مقاله طراحی و ساخت لامپ درخش لیزر با استفاده از اتصال نواری

بخشی از مقاله

چکیده – با استفاده از روش جوش شیشه به فلز و با کمک نوار مولیبدن و کوارتز یک نمونه لامپ درخش لیزر ساخته شد. براي رفع آلودگی الکترودها و محفظه لامپ از روشهاي شیمیایی، گاززدایی با کوره القایی و تخلیه الکتریکی در محیط گاز خالص بی اثر استفاده شد. آزمایش طول عمر لامپ انجام و در حین آن رفتار پالس نور و جریان آن اندازه گیري شد و تکرارپذیري آن به خوبی مشاهده شد.

-1  مقدمه

امروزه از لامپ درخش لیزر در بسیاري از کاربردهاي روزمره مانند چراغ هاي هشدار دهنده، عکاسی سرعت بالا، تحریک برخی مدار هاي الکترونیکی استفاده می شود، اما مهمترین کاربرد این لامپ پمپ کردن محیطهاي فعال لیزر مانند لیزرNd:YAG می باشد.[1] با توجه به نوع محیط فعال لیزر و اندازه لامپ، ترکیب و فشار گاز درون آن تغییر می کند، به عنوان مثال براي پمپ کردن لیزرهاي پالسی Nd:YAG از گاز زنون استفاده می شود.

اگر چه در بسیاري از سیستم هاي لیزر حالت جامد عمل پمپ محیط فعال توسط لیزرهاي دیودي انجام می شود[1]، اما در مواردي مانند گداخت هسته اي با روش محصور سازي اینرسی که در آن نیاز به پرتو هاي پرتوان لیزر است بهترین وسیله پمپ کردن محیط فعال، لامپ درخش می باشد.[2] لامپ درخش زنون لامپی است که با تخلیه الکتریکی هاله اي درون گاز زنون، نوري با شدت بالا، غیر همدوس و به رنگ سفید در زمان کوتاهی ایجاد می کند.

تیوپ لامپ معمولا از جنس کوارتز است که با گاز زنون پر شده و دو الکترود در دو انتهاي آن آب بندي شده اند. شکل تیوپ می تواند خطی یا دوار حلزونی باشد. براي تخلیه الکتریکی در لامپ نیاز به یک منبع ولتاژ بالا می باشد تا خازن هاي تخلیه با آن شارژ شده و پس از تحریک لامپ با تخلیه شدن در آن و ایجاد پلاسما از گاز - زنون - تپ نوري شدیدي تولید شود.

براي تحریک و راه اندازي لامپ ابتدا در تیوپ یک پیش یونش اولیه ایجاد می شود. دلیل ایجاد این پیش یونش کاهش مقاومت الکتریکی لامپ می باشد تا خازن هاي شارژ شده در آن تخلیه شوند. یک روش ایجاد این پیش یونش اولیه استفاده از سیمی است که به دور لامپ پیچیده شده و یک پالس الکتریکی با جریان بسیار کوچک اما ولتاژ چند ده کیلو ولتی به آن اعمال می شود.

پس از آنکه پالس راه انداز به لامپ اعمال شد، گاز یونیزه شده و خازن سریعا درون لامپ تخلیه می شود. وقتی که این جریان پالس از درون لامپ عبور می کند، الکترونهاي اتمهاي گاز زنون را برانگیخته می کند و آنها را به ترازهاي انرژي بالاتر منتقل می کند. الکترونها سریع به تراز پایین باز می گردند و فوتون ساطع می کنند. زمان تخلیه براي لامپهاي فلاش از میکرو ثانیه تا چند میلی ثانیه است و آهنگ تکرار می تواند تا چند صد هرتز باشد.

