Измерение 20 миллионов вольт без контакта: подход с миниатюрным кристаллом и лазером

Д-р Израэль Оуэнс и его команда в Национальных лабораториях Сандиа использовали кристалл меньше десятицентовика и лазер меньше коробки для обуви, чтобы безопасно измерить 20 миллионов вольт без физического контакта с электродом.

Tech Briefs: Что привело вас к этой идее?

Д-р Оуэнс: Как точно и безопасно измерить высокое напряжение с помощью кристалла меньше десятицентовика и лазера меньше коробки для обуви: Это все началось как разговор в стиле «пирог в небе», который я имел с несколькими коллегами. Проблема, которую мы пытались решить, была: Как измерить экстремально высокое напряжение — в частности, тот вид, который мы обычно генерируем на наших импульсных ускорителях в Сандиа?

Мы обсуждали различные подходы, и возникла идея использования электрооптического устройства, которое не мешало бы высокой энергии и радиационным полям в устройстве. Поскольку оно неметаллическое, оно менее подвержено помехам и шуму от источника. Мы знали, вступая в это, что наш Источник высокоэнергетических мегавольтных электронов (Hermes) — это практически самый высокоэнергетический генератор гамма-лучей-симулятор на планете. Поэтому мы видели в этом уникальную возможность решить давнюю проблему, которая стояла на месте уже несколько десятилетий. Эти устройства были разработаны еще в конце 80-х, и у нас все еще не было возможности напрямую или точно измерять напряжение. Так что это было то, что мы просто мозговыносили — кидали идеи. Мы наконец решили использовать электрооптическое устройство, потому что оно не мешало бы высокоэнергетическому источнику.

Tech Briefs: Можете ли вы описать установку?

Д-р Оуэнс: Есть две основные части. То, что мы называем удаленной частью, по сути, это просто кристалл и лазерный луч. Есть два места: комната управления и удаленная область, где мы позиционируем кристалл. Мы проводим лазерный свет к кристаллу в удаленном месте с помощью волоконной оптики. Но только кристалл находится в пространстве, где мы обнаруживаем поле. Мы направляем лазерный свет, выходящий из волоконной оптики, в вакуум, где находится электрическое поле — поле проходит через широкую сторону кристалла. Затем мы собираем свет, выходящий с другой стороны кристалла. Этот сигнал отправляется обратно в комнату управления, где интенсивность света измеряется с фотодетектором. Расстояние между кристаллом и высоковольтным катодом составляет чуть более 14 сантиметров.

Часть наших критериев дизайна заключалась в том, что мы хотели использовать как можно меньше материала, чтобы не нарушать поле. В нашем первом дизайне у нас был гораздо более крупный аппарат — у нас был оптический волокон и более крупная установка кристалла, и это не очень хорошо сработало. Это помешало работе устройства — мы получили высоковольтовые дуги к сенсору. Так что нам пришлось подумать о том, как перепроектировать его, чтобы избежать электрических дуг.

Tech Briefs: Ваше устройство измеряет силу электрического поля — как это связано с напряжением? Нужен ли какой-то расчет?

Д-р Оуэнс: Да, электрическое поле по сути является приложенным напряжением между анодом и катодом, деленным на расстояние между двумя поверхностями — в нашем случае, близко к 15 сантиметрам. Мы пренебрегаем радиальным распространением поля, потому что считаем его незначительным на длине сантиметрового кристалла. Так что этот расчет довольно прост насколько касается конвертации между двумя.

Tech Briefs: Как вы калибруете систему?

