20 Millionen Volt berührungslos messen: Miniaturkristall & Laser-Ansatz

Dr. Israel Owens und sein Team am Sandia National Laboratories nutzten einen kleiner als eine Dime großen Kristall und einen kleiner als eine Schuhschachtel großen Laser, um 20 Millionen Volt sicher ohne physischen Kontakt zur Elektrode zu messen.

Tech Briefs: Was führte Sie zu dieser Idee?

Dr. Owens: Wie man extrem hohe Spannung präzise und sicher mit einem kleiner als eine Dime großen Kristall und einem kleiner als eine Schuhschachtel großen Laser misst: Das begann als eine Art „Pie in the Sky“-Diskussion, die ich mit ein paar Kollegen hatte. Das Problem, das wir zu lösen versuchten, war: Wie misst man eine extrem hohe Spannung – insbesondere die Art, die wir typischerweise an unseren Pulsleistungsbeschleunigern bei Sandia erzeugen?

Wir diskutierten verschiedene Ansätze und die Idee kam auf, ein elektro-optisches Gerät zu nutzen, das nicht mit der hohen Energie und den Strahlungsfeldern im Gerät interferiert. Da es nichtmetallisch ist, ist es weniger anfällig für Interferenzen und Rauschen von der Quelle. Wir wussten, dass unsere High-Energy Megavolt Electron Source (Hermes) ziemlich viel der energiereichste Gammastrahl-Produzenten-Simulator auf dem Planeten ist. Also sahen wir dies als einzigartige Gelegenheit, ein langjähriges Problem zu lösen, das seit mehreren Jahrzehnten bestand. Diese Geräte wurden Ende der 80er entwickelt und wir hatten immer noch nicht die Fähigkeit, die Spannung direkt oder präzise zu messen. Also war das etwas, worüber wir einfach brainstormten – Ideen hin und her warfen. Wir entschieden uns schließlich für ein elektro-optisches Gerät, weil es nicht mit der Hochenergiequelle interferiert.

Tech Briefs: Könnten Sie das Setup beschreiben?

Dr. Owens: Es gibt zwei Hauptteile. Was wir als den entfernten Teil bezeichnen, ist im Wesentlichen nur der Kristall und der Laserstrahl. Es gibt zwei Standorte: den Kontrollraum und den entfernten Bereich, wo wir den Kristall positionieren. Wir leiten das Laserlicht über Glasfaseroptik zum Kristall am entfernten Standort. Aber nur der Kristall befindet sich im Raum, wo wir das Feld detektieren. Wir leiten das Laserlicht, das aus der Glasfaser kommt, in das Vakuum, wo das elektrische Feld ist – das Feld läuft durch die breite Seite des Kristalls. Dann sammeln wir das Licht, das auf der anderen Seite des Kristalls herauskommt. Dieses Signal wird zurück in den Kontrollraum gesendet, wo die Lichtintensität mit einem Photodetektor gemessen wird. Der Abstand zwischen Kristall und Hochspannungskathode beträgt etwas über 14 Zentimeter.

Teil unserer Designkriterien war, so wenig Material wie möglich zu verwenden, um das Feld nicht zu stören. In unserem ersten Design hatten wir einen viel größeren Apparat – wir hatten Glasfaser und ein größeres Kristall-Setup, und es funktionierte nicht gut. Es interferierte mit dem Betrieb des Geräts – wir bekamen Hochspannungslichtbögen zum Sensor. Also mussten wir darüber nachdenken, wie wir es redesignen, um elektrische Lichtbögen zu vermeiden.

Tech Briefs: Ihr Gerät misst elektrische Feldstärke – wie hängt das mit Spannung zusammen? Wird eine Berechnung benötigt?

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 nahe 15 Zentimeter. Wir vernachlässigen die radiale Ausbreitung des Feldes, weil wir sie über die Länge des Zentimeterkristalls als vernachlässigbar betrachten. Diese Berechnung ist ziemlich einfach, was die Umrechnung zwischen den beiden betrifft.

Tech Briefs: Wie kalibrieren Sie das System?

Dr. Owens: Einer der starken Verkaufsargumente unseres Systems ist, dass es im Prinzip keine formale Kalibrierprozedur erfordert. Da wir uns auf elektro-optische Theorie verlassen können, sind wir in der Lage zu modellieren, was wir basierend auf den bekannten Parametern erwarten würden. Bevor wir dies jedoch zum Pulsleistungsbeschleuniger bringen, machen wir ein Labor-Bankexperiment. Dies wird bei niedrigeren elektrischen Feldstärken durchgeführt, um unsere Berechnungen zu validieren. Ich betrachte das als eine Art Kalibrierung. Aber wir waren immer etwas vorsichtig mit der Terminologie, weil wir denken, dass einer der Vorteile des Systems ist, dass es technisch keine Kalibrierung erfordert. Also ist es eine Kalibrierung in dem Sinne, dass wir uns die niedrigeren Feldstärken ansehen und sicherstellen, dass sie der Theorie entsprechen. Wir erhalten diese Validierung, bevor wir das Gerät in das nehmen, was wir die Feldumgebung nennen – einen der Pulsleistungsbeschleuniger.

