Medición de 20 Millones de Voltios sin Contacto: Enfoque con Microcristal y Láser

El Dr. Israel Owens y su equipo en los Laboratorios Nacionales Sandia 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.

Tech Briefs: ¿Qué le llevó a esta idea?

Dr. 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 comenzó como una discusión de "pastel en el cielo" que tuve con algunos colegas. El problema que intentábamos resolver era: ¿Cómo se mide un voltaje extremadamente alto —en particular, el tipo que típicamente generamos en nuestros aceleradores de potencia de pulso en Sandia?

Discutimos varios enfoques y surgió la idea de usar un dispositivo electro-óptico que no interferiría con la alta energía y los campos de radiación en el dispositivo. Al ser no metálico, es menos propenso a interferencias y ruido de la fuente. Sabíamos desde el principio que nuestra Fuente de Electrones de Megavoltios de Alta Energía (Hermes) es prácticamente el simulador productor de rayos gamma de mayor energía del planeta. Así que vimos esto como una oportunidad única para resolver un problema de larga data que llevaba décadas. Estos dispositivos se desarrollaron a finales de los 80 y aún no teníamos la capacidad de medir el voltaje directamente o con precisión. Así que fue algo que solo hicimos lluvia de ideas —lanzamos ideas. Finalmente decidimos usar un dispositivo electro-óptico porque no interferiría con la fuente de alta energía.

Tech Briefs: ¿Podría describir la configuración?

Dr. Owens: Hay dos partes principales. Lo que llamamos la parte remota es esencialmente solo el cristal y el haz láser. Hay dos ubicaciones: la sala de control y el área remota donde posicionamos el cristal. Llevamos 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 al vacío donde está el campo eléctrico —el campo atraviesa el lado ancho del cristal. Luego, recogemos la luz que sale del otro lado del cristal. Esa señal se envía de vuelta a la sala de control, donde la intensidad de luz se mide con un fotodetector. La distancia entre el cristal y el cátodo de alto voltaje es un poco más de 14 centímetros.

Parte de nuestros criterios 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 bien. Interfería con la operación del dispositivo —obtuvimos arcos de alto voltaje al sensor. Así que tuvimos que pensar en cómo rediseñarlo para evitar el arco eléctrico.

Tech Briefs: Su dispositivo mide la intensidad del campo eléctrico —¿cómo se relaciona eso con el voltaje? ¿Se necesita algún tipo de cálculo?

Dr. 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 expansión radial del campo porque la consideramos algo insignificante a lo largo del cristal de un centímetro. Así que ese cálculo es bastante simple en cuanto a la conversión entre los dos.

Tech Briefs: ¿Cómo calibran el sistema?

Dr. Owens: Uno de los puntos fuertes de nuestro sistema es que, en principio, no requiere un procedimiento de calibración formal. Dado que podemos confiar en la teoría electro-óptica, somos capaces de modelar lo que esperaríamos basado en los parámetros conocidos. Sin embargo, antes de llevar esto al acelerador de potencia de pulso, hacemos un experimento de laboratorio en banco. Esto se hace a 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 pensamos que una de las ventajas del sistema es que, técnicamente, no requiere calibración. Así que es una calibración en el sentido de que miramos 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.

Tech Briefs: Entonces, ¿está diciendo que la relación entre el voltaje real en megavoltios y la señal en milivoltios es una constante?

Dr. Owens: Sí, la medición es lineal —cuando vemos la señal en nuestro osciloscopio, sabemos que es una relación directa —está en las unidades que queremos medir. Como ambos son voltajes, es una función de transferencia lineal entre los dos. Resulta que decenas de milivoltios en el osciloscopio se traducen en los megavoltios que medimos en el acelerador —es una constante, y es lineal. Hemos enfatizado eso en el artículo porque las otras técnicas disponibles implican respuestas derivadas.

Tech Briefs: ¿Cuáles son algunos de los parámetros del pulso?

Dr. Owens: Puedo comparar y contrastar nuestro experimento de banco versus el experimento de campo. En nuestro laboratorio de banco, tenemos campos mucho más bajos, unos 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 bien lo opuesto; tenemos un campo mucho mayor, pero los pulsos son unas 15 a 20 veces más anchos que los que vemos en el banco —están alrededor de 30 nanosegundos de ancho, pero aún bastante estrechos. Son de muy alta energía y, en comparación, relativamente estrechos.

Tech Briefs: Entonces, ¿están leyendo el voltaje pico del pulso?

Dr. Owens: Estamos leyendo el voltaje pico así como la forma de onda dependiente del tiempo. En nuestro grupo, los investigadores están igual de interesados en los detalles de la forma de onda que en el valor pico real. Ambos parámetros son muy importantes.

Tech Briefs: ¿Puede dar una explicación simple de cómo se generan los pulsos?

