물리적 접촉 없이 고전압을 측정하는 방법

Sandia National Laboratories의 Dr. Israel Owens와 그의 팀은 전극에 물리적인 접촉 없이 안전하게 2천만 볼트를 측정하기 위해 동전보다 작은 수정과 신발장보다 작은 레이저를 사용했습니다.

기술 개요 :이 아이디어를 낸 이유는 무엇입니까?

박사. 오웬스 :동전보다 작은 수정과 신발장보다 작은 레이저를 사용하여 고전압을 정확하고 안전하게 측정하는 방법:이 모든 것은 몇 명의 동료와 나눈 일종의 천공 토론에서 시작되었습니다. 우리가 해결하려고 했던 문제는 매우 높은 전압, 특히 Sandia의 펄스 전력 가속기에서 일반적으로 생성하는 전압을 어떻게 측정합니까?

우리는 다양한 접근 방식에 대해 논의했고 장치의 높은 에너지와 복사장을 방해하지 않는 전기 광학 장치를 사용하는 아이디어가 떠올랐습니다. 비금속이기 때문에 소스의 간섭과 노이즈에 덜 취약합니다. 우리는 우리의 고에너지 메가볼트 전자 소스(Hermes)가 지구상에서 가장 높은 에너지의 감마선 생산자 시뮬레이터라는 것을 알고 있었습니다. 그래서 우리는 이것을 수십 년 동안 자리 잡고 있던 오랜 문제를 해결할 수 있는 독특한 기회로 보았습니다. 이 장치는 80년대 후반에 개발되었지만 여전히 전압을 직접 또는 정확하게 측정할 수 있는 기능이 없었습니다. 그래서 그것은 우리가 일종의 브레인스토밍을 한 것입니다. 아이디어를 이리저리 던졌습니다. 결국 우리는 높은 에너지원을 방해하지 않는 전기 광학 장치를 사용하기로 결정했습니다.

기술 개요 :설정에 대해 설명해 주시겠습니까?

박사. 오웬스 :두 가지 주요 부분이 있습니다. 우리가 원격 부품이라고 부르는 것은 본질적으로 크리스탈과 레이저 빔입니다. 제어실과 크리스탈을 배치하는 원격 영역의 두 위치가 있습니다. 우리는 광섬유를 사용하여 원격 위치의 수정에 레이저 광을 실행합니다. 그러나 우리가 필드를 감지하는 공간에는 수정만이 있습니다. 우리는 광섬유에서 나오는 레이저 광을 전기장이 있는 진공으로 안내합니다. 전기장은 크리스탈의 넓은 면을 통과합니다. 그런 다음 수정의 반대편에서 나오는 빛을 수집합니다. 그 신호는 광검출기로 광도를 측정하는 제어실로 다시 전송됩니다. 크리스탈과 고전압 음극 사이의 거리는 14cm가 조금 넘습니다.

우리 디자인 기준의 일부는 현장을 방해하지 않도록 가능한 한 적은 재료를 사용하고 싶었다는 것입니다. 첫 번째 디자인에서 우리는 훨씬 더 큰 장치를 사용했습니다. 광섬유와 더 큰 수정 설정이 있었지만 잘 작동하지 않았습니다. 장치 작동을 방해했습니다. 센서에 고전압 아크가 발생했습니다. 그래서 전기 아크를 방지하기 위해 어떻게 재설계해야 할지 고민해야 했습니다.

기술 개요 :기기가 전기장 강도를 측정합니다. 전압과 어떤 관련이 있습니까? 어떤 종류의 계산이 필요합니까?

박사. 오웬스 :예, 전기장은 본질적으로 양극과 음극 사이에 인가된 전압을 두 표면 사이의 거리로 나눈 값입니다. 이 경우에는 15cm에 가깝습니다. 우리는 센티미터 결정의 길이에 대해 약간 무시할 수 있다고 생각하기 때문에 필드의 방사형 퍼짐을 무시합니다. 그래서 그 계산은 둘 사이의 변환만큼은 상당히 간단합니다.

기술 개요 :시스템을 어떻게 보정합니까?

