동전 크기 크리스탈과 레이저로 2천만 볼트 비접촉 측정

샌디아 국립연구소의 Dr. Israel Owens 팀은 10센트 동전보다 작은 크리스탈과 신발 상자보다 작은 레이저를 사용하여 전극과 물리적 접촉 없이 2천만 볼트를 안전하게 측정했습니다.

Tech Briefs: 이 아이디어의 계기는 무엇입니까?

Dr. Owens: 10센트 동전보다 작은 크리스탈과 신발 상자보다 작은 레이저로 초고전압을 정확하고 안전하게 측정하는 방법: 이 모든 것은 제가 몇 동료들과 나눈 일종의 '공상' 같은 토론에서 시작되었습니다. 우리가 해결하려던 문제는: 펄스 파워 가속기에서 우리가 일반적으로 생성하는 종류의 극도로 높은 전압을 어떻게 측정할 것인가였습니다.

우리는 다양한 접근법을 논의했고, 고에너지와 장치 내 방사선 장에 간섭하지 않는 전기광학 장치를 사용하는 아이디어가 나왔습니다. 비금속이므로 소스로부터 간섭과 노이즈에 덜 취약합니다. 우리 고에너지 메가볼트 전자 소스(Hermes)가 사실상 지구상에서 가장 높은 에너지 감마선 생성 시뮬레이터라는 것을 알고 있었습니다. 그래서 우리는 수십 년간 지속된 오랜 문제를 해결할 독특한 기회로 보았습니다. 이 장치들은 80년대 후반에 개발되었지만 여전히 전압을 직접 또는 정확하게 측정할 능력이 없었습니다. 그래서 우리는 그냥 브레인스토밍을 했고, 아이디어를 던졌습니다. 마침내 고에너지 소스에 간섭하지 않기 때문에 전기광학 장치를 사용하기로 결정했습니다.

Tech Briefs: 설정을 설명해 주시겠습니까?

Dr. Owens: 두 주요 부분이 있습니다. 우리가 원격 부분이라 부르는 것은 본질적으로 크리스탈과 레이저 빔뿐입니다. 두 위치가 있습니다: 제어실과 크리스탈을 배치하는 원격 구역. 광섬유를 사용하여 제어실에서 원격 위치의 크리스탈로 레이저 빛을 보냅니다. 하지만 전기장이 있는 공간에는 크리스탈만 있습니다. 광섬유에서 나온 레이저 빛을 전기장이 있는 진공으로 유도합니다. 전기장은 크리스탈의 넓은 면을 통과합니다. 그런 다음 크리스탈 반대쪽에서 나오는 빛을 수집합니다. 그 신호는 제어실로 돌아가서 광검출기로 빛 강도를 측정합니다. 크리스탈과 고전압 캐소드 사이의 거리는 14센티미터가 조금 넘습니다.

우리 설계 기준 중 하나는 필드를 방해하지 않도록 가능한 한 적은 물질을 사용하는 것이었습니다. 첫 설계에서는 훨씬 더 큰 장치였습니다. 광섬유와 더 큰 크리스탈 설정이었는데, 잘 작동하지 않았습니다. 장치 작동에 간섭했습니다. 센서에 고전압 아크가 발생했습니다. 그래서 전기 아크를 피하기 위해 어떻게 재설계할지 생각해야 했습니다.

Tech Briefs: 장치가 전기장 강도를 측정하는데, 이는 전압과 어떻게 관련이 있습니까? 계산이 필요합니까?

Dr. Owens: 네, 전기장은 본질적으로 양극과 음극 사이에 인가된 전압을 두 표면 간 거리로 나눈 것입니다. 우리 경우 약 15센티미터입니다. 센티미터 길이 크리스탈 길이에서 방사형 필드 확산은 무시할 수 있다고 봅니다. 그래서 두 단위 간 변환은 꽤 간단합니다.

Tech Briefs: 시스템을 어떻게 보정합니까?

