057Réalisation d'un tube flash coaxial ablatif pour un laser Dye
Réalisation d'un tube flash coaxial travaillant en régime ablatif. La différence fondamental entre un tube flash ablatif comparer au tube flash xénon est l'intensité injectée dans le tube. L'autre différence c'est que le tube flash ablatif à un spectre d'émission d'un plasma à très haute température, spectre correspondant à un corps noir à la température du plasma. Alors que le tube flash conventionnel à un spectre discret correspondant aux raies d'émission du gaz excité.
Pour être dans le régime ablatif il faut injecté entre 200 et 1500 joules/cm3.
Ces tubes sont utilisés pour le pompage de lasers à colorant. Pour qu'il
soit ablatif, il faut injecter un très forte intensité de courant et le spectre
émis est celui de la paroi vaporisée et du gaz (comme un corps noir). Le gaz
le moins coûteux est l'air et l'intensité rayonnée est aussi bon que le xénon
qui est le gaz rare le plus couteux ! (environ 80 euro le litre)
Les
tubes ablatifs travaillent avec des pulses compris entre 100 ns et 10
microsecondes et des intensités de 10-50 kA/cm2. Les matières les plus
utilisées sont le quartz (beaucoup d'UV) les verres borosilicates (DURAN et
PYREX) et des polymères transparent comme les métacrylate de méthyle (
PLEXIGLASS).
Le condensateur est un CSI model 25W022 de 1 microfarad sous 25 kV DC non
inductif avec un éclateur à vide de EG&G model GP63 capable de commuté 30kJ
entre 300 volts et 50'000 volts . Le pulse trigger nécessaire pour faire
commuté cet éclateur est de 25kV. J'attire l'attention que cette pièce coûte
plus de 2500 euro ! Mais on peut la remplacer, par un simple éclateur fabrique
par soi même pour 10 euro!
Le tube contenant le colorant fait 7/10mm
et 480mm de long et le tube extérieur 11/15mm Les 2 flasques en PVC grises permettent de tenir le tube avec les fenêtres et miroirs nécessaire ainsi que les entrées et
sorties de colorants.
Le condensateur est un CSI model 25W022 de 1 microfarad sous 25 kV DC non
inductif avec un éclateur à vide de EG&G model GP63 capable de commuté 30kJ
entre 300 volts et 50'000 volts . Le pulse trigger nécessaire pour faire
commuté cet éclateur est de 25kV. J'attire l'attention que cette pièce coûte
plus de 2500 euro ! Mais on peut la remplacer, par un simple éclateur fabrique
par soi même pour 10 euro!
En régime ablatif intensité entre 10kA/cm2 et 50 kA/cm2 la température du plasma
atteint 50'000 degrés Celsius et le spectre d'émission est celui d'un corps
noire à cette température. Les raies d'émission du gaz sont confondue dans le
spectre continu du corps noire ( beaucoup d'ultra-violet). La surface des parois
du tube flash est évaporée, on utilise le quartz, le pyrex ainsi et le
plexiglass!
Autre point très important c'est la pression du gaz durant la
décharge.
Comme la décharge doit être très rapide 300 ns à 1 us, et l'énergie
injectée de 150 à 800 Joules / cm3 de gaz excité, il se forme une onde de choc
ultra brisante donc l'intensité va dépendre de la pression du gaz et comme la
température est au moins de 50000 degrés il faut être à une pression entre 1
torr et 10 torr maximum, sinon le tube explose littéralement!!! ( la pression
des tubes flashs conventionels est de 500 torr )
Donc il faut calculer les
dimensions du tube pour être en régime d'ablation, moi je travail à 500 J/cm3 . Ce qui correspond pour mon tube à une zone de décharge de 0.5 mm sur un diamètre de 8mm !
