Hoe hoogspanning te meten zonder fysiek contact

Dr. Israel Owens en zijn team bij Sandia National Laboratories hebben een kristal kleiner dan een dubbeltje en een laser kleiner dan een schoenendoos gebruikt om veilig 20 miljoen volt te meten zonder fysiek contact met de elektrode.

Tech Briefs :Wat bracht je op dit idee?

Dr. Owens :Hoe hoogspanning nauwkeurig en veilig te meten met een kristal kleiner dan een dubbeltje en een laser kleiner dan een schoenendoos:Dit begon allemaal als een soort taartdiscussie die ik had met een paar van mijn collega's. Het probleem dat we probeerden op te lossen was:hoe meet je een extreem hoge spanning - in het bijzonder het soort dat we doorgaans genereren op onze pulsversnellers bij Sandia?

We bespraken verschillende benaderingen en het idee ontstond om een ​​elektro-optisch apparaat te gebruiken dat de hoge energie en de stralingsvelden in het apparaat niet zou verstoren. Omdat het niet-metalen is, is het minder gevoelig voor interferentie en ruis van de bron. We wisten dat onze High-Energy Megavolt Electron Source (Hermes) zo'n beetje de meest energierijke simulator voor het produceren van gammastraling ter wereld is. We zagen dit dus als een unieke kans om een ​​al lang bestaand probleem op te lossen dat al tientallen jaren aan de gang was. Deze apparaten zijn eind jaren '80 ontwikkeld en we hadden nog steeds niet de mogelijkheid om de spanning direct of nauwkeurig te meten. Dus dat was iets waar we gewoon een beetje over gebrainstormd hebben - ideeën rondgegooid. We hebben uiteindelijk besloten om een ​​elektro-optisch apparaat te gebruiken omdat het de hoge energiebron niet zou storen.

Tech Briefs :Kun je de opstelling beschrijven?

Dr. Owens :Er zijn twee hoofdonderdelen. Wat we het afgelegen deel noemen, is in wezen alleen het kristal en de laserstraal. Er zijn twee locaties:de controlekamer en het afgelegen gebied waar we het kristal plaatsen. We sturen het laserlicht naar het kristal op de afgelegen locatie met behulp van glasvezel. Maar alleen het kristal bevindt zich in de ruimte waar we het veld detecteren. We leiden het laserlicht dat uit de glasvezel komt in het vacuüm waar het elektrische veld is - het veld loopt door de brede kant van het kristal. Vervolgens verzamelen we het licht dat aan de andere kant van het kristal naar buiten komt. Dat signaal wordt teruggestuurd naar de controlekamer, waar de lichtintensiteit wordt gemeten met een fotodetector. De afstand tussen het kristal en de hoogspanningskathode is iets meer dan 14 centimeter.

Een deel van onze ontwerpcriteria is dat we zo min mogelijk materiaal wilden gebruiken om het veld niet te verstoren. In ons eerste ontwerp hadden we een veel groter apparaat - we hadden optische vezels en een grotere kristalopstelling, en het werkte niet erg goed. Het interfereerde met de werking van het apparaat - we kregen hoogspanningsbogen naar de sensor. Dus moesten we nadenken over hoe we het opnieuw moesten ontwerpen om elektrische vonken te voorkomen.

Tech Briefs :Uw apparaat meet de elektrische veldsterkte — hoe is dat gerelateerd aan spanning? Is er een soort berekening nodig?

Dr. Owens :Ja, het elektrische veld is in wezen de spanning die wordt aangelegd tussen de anode en de kathode gedeeld door de afstand tussen de twee oppervlakken - in ons geval bijna 15 centimeter. We verwaarlozen de radiale spreiding van het veld omdat we deze enigszins verwaarloosbaar achten over de lengte van het centimeterkristal. Dus die berekening is vrij eenvoudig wat betreft de conversie tussen de twee.

Tech Briefs :Hoe kalibreer je het systeem?

Dr. Owens :Een van de sterke verkoopargumenten van ons systeem is dat er in principe geen formele kalibratieprocedure voor nodig is. Omdat we kunnen vertrouwen op elektro-optische theorie, kunnen we modelleren wat we zouden verwachten op basis van de bekende parameters. Voordat we dit echter naar de pulskrachtversneller brengen, doen we een laboratoriumexperiment. Dit wordt gedaan bij lagere elektrische veldsterkten om onze berekeningen te valideren. Ik zie dat als een soort kalibratie. Maar we zijn altijd een beetje voorzichtig geweest met de terminologie, omdat we denken dat een van de voordelen van het systeem is dat het technisch gezien geen kalibratie vereist. Het is dus een kalibratie in die zin dat we naar de velden met een lagere sterkte kijken en ervoor zorgen dat ze overeenkomen met de theorie. We krijgen dat soort validatie voordat we het apparaat meenemen naar wat we de veldomgeving noemen, wat een van de pulsvermogenversnellers is.