Tech Briefs: Sagen Sie also, 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 Relation ist – es ist in den Einheiten, die wir messen wollen. Da beide Spannungen sind, ist es eine lineare Übertragungsfunktion zwischen den beiden. Es stellt sich heraus, dass zig Millivolt auf dem Scope in die Megavolt übersetzt werden, die wir am Beschleuniger messen – es ist eine Konstante, und es ist linear. Wir haben das in der Arbeit betont, weil die anderen verfügbaren Techniken Ableitungsantworten involvieren.

Tech Briefs: Was sind einige der Pulsparameter?

Dr. Owens: Ich kann unser Bankexperiment versus das Feldexperiment vergleichen und kontrastieren. In unserem Banklabor haben wir viel niedrigere Felder, etwa 5 kV pro Zentimeter, aber extrem schmale Pulsbreiten – weniger als 2,5 Nanosekunden. Das System, mit dem wir arbeiten, kann die definierte Timing-Struktur in diesem Puls leicht sehen. Im Feld ist es eher das Gegenteil; wir haben ein viel größeres Feld, aber die Pulse sind etwa 15 bis 20 Mal breiter als die Pulse, die wir im Bankversuch sehen – sie sind etwa 30 Nanosekunden breit, aber immer noch ziemlich schmal. Sie sind sehr energiereich und im Vergleich relativ schmal.

Tech Briefs: Also lesen Sie die Spitzenspannung des Pulses?

Dr. Owens: Wir lesen die Spitzenspannung sowie das zeitabhängige Wellenform. In unserer Gruppe sind die Forscher genauso an den Spezifika der Wellenform interessiert wie am tatsächlichen Spitzenwert. Beide Parameter sind sehr wichtig.

Tech Briefs: Können Sie eine einfache Erklärung geben, wie die Pulse erzeugt werden?

Dr. Owens: Es beginnt mit einer Bank von Kondensatoren in einem sogenannten Marx-Generator, die parallel bis zu sehr hoher Energie aufgeladen werden. Und dann gibt es einen Auto-Schalter, der sie alle in Serie schaltet, was eine hohe Spannung erzeugt. Dann geht die hohe Spannung in unserem Hermes-Beschleuniger durch eine Reihe von mehreren Pulsformungsabschnitten, die sehr breit beginnen – wahrscheinlich Millisekunden – und während die elektromagnetische Welle zum Endpunktgerät wandert, geht sie durch eine Reihe von Abschnitten, die eine Pulsverdichtung durchführen. Alle verschiedenen Designelemente sind darauf ausgelegt, den Puls schmaler zu machen, sodass man am Ende diesen schönen, sauberen 30-Nanosekunden-Puls hat versus den viel breiteren, hunderten Mikrosekunden oder Millisekunden Puls, der am Kondensatorbank-Start beginnt.

Tech Briefs: Wie machen Sie die Pulsformung?

Dr. Owens: Es gibt eine Reihe von elaborierten Abschnitten, die riesige Wasserkondensatoren haben. Es gibt auch verschiedene Arten von Übertragungsleitungen mit charakteristischen Impedanzen und Längen, die die Pulsverdichtung erlauben. Es endet in einer Art induktiven linearen Addierer. Es ist das, was sie eine magnetisch isolierte Übertragungsleitung in einer Reihe von Kavitäten nennen, die die Leistung induktiv übertragen. Es wird alles in einem einzelnen Stab am Ende des Geräts addiert. Es gibt buchstäblich Dutzende verschiedener Arten von Abschnitten, die die Pulsformung durchführen. Die Pulsformung wird designed, indem man die Länge der Zeit ansieht, die der Puls braucht, um durch einen bestimmten Abschnitt zu reisen, versus seine charakteristische elektrische Impedanz. Wenn man sich das System wie ein variabel dimensioniertes Koaxialkabel vorstellt, ändert es seine Form und Geometrie, während es entlanggeht, und das wiederum verursacht eine Änderung der Wellenform.

Tech Briefs: Wie vergleicht sich die Leistung Ihrer Messtechnik mit anderen Methoden?

