20 miljoen volt meten zonder contact: Een miniatuur kristal en laser benadering

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

Tech Briefs: Wat bracht je op dit idee?

Dr. Owens: Hoe hoog voltage nauwkeurig en veilig te meten met een kristal kleiner dan een dime en een laser kleiner dan een shoebox: Dit begon allemaal als een soort "pie in the sky" discussie die ik had met een paar collega's. Het probleem wat we probeerden op te lossen was: Hoe meet men een extreem hoge voltage — in het bijzonder, het type dat we typisch genereren op onze pulsenergie versnellers bij Sandia?

We bespraken diverse benaderingen en het idee kwam omhoog van het gebruik van een elektro-optisch apparaat dat niet zou interfereren met de hoge energie en de stralingsvelden in het apparaat. Omdat het niet-metaal is, is het minder gevoelig voor interferentie en ruis van de bron. We wisten gaandeweg dat onze High-Energy Megavolt Electron Source (Hermes) eigenlijk de hoogste energie gammastraaling producerende simulator op de planeet is. Dus, we zagen dit als een unieke kans om een langdurig issue op te lossen dat al meerdere decennia bestond. Deze apparaten werden ontwikkeld in de late '80s en we hadden nog steeds niet de capaciteit om de voltage direct of nauwkeurig te meten. Dus, dat was iets wat we gewoon brainstormden — ideeën gooiden. We besloten uiteindelijk een elektro-optisch apparaat te gebruiken omdat het niet zou interfereren met de hoge energie bron.

Tech Briefs: Kun je de opstelling beschrijven?

Dr. Owens: Er zijn twee hoofdonderdelen. Wat we het remote deel noemen is eigenlijk gewoon het kristal en de laserbundel. Er zijn twee locaties: de control room en het remote gebied waar we het kristal positioneren. We laten het laserlicht lopen naar het kristal in de remote locatie met vezeloptica. Maar alleen het kristal is in de ruimte waar we het veld detecteren. We leiden het laserlicht dat uit de vezeloptiek komt in het vacuüm waar het elektrische veld is — het veld loopt door de brede kant van het kristal. Dan verzamelen we het licht dat aan de andere kant van het kristal uitkomt. Dat signaal wordt teruggestuurd naar de control room, waar de lichtintensiteit gemeten wordt met een fotodetector. De afstand tussen het kristal en de hoge voltage kathode is een beetje meer dan 14 centimeter.

Deel van ons ontwerp criterium is dat we zo min mogelijk materiaal wilden gebruiken om het veld niet te storen. In ons eerste ontwerp hadden we een veel groter apparaat — we vezeloptica en een groter kristal setup, en het werkte niet goed. Het interfererde met de operatie van het apparaat — we kregen hoge spanningsbogen naar de sensor. Dus, we moesten nadenken over hoe het te herontwerpen om de elektrische boog te vermijden.

Tech Briefs: Jullie apparaat meet elektrisch veldsterkte — hoe is dat gerelateerd aan voltage? Is er een berekening nodig?

Dr. Owens: Ja, het elektrische veld is essentieel de voltage toegepast tussen de anode en de kathode gedeeld door de afstand tussen de twee oppervlakken — in ons geval, dicht bij 15 centimeter. We verwaarlozen de radiale spreiding van het veld omdat we het redelijk verwaarloosbaar achten over de lengte van de centimeter kristal. Dus die berekening is tamelijk simpel wat de conversie tussen de twee betreft.

Tech Briefs: Hoe kalibreer je het systeem?

Dr. Owens: Een van de sterke verkooppunten van ons systeem is dat, in principe, het geen formele kalibratieprocedure vereist. Omdat we kunnen vertrouwen op elektro-optische theorie, zijn we in staat om te modelleren wat we verwachten gebaseerd op de bekende parameters. Echter, voordat we dit naar de pulsenergie versneller brengen, doen we een lab experiment op bankniveau. Dit wordt gedaan bij lagere elektrisch veldsterktes om onze berekeningen te valideren. Ik denk dat dat een soort kalibratie is. Maar we zijn altijd een beetje voorzichtig geweest met de terminologie omdat we denken dat een van de voordelen van het systeem is dat, technisch, het geen kalibratie vereist. Dus, het is een kalibratie in de zin dat we kijken naar de lagere-sterkte velden en controleren of ze de theorie matchen. We krijgen die soort validatie voordat we het apparaat uitbrengen naar wat we de veldomgeving noemen, wat een van de pulsenergie versnellers is.

