Cara Mengukur Tegangan Tinggi Tanpa Kontak Fisik

Israel Owens dan timnya di Sandia National Laboratories telah menggunakan kristal yang lebih kecil dari uang receh dan laser yang lebih kecil dari kotak sepatu untuk mengukur 20 juta volt dengan aman tanpa melakukan kontak fisik ke elektroda.

Ringkasan Teknologi :Apa yang membawa Anda ke ide ini?

Dr. Owen :Bagaimana mengukur tegangan tinggi secara akurat dan aman menggunakan kristal yang lebih kecil dari sepeser pun dan laser yang lebih kecil dari kotak sepatu:Ini semua dimulai sebagai semacam diskusi di langit yang saya lakukan dengan beberapa rekan saya. Masalah yang kami coba pecahkan adalah:Bagaimana cara mengukur tegangan yang sangat tinggi — khususnya, jenis yang biasanya kami hasilkan pada akselerator daya pulsa di Sandia?

Kami membahas berbagai pendekatan dan ide muncul untuk menggunakan perangkat elektro-optik yang tidak akan mengganggu energi tinggi dan medan radiasi di perangkat. Karena itu bukan logam, itu kurang rentan terhadap gangguan dan kebisingan dari sumbernya. Kami tahu akan hal ini bahwa Sumber Elektron Megavolt Energi Tinggi (Hermes) kami adalah simulator penghasil sinar gamma energi tertinggi di planet ini. Jadi, kami melihat ini sebagai peluang unik untuk menyelesaikan masalah lama yang telah berlangsung selama beberapa dekade. Perangkat ini dikembangkan kembali di akhir tahun 80-an dan kami masih belum memiliki kemampuan untuk mengukur tegangan secara langsung atau akurat. Jadi, itu adalah sesuatu yang baru saja kami renungkan — melemparkan ide. Kami akhirnya memutuskan untuk menggunakan perangkat elektro-optik karena tidak akan mengganggu sumber energi tinggi.

Ringkasan Teknologi :Bisakah Anda menjelaskan penyiapannya?

Dr. Owen :Ada dua bagian utama untuk itu. Apa yang kami sebut sebagai bagian jarak jauh pada dasarnya hanyalah kristal dan sinar laser. Ada dua lokasi:ruang kontrol dan area terpencil tempat kita menempatkan kristal. Kami menjalankan sinar laser ke kristal di lokasi terpencil menggunakan serat optik. Tapi hanya kristal yang ada di ruang tempat kita mendeteksi medan. Kami memandu sinar laser yang keluar dari serat optik ke ruang hampa di mana medan listrik berada — medan mengalir melalui sisi luas kristal. Kemudian, kami mengumpulkan cahaya yang keluar di sisi lain kristal. Sinyal itu dikirim kembali ke ruang kontrol, di mana intensitas cahaya diukur dengan fotodetektor. Jarak antara kristal dan katoda tegangan tinggi sedikit di atas 14 sentimeter.

Bagian dari kriteria desain kami adalah kami ingin menggunakan bahan sesedikit mungkin agar tidak mengganggu lapangan. Dalam desain pertama kami, kami memiliki peralatan yang jauh lebih besar — ​​kami memiliki serat optik dan pengaturan kristal yang lebih besar, dan itu tidak berjalan dengan baik. Itu mengganggu pengoperasian perangkat — kami mendapat busur tegangan tinggi ke sensor. Jadi, kami harus memikirkan cara mendesain ulang untuk menghindari busur listrik.

Ringkasan Teknologi :Perangkat Anda mengukur kekuatan medan listrik — bagaimana hubungannya dengan tegangan? Apakah ada semacam perhitungan yang diperlukan?

Dr. Owen :Ya, medan listrik pada dasarnya adalah tegangan yang diterapkan antara anoda dan katoda dibagi dengan jarak antara dua permukaan — dalam kasus kami, mendekati 15 sentimeter. Kami mengabaikan penyebaran radial medan karena kami menganggapnya agak dapat diabaikan sepanjang kristal sentimeter. Sehingga perhitungannya cukup sederhana sejauh konversi antara keduanya.

Ringkasan Teknologi :Bagaimana Anda mengkalibrasi sistem?

Dr. Owen :Salah satu nilai jual yang kuat dari sistem kami adalah, pada prinsipnya, tidak memerlukan prosedur kalibrasi formal. Karena kami dapat mengandalkan teori elektro-optik, kami dapat memodelkan apa yang kami harapkan berdasarkan parameter yang diketahui. Namun, sebelum kami membawa ini ke akselerator daya pulsa, kami melakukan percobaan laboratorium benchtop. Ini dilakukan pada kekuatan medan listrik yang lebih rendah untuk memvalidasi perhitungan kami. Saya menganggap itu sebagai semacam kalibrasi. Tapi kami selalu sedikit berhati-hati dengan terminologi karena kami pikir salah satu keuntungan dari sistem ini adalah, secara teknis, tidak memerlukan kalibrasi. Jadi, ini adalah kalibrasi dalam arti kita melihat medan berkekuatan lebih rendah dan memastikannya sesuai dengan teori. Kami mendapatkan validasi semacam itu sebelum mengeluarkan perangkat ke dalam apa yang kami sebut lingkungan medan, yang merupakan salah satu akselerator daya pulsa.