Д-р Оуэнс: Одной из сильных сторон нашей системы является то, что, в принципе, она не требует формальной процедуры калибровки. Поскольку мы можем полагаться на электрооптическую теорию, мы можем смоделировать, чего бы мы ожидали, основанное на известных параметрах. Однако перед тем, как вынести это на импульсный ускоритель, мы делаем настольный лабораторный эксперимент. Это делается при более низких силах электрического поля для валидации наших расчетов. Я думаю об этом как о некотором роде калибровки. Но мы всегда были немного осторожны с терминологией, потому что мы считаем, что одно из преимуществ системы в том, что технически она не требует калибровки. Так что это калибровка в том смысле, что мы смотрим на поля низкой силы и убеждаемся, что они соответствуют теории. Мы получаем тот вид валидации перед тем, как вынести устройство в то, что мы называем полевой средой, которая является одним из импульсных ускорителей.

Tech Briefs: Так что вы говорите, что отношение между фактическим напряжением в мегавольтах и милливольтным сигналом является константой?

Д-р Оуэнс: Да, измерение линейно — когда мы видим сигнал на нашем осциллографе, мы знаем, что это прямая связь — это в единицах, которые мы хотим измерить. Поскольку они оба напряжения, это линейная передаточная функция между ними. Оказывается, десятки милливольт на осциллографе переводятся в мегавольты, которые мы измеряем на ускорителе — это константа, и это линейно. Мы подчеркнули это в статье, потому что другие доступные техники включают производные ответы.

Tech Briefs: Каковы некоторые параметры импульса?

Д-р Оуэнс: Я могу сравнить и контраст наш настольный эксперимент против полевого эксперимента. В нашей настольной лаборатории у нас намного более низкие поля, около 5 кВ на сантиметр, но экстремально узкие ширины импульсов — менее 2,5 наносекунд. Система, с которой мы работаем, может легко видеть определенную временную структуру в этом импульсе. В поле это немного противоположность; у нас гораздо большее поле, но импульсы примерно в 15-20 раз шире, чем импульсы, которые мы видим в настольном — они около 30 наносекунд в ширине, но все еще довольно узкие. Они очень высокой энергии и в сравнении относительно узкие.

Tech Briefs: Так что вы читаете пиковое импульсное напряжение?

Д-р Оуэнс: Мы читаем пиковое напряжение, а также временно-зависимую волновую форму. В нашей группе исследователи так же заинтересованы в специфике волновой формы, как и в фактическом пиковом значении. Оба этих параметра очень важны.

Tech Briefs: Можете ли вы дать простое объяснение того, как генерируются импульсы?

Д-р Оуэнс: Это начинается с банка конденсаторов в так называемом генераторе Маркса, заряжаемого параллельно до очень высокой энергии. А затем есть автоматический переключатель, который ставит их все в серию, что генерирует высокое напряжение. Затем высокое напряжение в нашем ускорителе Хермес проходит через серию множественных секций формирования импульса, которые начинаются очень широкими — вероятно, миллисекундами — и по мере того как электромагнитная волна движется к конечному устройству, она проходит через серию секций, которые делают сжатие импульса. Все разные элементы дизайна направлены на то, чтобы сделать импульс уже, так что к тому времени, когда вы получаете конечную точку, у вас есть этот красивый, чистый 30-наносекундный импульс против гораздо более широкого, сотен микросекунд или миллисекунд импульса, который начинается на банке конденсаторов.

Tech Briefs: Как вы делаете формирование импульса?

Д-р Оуэнс: Есть серия изощренных секций, которые имеют гигантские водяные конденсаторы. Есть также разные типы линий передачи с характерными импедансами и длинами, позволяющими сжатие импульса. Это заканчивается своего рода индуктивным линейным сумматором. Это то, что они называют магнитно-изолированной линией передачи в серии полостей, которые индуктивно передают мощность. Все это складывается в один стержень в конце устройства. Есть буквально десятки разных типов секций, которые делают формирование импульса. Формирование импульса проектируется путем рассмотрения длины времени для прохождения импульса через определенную секцию против ее характерного электрического импеданса. Если представить систему как переменный по размеру коаксиальный кабель, он меняет свою форму и геометрию по мере продвижения, и это в свою очередь вызывает изменение формы волновой формы.

Tech Briefs: Как производительность вашей техники измерения сравнивается с другими методами?

