Кіріспе
Трибоэлектрлік әсерде жұмыс істейтін электростаттық бөлшектерді үдеткіші – металл шарға электр зарядын жинақтауға қолданылатын машина. Ван-де-Графф генераторы – бұл электр зарядын оқшауланған бағананың үстіне орналасқан қуыс металл шарға жинау үшін қозғалатын белбеуді пайдаланатын электростаттық генератор, арқылы өте жоғары электр потенциалын құрады. Ол төмен ток деңгейінде өте жоғары кернеулі тұрақты ток (DC) электр қуатын өндіреді. Оны америкалық физик Роберт Дж. Ван-де-Графф 1929 жылы ойлап тапты. Қазіргі заманғы Ван-де-Графф генераторларының потенциалдар айырмашылығы 5 мегавольтқа дейін жете алады. Үстелге арналған нұсқасы шамамен 100 кВ энергия шығарады және көрінетін электр ұшқындарының пайда болуына жеткілікті энергияны сақтай алады. Кішкентай Ван-де-Графф машиналары ойын-сауық үшін және физика білімін беру мақсатында электростатиканы оқыту үшін жасалады; үлкендері кейбір ғылым музейлерінде көрсетіледі. Ван-де-Графф генераторы бастапқыда физикалық зерттеулер үшін бөлшектерді үдетуге арналған құрал ретінде әзірленді, себебі оның жоғары потенциалы субатомдық бөлшектерді эвакуацияланған түтік ішінде үлкен жылдамдыққа дейін үдетуге мүмкіндік береді. Циклотрон 1930 жылдардың басында ойлап табылмайынша, бұл ең қуатты үдеткіш болды. Ван-де-Графф генераторлары әлі де ядролық зерттеулер мен ядролық медицина үшін энергетикалық бөлшектер мен рентген сәулелерін жасау үшін үдеткіш ретінде қолданылады. Ашық ауадағы Ван-де-Графф машинасының өндіретін кернеуі доғалық және короналық разрядтармен шамамен 5 МВ-қа дейін шектеледі. Көптеген қазіргі заманғы өнеркәсіптік машиналары оқшаулағыш газбен толтырылған резервуардың ішінде орналасқан; олар шамамен 25 МВ-қа дейін жоғары потенциалға қол жеткізе алады.
the machine used to accumulate electrical charge on a metal globe
A Van de Graaff generator is an electrostatic generator which uses a moving belt to accumulate electric charge on a hollow metal globe on the top of an insulated column, creating very high electric potentials. It produces very high voltage direct current (DC) electricity at low current levels. It was invented by American physicist Robert J. Van de Graaff in 1929. The potential difference achieved by modern Van de Graaff generators can be as much as 5 megavolts. A tabletop version can produce on the order of 100 kV and can store enough energy to produce visible electric sparks. Small Van de Graaff machines are produced for entertainment, and for physics education to teach electrostatics; larger ones are displayed in some science museums. The Van de Graaff generator was originally developed as a particle accelerator for physics research, as its high potential can be used to accelerate subatomic particles to great speeds in an evacuated tube. It was the most powerful type of accelerator until the cyclotron was developed in the early 1930s. Van de Graaff generators are still used as accelerators to generate energetic particle and X ray beams for nuclear research and nuclear medicine. The voltage produced by an open air Van de Graaff machine is limited by arcing and corona discharge to about 5 MV. Most modern industrial machines are enclosed in a pressurized tank of insulating gas; these can achieve potentials as large as about 25 MV.
Өмірбаян
Электростаттық генератор тұжырымы, онда заряд механикалық түрде жоғары кернеулі электродтың ішіне шағын мөлшерде тасымалданады, 1867 жылы Уильям Томсон (Лорд Кельвин) ойлап тапқан Кельвин су тамшысымен бастау алды, онда зарядталған су тамшылары бірдей полярлық зарядталған ыдысқа құлайды, зарядты арттырады. Мұндай машинада гравитациялық күш тамшыларды ыдыстың қарсы электростатикалық өрісіне қарсы жылжытады. Кельвин өзі бірінші болып судың орнына зарядты тасымалдау үшін белбеуді пайдалануды ұсынды. Зарядты тасымалдау үшін үздіксіз белбеуді қолданған алғашқы электростатикалық машинаны 1872 жылы Аугусто Риги құрастырды. Ван де Графф үшін тікелей шабыт 1920 жылдары В. Ф. Г. Сванн жасап жатқан генератор болды, онда заряд металл шарлардың түсуі арқылы электродқа тасымалданады, осылайша Кельвин су тамшысы принципіне оралады.