Dr. Owens: Comienza con un banco de capacitores en lo que se llama un generador Marx, cargándose 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 por una serie de múltiples secciones de conformado de pulso que comienzan muy anchas —probablemente milisegundos— y a medida que la onda electromagnética viaja hacia el dispositivo final, pasa por una serie de secciones que hacen una compresión de pulso. Todos los diferentes elementos de diseño están orientados a hacer el pulso más estrecho, de modo que cuando llegas al punto final, tienes este buen pulso limpio de 30 nanosegundos versus el pulso mucho más ancho, cientos de microsegundos o milisegundos, que comienza en el banco de capacitores.

Tech Briefs: ¿Cómo hacen el conformado del pulso?

Dr. Owens: Hay una serie de secciones elaboradas que tienen condensadores de agua gigantes. También hay diferentes tipos de líneas de transmisión con impedancias características y longitudes 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 inductivamente la potencia. Todo se suma en una sola varilla al final del dispositivo. Hay literalmente docenas de diferentes tipos de secciones que hacen el conformado del pulso. El conformado del pulso se diseña mirando la longitud de tiempo para que el pulso viaje a través de una sección particular versus su impedancia eléctrica característica. Si uno imagina el sistema como un cable coaxial de dimensión variable, está cambiando su forma y geometría a medida que avanza, y eso a su vez causa un cambio en la forma de la forma de onda.

Tech Briefs: ¿Cómo se compara el rendimiento de su técnica de medición con otros métodos?

Dr. Owens: Hay varios otros métodos, pero los que son más probablemente relacionados se denominan Vdots y Bdots. Una de las desventajas de estos tipos de dispositivos al medir campos eléctricos y magnéticos es que son eléctricamente basados, lo que nos referimos como componentes basados en metal. Aunque tienen alguna funcionalidad limitada, no son realmente una buena combinación con estos sistemas de alta energía. Eso es porque cuando el sistema 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 averiguar 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 niveles aumentados de ruido y cambios dinámicos en las propiedades de impedancia eléctrica del instrumento. Dependiendo de qué tan alto subas en energía, llega un punto en que simplemente no puedes usarlos porque hay demasiado ruido en la línea y actúa como una antena que irradia. En contraste, con nuestro dispositivo, ya que es un dieléctrico —esencialmente plástico— hay mucha menos interacción o interferencia de la fuente electromagnética.

Tech Briefs: ¿Tiene alguna idea aproximada de la precisión de su medición?

Dr. Owens: En cuanto a precisión, exactitud y resolución, solo estamos limitados por la resolución de los instrumentos que usamos. Usamos 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, medimos señales pico de más de un voltio, mientras que con este sistema podríamos medir hasta aproximadamente un milivoltio o así de resolución. Se vuelve un poco más desafiante una vez que bajamos de eso debido a los osciloscopios y detectores y otros componentes que contribuyen a algo de ruido de fondo inherente. Diría que tenemos varios órdenes de magnitud de resolución por debajo de lo que necesitamos para nuestras mediciones.

Tech Briefs: ¿Cuáles son otras aplicaciones potenciales para este sistema de medición?

Historias Relacionadas

"Nervios" de Fibra Óptica Permiten Herramientas Quirúrgicas Sensibles

Tecnología de Fibra Óptica: Nueva Luz sobre un Concepto Antiguo

Dr. Owens: Sí, de hecho, he estado hablando con uno de mis gerentes senior sobre eso porque ambos notamos que aunque esto se demostró en un acelerador de muy alta energía. De hecho, el dispositivo en algunos aspectos podría ser incluso más útil para aplicaciones de menor energía.

Podemos imaginar escenarios donde el cristal podría colocarse lejos en alguna ubicación remota e interrogarse remotamente por un láser para obtener información de campo y voltaje. La medición de voltaje sería un poco más desafiante, pero ciertamente en instancias donde se quiera interrogar un campo eléctrico, una versión de nuestro dispositivo podría usarse. Se podría monitorear lo que sea que estén observando a medida que evoluciona en el tiempo con el campo eléctrico y obtener mediciones bastante precisas y exactas.

Hay interés de bastantes investigadores que trabajan con aceleradores de potencia de pulso y que me han contactado y quisieran usar el dispositivo para sus experimentos. Y luego ha habido otros que trabajan en áreas como investigación de rayos y algunas otras aplicaciones de interés que me han contactado con ideas, así que ha habido bastante interés.

Por ejemplo, creo que las compañías de servicios públicos podrían estar interesadas, porque les daría una capacidad de soporte de alto voltaje y podrían obtener resultados bastante precisos y exactos sobre el campo eléctrico, a partir de los cuales pueden inferir voltaje en ciertas aplicaciones. En particular, la industria energética está interesada en identificar transitorios de voltaje en la red de energía AC de alto voltaje, y este dispositivo tendría la capacidad de medir esas señales transitorias.

Edward Brown es Editor Asociado.