Tech Briefs : Dus je zegt dat de verhouding tussen de werkelijke spanning in megavolt en het millivolt-signaal een constante is?

Dr. Owens :Ja, de meting is lineair - als we het signaal op onze oscilloscoop zien, weten we dat het een directe relatie is - het zit in de eenheden die we willen meten. Omdat het beide spanningen zijn, is het een lineaire overdrachtsfunctie tussen de twee. Het komt erop neer dat tientallen millivolt op de scoop zich vertaalt in de megavolt die we meten op het gaspedaal - het is een constante en het is lineair. We hebben dat in de paper benadrukt omdat de andere beschikbare technieken afgeleide reacties met zich meebrengen.

Tech Briefs :Wat zijn enkele van de pulsparameters?

Dr. Owens :Ik kan ons benchtop-experiment vergelijken en contrasteren met het veldexperiment. In ons benchtoplab hebben we veel lagere velden, ongeveer 5 KV per centimeter, maar extreem smalle pulsbreedtes - minder dan 2,5 nanoseconden. Het systeem waarmee we werken, kan gemakkelijk de gedefinieerde timingstructuur in die puls zien. In het veld is het een beetje het tegenovergestelde; we hebben een veel groter veld, maar de pulsen zijn ongeveer 15 tot 20 keer breder dan de pulsen die we in de benchtop zien - ze zijn ongeveer 30 nanoseconden breed, maar nog steeds vrij smal. Ze zijn erg energierijk en in vergelijking relatief smal.

Tech Briefs :Dus je leest de piekpulsspanning?

Dr. Owens :We lezen zowel de piekspanning als de tijdsafhankelijke golfvorm. In onze groep zijn de onderzoekers net zo geïnteresseerd in de details van de golfvorm als in de werkelijke piekwaarde. Beide parameters zijn erg belangrijk.

Tech Briefs :Kun je een eenvoudige uitleg geven over hoe de pulsen worden gegenereerd?

Dr. Owens :Het begint met een reeks condensatoren in een zogenaamde Marx-generator, die parallel worden opgeladen tot een zeer hoge energie. En dan is er nog een automatische schakelaar die ze allemaal in serie zet, wat een hoge spanning genereert. Vervolgens gaat de hoogspanning in onze Hermes-versneller door een reeks van meerdere pulsvormende secties die erg breed beginnen - waarschijnlijk milliseconden - en terwijl de elektromagnetische golf naar het eindpuntapparaat reist, gaat hij door een reeks secties die een puls doen compressie erop. Alle verschillende ontwerpelementen zijn erop gericht om de puls smaller te maken, zodat tegen de tijd dat je bij het eindpunt komt, je deze mooie, schone puls van 30 nanoseconden hebt versus de veel bredere, honderden microseconden of milliseconden, puls dat begint bij de condensatorbank.

Tech Briefs :Hoe doe je de pulse-shaping?

Dr. Owens :Er is een reeks uitgebreide secties met gigantische watercondensatoren. Er zijn ook verschillende soorten transmissielijnen met karakteristieke impedanties en lengtes die de compressie van de puls mogelijk maken. Het eindigt in een soort inductieve lineaire opteller. Het is wat ze een magnetisch geïsoleerde transmissielijn noemen in een reeks holtes die de stroom inductief overdragen. Het wordt allemaal opgeteld in een enkele staaf aan het einde van het apparaat. Er zijn letterlijk tientallen verschillende soorten secties die de pulsvormgeving doen. De pulsvormgeving is ontworpen door te kijken naar de tijdsduur waarin de puls door een bepaalde sectie reist versus zijn karakteristieke elektrische impedantie. Als je je het systeem voorstelt als een coaxiale kabel met variabele afmetingen, verandert het zijn vorm en geometrie terwijl het voortgaat, en dat veroorzaakt op zijn beurt een verandering in de vorm van de golfvorm.

Tech Briefs :Hoe verhouden de prestaties van uw meettechniek zich tot andere methoden?

