UV-Laserdiode zum zünden einer Funkenstrecke?

[sascha_]

Hallo allerseits,

seit der Verfügbarkeit von UV(-nahen) Laserdioden mit Leistungen >100mW habe ich mich stets gefragt, ob sich damit nicht schon eine sehr einfache, lasergetriggerte Funkenstrecke aufbauen lässt?!
...das Prinzip ist ja nicht neu, nur kommen meist UV-Laser mit hoher Impulsleistung (min. kW-Bereich) zum Einsatz (frequenzvervielfachte Nd:YAG-Laser, Stickstofflaser, ...). Die Vorzüge zu konventionell getriggerten Funkenstrecken liegen in äußert geringen Timing-Jittern, alle anderen Parameter typischer Funkenstrecken besitzt dieser Aufbau natürlich auch (hohe Strompulsfähigkeit, geringe Verluste (wenn dafür optimiert), sehr hohe Spannungen möglich).
Der benötige Laser macht das alles natürlich recht komplex - nur selten, wenn unabdingbar, kommt ein solcher Aufbau zum Einsatz - eine kleine, einfach anzusteuernde Laserdiode würde das natürlich anders aussehen lassen - auch wenn sich damit sicherlich nur kleinere Funkenstrecken aufbauen ließen.

Die zentrale Frage ist nur, ob Leistung und Wellenlänge ausreichend sind um das Gas(gemisch) in der Funkenstrecke so weit zu ionisieren, um einen leitenden Kanal entlang des Laserstrahls zu erzeugen. Die nicht so schöne Variante wäre, genügend Gasmoleküle/Atom zu ionisieren um das elektrische Feld so weit zu stören, dass es deshalb zu einer Entladung kommt - dabeit wären die Timingjitter allerdings wesentlich größer!
Unterhalb der 405nm gibt es wohl keine günstigen Laserioden, welche gleichzeitig noch eine recht hohe Leistung besitzen? Die Qualität des Strahlprofils ist hierbei recht unerheblich. Die Laserdiode würde gepulst betrieben, dh. wären Dioden die für den Impuls-/QCW-Betrieb ausgelegt sind natürlich besser geeignet, böten sicher eine höhere Pulsleistung als CW-Dioden.
Sollte die direkt von der Laserdiode abgegebene Leistung nicht ausreichend sein, könnte man bestimmt eine Kavität aufbauen, in der Funkenstrecken-Kammer, und darin eine höhere Leistung aufbauen - wäre eine Möglichkeit.
Alles natürlich vorausgesetzt, dass die 405nm überhaupt dazu im Stande sind das Gas zu ionisieren! Weiß da jemand näheres?

...würde mich freuen wenn sich ein paar Leute finden die sich dafür interessieren lassen!

Beste Grüße
Sascha

[goamarty]

Die Wellenlänge ist nicht so kritisch. Ich selbst hab den optischen Durchbruch mal mit einem Excimer-Laser (UV) vorgeführt bekommen, aber es soll auch mit Nd:YAG gehen. Das Kriterium ist die Leistungsdichte, ich denke es war von 2GW/cm² die Rede, dafür werden dann Pulse im ns oder ps Bereich benutzt.

[VDX]

... ein Durchbruch in Luft ist aber schon etwas heftiger, als ein UV-induzierter Funkenüberschlag zwischen zwei 'vorgespannten' Elektroden

Allerdings denke ich auch, daß da etwas mehr Energiedichte nötig wäre. als eine BluRay-Diode hinbekommt ...

Viktor

[afrob]

Beim Marx-Generator z.B. zünden die Funkenstrecken dadurch gleichzeitig, das sie sich gegenseitig "sehen". Die UV-Strahlung einer Funkenstrecke startet also die nächste in ca. 50cm Entfernung.
http://de.wikipedia.org/wiki/Marx-Generator

Grüsse,
afrob

[goamarty]

Da spielt aber der Spannungsstoß beim Zünden der ersten FS auch mit. Die anderen sind ja auch bis knapp vor der Zündspannung vorbelastet.

[VDX]

... das wurde im Artikel auch klar gesagt - in der Kette zünden die nächsten Stufen, weil sie die zusätzliche Ladung der vorhergehenden dazubekommen ... hat hier also erstmal nichts mit UV oder Ionisierung zu tun ...

Viktor

[afrob]

Aus http://de.wikipedia.org/wiki/Marx-Generator :

Um das Zünden der Funkenstrecken zu beschleunigen, ist es hilfreich, wenn zwischen den Funkenstrecken eine optische Sichtverbindung besteht, denn das von einer Funkenstrecke ausgesendete UV-Licht vermindert die Spannungsfestigkeit der anderen Funkenstrecken und ist entscheidend für das fast gleichzeitige Zünden aller Stufen.

Sicher, die Funkenstrecken sind bis kurz vor Durchbruch vorgespannt. Ohne Sichtverbindung zünden die aber nach RLC-Zeitkonstante zeitversetzt, nicht gleichzeitig.

Grüsse,
afrob

[VDX]

... hmmm ... "das von einer Funkenstrecke ausgehende UV-Licht" - wieviel und welche Wellenlänge bzw. Ionisierungsrate wird dabei erreicht?

