物理的接触なしで高電圧を測定する方法

サンディア国立研究所のIsraelOwens博士と彼のチームは、電極に物理的に接触することなく安全に2,000万ボルトを測定するために、10セント硬貨よりも小さい水晶と靴箱よりも小さいレーザーを使用しました。

技術概要 ：このアイデアを思いついたきっかけは何ですか？

博士オーエンス ：10セント硬貨よりも小さい水晶と靴箱よりも小さいレーザーを使用して高電圧を正確かつ安全に測定する方法：これはすべて、数人の同僚との空の議論の一種のパイとして始まりました。私たちが解決しようとしていた問題は、非常に高い電圧をどのように測定するか、特に、サンディアのパルスパワーアクセラレータで通常生成される種類の電圧を測定することでした。

さまざまなアプローチについて話し合い、デバイス内の高エネルギーと放射場に干渉しない電気光学デバイスを使用するというアイデアが生まれました。非金属であるため、ソースからの干渉やノイズが発生しにくくなります。私たちの高エネルギーメガボルト電子源（エルメス）は、地球上でほぼ最高エネルギーのガンマ線生成シミュレーターであることを私たちは知っていました。したがって、これは、数十年にわたって発生してきた長年の問題を解決するためのユニークな機会であると考えました。これらのデバイスは1980年代後半に開発されましたが、電圧を直接または正確に測定する機能はまだありませんでした。だから、それは私たちがブレインストーミングしたものでした—アイデアを投げかけました。高エネルギー源に干渉しないため、最終的に電気光学デバイスを使用することにしました。

技術概要 ：セットアップについて教えてください。

博士オーエンス ：それには2つの主要な部分があります。私たちがリモートパーツと呼んでいるのは、本質的には結晶とレーザービームだけです。コントロールルームとクリスタルを配置するリモートエリアの2つの場所があります。光ファイバーを使用して、離れた場所にある結晶にレーザー光を当てます。しかし、私たちがフィールドを検出する空間には、結晶だけがあります。光ファイバーから出たレーザー光を、電界のある真空に導きます。電界は結晶の広い側を通ります。次に、水晶の反対側から出てくる光を集めます。その信号は制御室に送り返され、そこで光強度が光検出器で測定されます。水晶と高電圧陰極の間の距離は14センチメートル強です。

私たちの設計基準の一部は、フィールドを乱さないように、できるだけ少ない材料を使用したかったということです。最初の設計では、はるかに大きな装置がありました。光ファイバーと大きな結晶のセットアップがあり、うまく機能しませんでした。デバイスの動作に干渉しました—センサーに高電圧アークが発生しました。そのため、電気アークを回避するために再設計する方法を検討する必要がありました。

技術概要 ：デバイスは電界強度を測定します—それは電圧とどのように関連していますか？なんらかの計算が必要ですか？

博士オーエンス ：はい、電界は基本的に、アノードとカソードの間に印加される電圧を2つの表面間の距離で割ったものです。この場合、15センチメートルに近い値です。センチメートルの結晶の長さ全体でそれがいくらか無視できると考えるので、フィールドの半径方向の広がりを無視します。そのため、2つの間の変換に関しては、計算はかなり簡単です。

技術概要 ：システムをどのように調整しますか？

博士オーエンス ：私たちのシステムの大きなセールスポイントの1つは、原則として、正式なキャリブレーション手順を必要としないことです。電気光学理論に頼ることができるので、既知のパラメータに基づいて期待するものをモデル化することができます。ただし、これをパルスパワーアクセラレータに移す前に、ベンチトップラボ実験を行います。これは、計算を検証するために、より低い電界強度で行われます。それは一種のキャリブレーションだと思います。ただし、システムの利点の1つは、技術的にはキャリブレーションが不要であると考えているため、用語については常に少し注意を払っています。したがって、これは、低強度のフィールドを調べて、それらが理論と一致することを確認するという意味でのキャリブレーションです。パルスパワーアクセラレータの1つであるフィールド環境と呼ばれるものにデバイスを持ち込む前に、この種の検証を行います。

技術概要 ：では、メガボルト単位の実際の電圧とミリボルト信号の比率は一定であると言っていますか？

博士オーエンス ：はい、測定は線形です—オシロスコープで信号を見ると、それが直接的な関係であることがわかります—測定したい単位です。どちらも電圧であるため、2つの間の線形伝達関数です。スコープの数十ミリボルトは、アクセラレータで測定するメガボルトに変換されます。これは定数であり、線形です。他の利用可能な手法には微分応答が含まれるため、この論文ではそれを強調しました。

技術概要 ：パルスパラメータにはどのようなものがありますか？

博士オーエンス ：ベンチトップ実験とフィールド実験を比較対照できます。私たちのベンチトップラボでは、1センチメートルあたり約5 KVのはるかに低いフィールドがありますが、パルス幅は非常に狭く、2.5ナノ秒未満です。私たちが使用しているシステムは、そのパルスで定義されたタイミング構造を簡単に確認できます。現場では、それは一種の反対です。はるかに大きなフィールドがありますが、パルスはベンチトップで見られるパルスよりも約15〜20倍広く、幅は約30ナノ秒ですが、それでもかなり狭いです。それらは非常に高エネルギーであり、それに比べて比較的狭いです。

技術概要 ：では、ピークパルス電圧を読み取っていますか？

博士オーエンス ：ピーク電圧と時間依存波形を読み取っています。私たちのグループでは、研究者は実際のピーク値と同じように波形の詳細に関心を持っています。これらのパラメータは両方とも非常に重要です。

