So messen Sie Hochspannung ohne physischen Kontakt

Dr. Israel Owens und sein Team von den Sandia National Laboratories haben einen Kristall kleiner als einen Cent und einen Laser kleiner als ein Schuhkarton verwendet, um 20 Millionen Volt sicher zu messen, ohne physischen Kontakt mit der Elektrode herzustellen.

Technische Informationen :Was hat Sie zu dieser Idee geführt?

Dr. Owens :Wie man Hochspannung genau und sicher mit einem Kristall misst, der kleiner als ein Zehncentstück ist, und einem Laser, der kleiner als ein Schuhkarton ist:Das alles begann als eine Art Zukunftsmusik-Diskussion, die ich mit einigen meiner Kollegen führte. Das Problem, das wir zu lösen versuchten, war:Wie misst man eine extrem hohe Spannung – insbesondere die Art, die wir normalerweise auf unseren Impulsleistungsbeschleunigern bei Sandia erzeugen?

Wir diskutierten verschiedene Ansätze und es entstand die Idee, ein elektrooptisches Gerät zu verwenden, das die hohe Energie und die Strahlungsfelder im Gerät nicht stört. Da es nichtmetallisch ist, ist es weniger anfällig für Störungen und Rauschen von der Quelle. Wir wussten, dass unsere hochenergetische Megavolt-Elektronenquelle (Hermes) so ziemlich der energiereichste Gammastrahlen-Erzeugungssimulator auf dem Planeten ist. Wir sahen dies als eine einzigartige Gelegenheit, ein langjähriges Problem zu lösen, das seit mehreren Jahrzehnten besteht. Diese Geräte wurden Ende der 80er Jahre entwickelt, und wir hatten immer noch nicht die Möglichkeit, die Spannung direkt oder genau zu messen. Das war also etwas, das wir uns einfach ausgedacht haben – wir haben Ideen herumgeworfen. Wir entschieden uns schließlich für ein elektrooptisches Gerät, weil es die Hochenergiequelle nicht stören würde.

Technische Informationen :Können Sie den Aufbau beschreiben?

Dr. Owens :Es gibt zwei Hauptteile. Was wir als Remote-Teil bezeichnen, ist im Wesentlichen nur der Kristall und der Laserstrahl. Es gibt zwei Orte:den Kontrollraum und den abgelegenen Bereich, wo wir den Kristall positionieren. Wir führen das Laserlicht mit Faseroptik zum Kristall am entfernten Ort. Aber nur der Kristall ist in dem Raum, in dem wir das Feld wahrnehmen. Wir leiten das Laserlicht, das aus der Faseroptik kommt, in das Vakuum, wo das elektrische Feld ist – das Feld verläuft durch die breite Seite des Kristalls. Dann sammeln wir das Licht, das auf der anderen Seite des Kristalls herauskommt. Dieses Signal wird an den Kontrollraum zurückgesendet, wo die Lichtintensität mit einem Fotodetektor gemessen wird. Der Abstand zwischen dem Kristall und der Hochspannungskathode beträgt etwas mehr als 14 Zentimeter.

Zu unseren Designkriterien gehört, dass wir so wenig Material wie möglich verwenden wollten, um das Spielfeld nicht zu stören. In unserem ersten Design hatten wir einen viel größeren Apparat – wir hatten Glasfaser und einen größeren Kristallaufbau, und es hat nicht sehr gut funktioniert. Es störte den Betrieb des Geräts – wir bekamen Hochspannungslichtbögen zum Sensor. Also mussten wir darüber nachdenken, wie wir es umgestalten können, um Lichtbögen zu vermeiden.

Technische Informationen :Ihr Gerät misst die elektrische Feldstärke – in welcher Beziehung steht diese zur Spannung? Ist irgendeine Art von Berechnung erforderlich?

Dr. Owens :Ja, das elektrische Feld ist im Wesentlichen die zwischen Anode und Kathode angelegte Spannung geteilt durch den Abstand zwischen den beiden Oberflächen – in unserem Fall fast 15 Zentimeter. Wir vernachlässigen die radiale Ausbreitung des Feldes, weil wir sie über die Länge des Zentimeter-Kristalls als eher vernachlässigbar erachten. Diese Berechnung ist also ziemlich einfach, was die Umrechnung zwischen den beiden angeht.

Technische Informationen :Wie kalibrieren Sie das System?

Dr. Owens :Eines der starken Verkaufsargumente unseres Systems ist, dass es im Prinzip kein formelles Kalibrierungsverfahren erfordert. Da wir uns auf die elektrooptische Theorie verlassen können, können wir modellieren, was wir basierend auf den bekannten Parametern erwarten würden. Bevor wir dies jedoch zum Pulsleistungsbeschleuniger bringen, führen wir ein Laborexperiment durch. Dies wird bei niedrigeren elektrischen Feldstärken durchgeführt, um unsere Berechnungen zu validieren. Ich halte das für eine Art Kalibrierung. Aber wir waren immer ein bisschen vorsichtig mit der Terminologie, weil wir denken, dass einer der Vorteile des Systems darin besteht, dass es technisch gesehen keine Kalibrierung erfordert. Es ist also eine Kalibrierung in dem Sinne, dass wir uns die Felder mit geringerer Stärke ansehen und sicherstellen, dass sie mit der Theorie übereinstimmen. Wir erhalten diese Art von Validierung, bevor wir das Gerät in die so genannte Feldumgebung bringen, die einer der Impulsleistungsbeschleuniger ist.