Бастапқы дамуы
Ван-де-Графф генераторы 1929 жылдан бастап физик Роберт Дж. Ван де Графф Принстон университетінде, әріптесі Николас Берктің көмегімен жасалды. Алғашқы модель 1929 жылдың қазан айында көрсетілді. Алғашқы машинада қарапайым қалайы банка, кішкентай мотор және бес центтік дүкеннен сатып алынған жібек лента пайдаланылды. Содан кейін ол физика кафедрасының меңгерушісіне жүгініп, жақсартылған нұсқасын жасау үшін 100 доллар сұрады. Ол ақшаны біршама қиындықпен алды. 1931 жылы ол 1,5 миллион вольтқа қол жеткізгенін хабарлады, сонымен: «Машина қарапайым, арзан және тасымалданатын. Қажетті қуатты тек қарапайым шам ұясы ғана қамтамасыз етеді» деді. Патенттік өтініш бойынша, аппаратта диаметрі 60 см болатын екі заряд жинақтағыш шарлары 180 см биіктіктегі боросиликатты шыны бағаналарға орнатылған; аппараттың құны 1931 жылы 90 доллар болды. Ван де Графф 1931 жылдың желтоқсанында екінші патент алуға өтініш берді, ол таза табыстың бөлігіне алмасу шартымен Массачусетс технология институтына берілді; патент кейін мақұлданды. 1933 жылы Ван де Графф MIT-тің Round Hill кешенінде 40 фут (12 м) үлгісін құрастырды, оның пайдалану құқығын полковник Эдвард Грин сыйға берді. Осы генераторды ұшақ ангарында орналастырудың салдарынан «көгершін әсері» пайда болды: шарлардың сыртқы бетінде жиналған құс зәрлерінен арка пайда болды.
Жоғары энергиялы машиналар
1937 жылы Westinghouse Electric компаниясы Пенсильвания штатының Forest Hills қаласында 5 МэВ қуаттылығын тудыратын 20 метрлік Westinghouse Atom Smasher машинасы құрды. Бұл азаматтық қолданыс үшін ядролық зерттеулердің бастауы болды. 1958 жылы қолданудан шығарылып, 2015 жылы жартылай бұзылды. (Қоршау қауіпсіздік мақсатында бүйірге жатқызылды.) Жақындағы жетістік – бір немесе бірнеше Ван-де-Графф генераторларын қамтитын Ван-де-Графф үдеткіші, онда теріс зарядталған иондар екі немесе одан көп электронды жоғалтудан бұрын бір потенциал айырмасы арқылы үдетіледі, жоғары кернеулі терминал ішінде және қайтадан үдетіледі. 1964 жылы Оксфорд ядролық зертханасында 10 МВ бір ұшты "инжектор" және 6 МВ EN тандемінен тұратын үш сатылы жүйе құрылды. 1970 жылдарға қарай, электрондарды тұтқындау арқылы ұшқынды болдырмау үшін жоғары қысымды күкірт гексафториді (SF6) газымен толтырылған резервуарды қолданатын тандемнің терминалында 14 МВ-қа дейін қол жеткізілді. Бұл жеңіл иондардың тікелей ядролық реакцияларын зерттеуге жеткілікті болған бірнеше ондаған МэВ ауыр иондық сәулелерді жасауға мүмкіндік берді. Ван-де-Графф үдеткішінің ең жоғары тұрақты потенциалы 25,5 МВ құрайды, бұл Oak Ridge Ұлттық зертханасындағы Holifield радиоактивті иондық сәуле кешенінде қол жеткізілді. Тағы бір жетістік – пеллетрон, онда резеңке немесе маталық белдеу оқшауланған буындармен байланысқан қысқа өткізгіш таяқшалар тізбегімен алмастырылады, ал ауаны иондайтын электродтар жерленген роликпен және индуктивті зарядтаушы электродпен алмастырылады. Тізбекті белдеуден әлдеқайда жоғары жылдамдықпен жұмыс істеуге болады, сонымен қатар қол жетімді кернеу мен тоқтар дәстүрлі Ван-де-Графф генераторына қарағанда әлдеқайда жоғары. Австралия Ұлттық университетіндегі 14 UD ауыр иондық үдеткішінде 15 МВ пеллетрон орналасқан. Оның тізбектері 20 метрден аса ұзын және белгілі бір жылдамдықпен қозғала алады. Дарсбери зертханасындағы Ядролық құрылым кешені (NSF) 1970 жылдары ұсынылып, 1981 жылы пайдалануға берілді