-2  چگونگی ساخت:

-1-2   ساخت الکترودها:

براي اتصال فلز به کوارتز از روشهاي مختلفی استفاده میشود[3]، که در اینجا از روش آب بندي نوار فلزي نازك استفاده شده است.معمولاً در اتصال کوارتز-فلز از ریبون مولیبدن فرآوري شده استفاده میشود. اگر سطح مولیبدن بوسیله کندگی شیمیایی زبر شود، چسبندگی این دو بسیار قوي خواهد بود. ریبون باید به اندازه کافی نازك باشد تا از تنش هاي شکننده که در کوارتز در جهت عمود بر سطح ریبون ایجاد میشود جلوگیري کند. همچنین باید به اندازه کافی کلفت باشد تا تنش طولی که در هنگام سرد کردن اعمال میشود، را تحمل کند.

الکترودهاي لامپ درخش از جنس تنگستن هستند اما کاتد باید قابلیت الکترون دهی بالاتري داشته باشد، پس باید تابع کار آن کاهش یابد که این کار با اضافه کردن توریوم و یا عناصر مناسب دیگري مانند استرانسیوم انجام میشود. با توجه به مشکلات تهیه تنگستن مناسب براي ساخت لامپ درخش، از الکترودهاي تنگستن خالص که در جوشکاري آرگون بکار میرود، بعنوان آند و از الکترودهاي تنگستنی که داراي توریوم هستند، بعنوان کاتد استفاده کردیم. ابتدا از میلگرد تنگستن و تنگستن-توریوم به قطر 3 میلیمتر قطعهاي بهطول 2 سانتیمتر بریده شد و سپس با دستگاه تراش یک سر الکترود آند کاملاً گرد و سر قطعه تنگستن- توریوم با شیب اندکی مخروطی گردید. سر دیگر هر دو تکه به صورت یک سطح صاف در آورده شد.

براي تمییز کاري شیمیایی قطعات تنگستنی الکترودها، ابتدا آنها را درون محلول آب ژاول انداخته و حرارت دادیم. پس از شستشوي کامل با آب شیر، الکترودها را در محلولی شامل هیدروکسید آمونیوم، آب اکسیژنه و آب مقطر قرار داده و بار دیگر آنها را با آب شیر شستشو دادیم. در نهایت آنها را با محلول متانول تمیز کرده و با هواي گرم خشک نمودیم.

پس از شستن الکترودها با محلول شیمیائی، براي انجام عملیات گاززدائی الکترودها را در یک لوله از جنس کوارتز قرار داده و درون آنرا خلاء کردیم. با قرار دادن لوله درون سیم پیچ یک کوره القایی با توان 1KW تنگستن شروع به سرخ شدن کرد - شکل. - 1 پس از گذشت حدود 20 دقیقه الکترودها را از کوره خارج کردیم. در محلی که الکترودها با کوارتز در تماس بودند، کوارتز کاملاً سیاه شده بود که نشان دهنده خروج آلودگیها از تنگستن است.  پس از گازدائی تنگستن، به کمک دستگاه نقطه جوش، اقدام به اتصال ریبون مولیبدن فرآوري شده به تنگستن نمودیم.

براي این کار ریبون مولیبدن را روي قسمت پخ شده الکترود قرار داده و دور آنرا با یک لایه از ورق تانتالیوم پوشانده و این مجموعه را روي الکترود نقطه جوش قرار دادیم. درحالیکه همزمان گاز آرگون به محل وارد میشد تا از اکسید شدن محل جوش هنگام سرخ شدن جلوگیري کند، چند بار پدال دستگاه را فشار داده تا اتصال محکمی در چند نقطه به وجود آید. سپس به سر دیگر نوار مولیبدن یک تکه نوار تانتالیوم و در ادامه یک سیم نیکل نقطه جوش شد تا پس از ساخت لامپ، الکترودها از این طریق به منبع تغذیه متصل شوند. کل این فرآیند باید بدون تماس دست با الکترودها و با پنس و در محیط تمیز انجام شود تا از نشستن هرگونه آلودگی روي الکترودها جلوگیري شود.

