Comment mesurer une haute tension sans contact physique

Le Dr Israel Owens et son équipe des Sandia National Laboratories ont utilisé un cristal plus petit qu'un centime et un laser plus petit qu'une boîte à chaussures pour mesurer en toute sécurité 20 millions de volts sans contact physique avec l'électrode.

Fiches techniques  :Qu'est-ce qui vous a amené à cette idée ?

Dr. Owens :Comment mesurer la haute tension avec précision et en toute sécurité à l'aide d'un cristal plus petit qu'un centime et d'un laser plus petit qu'une boîte à chaussures :Tout a commencé comme une sorte de discussion en l'air que j'ai eue avec quelques-uns de mes collègues. Le problème que nous essayions de résoudre était le suivant :comment mesurer une tension extrêmement élevée, en particulier celle que nous générons généralement sur nos accélérateurs de puissance à impulsions à Sandia ?

Nous avons discuté de diverses approches et l'idée est venue d'utiliser un appareil électro-optique qui n'interférerait pas avec la haute énergie et les champs de rayonnement dans l'appareil. Comme il n'est pas métallique, il est moins sujet aux interférences et au bruit de la source. Nous savions que notre source d'électrons mégavolts à haute énergie (Hermes) est à peu près le simulateur de producteur de rayons gamma à la plus haute énergie sur la planète. Nous avons donc vu cela comme une occasion unique de résoudre un problème de longue date qui était en place depuis plusieurs décennies. Ces appareils ont été développés à la fin des années 80 et nous n'avions toujours pas la capacité de mesurer la tension directement ou avec précision. Donc, c'était quelque chose que nous avons juste réfléchi - lancé des idées. Nous avons finalement décidé d'utiliser un appareil électro-optique car il n'interférerait pas avec la source d'énergie élevée.

Fiches techniques  :Pourriez-vous décrire la configuration ?

Dr. Owens :Il y a deux parties principales. Ce que nous appelons la partie distante est essentiellement le cristal et le faisceau laser. Il y a deux endroits :la salle de contrôle et la zone éloignée où nous positionnons le cristal. Nous dirigeons la lumière laser vers le cristal à distance à l'aide de fibres optiques. Mais seul le cristal est dans l'espace où l'on détecte le champ. Nous guidons la lumière laser qui sort de la fibre optique dans le vide où se trouve le champ électrique - le champ traverse le côté large du cristal. Ensuite, on récupère la lumière qui sort de l'autre côté du cristal. Ce signal est renvoyé à la salle de contrôle, où l'intensité lumineuse est mesurée avec un photodétecteur. La distance entre le cristal et la cathode haute tension est d'un peu plus de 14 centimètres.

Une partie de nos critères de conception est que nous voulions utiliser le moins de matériau possible afin de ne pas perturber le terrain. Dans notre première conception, nous avions un appareil beaucoup plus grand - nous avions une fibre optique et une plus grande configuration de cristal, et cela n'a pas très bien fonctionné. Cela a interféré avec le fonctionnement de l'appareil - nous avons eu des arcs à haute tension vers le capteur. Nous avons donc dû réfléchir à la façon de le reconcevoir pour éviter les arcs électriques.

Fiches techniques  :Votre appareil mesure l'intensité du champ électrique. Quel est le rapport avec la tension ? Y a-t-il une sorte de calcul nécessaire?

Dr. Owens :Oui, le champ électrique est essentiellement la tension appliquée entre l'anode et la cathode divisée par la distance entre les deux surfaces — dans notre cas, près de 15 centimètres. Nous négligeons la propagation radiale du champ car nous la considérons comme quelque peu négligeable sur la longueur du cristal centimétrique. Ce calcul est donc assez simple en ce qui concerne la conversion entre les deux.

Fiches techniques  :Comment calibrez-vous le système ?

Dr. Owens :L'un des points forts de notre système est qu'il ne nécessite en principe pas de procédure d'étalonnage formelle. Puisque nous pouvons compter sur la théorie électro-optique, nous sommes en mesure de modéliser ce à quoi nous nous attendrions sur la base des paramètres connus. Cependant, avant de l'envoyer à l'accélérateur de puissance d'impulsion, nous faisons une expérience de laboratoire sur banc. Ceci est fait à des intensités de champ électrique plus faibles pour valider nos calculs. Je pense que c'est une sorte d'étalonnage. Mais nous avons toujours fait un peu attention à la terminologie car nous pensons que l'un des avantages du système est que, techniquement, il ne nécessite pas d'étalonnage. Il s'agit donc d'un étalonnage dans le sens où nous examinons les champs de plus faible intensité et nous nous assurons qu'ils correspondent à la théorie. Nous obtenons ce type de validation avant de placer l'appareil dans ce que nous appelons l'environnement de terrain, qui est l'un des accélérateurs de puissance d'impulsion.