Dr. Owens :Er zijn verschillende andere methoden, maar de meest waarschijnlijke verwante methoden worden Vdots en Bdots genoemd. Een van de nadelen van dit soort apparaten bij het meten van elektrische en magnetische velden is dat ze elektrisch zijn gebaseerd, wat we op metaal gebaseerde componenten noemen. Hoewel ze een beperkte functionaliteit hebben, zijn ze niet echt een goede match met deze hoogenergetische systemen. Dat komt omdat wanneer het systeem vuurt, er zoveel elektromagnetische interferentie is dat het rechtstreeks in wisselwerking staat met het apparaat zelf - ze creëren hun eigen valse stromen die een bron van ruis zijn. Dat is een van de grote nadelen:je moet een kalibratie doen om erachter te komen hoe het gaat werken. Vervolgens wordt dat apparaat naar een omgeving met hoge energie gebracht die verschilt van het kalibratielab en onderhevig is aan verhoogde ruisniveaus en dynamische veranderingen in de elektrische impedantie-eigenschappen van het instrument. Afhankelijk van hoe hoog je in energie stijgt, komt het op een punt dat je ze gewoon niet kunt gebruiken omdat er te veel ruis op de lijn is en het werkt als een antenne die uitstraalt. In tegenstelling tot ons apparaat, omdat het een diëlektricum is - in wezen plastic - is er veel minder interactie of interferentie van de elektromagnetische bron.

Tech Briefs :Heb je enig idee van de nauwkeurigheid van je meting?

Dr. Owens :Wat nauwkeurigheid, precisie en resolutie betreft, worden we alleen beperkt door de resolutie van de instrumenten die we gebruiken. We gebruiken redelijk snelle fotodetectoren, en dat is het laatste knelpunt wat betreft ons oplossend vermogen. Maar wat ik over ons experiment kan zeggen, is dat we waarschijnlijk ordes van grootte boven het soort minimumwaarde liggen dat we in een experiment zouden meten. We meten bijvoorbeeld tot pieksignalen van meer dan een volt, terwijl we met dit systeem waarschijnlijk een resolutie van ongeveer een millivolt zouden kunnen meten. Het wordt een beetje uitdagender als we daaronder komen vanwege de oscilloscopen en detectoren en de andere componenten die bijdragen aan een deel van de inherente achtergrondruis. Ik zou zeggen dat we een resolutie van verschillende ordes van grootte hebben die lager zijn dan wat we nodig hebben voor onze metingen.

Tech Briefs :Wat zijn andere mogelijke toepassingen voor dit meetsysteem?

Verwante verhalen

Glasvezel "zenuwen" maken gevoelige chirurgische instrumenten mogelijk

Glasvezeltechnologie:nieuw licht schijnen op een oud concept

Dr. Owens :Ja, ik heb het er zelfs met een van mijn senior managers over gehad omdat we dat allebei merkten, hoewel dit werd aangetoond op een zeer hoge energieversneller. In sommige opzichten zou het apparaat zelfs nuttiger kunnen zijn voor toepassingen met een lager energieverbruik.

We kunnen ons scenario's voorstellen waarin het kristal ver weg op een afgelegen locatie zou kunnen worden geplaatst en op afstand door een laser zou kunnen worden ondervraagd om de veld- en spanningsinformatie te verkrijgen. De spanningsmeting zou een beetje uitdagender zijn, maar zeker in gevallen waarin men een elektrisch veld zou willen ondervragen, zou een versie van ons apparaat kunnen worden gebruikt. Je zou in staat zijn om te volgen waar ze ook naar kijken terwijl het evolueert in de tijd met het elektrische veld en redelijk nauwkeurige en nauwkeurige metingen krijgen.

Er is interesse van nogal wat onderzoekers die met pulskrachtversnellers werken en die contact met mij hebben opgenomen en het apparaat willen gebruiken voor hun experimenten. En dan zijn er nog anderen die werken op gebieden zoals bliksemonderzoek en een paar andere interessante toepassingen die contact met me hebben opgenomen met ideeën, dus er was nogal wat interesse.

Ik zou bijvoorbeeld denken dat nutsbedrijven geïnteresseerd zouden kunnen zijn, omdat het hen een impasse bij hoogspanning zou geven en ze in staat zouden zijn om vrij nauwkeurige en precieze resultaten te verkrijgen over het elektrische veld, waaruit ze de spanning in bepaalde toepassingen kunnen afleiden. In het bijzonder is de energiesector geïnteresseerd in het identificeren van spanningstransiënten in het AC-hoogspanningsnet, en dit apparaat zou in staat zijn om die transiënte signalen te meten.

Edward Brown is hoofdredacteur.