Введение

Электростатический ускоритель частиц, работающий на трибоэлектрическом эффекте – это машина, используемая для накопления электрического заряда на металлическом шаре. Генератор Ван-де-Граффа – это электростатический генератор, использующий движущуюся ленту для накопления электрического заряда на полый металлической сфере, расположенной на вершине изолированной колонны, что создает очень высокие электрические потенциалы. Он производит электричество постоянного тока очень высокого напряжения при низких значениях тока. Изобретен американским физиком Робертом Дж. Ван-де-Граффом в 1929 году. Разность потенциалов, достигаемая современными генераторами Ван-де-Граффа, может составлять до 5 мегавольт. Настольная версия может генерировать порядка 100 кВ и накапливать достаточно энергии для создания видимых электрических искр. Небольшие машины Ван-де-Граффа производятся для развлечения и в образовательных целях для изучения электростатики; более крупные модели экспонируются в некоторых научно-популярных музеях. Генератор Ван-де-Граффа первоначально разрабатывался как ускоритель частиц для физических исследований, поскольку его высокий потенциал может использоваться для разгона субатомных частиц до высоких скоростей в вакуумной трубке. Он был самым мощным типом ускорителя до разработки циклотрона в начале 1930-х годов. Генераторы Ван-де-Граффа по-прежнему используются в качестве ускорителей для генерации пучков энергичных частиц и рентгеновского излучения для ядерных исследований и ядерной медицины. Напряжение, создаваемое машиной Ван-де-Граффа, работающей на открытом воздухе, ограничено искрообразованием и коронарным разрядом примерно до 5 МВ. Большинство современных промышленных машин помещены в герметичный резервуар, заполненный изоляционным газом под давлением, что позволяет достигать потенциалов около 25 МВ.

Предыстория

Концепция электростатического генератора, в котором заряд механически переносится небольшими порциями внутрь электрода высокого напряжения, берет начало с капельницы воды Кельвина, изобретенной в 1867 году Уильямом Томсоном (Лордом Кельвином). В ней заряженные капли воды падают в емкость с зарядом той же полярности, увеличивая общий заряд. В машине такого типа сила тяжести перемещает капли против противодействующего электростатического поля емкости. Сам Кельвин первым предложил использовать ремень для переноса заряда вместо воды. Первый электростатический прибор, использовавший бесконечный ремень для транспортировки заряда, был создан в 1872 году Августо Риги. Более непосредственным источником вдохновения для Ван де Граафа стал генератор, который В. Ф. Г. Сванн разрабатывал в 1920-х годах, в котором заряд переносился на электрод падающими металлическими шариками, возвращаясь таким образом к принципу капельницы воды Кельвина.

Первоначальная разработка

Генератор Ван-де-Граффа был разработан, начиная с 1929 года, физиком Робертом Дж. Ван де Граффом в Принстонском университете при содействии коллеги Николаса Берка. Первая модель была продемонстрирована в октябре 1929 года. Первая установка использовала обычную жестяную банку, небольшой двигатель и шелковую ленту, купленную в универсальном магазине. После этого он обратился к заведующему кафедрой физики с просьбой выделить 100 долларов на создание улучшенной версии. Получить эти деньги ему удалось с трудом. К 1931 году он сообщил о достижении 1,5 миллиона вольт, отметив: «Установка проста, недорога и портативна. Для её работы достаточно обычной розетки». Согласно заявке на патент, она включала в себя две сферы накопления заряда диаметром 60 см, установленные на колоннах из боросиликатного стекла высотой 180 см; стоимость аппарата в 1931 году составила 90 долларов. В декабре 1931 года Ван де Графф подал заявку на второй патент, который был передан Массачусетскому технологическому институту в обмен на долю от чистой прибыли; впоследствии патент был выдан. В 1933 году Ван де Графф построил 12-метровую модель на территории Round Hill при MIT, использование которой было предоставлено полковником Эдвардом Г. Рином. Одним из последствий размещения этого генератора в авиационном ангаре стал так называемый «голубиный эффект» – возникновение дуг из-за скопления птичьего помета на внешней поверхности сфер.