Technische Informationen :Wollen Sie damit sagen, dass das Verhältnis zwischen der tatsächlichen Spannung in Megavolt und dem Millivolt-Signal eine Konstante ist?

Dr. Owens :Ja, die Messung ist linear – wenn wir das Signal auf unserem Oszilloskop sehen, wissen wir, dass es eine direkte Beziehung ist – es ist in den Einheiten, die wir messen wollen. Da es sich bei beiden um Spannungen handelt, handelt es sich um eine lineare Übertragungsfunktion zwischen den beiden. Am Ende werden zig Millivolt auf dem Oszilloskop in die Megavolt übersetzt, die wir auf dem Beschleuniger messen – es ist eine Konstante und es ist linear. Wir haben dies in der Abhandlung betont, da die anderen verfügbaren Techniken abgeleitete Antworten beinhalten.

Technische Informationen :Was sind einige der Pulsparameter?

Dr. Owens :Ich kann unser Benchtop-Experiment mit dem Feldexperiment vergleichen und gegenüberstellen. In unserem Benchtop-Labor haben wir viel niedrigere Felder, etwa 5 KV pro Zentimeter, aber extrem schmale Impulsbreiten – weniger als 2,5 Nanosekunden. Das System, mit dem wir arbeiten, kann die definierte Zeitstruktur in diesem Impuls leicht erkennen. Auf dem Feld ist es eher umgekehrt; Wir haben ein viel größeres Feld, aber die Pulse sind etwa 15 bis 20 Mal breiter als die Pulse, die wir auf dem Labortisch sehen – sie sind etwa 30 Nanosekunden breit, aber immer noch ziemlich schmal. Sie sind sehr energiereich und im Vergleich dazu relativ schmal.

Technische Informationen :Sie lesen also die Spitzenimpulsspannung?

Dr. Owens :Wir lesen die Spitzenspannung sowie die zeitabhängige Wellenform. In unserer Gruppe interessieren sich die Forscher genauso für die Besonderheiten der Wellenform wie für den eigentlichen Spitzenwert. Beide Parameter sind sehr wichtig.

Technische Informationen :Können Sie einfach erklären, wie die Impulse erzeugt werden?

Dr. Owens :Es beginnt mit einer Reihe von Kondensatoren in einem sogenannten Marx-Generator, die parallel auf eine sehr hohe Energie aufgeladen werden. Und dann gibt es noch einen Signalgeber, der sie alle in Reihe schaltet, was eine hohe Spannung erzeugt. Dann durchläuft die Hochspannung in unserem Hermes-Beschleuniger eine Reihe von mehreren Impulsformungsabschnitten, die sehr breit beginnen – wahrscheinlich Millisekunden – und während sich die elektromagnetische Welle zum Endpunktgerät bewegt, durchläuft sie eine Reihe von Abschnitten, die einen Impuls erzeugen Kompression drauf. Alle verschiedenen Designelemente sind darauf ausgerichtet, den Impuls schmaler zu machen, sodass Sie am Endpunkt diesen schönen, sauberen 30-Nanosekunden-Impuls gegenüber dem viel breiteren Impuls von Hunderten von Mikrosekunden oder Millisekunden haben das beginnt bei der Kondensatorbatterie.

Technische Informationen :Wie machen Sie die Pulsformung?

Dr. Owens :Es gibt eine Reihe aufwändiger Abschnitte mit riesigen Wasserkondensatoren. Es gibt auch verschiedene Arten von Übertragungsleitungen mit charakteristischen Impedanzen und Längen, die eine Kompression des Impulses ermöglichen. Es endet in einer Art induktivem linearem Addierer. Es ist eine sogenannte magnetisch isolierte Übertragungsleitung in einer Reihe von Hohlräumen, die die Leistung induktiv übertragen. Alles wird in einem einzigen Stab am Ende des Geräts aufsummiert. Es gibt buchstäblich Dutzende verschiedener Arten von Abschnitten, die die Impulsformung vornehmen. Die Impulsformung wird entworfen, indem die Zeitdauer betrachtet wird, die der Impuls benötigt, um einen bestimmten Abschnitt zu durchlaufen, im Vergleich zu seiner charakteristischen elektrischen Impedanz. Wenn man sich das System wie ein Koaxialkabel mit variabler Abmessung vorstellt, ändert es seine Form und seine Geometrie, während es weitergeht, und das bewirkt wiederum eine Änderung der Form der Wellenform.

Technische Informationen :Wie ist die Leistung Ihrer Messtechnik im Vergleich zu anderen Methoden?