Ringkasan Teknologi : Jadi, apakah Anda mengatakan bahwa rasio antara tegangan aktual dalam megavolt dan sinyal milivolt adalah konstan?

Dr. Owen :Ya, pengukurannya linier — ketika kita melihat sinyal pada osiloskop kita, kita tahu bahwa itu adalah hubungan langsung — itu dalam satuan yang ingin kita ukur. Karena keduanya tegangan, ini adalah fungsi transfer linier antara keduanya. Akhirnya puluhan milivolt pada lingkup diterjemahkan ke dalam megavolt yang kita ukur pada akselerator — ini adalah konstanta, dan linier. Kami telah menekankan hal itu di makalah karena teknik lain yang tersedia melibatkan respons turunan.

Ringkasan Teknologi :Apa sajakah parameter pulsa?

Dr. Owen :Saya dapat membandingkan dan membedakan eksperimen benchtop kami dengan eksperimen lapangan. Di lab benchtop kami, kami memiliki bidang yang jauh lebih rendah, sekitar 5 KV per sentimeter, tetapi lebar pulsa sangat sempit — kurang dari 2,5 nanodetik. Sistem yang kami gunakan dapat dengan mudah melihat struktur waktu yang ditentukan dalam pulsa itu. Di lapangan, justru sebaliknya; kami memiliki bidang yang jauh lebih besar, tetapi pulsa sekitar 15 hingga 20 kali lebih lebar dari pulsa yang kami lihat di benchtop — lebarnya sekitar 30 nanodetik, tetapi masih cukup sempit. Mereka memiliki energi yang sangat tinggi dan sebagai perbandingan, relatif sempit.

Ringkasan Teknologi :Jadi, Anda membaca tegangan pulsa puncak?

Dr. Owen :Kami sedang membaca tegangan puncak serta bentuk gelombang tergantung waktu. Dalam kelompok kami, para peneliti sama tertariknya dengan spesifikasi bentuk gelombang seperti halnya nilai puncak yang sebenarnya. Kedua parameter tersebut sangat penting.

Ringkasan Teknologi :Bisakah Anda memberikan penjelasan sederhana tentang bagaimana pulsa dihasilkan?

Dr. Owen :Ini dimulai dengan bank kapasitor dalam apa yang disebut generator Marx, yang diisi secara paralel hingga energi yang sangat tinggi. Dan kemudian ada saklar otomatis yang menempatkan semuanya menjadi seri, yang menghasilkan tegangan tinggi. Kemudian, tegangan tinggi di akselerator Hermes kami melewati serangkaian beberapa bagian pembentuk pulsa yang dimulai sangat lebar — mungkin milidetik — dan saat gelombang elektromagnetik bergerak menuju perangkat titik akhir, ia melewati serangkaian bagian yang menghasilkan pulsa kompresi di atasnya. Semua elemen desain yang berbeda diarahkan untuk membuat denyut nadi lebih sempit, sehingga pada saat Anda mencapai titik akhir, Anda mendapatkan denyut nadi 30 nanodetik yang bagus dan bersih dibandingkan denyut nadi yang jauh lebih lebar, ratusan mikrodetik, atau milidetik. yang dimulai di bank kapasitor.

Ringkasan Teknologi :Bagaimana Anda melakukan pembentukan pulsa?

Dr. Owen :Ada serangkaian bagian rumit yang memiliki kapasitor air raksasa. Ada juga berbagai jenis saluran transmisi dengan impedansi karakteristik dan panjang yang memungkinkan kompresi pulsa. Ini berakhir dalam jenis penambah linier induktif. Itulah yang mereka sebut saluran transmisi yang diisolasi secara magnetis dalam serangkaian rongga yang secara induktif mentransfer daya. Semuanya akan ditambahkan dalam satu batang di ujung perangkat. Ada lusinan jenis bagian yang berbeda yang melakukan pembentukan pulsa. Pembentukan pulsa dirancang dengan melihat lamanya waktu pulsa untuk melakukan perjalanan melalui bagian tertentu versus impedansi listrik karakteristiknya. Jika seseorang membayangkan sistem seperti kabel koaksial dimensi variabel, itu mengubah bentuk dan geometrinya seiring berjalannya waktu, dan pada gilirannya menyebabkan perubahan bentuk gelombang.

Ringkasan Teknologi :Bagaimana kinerja teknik pengukuran Anda dibandingkan dengan metode lain?