Dr. Owens: 우리 시스템의 강력한 장점 중 하나는 원칙적으로 공식적인 보정 절차가 필요하지 않다는 것입니다. 전기광학 이론에 의존할 수 있으므로 알려진 매개변수를 기반으로 예상 결과를 모델링할 수 있습니다. 하지만 펄스 파워 가속기에 가져가기 전에 벤치탑 실험을 합니다. 이는 더 낮은 전기장 강도에서 수행되어 계산을 검증합니다. 저는 이를 일종의 보정이라고 생각합니다. 하지만 우리는 항상 용어에 대해 조금 신중했습니다. 왜냐하면 시스템의 장점 중 하나가 기술적으로 보정이 필요하지 않다고 생각하기 때문입니다. 그래서 낮은 강도 필드를 보고 이론과 일치하는지 확인하는 의미에서 보정입니다. 그런 검증을 '필드 환경'이라 부르는 펄스 파워 가속기 중 하나로 장치를 가져가기 전에 얻습니다.

Tech Briefs: 그러면 메가볼트 단위 실제 전압과 밀리볼트 단위 신호 비율이 상수라는 뜻입니까?

Dr. Owens: 네, 측정은 선형입니다. 오실로스코프에서 신호를 보면 직접적인 관계라는 것을 알 수 있습니다. 원하는 측정 단위로 되어 있습니다. 둘 다 전압이므로 두 사이에는 선형 전달 함수가 있습니다. 결국 오실로스코프에서 수십 밀리볼트가 우리가 가속기에서 측정하는 메가볼트로 변환됩니다. 상수이고 선형입니다. 다른 가용 기술들은 미분 응답을 포함하기 때문에 우리는 논문에서 이를 강조했습니다.

Tech Briefs: 펄스 매개변수 중 일부는 무엇입니까?

Dr. Owens: 벤치탑 실험과 필드 실험을 비교 대조할 수 있습니다. 벤치탑 랩에서는 훨씬 낮은 필드, 약 5KV/센티미터지만 극도로 좁은 펄스 폭, 2.5나노초 미만입니다. 우리 시스템은 그 펄스에서 정의된 타이밍 구조를 쉽게 볼 수 있습니다. 필드에서는 정반대입니다. 훨씬 더 큰 필드지만 펄스는 벤치탑에서 보는 펄스보다 약 15~20배 더 넓습니다. 약 30나노초 폭이지만 여전히 꽤 좁습니다. 매우 고에너지이고 비교적 좁습니다.

Tech Briefs: 그러면 피크 펄스 전압을 읽는 겁니까?

Dr. Owens: 피크 전압뿐만 아니라 시간 의존 파형도 읽습니다. 우리 그룹에서 연구자들은 실제 피크 값만큼 파형의 세부 사항에도 관심이 있습니다. 두 매개변수 모두 매우 중요합니다.

Tech Briefs: 펄스가 어떻게 생성되는지 간단히 설명해 주실 수 있습니까?

Dr. Owens: 마르크스 발생기라 불리는 커패시터 뱅크에서 시작합니다. 매우 높은 에너지로 병렬 충전됩니다. 그런 다음 자동 스위치가 모두 직렬로 연결하여 고전압을 생성합니다. 그런 다음 우리 헤르메스 가속기의 고전압은 여러 펄스 성형 섹션을 통과합니다. 처음에는 매우 넓습니다. 아마도 밀리초일 겁니다. 전자기파가 종점 장치를 향해 이동하면서 펄스 압축을 하는 일련의 섹션을 통과합니다. 모든 다른 설계 요소는 펄스를 더 좁게 만드는 데 맞춰져 있습니다. 종점에 도달하면 수백 마이크초 또는 밀리초로 시작된 훨씬 더 넓은 펄스 대신 멋지고 깨끗한 30나노초 펄스를 얻게 됩니다.

Tech Briefs: 펄스 성형은 어떻게 합니까?

Dr. Owens: 거대한 물 커패시터가 있는 정교한 섹션 시리즈가 있습니다. 특성 임피던스와 길이가 다른 다양한 유형의 전송선도 있어 펄스 압축을 허용합니다. 일종의 유도 선형 가산기로 끝납니다. 자기 절연 전송선이 공동 시리즈로 있는 것인데, 유도적으로 전력을 전송합니다. 모두 장치 끝의 단일 로드에 합산됩니다. 펄스 성형을 하는 말 그대로 수십 가지 다른 유형의 섹션이 있습니다. 펄스 성형은 펄스가 특정 섹션을 통과하는 시간 길이와 특성 전기 임피던스를 보고 설계됩니다. 시스템을 가변 치수 동축 케이블처럼 상상하면, 진행하면서 모양과 지오메트리가 변하고, 그게 차례로 파형 모양을 바꿉니다.