Машины с более высокой энергией

В 1937 году компания Westinghouse Electric построила 20-метровую машину Westinghouse Atom Smasher, способную генерировать 5 МэВ в Форст-Хиллз, штат Пенсильвания. Это ознаменовало начало ядерных исследований для гражданских применений. Установка была выведена из эксплуатации в 1958 году и частично демонтирована в 2015 году (корпус был уложен на бок из соображений безопасности). Более поздней разработкой стал тандемный ускоритель Ван-де-Граафа, содержащий один или несколько генераторов Ван-де-Граафа, в котором отрицательно заряженные ионы ускоряются на одной разности потенциалов, прежде чем лишатся двух или более электронов внутри высоковольтного терминала и будут ускорены повторно. Пример трехступенчатой установки был создан в Оксфордской ядерной лаборатории в 1964 году, состоящий из 10-МэВ одностороннего "инжектора" и 6-МэВ EN-тандема. К 1970-м годам на терминале тандема, использовавшего резервуар с гексафторидом серы (SF6) под высоким давлением для предотвращения искрения путем захвата электронов, удавалось достичь 14 МэВ. Это позволило генерировать пучки тяжелых ионов с энергией в несколько десятков МэВ, достаточной для изучения прямых ядерных реакций с легкими ионами. Максимальный устойчивый потенциал, достигнутый на ускорителе Ван-де-Граафа, составляет 25,5 МэВ и был получен на тандеме в комплексе радиоактивных ионных пучков Холифилда в Национальной лаборатории Оук-Ридж. Дальнейшим развитием является пеллетрон, в котором резиновый или тканевый ремень заменен цепью коротких проводящих стержней, соединенных изолирующими звеньями, а электроды ионизации воздуха – заземленным роликом и индуктивным зарядным электродом. Цепь может работать со значительно большей скоростью, чем ремень, а достижимые напряжение и токи намного выше, чем у обычного генератора Ван-де-Граафа. В 14-UD Heavy Ion Accelerator Австралийского национального университета размещен 15-МэВ пеллетрон. Его цепи длиной более 20 м и могут двигаться быстрее. Ядерное сооружение (NSF) в лаборатории Дарсбери было предложено в 1970-х годах, введено в эксплуатацию в 1981 году и открыто для экспериментов в 1983 году. Оно состояло из тандемного генератора Ван-де-Граафа, работающего в обычном режиме на 20 МэВ, размещенного в характерном здании высотой 70 м. За время своего существования он ускорил 80 различных ионных пучков для экспериментальных целей, от протонов до урана. Особенностью была возможность ускорять редкие изотопные и радиоактивные пучки. Пожалуй, самым важным открытием, сделанным с помощью NSF, было обнаружение сверхдеформированных ядер. Эти ядра, образующиеся при слиянии более легких элементов, вращаются очень быстро. Характер гамма-излучения, испускаемого при их замедлении, предоставлял подробную информацию о внутренней структуре ядра. После финансовых сокращений NSF был закрыт в 1993 году.