박사. 오웬스 :우리 시스템의 강점 중 하나는 원칙적으로 공식적인 교정 절차가 필요하지 않다는 것입니다. 우리는 전기 광학 이론에 의존할 수 있기 때문에 알려진 매개변수를 기반으로 예상되는 것을 모델링할 수 있습니다. 그러나 이것을 펄스 전력 가속기로 가져오기 전에 벤치탑 실험실 실험을 수행합니다. 이것은 우리의 계산을 검증하기 위해 더 낮은 전기장 강도에서 수행됩니다. 일종의 교정이라고 생각합니다. 그러나 우리는 시스템의 장점 중 하나가 기술적으로 보정이 필요하지 않다고 생각하기 때문에 용어에 대해 항상 약간 주의를 기울였습니다. 따라서 우리가 더 낮은 강도의 필드를 보고 이론과 일치하는지 확인한다는 의미에서 보정입니다. 우리는 펄스 전력 가속기 중 하나인 현장 환경으로 장치를 꺼내기 전에 그런 종류의 검증을 받습니다.

기술 개요 : 그럼 메가볼트 단위의 실제 전압과 밀리볼트 신호 사이의 비율이 일정하다는 말씀이신가요?

박사. 오웬스 :예, 측정은 선형입니다. 오실로스코프에서 신호를 볼 때 직접적인 관계라는 것을 알 수 있습니다. 측정하려는 단위입니다. 둘 다 전압이기 때문에 둘 사이의 선형 전달 함수입니다. 스코프의 수십 밀리볼트는 우리가 가속기에서 측정하는 메가볼트로 변환됩니다. 이는 상수이고 선형입니다. 사용 가능한 다른 기술에는 파생 응답이 포함되기 때문에 우리는 이 문서에서 강조했습니다.

기술 개요 :펄스 매개변수에는 어떤 것이 있습니까?

박사. 오웬스 :나는 우리의 탁상 실험과 현장 실험을 비교하고 대조할 수 있습니다. 우리의 벤치탑 연구실에는 센티미터당 약 5KV의 훨씬 낮은 필드가 있지만 펄스 폭은 2.5나노초 미만으로 매우 좁습니다. 우리가 작업하는 시스템은 해당 펄스에서 정의된 타이밍 구조를 쉽게 볼 수 있습니다. 현장에서는 그 반대입니다. 훨씬 더 큰 필드를 가지고 있지만 펄스는 벤치탑에서 볼 수 있는 펄스보다 약 15~20배 더 넓습니다. 너비는 약 30나노초이지만 여전히 매우 좁습니다. 그것들은 매우 높은 에너지에 비해 상대적으로 좁습니다.

기술 개요 :피크 펄스 전압을 읽고 있습니까?

박사. 오웬스 :피크 전압과 시간 종속 파형을 읽고 있습니다. 우리 그룹의 연구원들은 실제 피크 값만큼 파형의 세부 사항에 관심이 있습니다. 두 매개변수 모두 매우 중요합니다.

기술 개요 :펄스가 어떻게 생성되는지 간단하게 설명해 주시겠습니까?

박사. 오웬스 :Marx 발전기라고 하는 커패시터 뱅크에서 시작하여 매우 높은 에너지까지 병렬로 충전됩니다. 그리고 그것들을 모두 직렬로 연결하여 고전압을 생성하는 자동 스위치가 있습니다. 그런 다음 Hermes 가속기의 고전압은 매우 넓게 시작하는 일련의 여러 펄스 형성 섹션(아마도 밀리초)을 통과하고 전자기파가 종점 장치를 향해 이동함에 따라 펄스를 발생시키는 일련의 섹션을 통과합니다. 그것에 압축. 모든 다른 디자인 요소는 펄스를 더 좁게 만들기 위해 맞춰져 있으므로 끝점에 도달할 때 훨씬 더 넓은 수백 마이크로초 또는 밀리초 펄스에 비해 멋지고 깨끗한 30나노초 펄스를 갖게 됩니다. 커패시터 뱅크에서 시작합니다.

기술 개요 :펄스 성형은 어떻게 하나요?

박사. 오웬스 :거대한 물 축전기가 있는 일련의 정교한 섹션이 있습니다. 펄스 압축을 허용하는 특성 임피던스와 길이를 가진 다양한 유형의 전송 라인도 있습니다. 일종의 유도 선형 가산기로 끝납니다. 전력을 유도적으로 전달하는 일련의 공동에서 자기 절연 전송선이라고 부르는 것입니다. 모든 것이 장치 끝에 있는 단일 막대에 추가됩니다. 펄스 형성을 수행하는 섹션에는 말 그대로 수십 가지 유형이 있습니다. 펄스 성형은 펄스가 특정 섹션을 통과하는 시간과 특성 전기 임피던스를 비교하여 설계되었습니다. 가변 치수 동축 케이블과 같은 시스템을 상상하면 진행하면서 모양과 형상이 변경되고 결과적으로 파형의 모양이 변경됩니다.