-2-2  ساخت محفظه لامپ

براي ساخت محفظه لامپ از یک لوله از جنس کواتز به قطر 6 میلیمتر و ضخامت 1 میلیمتر و به طول 15 سانتیمتر استفاده شد. لوله شیشه اي قبلا با استفاده از محلول بسیار رقیق اسید فلوریدریک شستشو داده شده و در ادامه آن را به مدت شش ساعت در کوره با دماي 200 درجه سانتیگراد حرارت داده بودیم، تا مولکولهاي حبس شده گاز از آن خارج شده و براي استفاده آماده شود.براي انجام اتصال ابتدا الکترودها را درون لوله قرار دادیم طوري که سر الکترودها به طرف همدیگر باشد. پس از آنکه دو سر لوله با شعله هیدروژن مسدود شد از طریق اتصال T شکل ایجاد شده بر روي دیواره لوله، درون لوله را خلاء کردیم.

الکترودها در فاصله 4 سانتیمتري از یکدیگر قرار داده شدند در ادامه لوله را به سه نظام هاي دستگاه لیت - Lathe - شیشه گري متصل کرده و با استفاده از شعله هوا- هیدروژن کوارتز دور الکترودها را نرم نمودیم که به علت خلاء بودن درون لوله، کوارتز شروع به ریزش بر روي تنگستن و مولیبدن کرد. کل ریبون مولیبدن باید با کوارتز پوشانده شود و کمی کوارتز هم روي تنگستن بنشیند. سپس همین کار را براي سر دیگر انجام داده و پس از سرد شدن، لامپ را براي تزریق گاز از دستگاه لیت جدا کردیم - شکل. - 2 میلی بار تنظیم کرده و سپس شیر گاز را بسته و انشعاب T را از محل اتصال به لوله اصلی جدا کردیم.

-3 آزمایش لامپ

براي آزمایش لامپ از روش راه اندازي خارجی استفاده شد که به این منظور مداري مطابق شکل - شکل - 3 بسته شد.[5] -3-2  تمییز کاري تخلیه الکتریکی و تزریق گاز به لامپ براي تمییز کردن بهتر لامپ و افزایش طول عمر آن از روش تمییزکاري تخلیه الکتریکی استفاده می شود.[4] براي این کار از محل اتصال T لامپ را به مجموعه خلاء متصل کردیم. براي آنکه لامپ بطور صحیح تخلیه شود لازم است که فشار تا 10 -6 میلی بار کاهش یابد، سپس شیر گاز زنون را باز کردیم تا یک جریان اندك گاز در مجموعه وجود داشته باشد.

دو سر الکترودها را به منبع تغذیه ولتاژ بالا متصل کرده و تخلیه الکتریکی براي تمیز کردن درون لامپ انجام شد. در حین تخلیه الکتریکی درون لامپ ورود گاز و تخلیه با پمپ خلاء ادامه داشت. تخلیه الکتریکی باعث وجود جریان الکتریکی بالا بین دو الکترود و گداخته شدن آنها می شود. با گداخته شدن الکترودها و گرم شدن فضاي درون لامپ آلودگی ها از الکترودها و سطح شیشه کنده شده و از محیط تخلیه می شوند. پس از تمییز کاري با روش تخلیه الکتریکی، درون لامپ تخلیه شده و گاز زنون با خلوص %99,99 وارد شد. به کمک گیج عقربهاي فشار را روي 400 براي راه اندازي لامپ از روش راه اندازي خارجی استفاده شده است.

در این روش پالس روشن کننده لامپ، بوسیله راه انداز از طریق سیم پیچی که به دور لامپ پیچیده شده است به آن اعمال میشود - شکل. - 4 در این روش یک پالس ولتاژ بالا - در حدود 30کیلوولت - به سیم پیچ اعمال می شود، تا یونش اندکی در گاز درون لامپ ایجاد و از مقاومت آن کاسته شود. در نتیجه انرژي ذخیره شده درون خازن، در آن تخلیه می شود. ولتاژ شارژ خازن با توجه به انرژي آستانه انفجار لامپ تعیین می گردد - انرژیی که با اعمال آن لامپ منفجر می شود - .