema es sencillo para cualquier electrónico. En la salida del flyback hay una resistencia en serie y un condensador en paralelo que va conectado a la punta del disparador, de esta forma el chispazo tiene la energía almacenada del condensador y suficiente para ionizar el recinto.

Y la siguiente foto es un chispazo del láser focalizado en un cristal con depósito de oro, cualquier metal va bien para hacer la prueba. Esta prueba suelo hacerla para ver la potencia de pico del láser, por encima de 100 KW hace un chispazo, por lo que viendo la magnitud y comprarando con otros lásers que he fabricado puedo decir que tendrá más de 300KW en un tiempo inferior a 8nS. No dispongo de medidor piroeléctrico para tal fin.

chispazo

Para los que se atrevan a calcular la potencia, energía,, este chispazo ha sido haciendo trabajar al láser a 25KV , el condensador principal es de 8nF , por lo que es una energía de 2,5 joules, luego si el láser tiene teóricamente el 1% de rendimiento nos dará unos 25mJ de energía por pulso ?
El cabezal tiene una longitud de 360 milímetros con una ventana de cristal y un espejo de aluminio , las dos ventanas están alineadas para aprovechar por lo menos unas 4 pasadas, aunque la ventana de salida solo refleja un 7 ~ 8% de la luz, pero ayuda a aumentar la potencia de salida.

Jon Singer de "the Joss Research Institute" me ha ayudado a calcular el volumen de la camara, quiero decir el volumen de la descarga, para determinar cuandos joules por cm2 de energía estoy bombeando, y tomar referencias de otros lásers.

Cito textualmente el mensaje para guardar a buen reparo del correo que se pierde por el tiempo:
"Let's take a look at some numbers.

1) 20 kV, 8 nF -> stored energy 1.6 J. Very nice performance!

2) Electrode length is 36 cm. I don't think I know how thick your discharge is, but if we say 4 mm, that's 14.4 cubic cm active volume, so you are pumping with about 111 J/liter.
This is very good, and the good performance is not surprising.

(For comparison, the laser I am building now has active length of about 100 cm, and will be driven with ~40 J; the channel is 2.8 cm across, and the electrodes are ~1.6 mm thick, so the discharge will be perhaps 3 mm thick; this gives me active volume of about 84 cc and pump energy density of 475 J/l.
I wonder whether that could be too high...

Let's find another machine to compare against.

The Rebhan laser used main storage capacitors as large as 130 nF, charged to 37.5 kV, which is ~91 J. It had active length of about 70 cm, channel width of 3.8 cm, and channel thickness probably around 5 mm if I can judge by the photos in their article. The volume is about 133 cc, so their energy density was on the order of 685 J/l.
They got 1.5 MW from their device... Perhaps 475 J/l is _not_ too much.)

3) At 76 Torr & 1 cm, if you can establish 7600 V across the channel you will have 100 V/T*cm, which is close to optimum. (I have no idea what the actual channel voltage is, and unfortunately I don't know of any easy way to measure it.)"

Midiendo a 25KV son 2,5Joules, por lo tanto 1000cc x 2,5J / 14,4 cc = 173 J/L.

Agradecimientos:

Quiero agradecer a todos los miembros de la "Laser and high-energy physics hacking" que me han ayudado como siempre en el proyecto.
En especial a Jon Singer, Jarrod Kinsey, Milan Karas, que somos los que más estamos en activo con el tema del láser de N2, y con quienes tengo más contacto..

 

... continuará ? ... seguramente !

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Dudas y comentarios a alfonatr@hotmail.com

Varios:

Bibliografía:

Jon Singer de Joss Research Institute , varios tipos de lásers nitrógeno, muy bueno para informarse sobre el tema.

Link interesante sobre láser, angulo de brewster, etc..

Enlaces de Jarrod Kinsey a otro láser similar usando solo aire.

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