Как измерить высокое напряжение без физического контакта

Доктор Исраэль Оуэнс и его команда из Sandia National Laboratories использовали кристалл размером меньше десятицентовой монеты и лазер размером меньше обувной коробки, чтобы безопасно измерить 20 миллионов вольт без физического контакта с электродом.

Технические обзоры :Что привело вас к этой идее?

Доктор. Оуэнс :Как точно и безопасно измерить высокое напряжение с помощью кристалла размером меньше десятицентовой монеты и лазера размером меньше обувной коробки:все это началось как своего рода дискуссия о журавле в небе, которую я провел с несколькими моими коллегами. Проблема, которую мы пытались решить, заключалась в следующем:как измерить чрезвычайно высокое напряжение — в частности, такое, которое мы обычно генерируем на наших ускорителях импульсной мощности в Sandia?

Мы обсудили различные подходы, и возникла идея использовать электрооптическое устройство, которое не мешало бы высокой энергии и полям излучения в устройстве. Поскольку он неметаллический, он менее подвержен помехам и шуму от источника. Приступая к этому, мы знали, что наш мегавольтный источник электронов высокой энергии (Hermes) является в значительной степени симулятором производителя гамма-излучения с самой высокой энергией на планете. Таким образом, мы увидели в этом уникальную возможность решить давнюю проблему, которая существовала на протяжении нескольких десятилетий. Эти устройства были разработаны еще в конце 80-х, и у нас до сих пор не было возможности измерять напряжение напрямую или точно. Итак, это было что-то, что мы просто устроили мозговой штурм — подбрасывали идеи. В конце концов мы решили использовать электрооптическое устройство, потому что оно не будет мешать источнику высокой энергии.

Технические обзоры :Не могли бы вы описать установку?

Доктор. Оуэнс :Есть две основные части. То, что мы называем удаленной частью, — это, по сути, просто кристалл и лазерный луч. Есть две локации:диспетчерская и удаленная зона, где мы размещаем кристалл. Мы направляем лазерный луч к кристаллу в удаленном месте с помощью оптоволокна. Но только кристалл находится в пространстве, где мы обнаруживаем поле. Мы направляем лазерный свет, выходящий из оптоволокна, в вакуум, где есть электрическое поле — поле проходит через широкую сторону кристалла. Затем мы собираем свет, исходящий с другой стороны кристалла. Этот сигнал отправляется обратно в диспетчерскую, где интенсивность света измеряется фотодетектором. Расстояние между кристаллом и высоковольтным катодом чуть более 14 сантиметров.

Частью наших критериев проектирования является то, что мы хотели использовать как можно меньше материала, чтобы не мешать полю. В нашем первом проекте у нас было гораздо большее устройство — у нас было оптическое волокно и большая установка кристалла, и это не очень хорошо работало. Это мешало работе устройства — мы получили дуги высокого напряжения на датчик. Поэтому нам пришлось подумать о том, как изменить его конструкцию, чтобы избежать возникновения электрической дуги.

Технические обзоры :Ваше устройство измеряет напряженность электрического поля — как это связано с напряжением? Нужен ли какой-то расчет?

Доктор. Оуэнс :Да, электрическое поле — это, по сути, напряжение, приложенное между анодом и катодом, деленное на расстояние между двумя поверхностями — в нашем случае близкое к 15 сантиметрам. Мы пренебрегаем радиальным разбросом поля, так как считаем его несколько пренебрежимо малым на длине сантиметрового кристалла. Таким образом, этот расчет довольно прост в отношении преобразования между ними.

Технические обзоры :Как вы калибруете систему?

Доктор. Оуэнс :Одним из сильных преимуществ нашей системы является то, что она, в принципе, не требует официальной процедуры калибровки. Поскольку мы можем полагаться на электрооптическую теорию, мы можем моделировать то, что ожидаем, исходя из известных параметров. Однако, прежде чем мы перенесем это на ускоритель импульсной мощности, мы проведем лабораторный эксперимент. Это делается при более низкой напряженности электрического поля, чтобы подтвердить наши расчеты. Я думаю об этом как о своего рода калибровке. Но мы всегда были немного осторожны с терминологией, потому что считаем, что одним из преимуществ системы является то, что технически она не требует калибровки. Итак, это калибровка в том смысле, что мы смотрим на поля меньшей силы и убеждаемся, что они соответствуют теории. Мы получаем такую ​​проверку перед тем, как вынести устройство в так называемую полевую среду, которая является одним из ускорителей импульсной мощности.

