伽马射线发生器 HERMES III，高能辐射兆伏电子源，由 Chris Kirtley 和前桑迪亚员工 JJ Montoya 在桑迪亚国家实验室进行调整，以备下次拍摄。来源：兰迪蒙托亚

自从第一个人将手放在未绝缘的电线上以来，人们就一直避免亲自测试高能材料。即使是金属制成的仪表也会在高压下熔化。

现在，使用比一角硬币还小的晶体和比鞋盒小的激光器，桑迪亚国家实验室的一个团队在不接触电流的情况下安全地测量了 2000 万伏特。（住宅电压一般为120伏。）

“在我们的实验之前，没有人在世界任何地方直接测量过这么大的电压，”桑迪亚科学家以色列欧文斯在谈到他的团队最近发表在《自然科学报告》上的独特电学和光学工作时说。“对于测量高压，该技术安全、高效且成本低廉。”

“当你在短距离内有高压时，传感器会损坏，”桑迪亚经理布莱恩奥利弗说。“以色列的诊断可以在这些高电场中存活下来，从而使我们能够在以前不可能的环境中确定电压。”

该成就将每个电场读数乘以相同的常数来确定电压，为多种可能的应用打开了大门。

这项工作是在桑迪亚的高能辐射兆伏电子源 (HERMES III) 进行的，建筑物大小的加速器将强大的电脉冲转化为称为伽马射线的高能光子。

欧文斯说：“能够测量 Hermes III 的输出电压而不是仅仅计算它使我们能够准确定义伽马射线的能量。” “而且我们的晶体激光系统可以在不干扰实验环境的情况下做到这一点。”

精确测量伽马射线能量的好处

HERMES 加速器产生高能电子束，该束在非常致密的材料中停止并转化为伽马射线流——电磁波谱中能量最高的部分。这些射线具有广泛的用途，包括医院设备消毒、食品巴氏杀菌、医学成像、烟雾探测器、测量非常薄材料的厚度等等。

由于核武器也会产生伽马射线，因此在实验室中制造它们可以确定军用和民用设备在暴露于这些能量流时是否可以继续发挥作用。

准确地实现所需的伽马射线输出需要使用产生它们的电压进行校准；因此，需要一种可以测量高压而不会被破坏的传感器。

欧文斯说，使用激光作为远程测量工具的想法并不新鲜。激光红外传感器用于远距离安全测量前额温度。激光测距仪可以确定房间的大小，而业主无需调整距离。

“我们的程序有点不同：我们没有将激光直接指向一个物体来测量它的电压，”他说。“我们通过使用激光简单地询问次级物体——铌酸锂晶体来确定这些信息。”

巨大的能量场改变了微小的晶体

放置不到半英寸长的晶体，使电场通过它的侧面，与沿晶体轴传播的偏振激光束成直角。

电场使晶体的光子在偏振光束的垂直和水平方向以不同的速度传播，从而改变了晶体传输光的能力。这会导致偏振光旋转，从而改变进入光电探测器的数量。该仪器将激光束的强度转换为可在示波器上读取的简单电压。

“在示波器上测量的电压与可以计算电压的电场强度直接相关，”欧文斯说。“在我们的实验中，在示波器上，几十兆伏转换为几百毫伏。（一兆伏是一百万伏；一毫伏是千分之一伏。）

“信号已经是正确的形式，我们只需要乘以一个固定常数。也不需要执行任何繁琐的校准或复杂的后处理来确定电场和电压。”

欧文斯说，用新传感器测量的高压与通过计算和其他间接测量所预期的非常吻合。

欧文斯说，准确测量伽马射线能量可能只是新测量技术的好处之一。

“目前，这是一个用于研究的实验室设备，但随着它的发展，它可以进入各种加速器设施，其中一系列晶体可以在多个远程位置提供电压读数，”他说。

欧文斯说，这项技术也适用于输电行业、汽车制造商、闪电研究中心“或任何人想要远程测量或监控非常高的能源”。该设备还可以“看到”在从远处的壁的电短路，由于在电磁中断字段周围的载流导线，这将允许在所述电路中的故障的非侵入性的检测。