Tech Briefs: Dus, zeg je dat de verhouding tussen de daadwerkelijke voltage in megavolts en het millivolt signaal een constante is?

Dr. Owens: Ja, de meting is lineair — wanneer we het signaal op onze oscilloscoop zien, weten we dat het een directe relatie is — het is in de eenheden die we willen meten. Aangezien ze allebei voltages zijn, is het een lineaire transferfunctie tussen de twee. Het eindigt erin dat tientallen millivolts op de scope vertaalt in de megavolts die we meten op de versneller — het is een constante, en het is lineair. We hebben dat benadrukt in het papier omdat de andere beschikbare technieken afgeleide responsen omvatten.

Tech Briefs: Wat zijn enkele van de pulsparameters?

Dr. Owens: Ik kan ons bankniveau experiment versus het veldexperiment vergelijken en contrasteren. In ons bankniveau lab hebben we veel lagere velden, ongeveer 5 KV per centimeter, maar extreem smalle pulsbreedtes — minder dan 2,5 nanoseconden. Het systeem waar we mee werken kan de gedefinieerde timingstructuur in die puls gemakkelijk zien. In het veld, is het soort van het tegenovergestelde; we hebben een veel groter veld, maar de pulsen zijn ongeveer 15 tot 20 keer breder dan de pulsen die we in het bankniveau zien — ze zijn om de 30 nanoseconden breed, maar nog steeds tamelijk smal. Ze zijn zeer hoge energie en in vergelijking, relatief smal.

Tech Briefs: Dus, je meet de piek puls voltage?

Dr. Owens: We meten de piek voltage alsook de tijd-afhankelijke golfform. In onze groep zijn de onderzoekers net zo geïnteresseerd in de specificaties van de golfform als ze in de daadwerkelijke piekwaarde. Beide parameters zijn zeer belangrijk.

Tech Briefs: Kun je een simpele uitleg geven van hoe de pulsen gegenereerd worden?

Dr. Owens: Het begint met een bank van condensatoren in wat een Marx generator genoemd wordt, opgeladen in parallel tot een zeer hoge energie. En dan is er een auto switch die ze allemaal in serie zet, wat een hoge voltage genereert. Dan gaat de hoge voltage in onze Hermes versneller door een serie van meerdere puls-vormingssecties die erg breed beginnen — waarschijnlijk milliseconden — en als de elektromagnetische golf reist naar het eindpuntapparaat, gaat het door een serie secties die een pulscompressie erop doen. Alle verschillende ontwerpelementen zijn gericht op het maken van de puls smaller, zodat by the time je bij het eindpunt bent, heb je deze nette, schone 30-nanoseconden puls versus de veel bredere, honderden microseconden, of milliseconde, puls die begint bij de condensatorbank.

Tech Briefs: Hoe doe je de pulsvorming?

Dr. Owens: Er is een serie van uitgebreide secties die reusachtige watercondensatoren hebben. Er zijn ook verschillende typen transmissielijnen met karakteristieke impedanties en lengtes die toelaten voor compressie van de puls. Het eindigt in een soort van inductieve lineaire adder. Het is wat ze een magnetisch geïsoleerde transmissielijn noemen in een serie cavities die inductief de kracht overdragen. Het wordt allemaal bij elkaar opgeteld in een enkele staaf aan het eind van het apparaat. Er zijn letterlijk tientallen verschillende typen secties die de pulsvorming doen. De pulsvorming is ontworpen door te kijken naar de lengte van tijd voor de puls om door een bepaalde sectie te reizen versus zijn karakteristieke elektrische impedantie. Als men zich het systeem voorstelt als een variabele dimensie coaxiale kabel, verandert het zijn vorm en geometrie als het voortgaat, en dat zorgt op zijn beurt voor een verandering in de vorm van de golfform.

Tech Briefs: Hoe vergelijkt de prestatie van jullie meettechniek met andere methoden?

