10セント硬貨より小さな結晶とシューボックスより小さなレーザーで2000万ボルトを非接触測定

サンドゥア国立研究所のイスラエル・オーウェンズ博士と彼のチームは、10セント硬貨より小さな結晶とシューボックスより小さなレーザーを用いて、電極に物理的接触することなく2000万ボルトを安全に測定しました。

Tech Briefs: このアイデアのきっかけは？

オーウェンズ博士: 10セント硬貨より小さな結晶とシューボックスより小さなレーザーで、極めて高い電圧を正確かつ安全に測定する方法：これは、私の同僚数人と行った「絵に描いた餅」のような議論から始まりました。解決しようとしていた問題は：パルスパワーアクセラレーターで通常生成される種類の、極めて高い電圧をどう測定するか、ということでした。

様々なアプローチを議論し、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アイデアが浮上しました。非金属であるため、ソースからの干渉とノイズの影響を受けにくいです。私たちの高エネルギーメガボルト電子源（Hermes）は、地球上で最も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は分かっていました。なので、数十年間続いていた長年の問題を解決するユニークな機会と見なしました。これらのデバイスは80年代後半に開発されましたが、依然として電圧を直接的かつ正確に測定する能力がありませんでした。そこでアイデアを出し合い、最終的に電気光学デバイスを使用することに決めました。高エネルギー源に干渉しないからです。

Tech Briefs: セットアップを説明できますか？

オーウェンズ博士: 主に2つの部分があります。私たちがリモート部分と呼ぶのは、本質的に結晶とレーザービームだけです。2つの場所があります：制御室と結晶を配置するリモートエリア。光ファイバーで制御室からリモート場所の結晶へレーザー光を送ります。しかし、電場を検出する空間には結晶のみが存在します。ファイバーから出たレーザー光を、電場がある真空へ導きます——電場は結晶の広い面を貫通します。その後、結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、フォトディテクターで光強度を測定します。結晶と高電圧カソードの距離は14センチメートル強です。

設計基準の一部として、できるだけ少ない材料を使用してフィールドを乱さないようにしました。最初の設計では、もっと大きな装置——光ファイバーと大きな結晶セットアップ——でしたが、うまくいきませんでした。デバイスの動作を妨げました——センサーに高電圧アークが発生しました。なので、電気アークを避けるためにどう再設計するか考えました。

Tech Briefs: デバイスは電場強度を測定しますが、電圧とはどう関係しますか？ 何か計算が必要ですか？

オーウェンズ博士: はい、電場は本質的にアノードとカソード間に印加された電圧を、2つの表面間の距離で割ったものです——私たちの場合、約15センチメートル。径方向のフィールド広がりは、センチメートルオーダーの結晶長に対して無視できると判断しました。なので、両者の変換計算はかなりシンプルです。

Tech Briefs: システムをどう校正しますか？

オーウェンズ博士: 私たちのシステムの強力なセールスポイントの一つは、原則として正式な校正手順を必要としないことです。電気光学理論に依拠できるため、既知パラメータに基づいて期待値をモデル化できます。しかし、パルスパワーアクセラレーターに持ち出す前に、ベンチトップ実験を行います。これはより低い電場強度で行い、計算を検証します。私はそれを一種の校正と考えています。しかし、用語には少し慎重です。システムの利点の一つは、技術的には校正を必要としないと考えているからです。なので、低強度フィールドを見て理論と一致するか確認する意味での校正です。それを「フィールド環境」と呼ぶパルスパワーアクセラレーターに持ち出す前に検証します。

Tech Briefs: つまり、メガボルト単位の実際の電圧とミリボルト単位の信号の比率は定数だと言っているのですか？

オーウェンズ博士: はい、測定はリニアです——オシロスコープで信号を見ると、直接的な関係——測定したい単位で表れます。両方電圧なので、両者間の線形伝達関数です。オシロスコープ上の数十ミリボルトが、アクセラレーターで測定するメガボルトに変換されます——定数でリニアです。他の利用可能な技術は微分応答を含むため、この点を論文で強調しました。

Tech Briefs: パルスパラメータのいくつかを教えてください。

オーウェンズ博士: 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。ベンチトップでは、ずっと低いフィールド、約5kV/センチメートルですが、極めて狭いパルス幅——2.5ナノ秒未満。私たちのシステムはそのパルスの明確なタイミング構造を容易に捉えられます。フィールドでは逆で、ずっと大きなフィールドですが、パルスはベンチトップの15〜20倍幅広——約30ナノ秒幅——ですが、それでもかなり狭い。非常に高エネルギーで、比較的狭いパルスです。

Tech Briefs: ピークパルス電圧を読んでいるのですか？

オーウェンズ博士: ピーク電圧と時間依存波形の両方を読んでいます。私たちのグループでは、研究者たちは実際のピーク値と同様に波形の詳細にも関心があります。両パラメータとも非常に重要です。

