Cómo medir alto voltaje sin contacto físico
El Dr. Israel Owens y su equipo en Sandia National Laboratories han usado un cristal más pequeño que una moneda de diez centavos y un láser más pequeño que una caja de zapatos para medir de forma segura 20 millones de voltios sin hacer contacto físico con el electrodo.
Resúmenes técnicos :¿Qué te llevó a esta idea?
Dra. Owens :Cómo medir alto voltaje con precisión y seguridad usando un cristal más pequeño que una moneda de diez centavos y un láser más pequeño que una caja de zapatos:Todo esto comenzó como una especie de discusión sobre el cielo que tuve con algunos de mis colegas. El problema que estábamos tratando de resolver era:¿Cómo se mide un voltaje extremadamente alto, en particular, el tipo que normalmente generamos en nuestros aceleradores de energía de pulso en Sandia?
Hablamos de varios enfoques y surgió la idea de utilizar un dispositivo electroóptico que no interfiriera con la alta energía y los campos de radiación del dispositivo. Dado que no es metálico, es menos propenso a las interferencias y al ruido de la fuente. Al entrar en esto, sabíamos que nuestra fuente de electrones de megavoltios de alta energía (Hermes) es prácticamente el simulador productor de rayos gamma de mayor energía del planeta. Entonces, vimos esto como una oportunidad única para resolver un problema de larga data que había existido durante varias décadas. Estos dispositivos se desarrollaron a finales de los años 80 y todavía no teníamos la capacidad de medir el voltaje de forma directa o precisa. Entonces, eso fue algo en lo que simplemente hicimos una lluvia de ideas, lanzamos ideas. Finalmente decidimos usar un dispositivo electro-óptico porque no interferiría con la fuente de alta energía.
Resúmenes técnicos :¿Podría describir la configuración?
Dra. Owens :Hay dos partes principales. A lo que nos referimos como la parte remota es esencialmente solo el cristal y el rayo láser. Hay dos ubicaciones:la sala de control y el área remota donde colocamos el cristal. Pasamos la luz láser al cristal en la ubicación remota usando fibra óptica. Pero solo el cristal está en el espacio donde detectamos el campo. Guiamos la luz láser que sale de la fibra óptica hacia el vacío donde está el campo eléctrico; el campo atraviesa el lado ancho del cristal. Luego, recogemos la luz que sale por el otro lado del cristal. Esa señal se envía de vuelta a la sala de control, donde se mide la intensidad de la luz con un fotodetector. La distancia entre el cristal y el cátodo de alto voltaje es un poco más de 14 centímetros.
Parte de nuestro criterio de diseño es que queríamos usar la menor cantidad de material posible para no perturbar el campo. En nuestro primer diseño, teníamos un aparato mucho más grande:teníamos fibra óptica y una configuración de cristal más grande, y no funcionó muy bien. Interfirió con el funcionamiento del dispositivo:obtuvimos arcos de alto voltaje en el sensor. Entonces, tuvimos que pensar en cómo rediseñarlo para evitar el arco eléctrico.
Resúmenes técnicos :Su dispositivo mide la fuerza del campo eléctrico. ¿Cómo se relaciona eso con el voltaje? ¿Se necesita algún tipo de cálculo?
Dra. Owens :Sí, el campo eléctrico es esencialmente el voltaje aplicado entre el ánodo y el cátodo dividido por la distancia entre las dos superficies, en nuestro caso, cerca de 15 centímetros. Despreciamos la dispersión radial del campo porque consideramos que es algo despreciable sobre la longitud del centímetro de cristal. Entonces ese cálculo es bastante simple en cuanto a la conversión entre los dos.
Resúmenes técnicos :¿Cómo se calibra el sistema?