Dr. Owens :Es gibt mehrere andere Methoden, aber diejenigen, die am wahrscheinlichsten verwandt sind, werden als Vdots und Bdots bezeichnet. Einer der Nachteile dieser Art von Geräten bei der Messung elektrischer und magnetischer Felder besteht darin, dass sie elektrisch basieren, was wir als Komponenten auf Metallbasis bezeichnen. Obwohl sie einige eingeschränkte Funktionen haben, passen sie nicht wirklich gut zu diesen Hochenergiesystemen. Das liegt daran, dass beim Auslösen des Systems so viele elektromagnetische Interferenzen auftreten, dass es direkt mit dem Gerät selbst interagiert – sie erzeugen ihre eigenen Störströme, die eine Rauschquelle darstellen. Das ist einer der großen Nachteile:Sie müssen eine Kalibrierung durchführen, um herauszufinden, wie es funktionieren wird. Dann wird dieses Gerät in eine Umgebung mit hoher Energie gebracht, die sich vom Kalibrierlabor unterscheidet und erhöhten Rauschpegeln und dynamischen Änderungen der elektrischen Impedanzeigenschaften des Instruments ausgesetzt ist. Je nachdem, wie hoch Sie die Energie erhöhen, kommt es zu einem Punkt, an dem Sie sie einfach nicht mehr verwenden können, weil zu viel Rauschen auf der Leitung ist und es sich wie eine Antenne verhält, die ausstrahlt. Im Gegensatz dazu gibt es bei unserem Gerät, da es ein Dielektrikum – im Wesentlichen Kunststoff – ist, viel weniger Wechselwirkungen oder Interferenzen von der elektromagnetischen Quelle.

Technische Informationen :Haben Sie eine ungefähre Vorstellung von der Genauigkeit Ihrer Messung?

Dr. Owens :In Bezug auf Genauigkeit, Präzision und Auflösung sind wir nur durch die Auflösung der von uns verwendeten Instrumente begrenzt. Wir verwenden ziemlich schnelle Fotodetektoren, und das ist der letzte Engpass in Bezug auf unser Auflösungsvermögen. Aber was ich zu unserem Experiment sagen kann, ist, dass wir wahrscheinlich um Größenordnungen über dem Mindestwert liegen, den wir in einem Experiment messen würden. Zum Beispiel messen wir bis zu Spitzensignalen, die über einem Volt liegen, während wir mit diesem System wahrscheinlich bis zu einer Auflösung von etwa einem Millivolt messen könnten. Wenn wir darunter ankommen, wird es aufgrund der Oszilloskope und Detektoren und der anderen Komponenten, die zu einem Teil des inhärenten Hintergrundrauschens beitragen, etwas schwieriger. Ich würde sagen, wir haben mehrere Größenordnungen an Auflösung unter dem, was wir für unsere Messungen benötigen.

Technische Informationen :Was sind andere potenzielle Anwendungen für dieses Messsystem?

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Dr. Owens :Ja, tatsächlich habe ich mit einem meiner leitenden Manager darüber gesprochen, weil wir beide das bemerkt haben, obwohl dies an einem sehr hochenergetischen Beschleuniger demonstriert wurde. Tatsächlich könnte das Gerät in gewisser Weise sogar nützlicher für Anwendungen mit niedrigerem Energieverbrauch sein.

Wir können uns Szenarien vorstellen, in denen der Kristall weit entfernt an einem entfernten Ort platziert und von einem Laser aus der Ferne abgefragt werden könnte, um die Feld- und Spannungsinformationen zu erhalten. Die Spannungsmessung wäre etwas anspruchsvoller, aber sicherlich in Fällen, in denen man ein elektrisches Feld abfragen möchte, könnte eine Version unseres Geräts verwendet werden. Man wäre in der Lage zu überwachen, was auch immer sie sehen, während es sich im Takt des elektrischen Felds entwickelt, und ziemlich genaue und präzise Messungen zu erhalten.

Es gibt Interesse von etlichen Forschern, die mit Pulsleistungsbeschleunigern arbeiten und sich bei mir gemeldet haben und das Gerät für ihre Experimente nutzen möchten. Und dann gab es andere, die in Bereichen wie der Blitzforschung und einigen anderen interessanten Anwendungen arbeiten und sich mit Ideen an mich gewandt haben, also gab es ziemlich viel Interesse.

Ich denke zum Beispiel, dass Versorgungsunternehmen interessiert sein könnten, weil es ihnen eine Hochspannungs-Abstandsmöglichkeit geben würde und sie in der Lage wären, ziemlich genaue und präzise Ergebnisse über das elektrische Feld zu erhalten, aus denen sie die Spannung in bestimmten Anwendungen ableiten können. Insbesondere die Energiewirtschaft ist daran interessiert, Spannungstransienten im Wechselstrom-Hochspannungsnetz zu identifizieren, und dieses Gerät hätte die Fähigkeit, diese transienten Signale zu messen.

Edward Brown ist Mitherausgeber.