Генератор Ван де Граафа
 Маленький генератор Ван де Граафа, используемый в естественнонаучном образовании | |
| Использование | Ускорение электронов для стерилизации пищевых и технологических материалов, ускорение протонов для экспериментов по ядерной физике , производство энергетических рентгеновских лучей в ядерной медицине , физическом образовании, развлечениях |
|---|---|
| изобретатель | Роберт Дж. Ван де Грааф |
| Похожие товары | линейный ускоритель частиц |
Генератор Ван де Граафа — это электростатический генератор , который использует движущийся ремень для накопления электрического заряда на полом металлическом шаре на вершине изолированной колонны, создавая очень высокие электрические потенциалы . Он производит (DC) очень высокого напряжения электричество постоянного тока при низких уровнях тока. Его изобрел американский физик Роберт Дж. Ван де Грааф в 1929 году. [1] Разность потенциалов , достигаемая современными генераторами Ван де Граафа, может достигать 5 мегавольт. Настольная версия может производить напряжение порядка 100 кВ и хранить достаточно энергии для образования видимых электрических искр . Маленькие машины Ван де Граафа производятся для развлечения и для обучения физике для изучения электростатики ; более крупные выставлены в некоторых научных музеях .
Генератор Ван де Граафа изначально был разработан как ускоритель частиц для физических исследований, поскольку его высокий потенциал можно использовать для ускорения субатомных частиц до больших скоростей в вакуумной трубке. Это был самый мощный тип ускорителя до тех пор, пока циклотрон в начале 1930-х годов не был разработан . Генераторы Ван де Граафа до сих пор используются в качестве ускорителей для генерации энергетических частиц и рентгеновских лучей для ядерных исследований и ядерной медицины . [2]
Напряжение, создаваемое открытой машиной Ван де Граафа, ограничивается дуговым и коронным разрядом примерно до 5 МВ. Большинство современных промышленных машин заключены в резервуар с изолирующим газом под давлением; они могут достигать потенциала около 25 МВ.
История [ править ]
Предыстория [ править ]
Идея электростатического генератора, в котором заряд механически переносится в небольших количествах внутрь высоковольтного электрода, возникла благодаря капельнице для воды Кельвина , изобретенной в 1867 году Уильямом Томсоном (лордом Кельвином). [3] в котором заряженные капли воды падают в ведро с зарядом той же полярности, увеличивая заряд. [4] В машине этого типа сила гравитации перемещает капли против противоположного электростатического поля ведра. Сам Кельвин впервые предложил использовать для переноски заряда вместо воды пояс. Первая электростатическая машина, в которой для транспортировки заряда использовалась бесконечная лента, была построена в 1872 году Аугусто Риги . [1] [4] В качестве носителей заряда он использовал индийскую резиновую ленту с проволочными кольцами по всей длине, которые переходили в сферический металлический электрод. Заряд на ленту подавался от заземленного нижнего ролика методом электростатической индукции с помощью заряженной пластины. Джон Грей также изобрел ленточную машину примерно в 1890 году. [4] Еще одну, более сложную ленточную машину, изобрел в 1903 году Хуан Бурбоа. [1] [5] Более непосредственным источником вдохновения для Ван де Граафа стал генератор, который WFG Swann разработал в 1920-х годах, в котором заряд передавался на электрод с помощью падающих металлических шариков, тем самым возвращаясь к принципу капельницы Кельвина. [1] [6]
Начальная разработка [ править ]
Генератор Ван де Граафа был разработан в 1929 году физиком Робертом Дж. Ван де Граафом из Принстонского университета при помощи коллеги Николаса Бёрка. Первая модель была продемонстрирована в октябре 1929 года. [7] В первой машине использовалась обычная консервная банка, небольшой моторчик и шелковая лента, купленная в магазине за пять центов . После этого он пошел к заведующему физическим факультетом и попросил 100 долларов на создание улучшенной версии. Деньги ему удалось получить, хотя и с некоторыми трудностями. К 1931 году он мог сообщить о достижении напряжения в 1,5 миллиона вольт, заявив: «Машина проста, недорога и портативна. Единственную необходимую мощность обеспечивает обычная ламповая розетка». [8] [9] Согласно патентной заявке, он имел две сферы накопления заряда диаметром 60 см, закрепленные на колоннах из боросиликатного стекла высотой 180 см; В 1931 году аппарат стоил 90 долларов. [10] [11]
