Como medir alta tensão sem contato físico

Dr. Israel Owens e sua equipe do Sandia National Laboratories usaram um cristal menor que uma moeda de dez centavos e um laser menor que uma caixa de sapatos para medir com segurança 20 milhões de volts sem fazer contato físico com o eletrodo.

Resumos técnicos :O que te levou a essa ideia?

Dra. Owens :Como medir alta tensão com precisão e segurança usando um cristal menor que uma moeda de dez centavos e um laser menor que uma caixa de sapatos:Tudo isso começou como uma espécie de discussão que tive com alguns de meus colegas. O problema que estávamos tentando resolver era:como medir uma tensão extremamente alta – em particular, o tipo que normalmente geramos em nossos aceleradores de energia de pulso em Sandia?

Discutimos várias abordagens e surgiu a ideia de usar um dispositivo eletro-óptico que não interferisse na alta energia e nos campos de radiação do dispositivo. Como não é metálico, é menos propenso a interferências e ruídos da fonte. Sabíamos que nossa fonte de elétrons de megavolt de alta energia (Hermes) é praticamente o simulador de produção de raios gama de maior energia do planeta. Então, vimos isso como uma oportunidade única para resolver um problema de longa data que estava em vigor há várias décadas. Esses dispositivos foram desenvolvidos no final dos anos 80 e ainda não tínhamos a capacidade de medir a tensão diretamente ou com precisão. Então, isso foi algo que nós meio que fizemos um brainstorming – lançamos ideias ao redor. Finalmente decidimos usar um dispositivo eletro-óptico porque não interferiria com a fonte de alta energia.

Resumos técnicos :Você poderia descrever a configuração?

Dra. Owens :Existem duas partes principais. O que chamamos de parte remota é essencialmente apenas o cristal e o feixe de laser. Existem dois locais:a sala de controle e a área remota onde posicionamos o cristal. Corremos a luz do laser para o cristal no local remoto usando fibra ótica. Mas apenas o cristal está no espaço onde detectamos o campo. Guiamos a luz do laser que sai da fibra óptica para o vácuo onde está o campo elétrico – o campo percorre o lado largo do cristal. Em seguida, coletamos a luz que sai do outro lado do cristal. Esse sinal é enviado de volta à sala de controle, onde a intensidade da luz é medida com um fotodetector. A distância entre o cristal e o cátodo de alta tensão é um pouco mais de 14 centímetros.

Parte dos nossos critérios de design é que queríamos usar o mínimo de material possível para não perturbar o campo. Em nosso primeiro projeto, tínhamos um aparelho muito maior — tínhamos fibra óptica e uma configuração de cristal maior, e não funcionou muito bem. Isso interferiu na operação do dispositivo - obtivemos arcos de alta tensão no sensor. Então, tivemos que pensar em como redesenhá-lo para evitar o arco elétrico.

Resumos técnicos :Seu dispositivo mede a intensidade do campo elétrico — como isso está relacionado à voltagem? É necessário algum tipo de cálculo?

Dra. Owens :Sim, o campo elétrico é essencialmente a tensão aplicada entre o ânodo e o cátodo dividido pela distância entre as duas superfícies — no nosso caso, próximo a 15 centímetros. Desprezamos o espalhamento radial do campo porque o consideramos um tanto desprezível ao longo do comprimento do cristal do centímetro. Portanto, esse cálculo é bastante simples no que diz respeito à conversão entre os dois.

Resumos técnicos :Como você calibra o sistema?

Dra. Owens :Um dos pontos fortes do nosso sistema é que, em princípio, ele não requer um procedimento formal de calibração. Como podemos confiar na teoria eletro-óptica, podemos modelar o que esperaríamos com base nos parâmetros conhecidos. No entanto, antes de levarmos isso para o acelerador de potência de pulso, fazemos um experimento de laboratório de bancada. Isso é feito em forças de campo elétrico mais baixas para validar nossos cálculos. Eu acho que isso é uma espécie de calibração. Mas sempre tivemos um pouco de cuidado com a terminologia porque achamos que uma das vantagens do sistema é que, tecnicamente, ele não exige calibração. Portanto, é uma calibração no sentido de que olhamos para os campos de menor intensidade e nos certificamos de que eles correspondem à teoria. Obtemos esse tipo de validação antes de levar o dispositivo para o que chamamos de ambiente de campo, que é um dos aceleradores de energia de pulso.