Ich schätze mal, daß da einiges an ziemlich kurzwelliger Strahlung zusammenkommt ...

Wie kann das mit einer UV-Laserdiode verglichen werden?

Viktor

[sascha_]

...wird sich wohl kaum vergleichen lassen. Hinter solchen Entladungen steckt sicher eine nicht geringe Energie/Leistung und das eben in den äußerst kurzen Wellenlängen - Wer schonmal kurzärmlich geschweißt hat weiß davon zu berichten
Zur preionisation anderer Funkenstrecken ist dies natürlich auch ideal, da die Emissionswellenlängen ja idr. auch Absorptionswellenlängen sind und so die Energieübertragung bei gleichen Elementen von Nukleus zu Nukleus sehr effizient von statten gehen kann.
Allerdings ist die UV-Strahlung bei einem Marx-Generator keinesfalls für das schnelle, kaskadierte zünden verantwortlich, das ist schlicht die Spannungsüberhöhung sobald die erste Funkenstrecke gezündet hat.
Und von wegen RC-Kreis, ... - Die einzigen Rs und Ls die dabei existieren sind die parasitären des Aufbaus, welche man ja aus genau diesem Grunde stets minimiert um eine möglichst schnelle Anstiegszeit zu erreichen - zünden die Funkenstrecken, sitzen die Kondensatoren direkt in Reihe mit den Funkenstrecken und eben den anderen Funkenstrecken und Kondensatoren - ohne weitere explizite Bauteile im Strompfad!
Dass die schon zündenden Funkenstrecken die anderen durch UV-Emission zum Zünden bringt ist nicht so, dass es eine zündfreudige Umgebung schafft, dh. einen gewissen grad der Preionisation - der auch schon signifikant sein mag, kann durchaus sein. Das sorgt dann natürlich für ein besseres Zündverhalten, dh. ein schneller einsetzender Stromfluss - wie eben bei allen 'gedopten' Funkenstrecken, idr. ja eher mit Radionukliden.

Muss erst einmal los... werd' mich später noch einmal melden.

[wler]

Es gibt zwei Moeglichkeiten zur Ionisation, Leistungs- oder Energie-bezogen.

Ersteinmal durch Durchschlag wegen grosser Leistungsdichte, ich erinnere mich dass da einige KW an Leistung noetig sind (habe ein Bild im Kopf wo ein Multi-KW Co2 Laser einen kontinuierlichen Plasmapunkt erzeugt). Dies ist relativ unabhaengig von der Wellenlaenge, es kommt auf die Feldstaerke im Fokus an.

Zweitens durch Verwendung solch kurzer Wellenlaengen, welche genug Energie haben um die Luftmolekuele aufzuspalten. Der Bereich um 400nm gehoert da nicht dazu.

Beides ist also mit einer 100mW Diode schlecht moeglich. Ich bezweifle, dass das bei Vorspannung viel besser wird (denn IMHO muesste man wohl so dermassen knapp an die Entladungsgrenze gehen, dass andere Einfluesse die Sache zu kippelig werden lassen).

[sascha_]

Befürchte ich vom Bauchgefühl auch, allerdings halt ohne jegliche Beweise...
Selbst die Idee einen zusätzlichen Resonator hinzuzufügen wird eben nicht helfen, wenn das Licht schlicht zu langwellig ist.

Ein 'Air-Breakdown' (sowas hier: http://www.youtube.com/watch?v=1HHJhpStza0) ist natürlich etwas völlig anderes! Da entsteht der Überschlag in der Luft ja nicht weil der Laser Luftmoleküle ionisiert, sondern weil die elektrische Feldstärke so hoch ist, dass diese wiederum den Atomen die Elektronen absaugt und sie somit ionisiert.

Einfach so im Netz findet sich leider sehr wenig zu lasergetriggerten Funkenstrecken, dass 'sich mal eben einen Ãœberblick verschaffen' schwierig ist.
Einen funktionierenden und erprobten Aufbau habe ich schonmal am GSI in Darmstadt gesehen, dort gab es eine mittels sealed-cartridge Stickstofflaser getriggerte Funkenstrecke, welche eine Raumfüllende Kondensatorbank entlud - Selbst durch die dicke Stahltür hat man es noch rumpsen gehört. War also nicht gerade ein Aufbau fürs Heimlabor
Von der Wellenlänge her ist der Stickstofflaser natürlich weit näher an den 300nm (genauer eben 337nm) als an den 400nm (wie die Dioden) - das wird sicher den entscheidenen Unterschied machen, eben zusammen mit seiner gepulsten Betriebsnatur.
Doch, wenn man nicht zufällig einen solchen auf dem Second-Hand Markt bekommt, ist die Anschaffung zum Aufbau einer sicher noch forschungsintensiven lasergetriggerten Funkenstrecke schlicht zu teuer/unrentabel (weil ich nicht bereit bin viel mehr als eigene Arbeitszeit zu investieren), besonders wenn die Aufgabenstellung auch mit einer normalen, elektrisch getriggerten Funkenstrecke oder einem Thyratron zu lösen ist - wie in meinem Fall gegeben.