Ван де Грааф подал заявку на второй патент в декабре 1931 года, который был передан Массачусетскому технологическому институту в обмен на долю чистой прибыли; патент был позже выдан. [12]
В 1933 году Ван де Грааф построил модель длиной 40 футов (12 м) на объекте Массачусетского технологического института в Раунд-Хилле , использование которой было пожертвовано полковником Эдвардом Х.Р. Грином . [13] Одним из последствий расположения этого генератора в авиационном ангаре стал «эффект голубя»: искрение от скопившегося помета на внешней поверхности сфер. [14]
Машины с более высокой энергией [ править ]
В 1937 году компания Westinghouse Electric машину Westinghouse Atom Smasher длиной 65 футов (20 м), способную генерировать энергию 5 МэВ построила в Форест-Хиллз, штат Пенсильвания, . Это положило начало ядерным исследованиям для гражданского применения. [15] [16] Он был выведен из эксплуатации в 1958 году и частично снесен в 2015 году. [17] (В целях безопасности корпус был уложен набок.) [18]
Более поздней разработкой является тандемный ускоритель Ван де Граафа, содержащий один или несколько генераторов Ван де Граафа, в которых отрицательно заряженные ионы ускоряются за счет одной разности потенциалов , а затем отрываются от двух или более электронов внутри высоковольтной клеммы и ускоряются. снова. Пример трехступенчатой работы был построен в Оксфордской ядерной лаборатории в 1964 году из однотактного «инжектора» на 10 МВ и тандема EN на 6 МВ. [19] [ нужна страница ]
К 1970-м годам на конце тандема можно было достичь напряжения в 14 МВ, в котором использовался резервуар с газом гексафторида серы (SF 6 ) под высоким давлением для предотвращения искрения за счет улавливания электронов. Это позволило генерировать пучки тяжелых ионов мощностью в несколько десятков МэВ, достаточные для изучения прямых ядерных реакций легких ионов. Наибольший потенциал, поддерживаемый ускорителем Ван де Граафа, составляет 25,5 МВ, достигнутый тандемом в Холифилдской установке радиоактивных ионных пучков в Национальной лаборатории Ок-Ридж . [20]
Дальнейшим развитием является пеллетрон , где резиновая или тканевая лента заменена цепочкой коротких токопроводящих стержней, соединенных изолирующими звеньями, а воздухоионизирующие электроды заменены заземленным роликом и индуктивным зарядным электродом. Цепь может работать с гораздо большей скоростью, чем ремень, а достижимые напряжения и токи намного выше, чем у обычного генератора Ван де Граафа. В ускорителе тяжелых ионов 14 UD Австралийского национального университета находится пеллетрон мощностью 15 МВ. Его цепи имеют длину более 20 м и могут двигаться со скоростью более 50 км/ч (31 миль в час). [21]
Установка ядерной структуры (NSF) в лаборатории Дарсбери была предложена в 1970-х годах, введена в эксплуатацию в 1981 году и открыта для экспериментов в 1983 году. Она состояла из тандемного генератора Ван де Граафа, регулярно работающего на 20 МВ и размещенного в необычном здании высотой 70 м. . За время своего существования он ускорил 80 различных ионных пучков для экспериментального использования, от протонов до урана. Особенностью была возможность ускорять редкие изотопные и радиоактивные пучки. Возможно, самым важным открытием, сделанным с помощью NSF, было открытие сверхдеформированных ядер. Эти ядра, образующиеся в результате слияния более легких элементов, вращаются очень быстро. Характер гамма-лучей, испускаемых при замедлении, предоставил подробную информацию о внутренней структуре ядра. [22] После финансовых сокращений NSF закрылся в 1993 году. [23]
Описание [ править ]
Простой генератор Ван де Граафа состоит из ленты из резины (или аналогичного гибкого диэлектрического материала), движущейся по двум роликам из разного материала, один из которых окружен полой металлической сферой. в форме гребенки Возле каждого ролика располагается металлический электрод с острыми кончиками (2 и 7 на схеме). Верхняя гребенка (2) соединена со сферой, а нижняя (7) с землей. Когда для привода ремня используется двигатель, трибоэлектрический эффект вызывает перенос электронов из разнородных материалов ремня и двух роликов. В показанном примере резина ремня станет отрицательно заряженной, а акриловое стекло верхнего ролика станет положительно заряженным. Ремень уносит отрицательный заряд на своей внутренней поверхности, а верхний ролик накапливает положительный заряд. [24]