және 1983 жылы тәжірибелер үшін ашылды. Ол 70 метр биіктіктегі ерекше ғимаратта орналасқан және 20 МВ жылдамдықпен жұмыс істейтін Ван-де-Графф тандем генераторынан тұрады. Өмірі бойы ол эксперименттік мақсаттар үшін 80 түрлі иондық сәулелерді үдетті, олар протоннан уранға дейін ауқымды болды. Оның ерекшелігі – сирек кездесетін изотоптық және радиоактивті сәулелерді үдету мүмкіндігі. NSF пайдалану арқылы жасалған ең маңызды жаңалықтардың бірі – супердеформацияланған ядролардың ашылуы болды. Бұл ядролар жеңіл элементтердің қосылуынан пайда болғанда өте жылдам айналады. Олардың баяулау кезінде шығарылатын гамма сәулелерінің спектрі ядроның ішкі құрылымы туралы толық мәліметтерді ұсынды. Қаржылық қиындықтарға байланысты NSF 1993 жылы жабылды.
The Nuclear Structure Facility (NSF) at Daresbury Laboratory was proposed in the 1970s, commissioned in 1981, and opened for experiments in 1983. It consisted of a tandem Van de Graaff generator operating routinely at 20 MV, housed in a distinctive building 70 m high. During its lifetime, it accelerated 80 different ion beams for experimental use, ranging from protons to uranium. A particular feature was the ability to accelerate rare isotopic and radioactive beams. Perhaps the most important discovery made using the NSF was that of super deformed nuclei. These nuclei, when formed from the fusion of lighter elements, rotate very rapidly. The pattern of gamma rays emitted as they slow down provided detailed information about the inner structure of the nucleus. Following financial cutbacks, the NSF closed in 1993.
Сипаттама
Қарапайым Ван-де-Графф генераторы екі түрлі материалдан жасалған екі роликке қозғалатын резеңке белбеуден (немесе ұқсас икемді диэлектрлік материалдан) тұрады, олардың бірі қуыс металл сферамен қоршалған. Әрбір роликке жақын өткір нүктелері бар (2 және 7 суретте) тарақ пішіндес металл электроды орналастырылады. Жоғарғы тарақ (2) шармен, ал төменгісі (7) жерге қосылады. Белбеуді қозғау үшін мотор қолданылғанда, трибоэлектрлік эффект белбеу мен екі роликтің әртүрлі материалдарынан электрондардың ауысуына себеп болады. Көрсетілген мысалда белбеудің резеңкесі теріс заряд алады, ал жоғарғы роликтің акрил шынысы оң заряд алады. Белбеу ішкі бетінде теріс зарядты алып кетеді, ал жоғарғы ролик оң зарядты жинақтайды. Содан кейін оң жоғарғы роликті қоршап тұрған күшті электр өрісі (3) жақын маңдағы тарақтың нүктелерінің жанында өте жоғары электр өрісін тудырады (2). Тарақтың нүктелерінде өріс ауа молекулаларын иондауға жеткілікті күшті болады. Ауа молекулаларының электрондары белбеудің сыртына тартылады, ал оң иондар тараққа қарай кетеді. Олар металдың электрондарымен бейтараптандырылады, осылайша тарақ пен сыртқы қабық (1) таза электрондардың азаюымен және таза оң зарядпен қалады. Гаусс заңы бойынша (Фарадейдің мұздық қабық тәжірибесінде көрсетілгендей) артық оң заряд сыртқы қабықтың сыртқы бетінде жинақталады, қабықтың ішінде электр өрісі болмайды. Белбеуді үздіксіз қоздыру қосымша электростатикалық индукцияны тудырады, бұл қабықта үлкен мөлшерде зарядты жинауға мүмкіндік береді. Шардан шығып бара жатқан зарядтың жылдамдығы (сыртқа шығуы және короналық разряд арқылы) белбеу арқылы шарға жаңа заряд әкелінетін жылдамдыққа тең болғанша заряд жинақталады. Терминал сферасының сыртында сферадағы жоғары кернеуден электр өрісі пайда болады, бұл сыртқы