Dr. Owens: Er zijn diverse andere methoden, maar degenen die het meest waarschijnlijk gerelateerd zijn, worden aangeduid als Vdots en Bdots. Een van de nadelen van deze typen apparaten bij het meten van elektrische en magnetische velden is dat ze elektrisch gebaseerd zijn, wat we metaal-gebaseerde componenten noemen. Hoewel ze enige beperkte functionaliteit hebben, zijn ze niet echt een goede match met deze hoge-energie systemen. Dat is omdat wanneer het systeem vuurt, er zoveel elektromagnetische interferentie is dat het direct interacteert met het apparaat zelf — ze creëren hun eigen spookstromen die een bron van ruis zijn. Dat is een van de grote nadelen: je moet een kalibratie doen om te achterhalen hoe het gaat werken. Dan wordt dat apparaat in een hoge energie omgeving gebracht die anders is van de kalibratielab en onderworpen aan verhoogde niveaus van ruis en dynamische veranderingen aan de elektrische impedantie-eigenschappen van het instrument. Afhankelijk van hoe hoog je in energie gaat, komt het op een punt waar je ze gewoon niet kunt gebruiken omdat er te veel ruis op de lijn is en het gedraagt zich als een antenne die straalt. In contrast, met ons apparaat, aangezien het een dielectricum is — essentieel plastic — is er veel minder interactie of interferentie van de elektromagnetische bron.

Tech Briefs: Heb je een global idee van de nauwkeurigheid van jullie meting?

Dr. Owens: Wat betreft nauwkeurigheid, precisie, en resolutie, zijn we alleen beperkt door de resolutie van de instrumenten die we gebruiken. We gebruiken tamelijk hoge-snelheid fotodetectoren, en dat is de laatste knelpunt wat ons resolutievermogen betreft. Maar wat ik kan zeggen over ons experiment is dat we waarschijnlijk orde van grootte boven het soort minimum waarde zijn die we in een experiment zouden meten. Bijvoorbeeld, we meten pieksignalen die boven een volt zijn, terwijl met dit systeem we waarschijnlijk tot ongeveer een millivolt of zo van resolutie kunnen meten. Het wordt een beetje uitdagender zodra we eronder komen vanwege de oscilloscopen en detectoren en de andere componenten die bijdragen aan een paar van de inherent achtergrondruis. Ik zou zeggen we hebben diverse ordres van grootte resolutie beneden wat we nodig hebben voor onze metingen.

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

Gerelateerde Verhalen

Vezeloptische "Zenuwen" Stellen Gevoelige Chirurgische Tools In Staat

Vezeloptische Technologie: Nieuwe Licht Schijnen Op Een Oud Concept

Dr. Owens: Ja, in feite, ik heb met een van mijn senior managers over dat gepraat omdat we allebei opvielen dat zelfs al dit gedemonstreerd was op een zeer hoge energie versneller. In feite, het apparaat in sommige manieren misschien zelfs nuttiger voor lagere-energie toepassingen.

We kunnen scenario's voorstellen waar het kristal ver weg in een remote locatie geplaatst kan worden en op afstand geïnterrogeerd door een laser om het veld en voltage informatie te verkrijgen. De voltage meting zou een beetje uitdagender zijn, maar zeker in instanties waar men een elektrisch veld zou willen interrogeren, kan een versie van ons apparaat gebruikt worden. Men zou in staat zijn om wat ze ook bekijken te monitoren terwijl het evolueert in de tijd met het elektrische veld en tamelijk nauwkeurige en precise metingen te krijgen.

Er is interesse van tamelijk wat onderzoekers die werken met pulsenergie versnellers en die me gecontacteerd hebben en het apparaat voor hun experimenten willen gebruiken. En dan zijn er anderen geweest die werken in gebieden zoals bliksemonderzoek en een paar andere toepassingen van belang die me gecontacteerd hebben met ideeën, dus er is tamelijk wat interesse geweest.

Bijvoorbeeld, ik zou denken dat utiliteitsbedrijven geïnteresseerd zouden kunnen zijn, omdat het hen een hoge voltage standoff capaciteit zou geven en ze in staat zouden zijn om tamelijk nauwkeurige en precise resultaten over het elektrisch veld te verkrijgen, waaruit ze voltage in bepaalde toepassingen kunnen afleiden. In het bijzonder is de energie-industrie geïnteresseerd in het identificeren van spanningstransienten in het AC hoge voltage energienet, en dit apparaat zou de capaciteit hebben om die transiente signalen te meten.

Edward Brown is Associate Editor.