Д-р Оуэнс: Есть несколько других методов, но те, которые наиболее вероятно связаны, называются Vdots и Bdots. Один из недостатков этих типов устройств при измерении электрических и магнитных полей заключается в том, что они электрически основанные, то, что мы называем металлическими компонентами. Хотя у них есть некоторые ограниченные функциональности, они не очень хороши для этих высокоэнергетических систем. Это потому, что когда система стреляет, там так много электромагнитных помех, что они взаимодействуют непосредственно с самим устройством — они создают свои собственные ложные токи, которые являются источником шума. Это одно из больших недостатков: вам нужно сделать калибровку, чтобы понять, как это будет работать. Затем это устройство берется в высокоэнергетическую среду, которая отличается от калибровочной лаборатории и подвергается увеличенным уровням шума и динамическим изменениям электрических импедансных свойств инструмента. В зависимости от того, насколько высоко вы поднимаетесь в энергии, приходит момент, когда вы просто не можете их использовать, потому что слишком много шума на линии и оно ведет себя как антенна, излучающая. В контрасте, с нашим устройством, поскольку оно диэлектрическое — по сути пластик — там гораздо меньше взаимодействия или помех от электромагнитного источника.

Tech Briefs: Есть ли у вас приблизительная идея точности вашего измерения?

Д-р Оуэнс: Насколько касается точности, точности и разрешения, мы ограничены только разрешением инструментов, которые мы используем. Мы используем довольно высокоскоростные фотодетекторы, и это последнее узкое место насколько касается нашей разрешающей способности. Но что я могу сказать о нашем эксперименте, мы, вероятно, на несколько порядков выше вида минимального значения, которое мы бы измеряли в эксперименте. Например, мы измеряем до пиковых сигналов, превышающих вольт, тогда как с этой системой мы могли бы, вероятно, измерить до примерно милливольта или около того разрешения. Это становится немного более сложным, когда мы опускаемся ниже этого, из-за осциллографов и детекторов и других компонентов, которые вносят вклад в некоторые из врожденных фоновых шумов. Я бы сказал, у нас есть несколько порядков разрешения ниже того, что нам нужно для наших измерений.

Tech Briefs: Каковы другие потенциальные приложения для этой системы измерения?

Связанные истории

Волоконно-оптические «нервы» позволяют чувствительные хирургические инструменты

Волоконно-оптическая технология: Свечение нового света на старую концепцию

Д-р Оуэнс: Да, в самом деле, я говорил с одним из моих старших менеджеров об этом, потому что мы оба заметили, что даже если это было продемонстрировано на очень высокоэнергетическом ускорителе. Фактически, устройство в некоторых отношениях может быть даже более полезным для низкоэнергетических приложений.

Мы можем представить сценарии, где кристалл может быть помещен далеко в некотором удаленном месте и опрашиваем удаленно лазером для получения информации о поле и напряжении. Измерение напряжения было бы немного более сложным, но определенно в случаях, когда кто-то хотел бы опросить электрическое поле, версия нашего устройства могла бы быть использована. Можно было бы мониторить что угодно, на чем они смотрят, как оно эволюционирует во времени с электрическим полем и получать довольно точные и точные измерения.

Есть интерес от довольно многих исследователей, работающих с импульсными ускорителями, которые связались со мной и хотели бы использовать устройство для своих экспериментов. А затем были другие, работающие в таких областях, как исследование молний и несколько других приложений интереса, которые связались со мной с идеями, так что было довольно много интереса.

Например, я думаю, что коммунальные компании могут быть заинтересованы, потому что это дало бы им способность высоковольтного стойкости и они могли бы получить довольно точные и точные результаты об электрическом поле, из которых они могут вывести напряжение в определенных приложениях. В частности, энергетическая индустрия заинтересована в идентификации напряженных переходных процессов в сети высокого напряжения переменного тока, и это устройство имело бы способность измерять эти переходные сигналы.

Эдвард Браун — ассоциированный редактор.