Fiches techniques : Alors, êtes-vous en train de dire que le rapport entre la tension réelle en mégavolts et le signal en millivolts est une constante ?

Dr. Owens :Oui, la mesure est linéaire — quand on voit le signal sur notre oscilloscope, on sait que c'est une relation directe — c'est dans les unités qu'on veut mesurer. Puisqu'il s'agit de deux tensions, il s'agit d'une fonction de transfert linéaire entre les deux. En fin de compte, des dizaines de millivolts sur l'oscilloscope se traduisent par les mégavolts que nous mesurons sur l'accélérateur - c'est une constante et c'est linéaire. Nous avons souligné cela dans l'article car les autres techniques disponibles impliquent des réponses dérivées.

Fiches techniques  :Quels sont certains des paramètres d'impulsion ?

Dr. Owens :Je peux comparer et opposer notre expérience de paillasse à l'expérience de terrain. Dans notre laboratoire de paillasse, nous avons des champs beaucoup plus faibles, environ 5 kV par centimètre, mais des largeurs d'impulsion extrêmement étroites - moins de 2,5 nanosecondes. Le système avec lequel nous travaillons peut facilement voir la structure de synchronisation définie dans cette impulsion. Sur le terrain, c'est un peu le contraire; nous avons un champ beaucoup plus grand, mais les impulsions sont environ 15 à 20 fois plus larges que les impulsions que nous voyons sur la paillasse - elles ont une largeur d'environ 30 nanosecondes, mais restent assez étroites. Ils sont très énergétiques et en comparaison, relativement étroits.

Fiches techniques  :Alors, vous lisez la tension d'impulsion de crête ?

Dr. Owens :Nous lisons la tension de crête ainsi que la forme d'onde dépendante du temps. Dans notre groupe, les chercheurs s'intéressent tout autant aux spécificités de la forme d'onde qu'à la valeur de crête réelle. Ces deux paramètres sont très importants.

Fiches techniques  :Pouvez-vous expliquer simplement comment les impulsions sont générées ?

Dr. Owens :Cela commence avec une batterie de condensateurs dans ce qu'on appelle un générateur de Marx, chargés en parallèle jusqu'à une énergie très élevée. Et puis il y a un interrupteur automatique qui les met tous en série, ce qui génère une haute tension. Ensuite, la haute tension dans notre accélérateur Hermès passe par une série de plusieurs sections de mise en forme d'impulsions qui commencent très larges - probablement des millisecondes - et lorsque l'onde électromagnétique se déplace vers l'appareil terminal, elle passe par une série de sections qui font une impulsion compression dessus. Tous les différents éléments de conception sont conçus pour rendre l'impulsion plus étroite, de sorte qu'au moment où vous arrivez au point final, vous avez cette belle impulsion propre de 30 nanosecondes par rapport à l'impulsion beaucoup plus large, des centaines de microsecondes ou millisecondes. qui commence à la batterie de condensateurs.

Fiches techniques  :Comment faites-vous la mise en forme des impulsions ?

Dr. Owens :Il y a une série de sections élaborées qui ont des condensateurs à eau géants. Il existe également différents types de lignes de transmission avec des impédances et des longueurs caractéristiques qui permettent la compression de l'impulsion. Il se termine en quelque sorte par un additionneur linéaire inductif. C'est ce qu'ils appellent une ligne de transmission à isolation magnétique dans une série de cavités qui transfèrent la puissance par induction. Tout s'additionne dans une seule tige à la fin de l'appareil. Il existe littéralement des dizaines de types de sections différents qui font la mise en forme des impulsions. La mise en forme des impulsions est conçue en examinant la durée pendant laquelle l'impulsion parcourt une section particulière par rapport à son impédance électrique caractéristique. Si l'on imagine le système comme un câble coaxial de dimension variable, il change de forme et de géométrie au fur et à mesure, ce qui entraîne à son tour une modification de la forme de la forme d'onde.

Fiches techniques  :comment les performances de votre technique de mesure se comparent-elles à celles d'autres méthodes ?