기술 개요 :다른 방법과 비교하여 측정 기술의 성능이 어떻습니까?

박사. 오웬스 :이 외에도 여러 가지 방법이 있지만 가장 관련성이 높은 방법을 Vdot 및 Bdot라고 합니다. 전기장과 자기장을 측정할 때 이러한 유형의 장치의 단점 중 하나는 전기 기반, 즉 우리가 금속 기반 구성 요소라고 부르는 것입니다. 일부 제한된 기능을 가지고 있지만 이러한 고에너지 시스템과 실제로는 잘 어울리지 않습니다. 그 이유는 시스템이 작동할 때 전자기 간섭이 너무 커서 장치 자체와 직접 상호 작용하기 때문입니다. 즉, 시스템이 자체적으로 노이즈의 원인인 스퓨리어스 전류를 생성하기 때문입니다. 이것이 큰 단점 중 하나입니다. 작동 방식을 파악하기 위해 보정을 수행해야 합니다. 그런 다음 해당 장치를 교정 실험실과 다른 고에너지 환경으로 이동하고 노이즈 수준이 증가하고 계측기의 전기 임피던스 속성에 대한 동적 변화가 발생합니다. 에너지가 얼마나 높아지느냐에 따라 라인에 너무 많은 노이즈가 있고 방사하는 안테나처럼 작동하기 때문에 단순히 사용할 수 없는 지점에 도달합니다. 대조적으로, 우리 장치는 유전체(기본적으로 플라스틱)이기 때문에 전자기 소스로부터의 상호 작용이나 간섭이 훨씬 적습니다.

기술 개요 :측정의 정확성에 대한 확실한 아이디어가 있습니까?

박사. 오웬스 :정확도, 정밀도 및 분해능에 관해서는 우리가 사용하는 기기의 분해능에 의해서만 제한됩니다. 우리는 상당히 빠른 속도의 광검출기를 사용하고 있으며 이것이 우리의 해상력에 있어서 마지막 병목 현상입니다. 하지만 우리 실험에 대해 말할 수 있는 것은 우리가 실험에서 측정할 최소값보다 훨씬 더 크다는 것입니다. 예를 들어, 볼트를 초과하는 피크 신호까지 측정하는 반면, 이 시스템을 사용하면 약 밀리볼트 정도의 분해능까지 측정할 수 있습니다. 오실로스코프와 감지기 및 고유한 배경 잡음에 기여하는 기타 구성 요소로 인해 그 이하로 떨어지면 조금 더 어려워집니다. 측정에 필요한 것보다 몇 배나 낮은 해상도가 있다고 말할 수 있습니다.

기술 개요 :이 측정 시스템의 다른 잠재적 응용 프로그램은 무엇입니까?

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박사. 오웬스 :예, 사실, 나는 이것이 매우 높은 에너지 가속기에서 시연되었음에도 불구하고 우리 둘 다 알아차렸기 때문에 그것에 대해 제 고위 관리자 중 한 명과 이야기했습니다. 사실, 어떤 면에서 이 장치는 저에너지 애플리케이션에 더 유용할 수 있습니다.

우리는 크리스탈이 어떤 원격 위치에서 멀리 떨어져 있고 필드와 전압 정보를 얻기 위해 레이저로 원격으로 조사될 수 있는 시나리오를 상상할 수 있습니다. 전압 측정은 조금 더 어려울 수 있지만 확실히 전기장을 조사하려는 경우에는 우리 장치의 버전을 사용할 수 있습니다. 전기장과 함께 시간이 지남에 따라 진화하면서 그들이 보고 있는 것이 무엇이든 모니터링하고 상당히 정확하고 정확한 측정값을 얻을 수 있습니다.

펄스 전력 가속기로 작업하고 저에게 연락했고 실험에 장치를 사용하고 싶어하는 몇몇 연구원의 관심이 있습니다. 그리고 번개 연구 및 몇 가지 다른 관심 응용 분야와 같은 분야에서 일하고 있는 다른 사람들이 저에게 아이디어를 제안했기 때문에 상당한 관심을 받았습니다.

예를 들어 유틸리티 회사는 높은 전압 스탠드오프 기능을 제공하고 특정 애플리케이션에서 전압을 유추할 수 있는 전기장에 대해 상당히 정확하고 정확한 결과를 얻을 수 있기 때문에 관심을 가질 수 있다고 생각합니다. 특히 전력 산업은 AC 고전압 전력망에서 과도 전압을 식별하는 데 관심이 있으며 이 장치는 이러한 과도 신호를 측정할 수 있습니다.

에드워드 브라운은 부편집장입니다.