Dr. Owens: Es gibt mehrere andere Methoden, aber die, die am wahrscheinlichsten verwandt sind, werden als Vdots und Bdots bezeichnet. Ein Nachteil dieser Gerätearten bei der Messung elektrischer und magnetischer Felder ist, dass sie elektrisch basiert sind, was wir als metallbasierte Komponenten bezeichnen. Obwohl sie begrenzte Funktionalität haben, sind sie nicht wirklich ein guter Match für diese Hochenergiesysteme. Das ist der Fall, weil wenn das System feuert, so viel elektromagnetische Interferenz da ist, dass sie direkt mit dem Gerät selbst interagiert – sie erzeugen ihre eigenen Spurious-Ströme, die eine Rauschquelle sind. Das ist einer der großen Nachteile: Man muss eine Kalibrierung machen, um herauszufinden, wie es funktionieren wird. Dann wird das Gerät in eine Hochenergieumgebung gebracht, die anders ist als das Kalibrierlabor und erhöhten Rauschpegeln und dynamischen Änderungen der elektrischen Impedanzeigenschaften des Instruments ausgesetzt. Je höher man in der Energie geht, kommt man an einen Punkt, wo man sie einfach nicht mehr nutzen kann, weil zu viel Rauschen auf der Leitung ist und es wie eine Antenne wirkt, die strahlt. Im Gegensatz dazu, mit unserem Gerät, da es ein Dielektrikum ist – im Wesentlichen Kunststoff – gibt es viel weniger Interaktion oder Interferenz von der elektromagnetischen Quelle.

Tech Briefs: Haben Sie eine grobe Vorstellung von der Genauigkeit Ihrer Messung?

Dr. Owens: Was Genauigkeit, Präzision und Auflösung angeht, sind wir nur durch die Auflösung der Instrumente begrenzt, die wir nutzen. Wir nutzen ziemlich hochgeschwindige Photodetektoren, und das ist der letzte Flaschenhals, was unsere Auflösungsleistung angeht. Aber was ich über unser Experiment sagen kann: Wir sind wahrscheinlich Größenordnungen über dem Minimum, das wir in einem Experiment messen würden. Zum Beispiel messen wir Spitzensignale, die über einem Volt liegen, während wir mit diesem System wahrscheinlich bis zu etwa einem Millivolt Auflösung messen könnten. Es wird etwas herausfordernder, wenn wir darunter kommen, wegen der Oszilloskope und Detektoren und anderen Komponenten, die zum inhärenten Hintergrundrauschen beitragen. Ich würde sagen, wir haben mehrere Größenordnungen Auflösung unterhalb dessen, was wir für unsere Messungen brauchen.

Tech Briefs: Was sind andere potenzielle Anwendungen für dieses Messsystem?

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Dr. Owens: Ja, in der Tat habe ich mit einem meiner Senior-Manager darüber gesprochen, weil wir beide bemerkten, dass obwohl dies an einem sehr hochenergetischen Beschleuniger demonstriert wurde. In der Tat könnte das Gerät in gewisser Weise sogar nützlicher für niedrigere-Energie-Anwendungen sein.

Wir können Szenarien vorstellen, wo der Kristall weit entfernt an einem entfernten Ort platziert werden könnte und remote durch einen Laser interrogiert wird, um Feld- und Spannungsinformationen zu erhalten. Die Spannungsmessung wäre etwas herausfordernder, aber sicherlich in Instanzen, wo man ein elektrisches Feld interrogieren möchte, könnte eine Version unseres Geräts genutzt werden. Man würde in der Lage sein,whatever es ist, worauf sie schauen, während es sich in der Zeit mit dem elektrischen Feld entwickelt, zu monitoren und ziemlich präzise und genaue Messungen zu erhalten.

Es gibt Interesse von einigen Forschern, die mit Pulsleistungsbeschleunigern arbeiten und mich kontaktiert haben und das Gerät für ihre Experimente nutzen möchten. Und dann gab es andere, die in Bereichen wie Blitzforschung und einigen anderen interessanten Anwendungen arbeiten, die mich mit Ideen kontaktiert haben, also gab es ziemliches Interesse.

Beispielsweise denke ich, dass Versorgungsunternehmen interessiert sein könnten, weil es ihnen eine Hochspannungs-Standoff-Fähigkeit geben würde und sie ziemlich präzise und genaue Ergebnisse über das elektrische Feld erhalten könnten, aus dem sie in bestimmten Anwendungen Spannung ableiten können. Insbesondere die Energieindustrie ist an der Identifikation von Spannungstransienten im AC-Hochspannungsnetz interessiert, und dieses Gerät hätte die Fähigkeit, diese transienten Signale zu messen.

Edward Brown ist Associate Editor.