Autre possibilité c'est d'utiliser un éclateur déclenchable à 3 électrodes fait maison! L'électrode centrale (trigger) percée d'un trou de 3mm permettant au moyen des UV de préionisé les 2 cotés de l'éclateur. Dans ce cas j'utilise de l'azote à 4 bars de pression avec une distance entre électrode de 4mm pour 25kV. La vitesse de montée en courant est de 8ns avec un jitter de 5ns le pulse trigger sur l'électrode central est de +30kV en 1 microseconde.
cablage du tube flash ablatif, unité de charge rapide 5kJ/s du condensateur de 1 uF/25kV, unité trigger EG&G pour déclencher l'éclateur à vide et pompe pour tirer au vide à 1 Torr
ceci est la courbe de Paschen elle donne la valeur de la tension disruptive (kV) de l'air en fonction du produit p.d (bar.mm) Donc le tube flash ablatif à une longueur de 360mm voici la tension disruptive en kV pour les pressions suivante:
Autre point à considéré c'est
l'effet "PENNING" la rigidité diélectrique de certains gaz diminue
fortement en y introduisant une petite quantité d'un autre gaz.
Exemple le mélange Ne-Ar entre 2 électrode planes distante de 2 cm: le Néon seul p.d=370mmHg.cm donne une valeur de 1800V le Néon+0.01%Ar p.d=370mmHg.cm donne une valeur de 280V
L'état
métastable des atomes de néon est atteint avec une énergie de 16eV,
supérieur à l'énergie de ionisation des atomes d'argon (15,1eV) ; les
atomes d'argon sont facilement ionisés lors des collisions avec les
atomes métastables de néon, ce qui fait diminuer considérablement la
tension de claquage.
Choix de la cathode:la chute de tension cathodique dépend du gaz et du métal formant la cathode. J'ai
opté pour l'aluminium qui présente une chute de tension cathodique de
229V ce qui est une bonne valeur comparable au nickel 226V au magnésium
234V ou au plomb 208V ! L'aluminium est plus facile à usiner. L'épaisseur de la couche cathodique est de 0.25 (cm.Torr) pour l'aluminium et l'air
Video en HD Sur cette vidéo on ne voie pas l'intensité de la décharge
lumineuse car la synchronisation de la camera video ne peux être
réalisée la durée de l'éclair est de moins de 1 microsecondes ! Et le
CCD sature !
Vidéo en HD
Voici le seuil laser en émission super radiante. La divergence est très importante dû au mauvais alignement du miroir arrière. Je vais amélioré ce laser en modifiant:
1. La stabilité de l'optique en montant la tête laser et les supports de miroirs sur un banc d'optique en aluminium en équipant le laser de miroirs externes réglables. 2. Utiliser une capacité plus grande 0.7 uF 100kV non inductive permettant de travailler entre 40 et 50 kV (875 Joules) en régime ablatif! 3. Diminuer encore l'inductance en remplaçant le cable coaxial de charge de 50 Ohm par un tube d'aluminium. 4. Augmenter le pouvoir réfléchissant par le remplissage de sulfate de baryum. 5. Mettre du gaz XENON à la place de l'air.
D'après mes calculs une énergie de 3-4 joules en 700 nanosecondes doit-être réalisable ! A SUIVRE !
vidéo en HD
Ceci est la deuxième version utilisant le même tube à décharge ablatif. L'avantage de cette 2 ème version est d'avoir un résonateur sur un banc d'optique stable et des miroirs réglables permettant un réglage plus facile et plus de stabilité. Pour ces premiers essais j'utilise un condensateur non inductif MAXWELL de 0.22 uF 50kV
Video en HD.
Ceci est une troixième version du laser à colorant pompé par un tube flash ablatif.
Celle-ci se distingue de la deuxième version par le fait de ne plus utilisé une amenée de courant avec un cable coaxial mais par des bandes conductrices en cuivre et d'un condensateur CSI de 2 micro farads sous 25kV ayant un inductance de 50 nano Henry.
Quatrième version utilisant un cable coaxial avec un capacite CGC de 2.5 uF / 20kV
