非接触测量2000万伏：微型晶体与激光法

Sandia国家实验室Israel Owens博士团队使用比一角硬币小的晶体和比鞋盒小的激光，安全测量2000万伏高压，无需与电极物理接触。

Tech Briefs：是什么引出这个想法？

Owens博士：如何用比一角硬币小的晶体和比鞋盒小的激光准确安全测量高压：这始于我与几位同事的天方夜谭式讨论。我们要解决的问题是：如何测量极高电压——特别是我们在Sandia脉冲功率加速器典型产生的那种。

我们讨论各种方法，提出用电光器件的想法，它不干扰装置中的高能和辐射场。因非金属，较少受源干扰和噪声影响。我们知道我们的高能兆电子伏电子源（Hermes）几乎是地球上最高能量伽马射线产生模拟器。所以我们视此为解决存在数十年长期问题的独特机会。这些器件80年代末开发，我们仍无法直接准确测量电压。所以我们头脑风暴、抛掷想法。最终决定用电光器件，因它不干扰高能源。

Tech Briefs：能描述装置吗？

Owens博士：主要两部分。我们称远程部分基本就是晶体和激光束。两个位置：控制室和放置晶体的远程区域。用光纤将激光光引至远程位置晶体。但只有晶体在检测场空间。引导光纤输出激光光进入真空电场区——场穿过晶体宽面。然后收集晶体另一侧输出光。信号回传控制室，用光电探测器测量光强度。晶体与高压阴极距离略超14厘米。

设计标准部分是尽可能少用材料以免扰动场。首个设计装置大得多——有光纤和较大晶体装置，效果不佳。干扰装置运行——高压电弧击中传感器。所以重新设计避免电弧。

Tech Briefs：你的装置测量电场强度——如何关联电压？需计算吗？

Owens博士：是的，电场本质上是阳极阴极间施加电压除两表面距离——我们案例接近15厘米。忽略场径向扩散，因认为在厘米级晶体长度上可忽略。所以转换计算相当简单。

Tech Briefs：如何校准系统？

Owens博士：我们系统强卖点之一原则上不需正式校准程序。因可依赖电光理论，能基于已知参数建模预期。但在带去脉冲功率加速器前，做台式实验。在较低电场强度验证计算。我视为某种校准。但我们一直谨慎术语，因认为系统优势之一技术上不需校准。所以是校准意义上在较低场强确保匹配理论。在进入我们称野外环境——脉冲功率加速器之一前获验证。

Tech Briefs：意思是实际兆伏特电压与毫伏信号比率恒定？

Owens博士：是的，测量线性——示波器上见信号知直接关系——是我们要测单位。因都是电压，两者间线性传递函数。结果示波器上几十毫伏转化为加速器测量兆伏特——恒定且线性。我们在论文强调此点，因其他可用技术涉及导数响应。

Tech Briefs：脉冲参数有哪些？

Owens博士：可对比台式实验与野外实验。台式实验场低得多，约5千伏/厘米，但脉冲宽极窄——小于2.5纳秒。系统易看清脉冲定时结构。野外相反；场大得多，但脉冲宽约为台式15-20倍——约30纳秒宽，仍很窄。能量极高，相对较窄。

Tech Briefs：所以读取峰值脉冲电压？

Owens博士：读取峰值电压及时变波形。我组研究者对波形细节与实际峰值同样感兴趣。两参数都很重要。

Tech Briefs：能简单解释脉冲如何产生？

Owens博士：始于马尔克斯发生器电容器组并联充电至极高能量。然后自动开关将其串联产生高压。我们Hermes加速器高压通过多脉冲整形段，始极宽——可能毫秒——电磁波向终端器件传播时，经系列段压缩脉冲。所有设计元素致力于脉冲变窄，终端得到漂亮干净30纳秒脉冲，而非开始电容器组的数百微秒或毫秒宽脉冲。

Tech Briefs：如何脉冲整形？

Owens博士：一系列精密段有巨型水电容器。也有不同特征阻抗和长度传输线允许脉冲压缩。末端感应线性加感器。称磁绝缘传输线系列腔腔感应传输功率。全部加在末端单杆。字面上几十种不同段做脉冲整形。脉冲整形通过看脉冲通过特定段时间与其特征电阻抗设计。若想象系统像可变尺寸同轴电缆，形状几何随传播变化，进而改变波形形状。

Tech Briefs：测量技术性能与其他方法比？

Owens博士：有几种其他方法，最可能相关称Vdots和Bdots。这些测量电磁场装置缺点是电基、金属基组件。虽有限功能，但不真匹配高能系统。因系统触发时电磁干扰极大，直接与装置相互作用——产生自身杂散电流成噪声源。大缺点：需校准弄清如何工作。然后装置带入高能环境，不同校准实验室，面临噪声增加和仪器电阻抗动态变化。视能量多高，达无法使用点，线上噪声太大像辐射天线。相比之下，我们装置因介电——本质塑料——极少电磁源相互作用干扰。

Tech Briefs：测量准确度有大概概念？

Owens博士：准确度、精度、分辨率仅受用仪器分辨率限制。用相当高速光电探测器，那是我们解析力最后瓶颈。但可说实验中我们可能比实验所需最小值高几个数量级。例：测量峰值信号超1伏，而此系统可能测至约毫伏分辨率。低于那更挑战因示波器探测器其他组件固有本底噪声。我称我们有几个数量级分辨率低于测量需求。

Tech Briefs：测量系统其他潜在应用？

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Owens博士：是的，事实上我与高级经理谈过，因我们都注意到即使在极高能加速器演示。装置某些方面甚至可能更适用低能应用。

可想象场景晶体放远程位置，远程激光询问获取场电压信息。电压测量稍挑战，但想询问电场场景，我装置版本可用。能随时间演变监测电场获相当准确精确测量。

不少脉冲功率加速器研究者联系我想用装置实验。还有闪电研究等其他感兴趣领域研究者联系我有想法，挺多兴趣。

例：公用事业公司可能感兴趣，因给高压耐受能力，能从电场获相当准确精确结果推断电压某些应用。特别电力行业有兴趣识别交流高压电网电压暂态，此装置有能力测量那些暂态信号。

Edward Brown是副编辑。