Tech Briefs: 측정 기술 성능이 다른 방법과 어떻게 비교됩니까?

Dr. Owens: 몇 가지 다른 방법이 있지만, 가장 관련 있는 것은 Vdots와 Bdots라고 불리는 것들입니다. 전기장과 자기장 측정 시 이런 유형 장치의 단점 중 하나는 전기 기반, 즉 금속 기반 구성 요소라는 것입니다. 제한된 기능은 있지만 이 고에너지 시스템과는 정말 좋은 짝이 아닙니다. 시스템이 발사되면 엄청난 전자기 간섭이 장치 자체와 직접 상호작용합니다. 자체 스퓨리어스 전류를 생성해 노이즈 소스가 됩니다. 그게 큰 단점 중 하나입니다: 어떻게 작동할지 파악하기 위해 보정을 해야 합니다. 그런 다음 그 장치를 보정 랩과 다른 고에너지 환경으로 가져가면 증가된 노이즈와 장치 전기 임피던스 특성의 동적 변화에 노출됩니다. 에너지를 얼마나 높이 올리느냐에 따라 단순히 노이즈가 너무 많아 사용할 수 없는 지점에 도달합니다. 라인에서 안테나처럼 방사하기 때문입니다. 반면 우리 장치는 유전체(본질적으로 플라스틱)이므로 전자기 소스로부터 훨씬 적은 상호작용이나 간섭이 있습니다.

Tech Briefs: 측정 정확도에 대한 대략적인 아이디어가 있습니까?

Dr. Owens: 정확도, 정밀도, 해상도 측면에서 우리는 사용하는 기기의 해상도로만 제한됩니다. 꽤 고속 광검출기를 사용하고, 그게 우리의 분해능 측면에서 마지막 병목입니다. 하지만 우리 실험에 대해 말할 수 있는 건 우리는 실험에서 측정해야 할 최소값보다 몇 배나 높은 수준일 겁니다. 예를 들어 1볼트 넘는 피크 신호를 측정하는 반면, 이 시스템으로는 아마도 1밀리볼트 정도 해상도까지 측정할 수 있을 겁니다. 그 이하로 가면 오실로스코프와 검출기, 기타 고유 배경 노이즈에 기여하는 구성 요소들 때문에 조금 더 어려워집니다. 우리 측정 필요보다 몇 자릿수나 더 높은 해상도를 가집니다.

Tech Briefs: 이 측정 시스템의 다른 잠재적 응용 분야는 무엇입니까?

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Dr. Owens: 네, 사실 제 선임 매니저 중 한 명과 그 이야기를 나눴습니다. 우리가 둘 다 이걸 매우 고에너지 가속기에서 시연했지만, 어떤 면에서는 이 장치가 저에너지 애플리케이션에 더 유용할 수 있다는 걸 알았기 때문입니다.

크리스탈을 원격 위치에 배치하고 레이저로 원격 조사하여 필드와 전압 정보를 얻는 시나리오를 상상할 수 있습니다. 전압 측정은 조금 더 어려울 수 있지만, 확실히 시간이 지남에 따라 진화하는 전기장을 조사하고 싶다면 우리 장치 버전을 사용할 수 있습니다. 꽤 정확하고 정밀한 측정으로 모니터링할 수 있습니다.

펄스 파워 가속기 연구자들이 꽤 많이 저에게 연락해와서 그들의 실험에 이 장치를 쓰고 싶다고 했습니다. 그리고 번개 연구나 관심 있는 몇 가지 다른 애플리케이션에서 일하는 다른 사람들도 아이디어를 가지고 저에게 연락해와서 꽤 많은 관심이 있었습니다.

예를 들어 유틸리티 회사들이 관심 있을 것 같습니다. 높은 전압 스탠드오프 능력을 주고 특정 애플리케이션에서 전기장으로부터 꽤 정확하고 정밀한 결과를 추론해 전압을 유추할 수 있게 하니까요. 특히 전력 산업은 AC 고전압 전력망에서 전압 과도 현상 식별에 관심이 있고, 이 장치는 그런 과도 신호 측정 능력이 있을 겁니다.

Edward Brown은 부편집장입니다.