зарядтың қосылуын болдырмайды. Алайда, электрлік зарядталған өткізгіштерде ішкі электр өрісі болмағандықтан, сыртқы қабықтың толық потенциалын жеңудің қажеті жоқ, зарядтарды ішкі жағынан үнемі қосуға болады. Шар неғұрлым үлкен және жерден неғұрлым алыс болса, оның ең жоғары потенциалы соғұрлым жоғары болады. Зарядтың таңбасын (оң немесе теріс) белбеу мен роликтер үшін материалдарды таңдау арқылы басқаруға болады. Сферадағы жоғары потенциалдарға тек трибоэлектрлік эффектке сүйенудің орнына белбеуді тікелей зарядтау үшін кернеу көзін пайдалану арқылы қол жеткізуге болады. Ван-де-Графф генераторының терминалы жұмыс істеуі үшін шар пішіндес болуы міндетті емес, және шын мәнінде, оңтайлы пішін - белбеу кіретін тесіктің айналасында ішкі қисықтығы бар шар. Дөңгеленген терминал оны қоршаған электр өрісін азайтады, бұл оны қоршаған ауаның немесе басқа диэлектрлік газдың иондануынсыз үлкен потенциалға қол жеткізуге мүмкіндік береді. Ван-де-Графф генераторы электрлік потенциалдың кез келген деңгейінде бірдей шағын токпен қамтамасыз ете алатындықтан, ол токтың идеалды көзіне жақын үлгі болып табылады. Ең жоғары қол жетімді потенциал шамамен шар радиусы R еселенген электр өрісі Emax-ке тең, онда қоршаудағы газ ішінде короналық разряд пайда бола бастайды. Стандартты температура мен қысымдағы (СТП) ауа үшін бұзылу өрісі шамамен 30-ға тең. Сондықтан, диаметрі бойынша жылтыратылған шаршы электродтың ең жоғары кернеуі 1=Vmax = R·Emax шамамен 450 болады деп күтілуі мүмкін. Бұл Ван-де-Графф генераторларының неліктен мүмкіндігінше үлкен диаметрмен жасалатынын түсіндіреді.
Бөлшекті жылдамдатушы ретінде пайдалану
Ван-де-Графф генераторын әзірлеудің бастапқы себебі ядролық физика эксперименттері үшін бөлшектерді үдетуге қажетті жоғары кернеу көзі болу болды. Көптеген ғылым музейлері, мысалы, Америка ғылым және энергия мұражайы, кішкентай өлшемдегі Ван-де-Графф генераторларын көрсетеді және олардың статикалық электр қуатын өндіру қабілетін пайдаланып "найзағай" жасауға немесе адамдардың шашын тіктеп тұрғызуға мүмкіндік береді. Ван-де-Графф генераторлары сондай-ақ мектептерде және ғылыми көрсетулерде қолданылады.
Басқа электростатикалық генераторлармен салыстыру
Вимшёрст машинасы немесе Бонетти машинасы сияқты басқа электростатикалық машиналар Ван де Графф генераторына ұқсас жұмыс істейді; заряд жылжымалы пластиналар, дискілер немесе цилиндрлер арқылы жоғары кернеулі электродқа тасымалданады. Бірақ, осы генераторлар үшін жоғары потенциалдағы ашық металл бөліктерінен короналық разряд және нашар оқшаулау салдарынан кернеу төмендейді. Электростатикалық генераторда жоғары кернеулі электродқа тасымалданатын зарядтың жылдамдығы (тоқ) өте аз болады. Машина іске қосылғаннан кейін, терминалдық электродтағы кернеу электродтан ағып шығатын тоқ, заряд тасымалдану жылдамдығына тең болғанша өседі. Сондықтан, терминалдан ағып кету максималды кернеуді анықтайды. Ван де Графф генераторында белдік үлкен қуыс шар тәрізді электродтың ішіне зарядты тасымалдауға мүмкіндік береді. Бұл пішін ақауларды және короналық разрядты азайту үшін ең қолайлы, сондықтан Ван де Графф генераторы ең жоғары кернеуді тудырады. Осы себепті Ван де Графф конструкциясы барлық электростатикалық бөлшектер үдеткіштерінде қолданылады. Жалпы алғанда, шардың диаметрі неғұрлым үлкен және беті неғұрлым тегіс болса, соғұрлым жоғары кернеуге қол жеткізуге болады.