Tech Briefs: パルスがどう生成されるか簡単に説明できますか？

オーウェンズ博士: マルクス発電機と呼ばれるコンデンサバンクから始まり、並列で非常に高エネルギーまで充電されます。その後、自動スイッチがそれらをすべて直列に接続し、高電圧を生成します。その後、私たちのHermesアクセラレーターでの高電圧は、複数のパルス整形セクションを通過します。最初は非常に幅広——おそらくミリ秒——ですが、電磁波がエンドポイントデバイスに向かって伝播するにつれ、パルス圧縮を行う一連のセクションを通ります。すべての設計要素はパルスを狭くするために向けられ、エンドポイントに到達する頃には、コンデンサバンクで始まる数百マイクロ秒やミリ秒の非常に幅広いパルスではなく、きれいな30ナノ秒パルスになります。

Tech Briefs: パルス整形はどう行いますか？

オーウェンズ博士: 巨大な水コンデンサを持つ一連の精巧なセクションがあります。また、特性インピーダンスと長さを持つ様々なタイプの伝送線路があり、パルス圧縮を可能にします。最終的に一種の誘導リニアアッダーで終わります。磁気絶縁伝送線路が一連の空洞で直列にあり、誘導的に電力を伝達します。すべて単一ロッドで最終的に加算されます。文字通り数十種類の異なるセクションがパルス整形を行います。パルス整形は、パルスが特定セクションを通過する時間長とその特性電気インピーダンスを見て設計されます。システムを可変寸法同軸ケーブルのように想像すると、進行につれて形状と幾何学が変わり、それが波形の形状を変化させます。

Tech Briefs: 測定技術の性能は他の方法と比べてどうですか？

オーウェンズ博士: 他にもいくつか方法がありますが、最も関連するのはVdotsとBdotsと呼ばれます。電場と磁場を測定するこれらのデバイスの欠点の一つは、電気ベース——金属ベースのコンポーネント——であることです。ある程度の機能はありますが、これらの高エネルギーシステムとはあまり相性が良くありません。システムが発火すると、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します——それらは独自の擬似電流を生成し、ノイズ源になります。それが大きな欠点の一つです：どう動くか把握するために校正が必要です。その後、そのデバイスを校正ラボとは異なる高エネルギー環境に持ち込み、ノイズレベルの増大とデバイスの電気インピーダンス特性の動的変化にさらされます。エネルギーをどこまで上げるかによりますが、ライン上のノイズが多すぎてアンテナのように放射するようになり、単純に使用できなくなるポイントに達します。対照的に、私たちのデバイスは誘電体——本質的にプラスチック——なので、電磁源からの相互作用や干渉がはるかに少ないです。

Tech Briefs: 測定精度の大まかな見当はありますか？

オーウェンズ博士: 精度、分解能、分解能については、私たちが使用している機器の分解能によってのみ制限されます。かなり高速なフォトディテクターを使用しており、それが私たちの分解能の最後のボトルネックです。しかし、実験について言えるのは、おそらく実験で測定する必要がある最小値より桁違いに上です。例えば、1ボルト以上のピーク信号を測定していますが、このシステムではおそらく1ミリボルト程度の分解能まで測定可能です。それ以下になると、オシロスコープやディテクター、バックグラウンドノイズに寄与する他のコンポーネントのため少し難しくなります。測定に必要なレベルより桁違いに分解能があると言えます。

Tech Briefs: この測定システムの他の潜在的応用は？

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オーウェンズ博士: はい、実は私の上級マネージャーの一人とそれについて話しています。なぜなら、これが非常に高エネルギーアクセラレーターで実証されたにもかかわらず、実はデバイスはより低エネルギー用途でさらに有用かもしれないと両者が気づいたからです。

結晶を遠隔地に配置し、レーザーで遠隔からインタロゲートしてフィールドと電圧情報を得るシナリオを想像できます。電圧測定は少し難しいですが、電場をインタロゲートしたい場合、私たちのデバイスのバージョンが使用できます。時間とともに進化する対象を電場で監視し、かなり正確で精密な測定を得られます。

パルスパワーアクセラレーターで働く多数の研究者たちから関心があり、私に連絡し、実験でデバイスを使用したいとのアイデアがあります。また、雷研究やその他いくつかの関心分野で働く人々からもアイデアを持って連絡があり、かなりの関心があります。

例えば、電力会社が興味を持つと思います。高電圧スタンドオフ能力が得られ、特定用途で電場からかなり正確で精密な結果を得て電圧を推測できます。特に、電力業界はAC高電圧電力網の電圧トランジェントを特定することに関心があり、このデバイスはそれらの過渡信号を測定する能力があります。

エドワード・ブラウンはアソシエイトエディターです。