Resumos técnicos : Então, você está dizendo que a relação entre a tensão real em megavolts e o sinal em milivolts é uma constante?

Dra. Owens :Sim, a medida é linear — quando vemos o sinal em nosso osciloscópio, sabemos que é uma relação direta — está nas unidades que queremos medir. Como ambas são tensões, é uma função de transferência linear entre as duas. Acaba que dezenas de milivolts no osciloscópio se traduzem nos megavolts que medimos no acelerador - é uma constante e é linear. Enfatizamos isso no artigo porque as outras técnicas disponíveis envolvem respostas derivadas.

Resumos técnicos :Quais são alguns dos parâmetros de pulso?

Dra. Owens :posso comparar e contrastar nosso experimento de bancada com o experimento de campo. Em nosso laboratório de bancada, temos campos muito mais baixos, cerca de 5 KV por centímetro, mas larguras de pulso extremamente estreitas – menos de 2,5 nanossegundos. O sistema com o qual trabalhamos pode ver facilmente a estrutura de tempo definida nesse pulso. No campo, é o oposto; temos um campo muito maior, mas os pulsos são cerca de 15 a 20 vezes mais largos do que os pulsos que vemos na bancada – eles têm cerca de 30 nanossegundos de largura, mas ainda são bastante estreitos. Eles têm energia muito alta e, em comparação, são relativamente estreitos.

Resumos técnicos :Então, você está lendo a tensão de pulso de pico?

Dra. Owens :Estamos lendo a tensão de pico, bem como a forma de onda dependente do tempo. Em nosso grupo, os pesquisadores estão tão interessados ​​nas especificidades da forma de onda quanto no valor real do pico. Ambos os parâmetros são muito importantes.

Resumos técnicos :Você pode dar uma explicação simples de como os pulsos são gerados?

Dra. Owens :Começa com um banco de capacitores no que é chamado de gerador Marx, sendo carregado em paralelo até uma energia muito alta. E depois há um interruptor automático que os coloca todos em série, o que gera uma alta tensão. Então, a alta voltagem em nosso acelerador Hermes passa por uma série de várias seções de modelagem de pulso que começam muito largas - provavelmente milissegundos - e, à medida que a onda eletromagnética viaja em direção ao dispositivo terminal, ela passa por uma série de seções que fazem um pulso compressão sobre ele. Todos os diferentes elementos de design são voltados para tornar o pulso mais estreito, de modo que, quando você chegar ao ponto final, você tenha esse pulso limpo e agradável de 30 nanossegundos versus o pulso muito mais amplo, centenas de microssegundos ou milissegundos que começa no banco de capacitores.

Resumos técnicos :Como você faz a modelagem do pulso?

Dra. Owens :há uma série de seções elaboradas que possuem capacitores de água gigantes. Existem também diferentes tipos de linhas de transmissão com impedâncias e comprimentos característicos que permitem a compressão do pulso. Termina em uma espécie de somador linear indutivo. É o que eles chamam de linha de transmissão isolada magneticamente em uma série de cavidades que transferem indutivamente a energia. Tudo é somado em uma única haste no final do dispositivo. Existem literalmente dezenas de diferentes tipos de seções que fazem a modelagem do pulso. A modelagem do pulso é projetada observando a duração de tempo para o pulso percorrer uma seção específica versus sua impedância elétrica característica. Se imaginarmos o sistema como um cabo coaxial de dimensão variável, ele está mudando sua forma e sua geometria à medida que avança, e isso, por sua vez, causa uma mudança na forma da forma de onda.

