如何在没有物理接触的情况下测量高压

桑迪亚国家实验室的 Israel Owens 博士和他的团队使用比一角硬币还小的晶体和比鞋盒还小的激光来安全地测量 2000 万伏电压，而无需与电极进行物理接触。

技术简介 ：是什么让你产生了这个想法？

博士。欧文斯 ：如何使用比一角硬币还小的晶体和比鞋盒还小的激光准确、安全地测量高压：这一切都始于我与几位同事讨论的天上掉馅饼。我们试图解决的问题是：如何测量极高的电压——尤其是我们通常在桑迪亚的脉冲功率加速器上产生的那种电压？

我们讨论了各种方法，并提出了使用不会干扰设备中的高能量和辐射场的电光设备的想法。由于它是非金属的，因此不易受到源头的干扰和噪音。我们知道，我们的高能兆伏电子源 (Hermes) 几乎是地球上能量最高的伽马射线发生器模拟器。因此，我们认为这是一个独特的机会，可以解决几十年来一直存在的长期问题。这些设备是在 80 年代后期开发的，我们仍然没有能力直接或准确地测量电压。所以，这是我们头脑风暴的东西——到处乱扔想法。我们最终决定使用电光设备，因为它不会干扰高能量源。

技术简介 ：你能描述一下设置吗？

博士。欧文斯 :有两个主要部分。我们所说的远程部分本质上只是晶体和激光束。有两个位置：控制室和我们放置水晶的偏远区域。我们使用光纤将激光照射到远程位置的晶体上。但只有晶体位于我们检测场的空间中。我们将来自光纤的激光引导到电场所在的真空中——电场穿过晶体的宽边。然后，我们收集从晶体另一侧发出的光。该信号被发送回控制室，在那里用光电探测器测量光强度。晶体到高压阴极的距离有14厘米多一点。

我们的部分设计标准是我们希望使用尽可能少的材料，以免干扰场地。在我们的第一个设计中，我们有一个更大的设备——我们有光纤和一个更大的晶体装置，但效果不是很好。它干扰了设备的运行——我们在传感器上产生了高压电弧。所以，我们不得不考虑如何重新设计它以避免产生电弧。

技术简介 ：您的设备测量电场强度——它与电压有什么关系？是否需要某种计算？

博士。欧文斯 ：是的，电场本质上是施加在阳极和阴极之间的电压除以两个表面之间的距离——在我们的例子中，接近 15 厘米。我们忽略了场的径向扩展，因为我们认为它在厘米晶体的长度上可以忽略不计。因此，就两者之间的转换而言，计算相当简单。

技术简介 ：您如何校准系统？

博士。欧文斯 ：我们系统的一大卖点是，原则上它不需要正式的校准程序。由于我们可以依赖电光理论，因此我们能够根据已知参数对我们期望的内容进行建模。但是，在我们将其用于脉冲功率加速器之前，我们进行了台式实验室实验。这是在较低的电场强度下完成的，以验证我们的计算。我认为这是一种校准。但我们一直对术语有点小心，因为我们认为该系统的优点之一是，从技术上讲，它不需要校准。因此，从某种意义上说，这是一种校准，我们查看低强度场并确保它们与理论相匹配。在将设备带入我们所说的现场环境（脉冲功率加速器之一）之前，我们会进行此类验证。

技术简介 : 那么，您是说以兆伏为单位的实际电压与毫伏信号之间的比率是一个常数？

博士。欧文斯 ：是的，测量是线性的——当我们在示波器上看到信号时，我们知道这是直接关系——它是我们想要测量的单位。由于它们都是电压，因此它是两者之间的线性传递函数。最终，示波器上的几十毫伏转化为我们在加速器上测量的兆伏——它是一个常数，而且是线性的。我们在论文中强调了这一点，因为其他可用的技术涉及派生响应。

技术简介 ：脉冲参数有哪些？

博士。欧文斯 ：我可以比较和对比我们的台式实验和现场实验。在我们的台式实验室中，我们的磁场要低得多，约为每厘米 5 KV，但脉冲宽度极窄——不到 2.5 纳秒。我们使用的系统可以很容易地看到该脉冲中定义的时序结构。在现场，情况正好相反。我们有一个更大的场，但脉冲比我们在台式机上看到的脉冲宽大约 15 到 20 倍——它们的宽度约为 30 纳秒，但仍然很窄。它们的能量非常高，相比之下，相对较窄。