技術概要 ：パルスがどのように生成されるかについて簡単に説明していただけますか？

博士オーエンス ：それは、マルクスジェネレーターと呼ばれるコンデンサーのバンクから始まり、非常に高いエネルギーまで並列に充電されます。そして、それらすべてを直列に接続する自動スイッチがあり、高電圧を生成します。次に、Hermesアクセラレータの高電圧は、非常に広い範囲（おそらくミリ秒）で始まる一連の複数のパルス整形セクションを通過し、電磁波がエンドポイントデバイスに向かって移動すると、パルスを実行する一連のセクションを通過します。その上で圧縮。さまざまな設計要素はすべて、パルスを狭くするように調整されているため、エンドポイントに到達するまでに、このすてきでクリーンな30ナノ秒のパルスと、はるかに広い数百マイクロ秒またはミリ秒のパルスが得られます。それはコンデンサバンクから始まります。

技術概要 ：パルス整形はどのように行いますか？

博士オーエンス ：巨大な水コンデンサを備えた一連の精巧なセクションがあります。パルスの圧縮を可能にする特性インピーダンスと長さを持つさまざまなタイプの伝送ラインもあります。それは一種の帰納的線形加算器で終わります。これは、電力を誘導的に伝達する一連の空洞内の磁気的に絶縁された伝送ラインと呼ばれるものです。それはすべて、デバイスの端にある1本のロッドにまとめられます。パルス整形を行うセクションには、文字通り数十の異なるタイプがあります。パルス整形は、パルスが特定のセクションを通過する時間の長さとその特徴的な電気インピーダンスを比較することによって設計されます。可変寸法の同軸ケーブルのようなシステムを想像すると、システムの形状と形状が進行中に変化し、その結果、波形の形状が変化します。

技術概要 ：測定手法のパフォーマンスは他の方法と比較してどうですか？

博士オーエンス ：他にもいくつかの方法がありますが、関連している可能性が最も高い方法は、VdotsおよびBdotsと呼ばれます。電界および磁界を測定する場合のこれらのタイプのデバイスの欠点の1つは、電気ベースであるということです。これを金属ベースのコンポーネントと呼びます。それらにはいくつかの制限された機能がありますが、これらの高エネルギーシステムとは実際にはよく一致していません。これは、システムが起動すると、非常に多くの電磁干渉が発生し、デバイス自体と直接相互作用するためです。システムは、ノイズの原因となる独自のスプリアス電流を生成します。これは大きな欠点の1つです。キャリブレーションを実行して、それがどのように機能するかを把握する必要があります。次に、そのデバイスは、キャリブレーションラボとは異なる高エネルギー環境に取り込まれ、ノイズのレベルが上昇し、機器の電気インピーダンス特性が動的に変化します。エネルギーの高さによっては、ライン上のノイズが多すぎて、放射しているアンテナのように機能しているため、単純に使用できない状態になります。対照的に、私たちのデバイスでは、誘電体（本質的にプラスチック）であるため、電磁源からの相互作用や干渉がはるかに少なくなります。

技術概要 ：測定の精度について何か考えがありますか？

博士オーエンス ：精度、精度、解像度に関しては、使用している機器の解像度によってのみ制限されます。私たちはかなり高速の光検出器を使用しており、それが私たちの解像力に関する最後のボトルネックです。しかし、私たちの実験について言えることは、私たちが実験で測定する最小値の種類をおそらく桁違いに上回っているということです。たとえば、1ボルトを超えるピーク信号まで測定していますが、このシステムでは、おそらく約1ミリボルト程度の分解能まで測定できます。オシロスコープと検出器、および固有のバックグラウンドノイズの一部に寄与する他のコンポーネントのために、それを下回ると、少し難しくなります。測定に必要な解像度よりも数桁低い解像度があると思います。

技術概要 ：この測定システムの他の潜在的なアプリケーションは何ですか？

関連記事

光ファイバーの「神経」が敏感な手術器具を可能にする

光ファイバー技術：古い概念に新しい光を当てる

博士オーエンス ：はい、実際、私はそれについて上級管理職の1人と話していました。なぜなら、これは非常に高エネルギーの加速器で実証されたにもかかわらず、私たち2人が気付いたからです。実際、このデバイスは、いくつかの点で、低エネルギーのアプリケーションにさらに役立つ可能性があります。

水晶が離れた場所に配置され、レーザーによって遠隔から問い合わせられて、電界と電圧の情報を取得できるシナリオを想像することができます。電圧測定はもう少し難しいでしょうが、確かに電界を調べたい場合は、私たちのデバイスのバージョンを使用することができます。電界に合わせて変化するので、彼らが見ているものを監視し、かなり正確で正確な測定値を得ることができます。

パルスパワーアクセラレータを使用していて、私に連絡を取り、実験にこのデバイスを使用したいと考えているかなりの数の研究者からの関心があります。そして、稲妻の研究や他のいくつかの興味のあるアプリケーションなどの分野で働いている他の人たちが私にアイデアを連絡してくれたので、かなりの興味がありました。

たとえば、公益事業会社は、高電圧スタンドオフ機能を提供し、特定のアプリケーションで電圧を推測できる電界についてかなり正確で正確な結果を得ることができるため、興味があると思います。特に、電力業界はAC高電圧電力網の過渡電圧を特定することに関心があり、このデバイスにはそれらの過渡信号を測定する機能があります。

エドワードブラウンはアソシエイトエディターです。