Технические обзоры : Значит, вы говорите, что отношение между реальным напряжением в мегавольтах и ​​сигналом в милливольтах является константой?

Доктор. Оуэнс :Да, измерение линейное — когда мы видим сигнал на нашем осциллографе, мы знаем, что это прямая зависимость — она в единицах измерения, которые мы хотим измерить. Поскольку они оба являются напряжениями, это линейная передаточная функция между ними. Получается, что десятки милливольт на осциллографе переводятся в мегавольты, которые мы измеряем на ускорителе — это константа, и она линейна. Мы подчеркнули это в статье, потому что другие доступные методы включают производные ответы.

Технические обзоры :Каковы некоторые параметры импульса?

Доктор. Оуэнс :Я могу сравнить и сопоставить наш лабораторный эксперимент с полевым экспериментом. В нашей настольной лаборатории у нас гораздо более низкие поля, около 5 кВ на сантиметр, но чрезвычайно узкая ширина импульса — менее 2,5 наносекунд. Система, с которой мы работаем, может легко увидеть определенную временную структуру в этом импульсе. В полевых условиях все наоборот; у нас есть гораздо большее поле, но импульсы примерно в 15-20 раз шире, чем импульсы, которые мы видим на столе — они составляют около 30 наносекунд в ширину, но все же довольно узкие. Они обладают очень высокой энергией и, по сравнению с ними, относительно узки.

Технические обзоры :Итак, вы считываете пиковое импульсное напряжение?

Доктор. Оуэнс :Мы считываем пиковое напряжение, а также форму волны, зависящую от времени. В нашей группе исследователи так же заинтересованы в особенностях формы волны, как и в фактическом пиковом значении. Оба эти параметра очень важны.

Технические обзоры :Можете ли вы дать простое объяснение того, как генерируются импульсы?

Доктор. Оуэнс :Все начинается с блока конденсаторов в так называемом генераторе Маркса, которые заряжаются параллельно до очень высокой энергии. А еще есть автоматический переключатель, который соединяет их все последовательно, что создает высокое напряжение. Затем высокое напряжение в нашем ускорителе «Гермес» проходит через серию нескольких участков формирования импульса, которые начинаются с очень большой длительности — вероятно, миллисекунды — и по мере того, как электромагнитная волна движется к конечному устройству, она проходит через ряд участков, формирующих импульс. компрессия на нем. Все различные элементы дизайна направлены на то, чтобы сделать импульс более узким, так что к тому времени, когда вы доберетесь до конечной точки, у вас будет этот хороший, чистый 30-наносекундный импульс по сравнению с гораздо более широким импульсом в сотни микросекунд или миллисекунд. который начинается с конденсаторной батареи.

Технические обзоры :Как вы формируете импульсы?

Доктор. Оуэнс :есть ряд тщательно продуманных секций с гигантскими водяными конденсаторами. Существуют также различные типы линий передачи с волновым сопротивлением и длиной, которые позволяют сжимать импульс. Он заканчивается своего рода индуктивным линейным сумматором. Это то, что они называют линией передачи с магнитной изоляцией в ряде полостей, которые индуктивно передают мощность. Все это объединяется в один стержень на конце устройства. Существуют буквально десятки различных типов секций, которые формируют импульс. Формирование импульса разработано путем рассмотрения продолжительности прохождения импульса через конкретную секцию в зависимости от его характеристического электрического сопротивления. Если представить систему в виде коаксиального кабеля переменного сечения, он меняет свою форму и геометрию по мере продвижения, что, в свою очередь, вызывает изменение формы волны.

Технические обзоры :Какова эффективность вашего метода измерения по сравнению с другими методами?