Описание

Простой генератор Ван-де-Граффа состоит из резинового ремня (или аналогичного гибкого диэлектрического материала), движущегося над двумя роликами из разных материалов, один из которых окружен полым металлическим шаром. Металлический электрод в форме гребня с острыми концами (2 и 7 на диаграмме) расположен рядом с каждым роликом. Верхний гребень (2) соединен со сферой, а нижний (7) – с землей. Когда двигатель приводит в движение ремень, трибоэлектрический эффект вызывает перенос электронов между различными материалами ремня и двух роликов. В приведенном примере резина ремня приобретает отрицательный заряд, а акриловое стекло верхнего ролика – положительный. Ремень уносит отрицательный заряд на своей внутренней поверхности, в то время как верхний ролик накапливает положительный заряд. Далее, сильное электрическое поле, окружающее положительно заряженный верхний ролик (3), индуцирует очень высокое электрическое поле вблизи острых концов соседнего гребня (2). В этих точках поле становится достаточно сильным для ионизации молекул воздуха. Электроны из молекул воздуха притягиваются к внешней стороне ремня, а положительные ионы направляются к гребню. На гребне они нейтрализуются электронами из металла, в результате чего гребень и прикрепленная к нему внешняя оболочка (1) теряют часть электронов и приобретают чистый положительный заряд. Согласно закону Гаусса (как это демонстрируется в эксперименте с «ведерком Фарадея»), избыточный положительный заряд накапливается на внешней поверхности внешней оболочки, не создавая электрического поля внутри нее. Продолжение движения ремня вызывает дальнейшую электростатическую индукцию, что может привести к накоплению большого количества заряда на оболочке. Заряд будет продолжать накапливаться до тех пор, пока скорость утечки заряда со сферы (из-за утечек и коронного разряда) не сравняется со скоростью переноса нового заряда на сферу ремнем. За пределами терминальной сферы высокое электрическое поле, создаваемое высоким напряжением на сфере, препятствует добавлению дополнительного заряда извне. Однако, поскольку внутри электрически заряженных проводников электрическое поле отсутствует, заряды могут непрерывно добавляться изнутри, не преодолевая полный потенциал внешней оболочки. Чем больше сфера и чем дальше она от земли, тем выше ее максимальный потенциал. Полярность заряда (положительный или отрицательный) можно контролировать, выбирая материалы для ремня и роликов. Более высокие потенциалы на сфере также можно достичь, используя источник напряжения для непосредственной зарядки ремня, а не полагаясь исключительно на трибоэлектрический эффект. Терминал генератора Ван-де-Граффа не обязательно должен иметь сферическую форму для работы, и на самом деле оптимальной формой является сфера с вогнутостью в области отверстия, куда входит ремень. Округлая форма терминала минимизирует электрическое поле вокруг него, позволяя достигать более высоких потенциалов без ионизации окружающего воздуха или другого диэлектрического газа. Поскольку генератор Ван-де-Граффа может обеспечивать один и тот же небольшой ток практически при любом уровне электрического потенциала, он является примером почти идеального источника тока. Максимально достижимый потенциал приблизительно равен радиусу сферы R, умноженному на максимальное электрическое поле Emax, при котором в окружающем газе начинают формироваться коронные разряды. Для воздуха при стандартной температуре и давлении (STP) пробивное поле составляет около 30 кВ/м. Следовательно, можно ожидать, что от полированного сферического электрода диаметром 1 метр можно получить максимальное напряжение Vmax = R·Emax около 30 кВ. Это объясняет, почему генераторы Ван-де-Граффа часто изготавливаются с максимально возможным диаметром.

Использование в качестве ускорителя частиц

Первоначальной целью разработки генератора Ван-де-Граффа было создание источника высокого напряжения для ускорения частиц в экспериментах по ядерной физике. Многие научные музеи, такие как Американский музей науки и энергетики, демонстрируют небольшие генераторы Ван-де-Граффа и используют их способность накапливать статический заряд для создания эффекта "молнии" или заставления волос вставать дыбом. Генераторы Ван-де-Граффа также применяются в школах и на научных представлениях.

Сравнение с другими электростатическими генераторами

Другие электростатические машины, такие как машина Вимшёрста или машина Бонетти, работают аналогично генератору Ван де Граффа; заряд транспортируется движущимися пластинами, дисками или цилиндрами к электроду высокого напряжения. Однако в этих генераторах коронный разряд с открытых металлических частей при высоком потенциале и худшая изоляция приводят к более низким напряжениям. В электростатическом генераторе скорость переноса заряда (ток) на высоковольтный электрод очень мала. После запуска машины напряжение на выходном электроде возрастает до тех пор, пока ток утечки с электрода не уравновесится скоростью переноса заряда. Следовательно, утечка с выходного электрода определяет максимальное достижимое напряжение. В генераторе Ван де Граффа ремень позволяет транспортировать заряд внутрь большой полой сферической формы электрода. Это идеальная форма для минимизации утечки и коронного разряда, поэтому генератор Ван де Граффа способен создавать наибольшее напряжение. Именно поэтому конструкция Ван де Граффа используется во всех электростатических ускорителях частиц. В целом, чем больше диаметр и чем более гладкой является сфера, тем более высокого напряжения можно достичь.