Mesurer 20 millions de volts sans contact : une approche par cristal miniature et laser

Le Dr Israel Owens et son équipe aux Laboratoires nationaux de Sandia ont utilisé un cristal plus petit qu'une pièce de dix cents 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.

Tech Briefs : Qu'est-ce qui vous a conduit à cette idée ?

Dr. Owens : Comment mesurer une tension extrêmement haute avec précision et en toute sécurité en utilisant un cristal plus petit qu'une pièce de dix cents et un laser plus petit qu'une boîte à chaussures : Tout a commencé comme une discussion un peu utopique que j'ai eue avec quelques collègues. Le problème que nous essayions de résoudre était : Comment mesurer une tension extrêmement élevée — en particulier, le type que nous générons généralement sur nos accélérateurs de puissance pulsée à Sandia ?

Nous avons discuté de diverses approches et l'idée est venue d'utiliser un dispositif électro-optique qui n'interférerait pas avec l'énergie élevée et les champs de radiation dans le dispositif. Comme il n'est pas métallique, il est moins sujet aux interférences et au bruit de la source. Nous savions en entrant dans cela que notre Source d'Électrons à Méga-électronvolts de Haute Énergie (Hermes) est à peu près le simulateur producteur de rayons gamma de plus haute énergie sur la planète. Donc, nous avons vu cela comme une opportunité unique de résoudre un problème de longue date qui était en place depuis plusieurs décennies. Ces dispositifs 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 brainstormé — lancé des idées. Nous avons finalement décidé d'utiliser un dispositif électro-optique car il n'interférerait pas avec la source de haute énergie.

Tech Briefs : Pourriez-vous décrire la configuration ?

Dr. Owens : Il y a deux parties principales. Ce que nous appelons la partie distante est essentiellement juste le cristal et le faisceau laser. Il y a deux emplacements : la salle de contrôle et la zone distante où nous positionnons le cristal. Nous faisons passer la lumière laser au cristal à l'emplacement distant en utilisant la fibre optique. Mais seul le cristal est dans l'espace où nous détectons 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, nous collectons 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 un peu plus de 14 centimètres.

Une partie de nos critères de conception est que nous voulions utiliser le moins de matériau possible pour ne pas perturber le champ. Dans notre première conception, nous avions un appareil beaucoup plus grand — nous avions de la fibre optique et une configuration de cristal plus grande, et cela n'a pas très bien fonctionné. Cela a interféré avec le fonctionnement du dispositif — nous avons eu des arcs haute tension vers le capteur. Donc, nous avons dû réfléchir à comment le redessiner pour éviter l'arc électrique.

Tech Briefs : Votre dispositif mesure la force du champ électrique — comment cela est-il lié à la tension ? Y a-t-il un 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, proche de 15 centimètres. Nous négligeons l'étalement radial du champ car nous le considérons comme quelque peu négligeable sur la longueur du cristal de centimètre. Ce calcul est assez simple en ce qui concerne la conversion entre les deux.

Tech Briefs : Comment calibrez-vous le système ?

Dr. Owens : L'un des points forts de notre système est qu'en principe, il ne nécessite pas de procédure de calibration formelle. Puisque nous pouvons nous fier à la théorie électro-optique, nous sommes capables de modéliser ce que nous attendrions en fonction des paramètres connus. Cependant, avant d'emmener cela à l'accélérateur de puissance pulsée, nous faisons une expérience de laboratoire sur table. Cela est fait à des forces de champ électrique plus faibles pour valider nos calculs. Je considère cela comme une sorte de calibration. Mais nous avons toujours été un peu prudents sur la terminologie car nous pensons que l'un des avantages du système est que, techniquement, il ne nécessite pas de calibration. Donc, c'est une calibration dans le sens où nous regardons les champs de force plus faibles et nous assurons qu'ils correspondent à la théorie. Nous obtenons ce genre de validation avant d'emmener le dispositif dans ce que nous appelons l'environnement de terrain, qui est l'un des accélérateurs de puissance pulsée.

Tech Briefs : Donc, dites-vous 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 nous voyons le signal sur notre oscilloscope, nous savons que c'est une relation directe — c'est dans les unités que nous voulons mesurer. Puisqu'ils sont tous les deux des tensions, c'est une fonction de transfert linéaire entre les deux. Il se trouve que des dizaines de millivolts sur l'oscilloscope se traduisent en 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.

Tech Briefs : Quels sont certains des paramètres d'impulsion ?

Dr. Owens : Je peux comparer et contraster notre expérience sur table versus l'expérience sur le terrain. Dans notre laboratoire sur table, 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 sur lequel nous travaillons peut facilement voir la structure de timing définie dans cette impulsion. Sur le terrain, c'est un peu l'opposé ; 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 table — elles sont autour de 30 nanosecondes de largeur, mais encore assez étroites. Elles sont à très haute énergie et en comparaison, relativement étroites.

Tech Briefs : Donc, vous lisez la tension de crête de l'impulsion ?

Dr. Owens : Nous lisons la tension de crête ainsi que la forme d'onde dépendante du temps. Dans notre groupe, les chercheurs sont tout aussi intéressés par les spécificités de la forme d'onde que par la valeur de crête réelle. Ces deux paramètres sont très importants.

Tech Briefs : Pouvez-vous donner une explication simple de la façon dont les impulsions sont générées ?