技术简介 ：那么，您正在读取峰值脉冲电压？

博士。欧文斯 ：我们正在读取峰值电压以及时间相关波形。在我们小组中，研究人员对波形细节的兴趣与对实际峰值的兴趣一样。这两个参数都非常重要。

技术简介 ：你能简单解释一下脉冲是如何产生的吗？

博士。欧文斯 ：它从所谓的马克思发电机中的一组电容器开始，并行充电至非常高的能量。然后有一个自动开关将它们全部串联起来，从而产生高压。然后，我们的 Hermes 加速器中的高压通过一系列多个脉冲整形部分，这些部分开始时非常宽——可能是几毫秒——当电磁波向端点设备传播时，它会通过一系列产生脉冲的部分对其进行压缩。所有不同的设计元素都旨在使脉冲更窄，所以当你到达终点时，你会得到这个漂亮、干净的 30 纳秒脉冲，而不是更宽、数百微秒或毫秒的脉冲从电容器组开始。

技术简介 ：你如何进行脉冲整形？

博士。欧文斯 ：有一系列精心制作的部分，里面有巨大的水电容器。还有不同类型的传输线，它们具有允许压缩脉冲的特性阻抗和长度。它以一种感应线性加法器结束。这就是他们所说的磁绝缘传输线，它位于一系列感应式传输功率的空腔中。这一切都被添加到设备末端的一根杆中。从字面上看，有几十种不同类型的部分可以进行脉冲整形。脉冲整形是通过查看脉冲通过特定部分的时间长度与其特征电阻抗来设计的。如果将系统想象成一根可变尺寸同轴电缆，它会随着它的运行而改变其形状和几何形状，进而导致波形形状发生变化。

技术简介 ：与其他方法相比，您的测量技术的性能如何？

博士。欧文斯 ：还有其他几种方法，但最可能相关的方法称为 Vdots 和 Bdots。这些类型的设备在测量电场和磁场时的缺点之一是它们是基于电的，我们称之为金属基组件。虽然它们的功能有些有限，但它们与这些高能系统并不能很好地匹配。这是因为当系统启动时，会有太多的电磁干扰，以至于它直接与设备本身相互作用——它们会产生自己的杂散电流，这是噪声的来源。这是最大的缺点之一：您必须进行校准才能弄清楚它是如何工作的。然后，将该设备带入与校准实验室不同的高能环境，并受到噪声水平增加和仪器电阻抗特性动态变化的影响。根据你的能量上升多高，它会达到你根本无法使用它们的地步，因为线路上有太多的噪音，它就像一个正在辐射的天线。相比之下，对于我们的设备，由于它是一种电介质（本质上是塑料），因此来自电磁源的相互作用或干扰要少得多。

技术简介 ：您对测量的准确性有大致的了解吗？

博士。欧文斯 ：就准确度、精密度和分辨率而言，我们仅受所用仪器分辨率的限制。我们正在使用相当高速的光电探测器，就我们的分辨能力而言，这是最后一个瓶颈。但是关于我们的实验，我可以说的是，我们可能比我们在实验中测量的最小值高出几个数量级。例如，我们正在测量超过一伏特的峰值信号，而使用这个系统，我们可能可以测量到大约一毫伏左右的分辨率。一旦我们低于这个值，它就会变得更具挑战性，因为示波器和检测器以及其他会导致一些固有背景噪声的组件。我想说我们的分辨率比我们测量所需的分辨率低几个数量级。

技术简介 ：该测量系统还有哪些其他潜在应用？

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博士。欧文斯 :是的，事实上，我一直在和我的一位高级经理讨论这个问题，因为我们都注意到了这一点，尽管这在一个非常高能的加速器上得到了证明。事实上，该设备在某些方面甚至可能对低能耗应用更有用。

我们可以想象这样的场景：晶体可以放置在某个偏远的位置，并通过激光远程询问以获得场和电压信息。电压测量会更具挑战性，但肯定在想要询问电场的情况下，可以使用我们的设备版本。人们将能够监测他们正在观察的任何东西，因为它会随着电场随时间而变化，并获得相当准确和精确的测量结果。

不少研究人员对脉冲功率加速器感兴趣，他们联系了我并希望使用该设备进行实验。还有一些在闪电研究和其他一些感兴趣的应用领域工作的其他人与我联系并提出了想法，所以有相当多的兴趣。

例如，我认为公用事业公司可能会感兴趣，因为这会给他们提供高压隔离能力，他们将能够获得关于电场的相当准确和精确的结果，他们可以从中推断出某些应用中的电压。特别是电力行业对识别交流高压电网中的电压瞬变很感兴趣，该设备将具有测量这些瞬态信号的能力。

爱德华·布朗是副主编。