Доктор. Оуэнс :Есть несколько других методов, но те, которые, скорее всего, связаны, называются Vdots и Bdots. Одним из недостатков этих типов устройств при измерении электрических и магнитных полей является то, что они имеют электрическую основу, которую мы называем металлическими компонентами. Хотя у них есть некоторые ограниченные функциональные возможности, они не совсем подходят для этих высокоэнергетических систем. Это связано с тем, что при срабатывании системы возникает столько электромагнитных помех, что они взаимодействуют непосредственно с самим устройством — они создают собственные паразитные токи, являющиеся источником шума. Это один из больших недостатков:вам нужно выполнить калибровку, чтобы понять, как это будет работать. Затем это устройство помещается в среду с высокой энергией, которая отличается от калибровочной лаборатории и подвергается повышенному уровню шума и динамическим изменениям свойств электрического импеданса прибора. В зависимости от того, насколько высоко вы поднимаете энергию, она достигает точки, когда вы просто не можете их использовать, потому что в линии слишком много шума, и она действует как излучающая антенна. Напротив, с нашим устройством, поскольку оно является диэлектриком — по сути пластиковым — взаимодействие или помехи от источника электромагнитного поля гораздо меньше.

Технические обзоры :Есть ли у вас приблизительное представление о точности ваших измерений?

Доктор. Оуэнс :Что касается точности, прецизионности и разрешения, мы ограничены только разрешением инструментов, которые мы используем. Мы используем довольно быстродействующие фотодетекторы, и это последнее узкое место в нашей разрешающей способности. Но что я могу сказать о нашем эксперименте, так это то, что мы, вероятно, на несколько порядков выше того минимального значения, которое мы бы измерили в эксперименте. Например, мы измеряем пиковые сигналы выше вольта, тогда как с помощью этой системы мы, вероятно, могли бы измерять разрешение до милливольта или около того. Это становится немного сложнее, когда мы опускаемся ниже, из-за осциллографов, детекторов и других компонентов, которые вносят свой вклад в некоторый собственный фоновый шум. Я бы сказал, что у нас разрешение на несколько порядков ниже необходимого для наших измерений.

Технические обзоры :Каковы другие потенциальные области применения этой измерительной системы?

Похожие истории

Волоконно-оптические «нервы» позволяют использовать чувствительные хирургические инструменты

Волоконно-оптическая технология:проливаем новый свет на старую концепцию

Доктор. Оуэнс :Да, на самом деле, я разговаривал об этом с одним из моих старших менеджеров, потому что мы оба заметили это, несмотря на то, что это было продемонстрировано на ускорителе очень высокой энергии. На самом деле, в некоторых отношениях это устройство может быть даже более полезным для приложений с низким энергопотреблением.

Мы можем вообразить сценарии, в которых кристалл можно разместить далеко в каком-то удаленном месте и удаленно опрашивать с помощью лазера, чтобы получить информацию о поле и напряжении. Измерение напряжения было бы немного более сложным, но, конечно, в тех случаях, когда нужно исследовать электрическое поле, можно было бы использовать версию нашего устройства. Можно было бы следить за тем, на что они смотрят, как они развиваются во времени с электрическим полем, и получать довольно точные и точные измерения.

Есть интерес со стороны довольно многих исследователей, которые работают с ускорителями импульсной мощности и которые связались со мной и хотели бы использовать устройство для своих экспериментов. Кроме того, были и другие люди, работающие в таких областях, как исследования молний и несколько других интересных приложений, которые связывались со мной с идеями, так что интерес был немалый.

Например, я думаю, что коммунальные предприятия могут быть заинтересованы, потому что это даст им возможность выдерживать высокое напряжение, и они смогут получить довольно точные и точные результаты об электрическом поле, из которых они могут сделать вывод о напряжении в определенных приложениях. В частности, энергетическая отрасль заинтересована в идентификации переходных процессов напряжения в высоковольтной электросети переменного тока, и это устройство должно иметь возможность измерять эти переходные сигналы.

Эдвард Браун — помощник редактора.