Medição de 20 Milhões de Volts sem Contato: Abordagem com Cristal Miniatura e Laser

Dr. Israel Owens e sua equipe nos Laboratórios Nacionais Sandia 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.

Tech Briefs: O que o levou a esta ideia?

Dr. Owens: Como medir alta tensão com precisão e segurança usando um cristal menor que uma moeda e um laser menor que uma caixa de sapatos: Tudo começou como uma discussão meio pie in the sky que tive com alguns colegas. O problema que tentávamos resolver era: Como medir uma tensão extremamente alta — em particular, o tipo que tipicamente geramos em nossos aceleradores de potência de pulso na Sandia?

Discutimos várias abordagens e surgiu a ideia de usar um dispositivo eletro-óptico que não interferiria com a alta energia e os campos de radiação no dispositivo. Como não é metálico, é menos propenso a interferência e ruído da fonte. Sabíamos desde o início que nossa Fonte de Elétrons de Megavolt de Alta Energia (Hermes) é praticamente o simulador produtor de raios gama de maior energia do planeta. Então, vimos isso como uma oportunidade única para resolver um problema antigo 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, foi algo que apenas brainstormamos — jogamos ideias. Finalmente decidimos usar um dispositivo eletro-óptico porque não interferiria com a fonte de alta energia.

Tech Briefs: Poderia descrever a configuração?

Dr. 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. Passamos a luz do laser para o cristal no local remoto usando fibra óptica. 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 o campo elétrico está — o campo passa pelo lado largo do cristal. Então, 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 de nossos critérios de design é que queríamos usar o mínimo de material possível para não perturbar o campo. Em nosso primeiro design, tínhamos um aparelho muito maior — tínhamos fibra óptica e uma configuração de cristal maior, e não funcionou muito bem. Interferiu com a operação do dispositivo — obtivemos arcos de alta tensão no sensor. Então, tivemos que pensar em como redesenhar para evitar arco elétrico.

Tech Briefs: Seu dispositivo mede força de campo elétrico — como isso se relaciona com tensão? Existe algum tipo de cálculo necessário?

Dr. Owens: Sim, o campo elétrico é essencialmente a tensão aplicada entre o ânodo e o cátodo dividida pela distância entre as duas superfícies — no nosso caso, perto de 15 centímetros. Negligenciamos a dispersão radial do campo porque a consideramos um pouco desprezível sobre o comprimento do cristal de centímetro. Então, esse cálculo é bastante simples quanto à conversão entre os dois.

Tech Briefs: Como você calibra o sistema?

Dr. Owens: Um dos fortes pontos de venda do nosso sistema é que, em princípio, não requer um procedimento formal de calibração. Como podemos confiar na teoria eletro-óptica, somos capazes de modelar o que esperaríamos baseado nos parâmetros conhecidos. No entanto, antes de levar isso ao acelerador de potência de pulso, fazemos um experimento de bancada. Isso é feito em intensidades de campo elétrico mais baixas para validar nossos cálculos. Eu penso nisso como sendo uma espécie de calibração. Mas sempre fomos um pouco cuidadosos com a terminologia porque pensamos que uma das vantagens do sistema é que, tecnicamente, não requer calibração. Então, é uma calibração no sentido de que olhamos para os campos de menor intensidade e nos certificamos de que 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 potência de pulso.

Tech Briefs: Então, você está dizendo que a razão entre a tensão real em megavolts e o sinal em milivolts é uma constante?

Dr. Owens: Sim, a medição é linear — quando vemos o sinal no nosso osciloscópio, sabemos que é uma relação direta — está nas unidades que queremos medir. Como ambos são tensões, é uma função de transferência linear entre os dois. 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.

Tech Briefs: Quais são alguns dos parâmetros do pulso?

Dr. Owens: Posso comparar e contrastar nosso experimento de bancada versus 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 naquele pulso. No campo, é meio o oposto; temos um campo muito maior, mas os pulsos são cerca de 15 a 20 vezes mais largos que os pulsos que vemos na bancada — eles têm cerca de 30 nanossegundos de largura, mas ainda bastante estreitos. São de altíssima energia e, em comparação, relativamente estreitos.

Tech Briefs: Então, você está lendo a tensão de pico do pulso?

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

Tech Briefs: Pode dar uma explicação simples de como os pulsos são gerados?