Затем сильное электрическое поле, окружающее положительный верхний ролик (3), индуцирует очень сильное электрическое поле вблизи кончиков близлежащей гребенки (2). В кончиках гребенки поле становится достаточно сильным, чтобы ионизировать молекулы воздуха. Электроны молекул воздуха притягиваются к внешней стороне ремня, а положительные ионы направляются к гребенке. В гребенке они нейтрализуются электронами металла, в результате чего гребенка и прикрепленная к ней внешняя оболочка (1) остаются с меньшим количеством чистых электронов и суммарным положительным зарядом. По закону Гаусса (как показано в эксперименте с ведром Фарадея ) избыточный положительный заряд накапливается на внешней поверхности внешней оболочки, не оставляя электрического поля внутри оболочки. Продолжение движения ремня вызывает дополнительную электростатическую индукцию, которая может накапливать большое количество заряда на корпусе. Заряд будет продолжать накапливаться до тех пор, пока скорость заряда, покидающего сферу (за счет утечки и коронного разряда ), не сравняется со скоростью, с которой новый заряд переносится в сферу поясом. [24]
За пределами терминальной сферы из-за высокого напряжения на сфере возникает сильное электрическое поле, которое предотвращает добавление дальнейшего заряда извне. Однако, поскольку электрически заряженные проводники не имеют никакого электрического поля внутри, заряды могут добавляться непрерывно изнутри без необходимости преодоления полного потенциала внешней оболочки.
Чем больше сфера и чем дальше она от земли, тем выше ее пиковый потенциал. Знак заряда (положительный или отрицательный) можно контролировать подбором материалов ленты и роликов. Более высоких потенциалов на сфере также можно достичь, используя источник напряжения для прямой зарядки ремня, а не полагаясь исключительно на трибоэлектрический эффект.
Для работы клемма генератора Ван де Граафа не обязательно должна иметь сферическую форму, и на самом деле оптимальной формой является сфера с закруглением внутрь вокруг отверстия, в которое входит ремень. Закругленная клемма минимизирует электрическое поле вокруг нее, позволяя достигать больших потенциалов без ионизации воздуха или другого диэлектрического газа , окружающего ее. Поскольку генератор Ван де Граафа может выдавать один и тот же небольшой ток практически при любом уровне электрического потенциала, он является примером почти идеального источника тока .
Максимально достижимый потенциал примерно равен радиусу сферы R, умноженному на электрическое поле E max, при котором в окружающем газе начинают формироваться коронные разряды. Для воздуха при стандартной температуре и давлении ( СТП ) поле пробоя составляет около 30 кВ/см . Следовательно, можно ожидать, что полированный сферический электрод диаметром 30 сантиметров (12 дюймов) будет развивать максимальное напряжение V max = R · E max около 450 кВ . Это объясняет, почему генераторы Ван де Граафа часто изготавливаются с максимально возможным диаметром. [25]
Использовать в качестве ускорителя частиц [ править ]
Первоначальной мотивацией для разработки генератора Ван де Граафа было использование источника высокого напряжения для ускорения частиц для экспериментов по ядерной физике. [1] Высокая разность потенциалов между поверхностью терминала и землей приводит к созданию соответствующего электрического поля . Когда источник ионов расположен вблизи поверхности сферы (обычно внутри самой сферы), поле будет ускорять заряженные частицы соответствующего знака от сферы. Изолируя генератор сжатым газом, можно повысить напряжение пробоя, увеличив максимальную энергию ускоренных частиц. [25]
ускорители Тандемные
Ускорители пучков частиц Ван де Граафа часто используются в « тандемной » конфигурации с терминалом высокого потенциала, расположенным в центре машины. Отрицательно заряженные ионы вводятся с одного конца, где под действием силы притяжения они ускоряются по направлению к терминалу. Когда частицы достигают терминала, они лишаются некоторых электронов, чтобы сделать их положительно заряженными, и впоследствии ускоряются силами отталкивания от терминала. Такая конфигурация обеспечивает два ускорения за стоимость одного генератора Ван де Граафа и имеет дополнительное преимущество, заключающееся в том, что приборы источника ионов остаются доступными при потенциале земли. [25]
