اتصال کوتاه

.

.

یک یادداشت تاریخی!

این مقاله بیش از 40 سال پیش، در ژوئن 1974 (1353)، در نشریه ی «ساینتیفیک امریکن» (Scientific American) در بخش «دانشمندان جوان» به چاپ رسیده بود. من در آن روزگار دانش آموز بودم و در عین حال مسوولیتی در انتشار نشریه ی «رادیو – تلویزیون» داشتم. مجله ی رادیو – تلویزیون به عنوان «ویژه نامه» ی نشریه ی «دانشمند» و به طور نامنظم به چاپ می رسید. موقعی که من این مقاله را در ساینتیفیک امریکن خواندم، خیلی تحت تاثیر قرار گرفتم و آن را برای ترجمه به یکی از دوستان، آقای اسماعیل صابری، که دانشجو بودند، دادم. این مقاله در آبان ماه 1356 (در آن روزگار سالشمار 2536 را نشان می داد!) در شماره ی 26 مجله ی رادیو – تلویزیون، به زبان فارسی به چاپ رسید. تصاویری از این نشریه را می بینید:

.

.

پیش از این که وارد جزییات مدار شویم، لازم است اخطار کنم:

در این دستگاه ولتاژِ زیادِ 20 هزار ولتی وجود دارد. این ولتاژ شوک دهنده است و برای انسان و دیگر جانداران خطرناک و حتی مرگ آور است! همچنین، از این دستگاه پرتوی لیزر نامرئی ماورای بنفش منتشر می شود که نگاه کردن و یا خیره شدن به آن باعث آسیب غیر قابل بازگشت به چشم و نابینایی دایمی خواهد شد.  من به شما اکیداً توصیه می کنم که این دستگاه را نسازید. اما اگر آن را با مسوولیت خودتان ساختید، باید بدانید و آگاه باشید که این وسیله برای فردی که اصول ایمنی و حفاظتی کار با ولتاژهای بالا و تشعشعات لیزر را نمی شناسد، و تخصص و تجربه و مهارت لازم و کافی در کار عملی با ولتاژ بالا و عایق سازی آن و لیزرهای پرقدرت ندارد، به شدت خطرناک است و می تواند به آسیب ها و صدمات جبران ناپذیر و غیرقابل بازگشت جسمی و حتی مرگ بیانجامد.

.

با وجود گذشت چهار دهه از انتشار، این مقاله هنوز هم تر و تازه و جالب به نظر می رسد. امیدوارم ضمن توجه اکید به مطالب بالا از خواندن این نوشته و ساختمان این لیزر لذت ببرید.

.

.

این لیزر از نوع لیزرهای گازی و پالسی است که با یک باتری 6 ولتی تغذیه می شود و در هر دقیقه 10 پالس اشعه ی لیزر را به صورت پرتوی فرابنفش تابش می دهد. شکل ظاهری هر پالس خارج شده، که توانی بین 50 تا 100 کیلووات دارد، شبیه یک میله ی دراز مانند یک «دسته ی جارو» است. از این لیزر می توان به عنوان یک رادار بسیار دقیق برای اندازه گیری فاصله ی ابرها تا زمین و یا در عکاسی های ویژه استفاده نمود. طول موج پالس لیزر مورد نظر ما 3371 آنگستروم (337 نانومتر) است و از تخلیه ی یک اختلاف پتانسیل الکتریکی زیاد بر روی مقداری گاز نیتروژن که تحت فشار نسبتاً کمی قرار گرفته، حاصل می شود. عملکرد دستگاه هنگامی آغاز می شود که یک ملکول نیتروژن در دمای متعارفی (25 درجه ی سانتی گراد) به یک الکترون از نیتروژن که در یک خلاء نسبی در حرکت است، برخورد کرده و انرژی کسب کند. این برخورد، ملکول نیتروژن را موقتاً به یک ناحیه ی ناپایدار وارد می کند (تهییج). با بازگشت این ملکول به وضعیت پایدار پیشین خود، انرژی دریافت شده، با انتشار یک فوتون با طول موج 3371 آنگستروم از ملکول نیتروژن دوباره آزاد می گردد.

