Van de Graaff generator
-
История и развитие
- Генератор Ван де Граафа был изобретен Робертом Ван де Граафом в 1929 году.
- Первые модели использовали обычные материалы и достигали 1.5 млн вольт.
- В 1933 году Ван де Грааф построил 40-футовую модель в MIT.
-
Принцип работы
- Генератор использует движущийся ремень для накопления заряда на металлической сфере.
- Заряд накапливается благодаря электростатической индукции и ионизации воздуха.
- Современные генераторы могут достигать 5 млн вольт и более.
-
Применение
- Генераторы Ван де Граафа используются для ускорения частиц и генерации рентгеновских лучей.
- Они применяются в ядерной медицине и исследованиях.
- Современные промышленные генераторы заключены в герметичные камеры для предотвращения искрения.
-
Современные разработки
- В 1970-х годах были разработаны тандемные генераторы для ускорения ионов.
- В 1980-х годах был создан Nuclear Structure Facility в Дарсбери, который ускорял различные ионные пучки.
- В 2000-х годах появились новые разработки, такие как пеллетроны и тандемные генераторы с использованием SF6 газа.
-
Описание генератора
- Генератор состоит из резинового ремня, двух роликов и металлической сферы.
- Ремень заряжается благодаря электростатической индукции, а сфера накапливает заряд.
- Высокие потенциалы достигаются за счет увеличения размера сферы и использования источника напряжения.
-
Принцип работы генератора Ван де Граафа
- Генератор Ван де Граафа может обеспечивать постоянный ток при любом уровне электрического потенциала.
- Максимальный достижимый потенциал зависит от радиуса сферы и электрического поля, при котором начинаются коронные разряды.
- Для воздуха при стандартных условиях пробивное поле составляет около 30 кВ/см, что позволяет достичь максимального напряжения около 450 кВ.
-
Использование в ускорителях частиц
- Генератор Ван де Граафа изначально разрабатывался для ускорения частиц в ядерных физических экспериментах.
- Высокое напряжение между поверхностью сферы и землей создает электрическое поле, ускоряющее заряженные частицы.
- Изоляция генератора с помощью сжатого газа позволяет увеличить максимальное напряжение ускоренных частиц.
-
Тандемные ускорители
- Тандемные ускорители частиц часто используют генератор Ван де Граафа в конфигурации с высоким потенциалом в центре машины.
- Отрицательно заряженные ионы ускоряются к центру, где они теряют электроны и ускоряются обратно.
- Это позволяет использовать один генератор для двух ускорений и оставляет ионный источник доступным вблизи земли.
-
Пеллетрон
- Пеллетрон — это тандемный ускоритель, в котором ремень заменен на металлические сферы, соединенные изолирующими звеньями.
- Сферы служат для передачи заряда к высоковольтному терминалу, что позволяет достичь более высоких напряжений и ускорить передачу заряда.
-
Развлечения и образовательные генераторы
- Самый большой генератор Ван де Граафа в мире, построенный в 1930-х годах, находится в Музее науки в Бостоне.
- Генератор может достигать 2 МВ и используется в научных шоу и музеях.
-
Сравнение с другими электростатическими генераторами
- Другие электростатические машины, такие как машина Вимшурста и машина Бонетти, работают аналогично, но имеют меньшие напряжения из-за коронный разрядов и плохой изоляции.
- Генератор Ван де Граафа использует полый сферический электрод для минимизации утечек и коронный разрядов, что позволяет достичь наибольшего напряжения.
-
Патенты и внешние ссылки
- Патенты на генератор Ван де Граафа включают U.S. патент 1,991,236 и U.S. патент 2,922,905.
- Внешние ссылки включают статьи и руководства по работе с генератором Ван де Граафа.