Dr. Owens : Cela commence avec une banque de condensateurs dans ce qu'on appelle un générateur Marx, étant 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 Hermes passe par une série de plusieurs sections de mise en forme d'impulsion qui commencent très larges — probablement des millisecondes — et alors que l'onde électromagnétique voyage vers le dispositif final, elle passe par une série de sections qui font une compression d'impulsion sur elle. Tous les différents éléments de conception sont orientés vers le 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 versus l'impulsion beaucoup plus large, des centaines de microsecondes, ou milliseconde, qui commence à la banque de condensateurs.

Tech Briefs : Comment faites-vous la mise en forme d'impulsion ?

Dr. Owens : Il y a une série de sections élaborées qui ont d'énormes condensateurs d'eau. Il y a aussi différents types de lignes de transmission avec des impédances caractéristiques et des longueurs qui permettent la compression de l'impulsion. Cela se termine en une sorte d'additionneur linéaire inductif. C'est ce qu'ils appellent une ligne de transmission isolée magnétiquement dans une série de cavités qui transfèrent inductivement la puissance. Tout est additionné dans une seule tige à la fin du dispositif. Il y a littéralement des douzaines de types différents de sections qui font la mise en forme d'impulsion. La mise en forme d'impulsion est conçue en regardant la longueur de temps pour que l'impulsion voyage à travers une section particulière versus son impédance électrique caractéristique. Si on imagine le système comme un câble coaxial à dimension variable, il change sa forme et sa géométrie au fur et à mesure, et cela à son tour cause un changement à la forme de la forme d'onde.

Tech Briefs : Comment la performance de votre technique de mesure se compare-t-elle aux autres méthodes ?

Dr. Owens : Il y a plusieurs autres méthodes, mais celles qui sont les plus probablement liées sont appelées Vdots et Bdots. L'un des inconvénients de ces types de dispositifs lors de la mesure des champs électriques et magnétiques est qu'ils sont basés sur l'électricité, ce que nous appelons des composants à base métallique. Bien qu'ils aient une fonctionnalité limitée, ils ne sont pas vraiment un bon match avec ces systèmes à haute énergie. C'est parce que quand le système tire, il y a tellement d'interférences électromagnétiques qu'elles interagissent directement avec le dispositif lui-même — ils créent leurs propres courants parasites qui sont une source de bruit. C'est l'un des gros inconvénients : vous devez faire une calibration pour comprendre comment cela va fonctionner. Ensuite, ce dispositif est emmené dans un environnement à haute énergie qui est différent du laboratoire de calibration et soumis à des niveaux accrus de bruit et des changements dynamiques des propriétés d'impédance électrique de l'instrument. Selon jusqu'où vous montez en énergie, cela arrive à un point où vous ne pouvez 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 dispositif, puisqu'il est un diélectrique — essentiellement du plastique — il y a beaucoup moins d'interaction ou d'interférence de la source électromagnétique.

Tech Briefs : Avez-vous une idée approximative de la précision de votre mesure ?

Dr. Owens : En ce qui concerne la précision, la résolution, nous ne sommes limités que par la résolution des instruments que nous utilisons. Nous utilisons des photodétecteurs à haute vitesse, et c'est le dernier goulot d'étranglement en ce qui concerne notre pouvoir de résolution. Mais ce que je peux dire sur notre expérience, c'est que nous sommes probablement des ordres de grandeur au-dessus du genre de valeur minimale que nous mesurerions dans une expérience. Par exemple, nous mesurons jusqu'à des signaux de crête qui sont supérieurs à un volt, alors qu'avec ce système nous pourrions probablement mesurer jusqu'à environ un millivolt ou moins de résolution. Cela devient un peu plus difficile une fois que nous descendons en dessous car des oscilloscopes et détecteurs et d'autres composants 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.

Tech Briefs : Quelles sont d'autres applications potentielles pour ce système de mesure ?

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Dr. Owens : Oui, en fait, j'ai parlé à l'un de mes directeurs seniors à ce sujet parce que nous avons tous les deux remarqué que même si cela a été démontré sur un accélérateur à très haute énergie. En fait, le dispositif pourrait en certains aspects être encore plus utile pour des applications à plus basse énergie.

Nous pouvons imaginer des scénarios où le cristal pourrait être placé loin dans un emplacement distant et interrogé à distance par un laser pour obtenir l'information de champ et de tension. La mesure de tension serait un peu plus difficile, mais certainement dans les cas où l'on voudrait interroger un champ électrique, une version de notre dispositif pourrait être utilisée. On serait capable de surveiller quoi que ce soit qu'ils regardent alors qu'il évolue dans le temps avec le champ électrique et obtenir des mesures assez précises et exactes.

Il y a de l'intérêt de la part de plusieurs chercheurs qui travaillent avec des accélérateurs de puissance pulsée et qui m'ont contacté et aimeraient utiliser le dispositif 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 d'intérêt qui m'ont contacté avec des idées, donc il y a eu pas mal d'intérêt.

Par exemple, je pense que les compagnies de services publics pourraient être intéressées, car cela leur donnerait une capacité de tenue à haute tension et elles seraient capables d'obtenir des résultats assez précis et exacts sur le champ électrique, à partir desquels elles peuvent déduire la tension dans certaines applications. En particulier, l'industrie de l'énergie est intéressée à identifier les transitoires de tension dans le réseau électrique CA haute tension, et ce dispositif aurait la capacité de mesurer ces signaux transitoires.

Edward Brown est rédacteur associé.