Dra. Owens :Uno de los puntos fuertes de venta de nuestro sistema es que, en principio, no requiere un procedimiento de calibración formal. Dado que podemos confiar en la teoría electroóptica, podemos modelar lo que esperaríamos en función de los parámetros conocidos. Sin embargo, antes de llevar esto al acelerador de potencia de pulso, hacemos un experimento de laboratorio de sobremesa. Esto se hace con intensidades de campo eléctrico más bajas para validar nuestros cálculos. Pienso en eso como una especie de calibración. Pero siempre hemos sido un poco cuidadosos con la terminología porque creemos que una de las ventajas del sistema es que, técnicamente, no requiere calibración. Entonces, es una calibración en el sentido de que observamos los campos de menor intensidad y nos aseguramos de que coincidan con la teoría. Obtenemos ese tipo de validación antes de llevar el dispositivo a lo que llamamos el entorno de campo, que es uno de los aceleradores de potencia de pulso.
Resúmenes técnicos : Entonces, ¿estás diciendo que la relación entre el voltaje real en megavoltios y la señal de milivoltios es una constante?
Dra. Owens :Sí, la medida es lineal, cuando vemos la señal en nuestro osciloscopio, sabemos que es una relación directa, está en las unidades que queremos medir. Dado que ambos son voltajes, es una función de transferencia lineal entre los dos. Al final, decenas de milivoltios en el osciloscopio se traducen en megavoltios que medimos en el acelerador:es una constante y es lineal. Hemos enfatizado eso en el documento porque las otras técnicas disponibles involucran respuestas derivadas.
Resúmenes técnicos :¿Cuáles son algunos de los parámetros del pulso?
Dra. Owens :Puedo comparar y contrastar nuestro experimento de laboratorio con el experimento de campo. En nuestro laboratorio de sobremesa, tenemos campos mucho más bajos, alrededor de 5 KV por centímetro, pero anchos de pulso extremadamente estrechos, menos de 2,5 nanosegundos. El sistema con el que trabajamos puede ver fácilmente la estructura de tiempo definida en ese pulso. En el campo, es más o menos lo contrario; tenemos un campo mucho más grande, pero los pulsos son de 15 a 20 veces más anchos que los pulsos que vemos en la mesa de trabajo:tienen alrededor de 30 nanosegundos de ancho, pero aún son bastante estrechos. Son de muy alta energía y, en comparación, relativamente estrechos.
Resúmenes técnicos :Entonces, ¿está leyendo el voltaje de pulso máximo?
Dra. Owens :Estamos leyendo el voltaje pico así como la forma de onda dependiente del tiempo. En nuestro grupo, los investigadores están tan interesados en los detalles de la forma de onda como en el valor pico real. Ambos parámetros son muy importantes.
Resúmenes técnicos :¿Puede dar una explicación sencilla de cómo se generan los pulsos?
Dra. Owens :Comienza con un banco de condensadores en lo que se llama un generador Marx, que se carga en paralelo hasta una energía muy alta. Y luego hay un interruptor automático que los pone a todos en serie, lo que genera un alto voltaje. Luego, el alto voltaje en nuestro acelerador Hermes pasa a través de una serie de múltiples secciones de modelado de pulsos que comienzan muy amplias, probablemente en milisegundos, y a medida que la onda electromagnética viaja hacia el dispositivo terminal, pasa por una serie de secciones que generan un pulso. compresión sobre ella. Todos los diferentes elementos de diseño están orientados a hacer que el pulso sea más angosto, de modo que cuando llegue al punto final, tenga este pulso agradable y limpio de 30 nanosegundos en comparación con el pulso mucho más ancho, de cientos de microsegundos o milisegundos. que comienza en el banco de capacitores.
Resúmenes técnicos :¿Cómo se configura el pulso?
Dra. Owens :Hay una serie de secciones elaboradas que tienen condensadores de agua gigantes. También existen diferentes tipos de líneas de transmisión con impedancias y longitudes características que permiten la compresión del pulso. Termina en una especie de sumador lineal inductivo. Es lo que llaman una línea de transmisión aislada magnéticamente en una serie de cavidades que transfieren la energía de forma inductiva. Todo se suma en una sola varilla al final del dispositivo. Hay literalmente docenas de diferentes tipos de secciones que dan forma al pulso. La conformación del pulso se diseña observando el tiempo que tarda el pulso en viajar a través de una sección particular en comparación con su impedancia eléctrica característica. Si uno imagina el sistema como un cable coaxial de dimensión variable, está cambiando su forma y su geometría a medida que avanza, y eso a su vez provoca un cambio en la forma de la onda.