فوتونِ منتشر شده ممکن است با ملکول تهییج شده ی دیگری از نیتروژن برخورد کند و در این حال، تنها با نزدیکی و تحریک ملکول، عیناً یک فوتون دیگر از ملکول ساطع می شود. در نتیجه، این دو فوتون یا در حقیقت دو تابش هم فرکانس از نظر قدرت به هم ملحق شده و همسو با هم به یک جهت رهسپار می شوند.

.

.

این فرآیند تا زمانی ادامه پیدا می کند که تابش مذکور در طول مسیرش در داخل نیتروژن با ملکول های فعال دیگری روبرو شود و فوتونی از آن جذب کند. این جریان، اما، به زودی متوقف می شود، زیرا وقتی تعداد زیادی از ملکول های نیتروژن به طور ناگهانی تهییج شوند، به صورت آبشاری نامنظم شروع به بازگشت به سطح های پایین انرژی می کنند. متاسفانه، در این حالت، متوسط تاخیر الکترون های نیتروژن در تراز پایین انرژی، طولانی تر از متوسط زمان ابقای الکترون های واقع در تراز بالای انرژی هستند، پیش از این که به حالت کم انرژی اولیه بازگردند. با افزایش تعداد ملکول های کم انرژی، و زیادتر شدن آنها از ملکول های پرانرژی، ویژگی تقویت کنندگی نوری خاتمه می یابد و تابش لیزر قطع می گردد. در واقع، پرتو لیزر گازی به سرعت و به طور قوی روی 3371 آنگستروم جذب و نشر می شود. نهایتاً پرتو لیزر به خودی خود خاموش می شود، هر چند که هنوز ملکول ها تهییج شده باقی هستند. به دلیل این رفتار، اشعه ی لیزری که توسط گاز نیتروژن ایجاد می شود، «خود محدودکننده» (Self-Terminating) نامیده می شود.

زمان خاموشیِ اشعه نسبتاً کوتاه و معمولاً کمتر از میلیونیم ثانیه است. این نکته برای کاربرد دستگاه در جهت امور عکاسی جالب توجه است.

حال، دستگاه ما به یک وسیله ی انتقال دهنده ی انرژی الکتریکی نیاز دارد که بتواند هزاران آمپر جریان الکتریکی را طی یک میلیونیم ثانیه ذخیره کند و این انرژی ذخیره شده را به تجهیز لیزر ما تحویل دهد. این انتقال دهنده باید ساختمان ساده ای نیز داشته باشد.

طرحی که ما در نظر گرفتیم، شامل دو صفحه ی نازک فلزی است که در مقابل و روبروی یکدیگر قرار داده می شوند، و به وسیله ی یک ورقه ی نازک پلاستیکی از ورقه ی سوم فلزی، که اندازه ی آن برابر مجموع مساحت ورقه های اول و دوم است، جدا شده اند. در حقیقت، این مجموعه به عنوان یک جفت خازن با اتصال داخلی متوالی (سری) رفتار می کنند.

فضای بین دو خازن به شکل یک شکاف عرضی است که اطراف آن نیتروژن کم فشار وجود دارد. جریان الکتریکی می تواند از میان این نیتروژنِ شارژ شده عبور کند. دو جوشن ورقه ایِ خازن به وسیله ی یک سیم پیچ از سیم مسی به هم اتصال داده شده اند. خازن ها به وسیله ی یک اختلاف پتانسیل بین ورقه ی فلزی سراسری و دو ورقه ی فلزی متقابل شارژ می شوند. خازن ها، هر دو، با پتانسیل و فاز یکسانی شارژ می شوند. هیچ اختلاف پتانسیلی در عرض شکاف میان دو ورقه ی متقابل وجود ندارد. عمل انتقال وقتی عملی می شود که یکی از خازن ها به طور ناگهانی خالی می شود. این عمل به وسیله ی جرقه ی کوتاهی که در «شکاف جرقه» خورده می شود، انجام می گیرد. این جرقه سبب می شود که ارتباط الکتریکی میان یک از دو ورقه ی متقابل با ورقه ی سرتاسری برقرار گردد. خوردن جرقه در افزاره ی «شکاف جرقه» وقتی اتفاق می افتد که پتانسیلِ بارِ ذخیره شده در خازن، از ولتاژ تعیین شده تجاوز کند. با گذشتن جریان شارژ از میان شکاف جرقه، اختلاف پتانسیلی در فاصله ی باریک بین دو ورقه ی خازن در درون فضای پر شده با نیتروژن، پدید می آید که باعث تهییج لحظه ایِ ملکول های گاز خواهد شد.