Resumos técnicos :Como o desempenho de sua técnica de medição se compara a outros métodos?

Dra. Owens :Existem vários outros métodos, mas os mais provavelmente relacionados são chamados de Vdots e Bdots. Uma das desvantagens desses tipos de dispositivos na medição de campos elétricos e magnéticos é que eles são de base elétrica, o que chamamos de componentes de base metálica. Embora tenham algumas funcionalidades limitadas, eles não são realmente uma boa combinação com esses sistemas de alta energia. Isso porque quando o sistema é acionado, há tanta interferência eletromagnética que ele interage diretamente com o próprio dispositivo – eles criam suas próprias correntes espúrias que são uma fonte de ruído. Essa é uma das grandes desvantagens:você tem que fazer uma calibração para descobrir como vai funcionar. Em seguida, esse dispositivo é levado a um ambiente de alta energia diferente do laboratório de calibração e sujeito a níveis crescentes de ruído e alterações dinâmicas nas propriedades de impedância elétrica do instrumento. Dependendo de quão alto você sobe em energia, chega a um ponto em que você simplesmente não pode usá-los porque há muito ruído na linha e está agindo como uma antena que está irradiando. Em contraste, com o nosso dispositivo, por ser um dielétrico – essencialmente plástico – há muito menos interação ou interferência da fonte eletromagnética.

Resumos técnicos :Você tem alguma ideia aproximada da precisão de sua medição?

Dra. Owens :No que diz respeito à exatidão, precisão e resolução, estamos limitados apenas pela resolução dos instrumentos que estamos usando. Estamos usando fotodetectores de alta velocidade, e esse é o último gargalo no que diz respeito ao nosso poder de resolução. Mas o que posso dizer sobre nosso experimento é que provavelmente estamos ordens de magnitude acima do tipo de valor mínimo que mediríamos em um experimento. Por exemplo, estamos medindo até sinais de pico que estão acima de um volt, enquanto com este sistema provavelmente poderíamos medir até cerca de um milivolt ou mais de resolução. Fica um pouco mais desafiador quando chegamos abaixo disso por causa dos osciloscópios e detectores e outros componentes que contribuem para alguns dos ruídos de fundo inerentes. Eu diria que temos várias ordens de magnitude de resolução abaixo do que precisamos para nossas medições.

Resumos técnicos :Quais são outras aplicações potenciais para este sistema de medição?

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Dra. Owens :Sim, na verdade, tenho conversado com um dos meus gerentes seniores sobre isso porque nós dois notamos que, embora isso tenha sido demonstrado em um acelerador de energia muito alta. Na verdade, o dispositivo, de certa forma, pode até ser mais útil para aplicações de baixo consumo de energia.

Podemos imaginar cenários em que o cristal poderia ser colocado longe em algum local remoto e interrogado remotamente por um laser para obter as informações de campo e tensão. A medição de tensão seria um pouco mais desafiadora, mas certamente nos casos em que alguém desejaria interrogar um campo elétrico, uma versão do nosso dispositivo poderia ser usada. Alguém seria capaz de monitorar o que quer que esteja vendo enquanto está evoluindo no tempo com o campo elétrico e obter medições bastante precisas e precisas.

Há interesse de alguns pesquisadores que trabalham com aceleradores de potência de pulso e que entraram em contato comigo e gostariam de usar o dispositivo para seus experimentos. E também houve outros que estão trabalhando em áreas como pesquisa de raios e algumas outras aplicações de interesse que me contataram com ideias, então houve um pouco de interesse.

Por exemplo, eu acho que as concessionárias de energia podem se interessar, porque isso lhes daria uma capacidade de isolamento de alta tensão e elas seriam capazes de obter resultados bastante precisos e precisos sobre o campo elétrico, a partir dos quais podem inferir tensão em determinadas aplicações. Em particular, a indústria de energia está interessada em identificar transientes de tensão na rede elétrica de alta tensão CA, e este dispositivo teria a capacidade de medir esses sinais transientes.

Edward Brown é Editor Associado.