Dr. Owens :Il existe plusieurs autres méthodes, mais celles qui sont probablement liées sont appelées Vdots et Bdots. L'un des inconvénients de ces types d'appareils lors de la mesure des champs électriques et magnétiques est qu'ils sont à base électrique, ce que nous appelons des composants à base métallique. Bien qu'ils aient des fonctionnalités limitées, ils ne correspondent pas vraiment à ces systèmes à haute énergie. En effet, lorsque le système se déclenche, il y a tellement d'interférences électromagnétiques qu'il interagit directement avec l'appareil lui-même - ils créent leurs propres courants parasites qui sont une source de bruit. C'est l'un des gros inconvénients :il faut faire un calibrage pour comprendre comment ça va fonctionner. Ensuite, cet appareil est placé dans un environnement à haute énergie qui est différent du laboratoire d'étalonnage et soumis à des niveaux accrus de bruit et à des changements dynamiques des propriétés d'impédance électrique de l'instrument. En fonction de la quantité d'énergie que vous montez, cela arrive à un point où vous ne pouvez tout simplement pas les utiliser car il y a trop de bruit sur la ligne et cela agit comme une antenne qui rayonne. En revanche, avec notre appareil, puisqu'il s'agit d'un diélectrique - essentiellement en plastique - il y a beaucoup moins d'interaction ou d'interférence de la source électromagnétique.

Fiches techniques  :Avez-vous une idée approximative de la précision de votre mesure ?

Dr. Owens :En ce qui concerne l'exactitude, la précision et la résolution, nous ne sommes limités que par la résolution des instruments que nous utilisons. Nous utilisons des photodétecteurs assez rapides, et c'est le dernier goulot d'étranglement en ce qui concerne notre pouvoir de résolution. Mais ce que je peux dire à propos de notre expérience, c'est que nous sommes probablement des ordres de grandeur au-dessus du type de valeur minimale que nous mesurerions dans une expérience. Par exemple, nous mesurons jusqu'à des signaux de crête supérieurs à un volt, alors qu'avec ce système, nous pourrions probablement mesurer jusqu'à environ un millivolt de résolution. Cela devient un peu plus difficile une fois que nous sommes en dessous de cela à cause des oscilloscopes et des détecteurs et des autres composants qui contribuent à une partie du bruit de fond inhérent. Je dirais que nous avons plusieurs ordres de grandeur de résolution en dessous de ce dont nous avons besoin pour nos mesures.

Fiches techniques  :Quelles sont les autres applications potentielles de ce système de mesure ?

Histoires liées

Les "nerfs" à fibre optique permettent d'utiliser des outils de chirurgie sensibles

Technologie de la fibre optique :un nouvel éclairage sur un ancien concept

Dr. Owens :Oui, en fait, j'en ai parlé à l'un de mes cadres supérieurs parce que nous avons tous les deux remarqué cela même si cela a été démontré sur un accélérateur à très haute énergie. En fait, à certains égards, l'appareil pourrait même être plus utile pour les applications à faible consommation d'énergie.

Nous pouvons imaginer des scénarios où le cristal pourrait être placé loin dans un endroit éloigné et interrogé à distance par un laser pour obtenir les informations de champ et de tension. La mesure de la tension serait un peu plus difficile, mais certainement dans les cas où l'on voudrait interroger un champ électrique, une version de notre appareil pourrait être utilisée. On serait en mesure de surveiller tout ce qu'il regarde au fur et à mesure qu'il évolue dans le temps avec le champ électrique et d'obtenir des mesures assez précises et précises.

Il y a de l'intérêt chez pas mal de chercheurs qui travaillent avec des accélérateurs de puissance pulsée et qui m'ont contacté et aimeraient utiliser l'appareil pour leurs expériences. Et puis il y en a eu d'autres qui travaillent dans des domaines tels que la recherche sur la foudre et quelques autres applications intéressantes qui m'ont contacté avec des idées, donc il y a eu pas mal d'intérêt.

Par exemple, je pense que les entreprises de services publics pourraient être intéressées, car cela leur donnerait une capacité de sécurité à haute tension et elles pourraient obtenir des résultats assez précis et précis sur le champ électrique, à partir desquels elles peuvent déduire la tension dans certaines applications. En particulier, l'industrie de l'électricité s'intéresse à l'identification des transitoires de tension dans le réseau électrique à haute tension AC, et cet appareil aurait la capacité de mesurer ces signaux transitoires.

Edward Brown est rédacteur en chef adjoint.