Dr. Owens: Começa com um banco de capacitores no que é chamado de gerador Marx, sendo carregados em paralelo até uma energia muito alta. E então há um interruptor automático que os coloca todos em série, o que gera alta tensão. Então, a alta tensão no nosso acelerador Hermes passa por uma série de múltiplas seções de modelagem de pulso que começam muito largas — provavelmente milissegundos — e à medida que a onda eletromagnética viaja em direção ao dispositivo final, passa por uma série de seções que fazem uma compressão de pulso. Todos os diferentes elementos de design são voltados para tornar o pulso mais estreito, de modo que quando você chega ao ponto final, você tem este bom pulso limpo de 30 nanossegundos versus o pulso muito mais largo, centenas de microssegundos, ou milissegundos, que começa no banco de capacitores.

Tech Briefs: Como você faz a modelagem do pulso?

Dr. Owens: Há uma série de seções elaboradas que têm capacitores de água gigantes. Também existem 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 magneticamente isolada em uma série de cavidades que transferem a potência indutivamente. 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 olhando para o comprimento de tempo para o pulso viajar através de uma seção particular versus sua impedância elétrica característica. Se imaginar o sistema como um cabo coaxial de dimensão variável, ele está mudando sua forma e geometria à medida que avança, e isso por sua vez causa uma mudança na forma da forma de onda.

Tech Briefs: Como o desempenho de sua técnica de medição se compara a outros métodos?

Dr. Owens: Existem vários outros métodos, mas os mais provavelmente relacionados são referidos como Vdots e Bdots. Uma das desvantagens destes tipos de dispositivos ao medir campos elétricos e magnéticos é que eles são baseados eletricamente, o que nos referimos como componentes baseados em metal. Embora tenham alguma funcionalidade limitada, eles não são realmente uma boa combinação com esses sistemas de alta energia. Isso é porque quando o sistema dispara, há tanta interferência eletromagnética que 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. Então, aquele dispositivo é levado a um ambiente de alta energia diferente do laboratório de calibração e sujeito a níveis aumentados de ruído e mudanças dinâmicas nas propriedades de impedância elétrica do instrumento. Dependendo de quão alto você vai em energia, chega a um ponto onde você simplesmente não pode usá-los porque há muito ruído na linha e está agindo como uma antena que irradia. Em contraste, com nosso dispositivo, como é um dielétrico — essencialmente plástico — há muito menos interação ou interferência da fonte eletromagnética.

Tech Briefs: Você tem alguma ideia aproximada da precisão de sua medição?

Dr. Owens: Quanto a precisão, exatidão e resolução, somos limitados apenas pela resolução dos instrumentos que estamos usando. Estamos usando fotodetectores de alta velocidade, e esse é o último gargalo quanto 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 sinais de pico acima de um volt, enquanto com este sistema poderíamos provavelmente medir até cerca de um milivolt ou mais de resolução. Fica um pouco mais desafiador uma vez que ficamos abaixo disso por causa dos osciloscópios e detectores e outros componentes que contribuem para algum ruído de fundo inerente. Diria que temos várias ordens de magnitude de resolução abaixo do que precisamos para nossas medições.

Tech Briefs: Quais são outras aplicações potenciais para este sistema de medição?

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Dr. Owens: Sim, na verdade, tenho conversado com um de meus gerentes seniores sobre isso porque ambos notamos que, embora isso tenha sido demonstrado em um acelerador de altíssima energia. Na verdade, o dispositivo de algumas maneiras pode ser ainda mais útil para aplicações de menor energia.

Podemos imaginar cenários onde o cristal poderia ser colocado bem longe em algum local remoto e interrogado remotamente por um laser para obter informação de campo e tensão. A medição de tensão seria um pouco mais desafiadora, mas certamente em instâncias onde se deseja interrogar um campo elétrico, uma versão do nosso dispositivo poderia ser usada. Seria possível monitorar o que quer que seja que eles estejam olhando enquanto evolui no tempo com o campo elétrico e obter medições razoavelmente precisas e exatas.

Há interesse de vários pesquisadores que trabalham com aceleradores de potência de pulso e que me contataram e gostariam de usar o dispositivo para seus experimentos. E então houve outros que trabalham em áreas como pesquisa de raios e algumas outras aplicações de interesse que me contataram com ideias, então houve bastante interesse.

Por exemplo, eu pensaria que empresas de utilidades poderiam estar interessadas, porque isso lhes daria uma capacidade de suportar alta tensão e eles seriam capazes de obter resultados razoavelmente precisos e exatos sobre o campo elétrico, a partir dos quais podem inferir tensão em certas aplicações. Em particular, a indústria de energia está interessada em identificar transientes de tensão na rede de energia CA de alta tensão, e este dispositivo teria a capacidade de medir aqueles sinais transitórios.

Edward Brown é Editor Associado.