Dr. Owen :Ada beberapa metode lain, tetapi yang paling mungkin terkait disebut sebagai Vdots dan Bdots. Salah satu kelemahan dari jenis perangkat ini saat mengukur medan listrik dan magnet adalah bahwa mereka berbasis listrik, yang kami sebut sebagai komponen berbasis logam. Meskipun mereka memiliki beberapa fungsi terbatas, mereka tidak benar-benar cocok dengan sistem energi tinggi ini. Itu karena ketika sistem menyala, ada begitu banyak interferensi elektromagnetik yang berinteraksi langsung dengan perangkat itu sendiri — mereka menciptakan arus palsu mereka sendiri yang merupakan sumber kebisingan. Itulah salah satu kelemahan besar:Anda harus melakukan kalibrasi untuk mengetahui cara kerjanya. Kemudian, perangkat tersebut dibawa ke lingkungan energi tinggi yang berbeda dari lab kalibrasi dan tunduk pada peningkatan tingkat kebisingan dan perubahan dinamis pada sifat impedansi listrik instrumen. Bergantung pada seberapa tinggi Anda meningkatkan energi, itu sampai ke titik di mana Anda tidak dapat menggunakannya karena terlalu banyak noise di saluran dan itu bertindak seperti antena yang memancar. Sebaliknya, dengan perangkat kami, karena ini adalah dielektrik — pada dasarnya plastik — interaksi atau interferensi dari sumber elektromagnetik jauh lebih sedikit.

Ringkasan Teknologi :Apakah Anda memiliki gagasan kasar tentang keakuratan pengukuran Anda?

Dr. Owen :Sejauh akurasi, presisi, dan resolusi, kami hanya dibatasi oleh resolusi instrumen yang kami gunakan. Kami menggunakan fotodetektor berkecepatan cukup tinggi, dan itulah hambatan terakhir sejauh daya pisah kami. Tapi apa yang bisa saya katakan tentang percobaan kami adalah kami mungkin urutan besarnya di atas jenis nilai minimum yang akan kami ukur dalam percobaan. Misalnya, kami mengukur hingga sinyal puncak yang lebih dari satu volt, sedangkan dengan sistem ini kami mungkin dapat mengukur hingga sekitar satu milivolt atau lebih resolusi. Ini menjadi sedikit lebih menantang setelah kita mendapatkan di bawah itu karena osiloskop dan detektor dan komponen lain yang berkontribusi pada beberapa kebisingan latar belakang yang melekat. Saya akan mengatakan bahwa kita memiliki beberapa kali lipat resolusi di bawah apa yang kita butuhkan untuk pengukuran kita.

Ringkasan Teknologi :Apa aplikasi potensial lainnya untuk sistem pengukuran ini?

Cerita Terkait

“Saraf” Serat Optik Mengaktifkan Alat Bedah Sensitif

Teknologi Fiber Optic:Mencerahkan Cahaya Baru Pada Konsep Lama

Dr. Owen :Ya, sebenarnya, saya telah berbicara dengan salah satu manajer senior saya tentang hal itu karena kami berdua memperhatikan bahwa meskipun ini ditunjukkan pada akselerator energi yang sangat tinggi. Bahkan, perangkat dalam beberapa hal bahkan mungkin lebih berguna untuk aplikasi dengan energi lebih rendah.

Kita dapat membayangkan skenario di mana kristal dapat ditempatkan jauh di beberapa lokasi terpencil dan diinterogasi dari jarak jauh oleh laser untuk mendapatkan informasi medan dan tegangan. Pengukuran tegangan akan sedikit lebih menantang, tetapi tentu saja dalam kasus di mana seseorang ingin menginterogasi medan listrik, versi perangkat kami dapat digunakan. Seseorang akan dapat memantau apa pun yang mereka lihat seiring berkembangnya waktu dengan medan listrik dan mendapatkan pengukuran yang cukup akurat dan tepat.

Ada minat dari beberapa peneliti yang bekerja dengan akselerator daya pulsa dan yang telah menghubungi saya dan ingin menggunakan perangkat ini untuk eksperimen mereka. Dan kemudian ada orang lain yang bekerja di bidang seperti penelitian kilat dan beberapa aplikasi menarik lainnya yang telah menghubungi saya dengan ide, jadi ada cukup banyak minat.

Sebagai contoh, saya akan berpikir bahwa perusahaan utilitas mungkin tertarik, karena akan memberi mereka kemampuan tegangan tinggi dan mereka akan dapat memperoleh hasil yang cukup akurat dan tepat tentang medan listrik, dari mana mereka dapat menyimpulkan tegangan dalam aplikasi tertentu. Secara khusus, industri listrik tertarik untuk mengidentifikasi transien tegangan di jaringan listrik tegangan tinggi AC, dan perangkat ini akan memiliki kemampuan untuk mengukur sinyal transien tersebut.

Edward Brown adalah Editor Rekanan.