Auch größere 'Funkenstrecken' lassen sich mit dieser Methode übrigens triggern: http://www.google.de/url?sa=t&source=we ... tA&cad=rja


P.S.: Beim überfliegen des von mir eben verlinkten Dokuments fiel mir folgende Aussage auf:

Other experiments have been performed at 800nm [...] self focusing 100fs, 30mJ pulses in air [...] it was not possible to trigger a discharge across a 10cm gap, 100kV.
[...] At a shorter wavelength produced by frequency doubling these pulses (400nm), the 10cm gap could be easily discharged at 20 times lower intensity.

2-2, Im PDF-Dokument Seite 18/70

Hm, die Aussage als Grundlage für eine überschlägige Berechnung:
30mJ / 20 = 1.5mJ,
1.5mJ / 100fs = 15GW
...ist ein bisschen viel für eine Laserdiode (selbst mit zusätzlicher Kavität), selbst bei nur 100fs - was natürlich auch ein bisschen zu schnell für eine normale Laserdiode ist.
Bei 400nm kann man das also ohne einen tischfüllenden/altersvorsorge-aufbrauchenden Laseraufbau vergessen.

Ist vielleicht ein wenig Off-Topic, aber ungefragt möchte ich es auch nicht lassen:
Wie gut sind günstige gebrauchsfertige Stickstofflaser-Module zu bekommen? Also auf dem Second-Hand Markt, auch ein günstiger Neupreis ist in diesem Zusammenhang zu viel.
Ich kann mir erinnern hier im Forum mal von jemanden gelesen zu haben, der Probleme mit einem solchen Modul hatte bzw. es vielleicht auch einfach nur in Betieb nehmen wollte und Infos dazu benötigte... Besitzt jemand von Euch so einen Lasermodul und würde ihn mir verkaufen?
...das wäre wohl der einzig sinnvolle Ansatz mit lasergetriggerten Funkenstrecken zu experimentieren, die Laserdioden bei ~400nm scheiden nach den nun gefundenen Aussagen wohl sicher aus.

Ich danke allen die hier aktiv waren!
...einen evtl. enstehenden Aufbau würde ich sicher auch dokumentieren und allgemein zugänglich machen. Eine 'low-cost' lasergetriggerte Funkenstrecke mit geringen Timingjittern ist ja sicherlich für einige Experimentierer interessant. Es hängt jetzt wohl einfach von der Verfügbarkeit von so einem kleinen Stickstofflaser-Modul ab.

[afrob]

Allerdings ist die UV-Strahlung bei einem Marx-Generator keinesfalls für das schnelle, kaskadierte zünden verantwortlich, das ist schlicht die Spannungsüberhöhung sobald die erste Funkenstrecke gezündet hat.

Sicher, die Funkenstrecken werden auch durch die Spannungsüberhöhung irgendwann (innerhalb ~ ein paar ns) zünden. Du hast oben ja schon das Wörtchen "Jitter" ins Spiel gebracht.
Denn das die UV-Strahlung nicht für das *schnelle* Zünden verantwortlich ist stimmt so einfach nicht.
Aus http://www.apelc.com/pdfs/13.pdf :

The closure of a spark gap is a statistical process. ... The
time for breakdown process to occur is dependent on four
events: (1) the statistical time delay for the appearance of
a free electron, tsd, which may be reduced to zero with the
application of a UV source; (2) the streamer formation
time, tsf, which is inversely proportion to the electric field;
(3) the channel heating time, tch, which is also inversely
proportional to the electric field; and (4), the trigger pulse
risetime, tr.

Ob man Streuinduktivitäten oder -kapazitäten und -widerstände bei Pulsen im ns-Bereich (GHz-Frequenzbereich) vernachlässigen kann solltest du dir vielleicht noch mal überlegen.

Grüsse,
afrob

[sascha_]

Keine 'ich weiß es aber besser...'-Spielchen bitte.

Ich bin mir absolut sicher, dass sich auf ein verbessertes Schaltverhalten durch die UV-Emission der zündenden Funkenstrecken optimierte Marxgeneratoren bauen lassen.
Das Prinzip ist ja aus Excimer- und anderen großvolumigen Gas-Lasern bekannt, dass die Emission von Pretrigger-Funkenstrecken neben dem Hauptentladungskanal erst eine homogene, großfläche Hauptentladung überhaupt ermöglichen bzw. deren Qualität stark verbessern.
Der 'normale' Marxgenerator allerdings, bei dem gekapselte Funkenstrecken auch vertikal und versetzt im 'Turm' verbaut sind, profitiert von deren UV-Emission beim zünden nicht, jedenfalls nicht signifikant. Da wirken andere Einflüsse ebenso stark und die positiven Effekte vom UV-Blitz gehen unter - wenn der Generator eben nicht explizit dafür designt ist, diesen Effekt zu nutzen.
Und dieser Effekt ist eben auch nicht zwingend von Nöten um kurze Anstiegszeiten und geringe Timingjitter zu realisieren - sicher eine Möglichkeit, doch eben nicht die einzige.