.

.

در نمونه ی آزمایشی، اندازه ی صفحه ی خازن ها را به پهنای 30 و طول 45 سانتی متر انتخاب کردیم. ولتاژ در فاصله ی لبه ی صفحات خازن ها در کمتر از دو میلیونیم ثانیه ظاهر شده و در حدود یک میلیونیم ثانیه به مقدار بیشینه اش صعود کرد. اگر این شکاف و دشارژ در ظرفی از گاز نیتروژن با فشار پایین اجرا شده و خازن ها تا 20 هزار ولت شارژ شوند، در نتیجه ی تخلیه، تعداد بسیار زیادی از ملکول های نیتروژن به تراز انرژی بسیار فعالی صعود خواهند کرد. پرتو لیزر  ظرف 5 تا 10 میلیونیم ثانیه برقرار خواهد شد. سیم پیچ مسی بین دو خازن به کندی به تغییر جریان شارژ پاسخ می دهد. این سیم پیچ برای شارژ که در حدود یک میلیونیم ثانیه اتفاق می افتد، حکم یک مدار باز را دارد.

.

.

لیزر نیتروژن عملی

یک لیزر نیتروژن عملی در بر دارنده ی: ابزار انتقال دهنده ی نیرو، یک مولد جریان الکتریک، و یک منبع گاز نیتروژن است. آخری را می توان از فروشندگان ابزار و مواد مصرفی جوشکاری تهیه کرد. برای تبدیل فشار گاز نیتروژن می توانید از کمپرسور یک یخچال قدیمی استفاده کنید.

عایق خازن های ورقه ای از نوع فیبر استخوانی، ورقه ی «اپوکسی» از نوع G10 یا فیبر مدار چاپی است. اندازه ی این صفحه 30 در 45 سانتی متر و با ضخامت 4 میلی متر خواهد بود. ورقه های فلزی خازن ها به اندازه ی 26 در 18 سانتی متر بریده می شوند. سطح ورقه های مسی باید از فساد و زنگ خوردگی حفظ شود. برای این کار می توان آنها را با لاک محافظ مخصوص مدارهای چاپی پوشاند. زیادیِ فلز با روش های معمول چاپ فیبر با کلرید آهن یا اسید نیتریک از بین برده می شود.

محفظه ی دشارژ نیتروژن دارای ابعاد 5 در 5 در 30 سانتی متر است. این محفظه با استفاده از قطعات پلکسی گلاس و چسباندن آنها به هم به صورت هوابند ساخته می شود. دو انتهای این محفظه، برای جلوگیری از انعکاس تشعشع، با زاویه ای بین 20 و 30 درجه بریده می شوند. ضخامت پلکسی گلاس های دو انتهای محفظه ی دشارژ باید بیش تر از پلکسی گلاس های دیواره های جانبی آن باشند تا بتوان با سوراخ کردن حاشیه آنها، سرلوله های ورود و خروج گاز نیتروژن را در آنها کار گذارد. این سوراخ ها به سوراخ های دیگری که از مرکز این صفحات می گذرند، ملحق شده و به عنوان یک گذرگاه برای عبور تشعشع عمل می کنند. برای جلوگیری از نشت گاز به بیرون، سوراخ های وجوه جلو و پشت محفظه با چسباندن دو شیشه ی میکروسکوپ یا «لام» مسدود می شوند.

ورقه های مسی الکترودهای دشارژ در شکاف های عرضی در وسط دیواره های جانبی محفظه کار می شوند. این ورقه ها در داخل محفظه ی شارژ  باید دارای فاصله ای در حدود یک سانتی متر از هم باشند. آن قسمت از این ورقه های مسی که خارج از محفظه ی دشارژ قرار دارند، به شکل یک S تنبل درآورده می شوند. هنگام لحیم کردن این ورقه ها به صفحه ی مشترکِ خازن ها دقت کنید که کارتان خیلی خوب باشد، زیرا هنگام کار کردن لیزر، از این اتصال ها به صورت لحظه ای هزاران آمپر جریان عبور خواهد کرد و نباید افت قابل توجهی در این محل ها اتفاق بیفتد.

