Генератор Ван де Граафа

В различных областях науки и техники используются ускорители заряженных частиц — электронов, протонов, ионов. Такие ускорители могут быть построены на различных принципах. В том числе, на электростатическом принципе. Одним из типов генераторов, построенных на таком принципе, является генератор Ван де Граафа. В этом приборе, который был изобретен в 1929 году профессором Массачусетского университета Ван де Граафом, использовался принцип создания поля сверхвысокого напряжения путем электризации ленты из диэлектрика, которая передвигается с помощью двигателя.

Конструкция и принцип действия

Конструкция генератора бывает вертикальной и горизонтальной. Наиболее распространенной является установка с вертикальным расположением.
В состав такого генератора входят:

• бесконечная диэлектрическая резиновая или шелковая лента, двигающаяся со скоростью 20-40 м/c на 2-х вращающихся шкивах;
• 2 шкива. Нижний шкив выполнен из металла и вращается электродвигателем, а верхний шкив изготовлен из диэлектрика, например, акрилового стекла;
• полый металлический электрод в виде полусферы, внутри которого находится верхний шкив. Этот электрод укреплен на изоляторе;
• источник высокого напряжения.

Нижний шкив заземлен. На электрод, находящийся вблизи этого шкива, подается высокое напряжение. На небольшом расстоянии от верхнего и нижнего шкивов установлены электроды, выполненные в виде щетки или гребенки. Верхний электрод соединен с полой полусферой.

Принцип работы прибора

Под воздействием высокого напряжения в воздушном слое, находящимся между нижним щеточным электродом и нижним шкивом, образуются положительно заряженные ионы. Эти ионы притягиваются к металлическому шкиву, оседают на диэлектрической ленте и транспортируются к полому полусферическому электроду. С помощью верхнего щеточного электрода эти ионы снимаются с ленты и попадают на поверхность сферического электрода. С течением времени происходит накапливание заряда и повышение потенциала этого электрода относительно земли.

Максимальная величина получаемого напряжения определяется напряжением разряда, возникающего вокруг сферического электрода в результате ионизации окружающего электрод воздуха. При увеличении диаметра сферы это напряжение возрастает.

Для его увеличения в установках с относительно небольшой сферой прибор помещают в герметический корпус, который наполняется под давлением в 20 атмосфер газами с большой электрической прочностью. К таким газам относятся азот, фреон и другие газы. Такой корпус, выполненный из изоляционных материалов, служит также для обеспечения безопасности людей.

Тандемный генератор

Тандемный генератор состоит из 2-х каскадов. В таком генераторе создаются отрицательные ионы, которые летят в сторону находящегося под высоким положительным потенциалом электрода, находящегося в середине заполненного газом сосуда. Проходя через находящийся внутри электрода канал, отрицательные ионы, имеющие энергию в 10 МэВ, отдают свои электроны и превращаются в положительные ионы. Далее пучок этих положительных электронов перемещается в сторону электрода, имеющего нулевой потенциал. Таким образом, можно получить пучок протонов с удвоенной энергией.

Использование

Генераторы Ван де Граафа часто применяются в исследованиях атома и в медицине.

В первом случае они используются для проведения ядерных реакций и для ввода частиц в ускорители. Такие установки есть в большинстве ядерных лабораторий, в которых исследователи имеют дело с частицами малых и средних энергий.
В таких ускорителях под воздействием создаваемого генератором напряжения происходит формирование и ускорение пучков частиц.

Во втором случае генераторы применяются для лучевой терапии и исследований. При этом пучки частиц ударяются в мишень и создают жесткое излучение.

Кроме того, такие генераторы могут быть использованы в качестве учебных пособий для демонстрации явлений электростатики, а также для исследования грозовых разрядов и ударов молнии.

Технические характеристики

1-й генератор данного типа вырабатывал напряжение в 80 кВ. В дальнейшем изобретатель получил напряжения в 1 МВ и 7МВ. При этом напряжение первичного источника было 50 кВ.

Современные установки позволяют получить с помощью этого генератора напряжения в 20 миллионов вольт. Для этого используются тандемные установки. При этом ток в пучках может достичь нескольких мА, а энергия частиц – 40-50 МэВ.

Для получения частиц с большей энергией используются более мощные установки – циклотроны, коллайдеры.

Наиболее мощный генератор Ван де Граафа был использован в английской лаборатории Daresbury, в которой с 1983 по 1993 годы проводились ядерные эксперименты. В установке был использован тандемный генератор, развивающий напряжение в 20 МВ. Этот генератор располагался в здании высотой в 70 м. Важнейшим открытием, выполненным с помощью этой установки, было открытие супердеформированных ядер.

До войны в Советском Союзе был также построен большой генератор такого типа. На 2-х фарфоровых изоляторах были установлены металлические шары диаметром в 5 м. Напряжение между шарами достигало 15 МВ. При разряде появлялись молнии размеров в 15 м. При этом время заряда достигало 10 минут, а средняя мощность установки была менее 100 Вт.

Генераторы для опытов и образования

Генераторы Ван де Граафа могут быть использованы для проведения опытов в области физики и электростатики. При этом большое количество генераторов имеется в продаже. Также в Интернете приведено много разных схем и конструкций для самостоятельного изготовления генератора.

Примером такого устройства является генератор, производимый немецкой компанией 3B Scientific GmbH. Цена такого прибора 104076 руб.

Основные характеристики прибора:

• создаваемое напряжение около 100 кВ;
• ток короткого замыкания-15 мкА;
• питание двигателя от сети переменного тока;
• мощность потребления -13 ВА;
• размеры -240х120х620 мм;
• размеры шара – диаметр 90 мм, высота 420 мм;
• вес генератора -5,8 кг.

При работе с данным прибором необходимо выполнять ряд требований по технике безопасности:

1. Данный прибор может представлять опасность для близко стоящих к прибору людей, у которых вживлен кардиостимулятор.
2. Компьютерам и другим электронным приборам он может создавать ВЧ помехи.
3. Нельзя использовать прибор во влажных помещениях.
4. Нельзя прикасаться к цепям прибора.
5. Включать прибор можно только в сетевую розетку, имеющую заземление.
6. При замене предохранителя необходимо обязательно отключать прибор от сети.

Подготовка и включение прибора:

1. Перед включением генератора снять сферу, подняв ее вверх.
2. Очистить поверхность шкивов. При необходимости вымыть их и просушить феном.
3. Установить ленту в шкивы.
4. Поставить сферу на место.
5. Заземлить металлическую пластину и электрод.
6. Включить двигатель и выбрать необходимую скорость.
7. Для проверки заряда путем получения искры медленно передвигать ленту к металлической сфере.
8. В случае влажности просушить прибор феном.

Достоинства и недостатки

Достоинством генераторов Ван де Граафа состоят в том, что с их помощью можно получить пучки заряженных частиц, у которых имеются следующие качества:

• непрерывность;
• высокая интенсивность;
• отличная стабильность по энергии. Эта характеристика пучка достигает величины 0,01%;
• малая расходимость (менее тысячной доли радиана).

Недостатки генераторов:

• ограничения по величине получаемых напряжений и энергии частиц;
• повышенные требования к пробойному напряжению колонны и ленты;
• трудности измерения сверхвысоких напряжений;
• наличие вращающихся частей, уменьшающих надежность устройства.