Resúmenes técnicos :¿Cómo se compara el rendimiento de su técnica de medición con otros métodos?
Dra. Owens :Hay varios otros métodos, pero los que probablemente estén relacionados se conocen como Vdots y Bdots. Una de las desventajas de este tipo de dispositivos a la hora de medir campos eléctricos y magnéticos es que son de base eléctrica, a lo que nos referimos como componentes de base metálica. Aunque tienen una funcionalidad limitada, en realidad no son una buena combinación con estos sistemas de alta energía. Esto se debe a que cuando el sistema se dispara, hay tanta interferencia electromagnética que interactúa directamente con el dispositivo mismo:crean sus propias corrientes espurias que son una fuente de ruido. Esa es una de las grandes desventajas:tienes que hacer una calibración para saber cómo va a funcionar. Luego, ese dispositivo se lleva a un entorno de alta energía que es diferente del laboratorio de calibración y está sujeto a mayores niveles de ruido y cambios dinámicos en las propiedades de impedancia eléctrica del instrumento. Dependiendo de qué tan alto aumente la energía, llega a un punto en el que simplemente no puede usarlos porque hay demasiado ruido en la línea y actúa como una antena que está radiando. En contraste, con nuestro dispositivo, dado que es un dieléctrico, esencialmente plástico, hay mucha menos interacción o interferencia de la fuente electromagnética.
Resúmenes técnicos :¿Tiene alguna idea aproximada de la precisión de su medición?
Dra. Owens :En cuanto a exactitud, precisión y resolución, solo estamos limitados por la resolución de los instrumentos que usamos. Estamos usando fotodetectores de bastante alta velocidad, y ese es el último cuello de botella en cuanto a nuestro poder de resolución. Pero lo que puedo decir sobre nuestro experimento es que probablemente estamos en órdenes de magnitud por encima del tipo de valor mínimo que mediríamos en un experimento. Por ejemplo, estamos midiendo señales máximas que están por encima de un voltio, mientras que con este sistema probablemente podríamos medir hasta un milivoltio de resolución aproximadamente. Se vuelve un poco más desafiante una vez que llegamos por debajo debido a los osciloscopios y detectores y los otros componentes que contribuyen al ruido de fondo inherente. Diría que tenemos varios órdenes de magnitud de resolución por debajo de lo que necesitamos para nuestras mediciones.
Resúmenes técnicos :¿Cuáles son otras aplicaciones potenciales para este sistema de medición?
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Dra. Owens :Sí, de hecho, he estado hablando con uno de mis altos directivos sobre eso porque ambos notamos que a pesar de que esto se demostró en un acelerador de muy alta energía. De hecho, el dispositivo, de alguna manera, podría incluso ser más útil para aplicaciones de bajo consumo de energía.
Podemos imaginar escenarios en los que el cristal podría colocarse lejos en algún lugar remoto e interrogarse de forma remota mediante un láser para obtener la información de campo y voltaje. La medición de voltaje sería un poco más desafiante, pero ciertamente en los casos en que uno quisiera interrogar un campo eléctrico, se podría usar una versión de nuestro dispositivo. Uno podría monitorear lo que sea que esté mirando a medida que evoluciona en el tiempo con el campo eléctrico y obtener mediciones bastante precisas y precisas.
Hay bastante interés por parte de investigadores que trabajan con aceleradores de potencia de pulso y que se han puesto en contacto conmigo y les gustaría utilizar el dispositivo para sus experimentos. Y luego ha habido otros que están trabajando en áreas como la investigación de rayos y algunas otras aplicaciones de interés que me han contactado con ideas, por lo que ha habido bastante interés.
Por ejemplo, creo que las empresas de servicios públicos podrían estar interesadas, porque les daría una capacidad de separación de alto voltaje y podrían obtener resultados bastante exactos y precisos sobre el campo eléctrico, a partir de los cuales pueden inferir el voltaje en ciertas aplicaciones. En particular, la industria de la energía está interesada en identificar transitorios de voltaje en la red eléctrica de alto voltaje de CA, y este dispositivo tendría la capacidad de medir esas señales transitorias.
Edward Brown es editor asociado.