«شکاف جرقه» باید بیشینه ی جریان را در کمینه ی زمان از خود عبور دهد. برای ساختن این قسمت به جای مفتول فلزی می توان از یک تسمه ی فلزی پهن استفاده نمود. جنس این تسمه می تواند از آلومینیوم یا برنج انتخاب شود. چون هنگام جرقه خوردن در این نقطه نور شدیدی تولید می شود که در دیدن پرتوی لیزر اختلال ایجاد می کند، دورِ شکاف جرقه را باید با یک لوله ی پلاستیکی رنگی که تا حدود 90% نور جرقه ها را جذب کند، پوشاند.

.

مدار تولیدکننده ی ولتاژ زیاد

لیزر ما به وسیله ی یک پتانسیل 10 تا 20 هزار ولتی شارژ می شود. مداری که این ولتاژ را تولید می کند، باید قادر باشد یک میلی آمپر جریان مستقیم روی این ولتاژ را تامین کند و آن را در هر ثانیه چندین بار به خازن های دشارژِ گاز تحویل دهد. در صورتی که برای این مدار از یک «اینورتر» با بازده 20 میلی آمپر، که با آن چراغ های فلورسنت کوچک دستی را روشن می کنند، استفاده شود، تعداد پالس ها به 120 در ثانیه خواهد رسید. در هر صورت باید به یاد داشت که هر چه نیروی تحویلی به محفظه ی دشارژ بیش تر شود، گاز نیتروژن بیش تر گرم شده و بازده و راندمان دستگاه کاهش خواهد یافت. بنابراین، در قدرت های بالا باید از وسایل خنک کننده برای گاز نیتروژن استفاده نمود. بعد از هر نوسان باید به گاز اجازه ی خنک شدن داده شود. تنها هنگامی که تخلیه ی الکتریکی در نیتروژن خنک اتفاق می افتد، بازده لیزر در بیشینه ی مقدار خود خواهد بود.

برای منبع تغذیه ی این لیزر می توانیم از مدار بسیار خوبی که در اینجا پیشنهاد شده استفاده کنیم. تنها باید به یاد داشت که در این مدار تعداد پالس ها از یکی در هر ثانیه بیش تر نشود، زیرا منبع تغذیه سریع تر از این شارژ نمی شود. برای ترانسفورماتور این مدار از یک کویل خودرو با اضافه کردن دو سیم پیچی 20 دوری استفاده شده است. در این مدار ترانزیستورها به صورت «دارلینگتون» بسته شده اند. تغذیه ی این مدار از یک باتری 6 ولتی جریان مستقیم تامین می شود که بتواند  1/5 تا 3 آمپر جریان تحویل دهد.

.

.

هنگامی که دستگاه لیزر آماده شد، کافیست که یک تکه پارچه ی سفید یا یک پرده ی فلورسانس جلوی پرتوی لیزر قرار دهید، می توانید اشعه را به چشم ببینید.

هنگام نگاه کردن به اشعه از عینک دودی تیره استفاده کنید و هیچ گاه، حتی وقتی عینک دودی تیره بر چشم دارید، مستقیماً به نور لیزر خیره نشوید. چون قدرت این مولد لیزر زیاد است، هیچ گاه پرتوی آن را به سوی مردم و یا جایی که احتمال وجود انسان می رود، تابش و یا حتی بازتاب و انعکاس ندهید.

پس از پایان هر آزمایش با این دستگاه، تا خازن ها کاملاً دشارژ نشده اند، به آنها دست نزنید، چون شوک وارده بسیار شدید و تا حدی خطرناک است.

.

.

منبع:

شماره 26، آبان 1356 (2536)، مجله ی رادیو – تلویزیون، – ویژه نامه ی مجله ی دانشمند

.

.

مطالب مرتبط:

راه هایی برای بهره گیری از کوئل خودرو برای تولید ولتاژهای خیلی زیاد

.