Пеллетрон [ править ]
Пеллетрон — это разновидность тандемного ускорителя, разработанная для устранения некоторых недостатков использования ремня для передачи заряда на клемму высокого напряжения. В пеллетроне лента заменена «пеллетами» — металлическими сферами, соединенными изолирующими звеньями в цепочку. Эта цепочка сфер выполняет ту же функцию, что и ремень в традиционном ускорителе Ван де Граффа – передает заряд к клемме высокого напряжения. Отдельные заряженные сферы и более высокая прочность цепи означают, что на клемме высокого напряжения можно достичь более высокого напряжения и быстрее передать заряд на клемму. [25]
Генераторы развлечений и образования [ править ]
Самый большой в мире генератор Ван де Граафа с воздушной изоляцией, построенный доктором Ван де Граафом в 1930-х годах, теперь постоянно экспонируется в Бостонском Музее науки . С помощью двух соединенных алюминиевых сфер длиной 4,5 м (15 футов), стоящих на колоннах высотой 22 фута (6,7 м), этот генератор часто может получать напряжение 2 МВ (2 миллиона вольт ). Шоу с использованием генератора Ван де Граафа и нескольких катушек Тесла проводятся два-три раза в день. [26] Во многих научных музеях, таких как Американский музей науки и энергетики , выставлены небольшие генераторы Ван де Граафа, которые используют их статические свойства для создания «молний» или поднятия волос у людей. Генераторы Ван де Граафа также используются в школах и на научных выставках. [27]
Сравнение с другими электростатическими генераторами [ править ]
Другие электростатические машины , такие как машина Вимшерста или машина Бонетти, работают аналогично генератору Ван Де Граафа; Заряд переносится движущимися пластинами, дисками или цилиндрами к электроду высокого напряжения. Однако для этих генераторов коронный разряд на открытых металлических частях с высоким потенциалом и плохая изоляция приводят к меньшим напряжениям. В электростатическом генераторе скорость переноса заряда ( тока ) на высоковольтный электрод очень мала. После запуска машины напряжение на концевом электроде увеличивается до тех пор, пока ток утечки с электрода не сравняется со скоростью переноса заряда. Следовательно, утечка на клемме определяет максимально достижимое напряжение. В генераторе Ван де Граафа ремень позволяет переносить заряд внутрь большого полого сферического электрода. Это идеальная форма для минимизации утечки и коронного разряда, поэтому генератор Ван де Граафа может производить максимальное напряжение. Вот почему конструкция Ван де Граафа использовалась для всех электростатических ускорителей частиц. В общем, чем больше диаметр и чем более гладкая сфера, тем более высокого напряжения можно достичь. [28] [ нужна проверка ] [ нужен лучший источник ]
Патенты [ править ]
- Патент США № 1 991 236 — « Электростатический генератор ».
- Патент США 2922905 — « Устройство для уменьшения электронной нагрузки в ускорителях положительных ионов ».
См. также [ править ]
- Электростатическая левитация - процесс левитации заряженного объекта с помощью электрических полей.
- Клетка Фарадея - корпус из проводящей сетки, используемый для блокировки электрических полей.
- Прядение металла - Процесс металлообработки - Процесс металлообработки, используемый для изготовления тонких металлических сфер.
- Катушка Удина – схема резонансного трансформатора
- Катушка Теслы - схема электрического резонансного трансформатора, изобретенная Николой Теслой.
Ссылки [ править ]
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и Ван де Грааф, Р.Дж.; Комптон, Коннектикут; Ван Атта, LC (февраль 1933 г.). «Электростатическое производство высокого напряжения для ядерных исследований» (PDF) . Физический обзор . 43 (3): 149–157. Бибкод : 1933PhRv...43..149В . дои : 10.1103/PhysRev.43.149 . Проверено 31 августа 2015 г.
- ^ Кэссидей, Лаура (10 июля 2014 г.). «Техника дыбом обнаруживает на теле человека наркотики, взрывчатые вещества» . Наука . doi : 10.1126/article.22861 (неактивен 31 января 2024 г.) . Проверено 10 мая 2022 г.
{{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на январь 2024 г. ( ссылка ) - ^ Томсон, Уильям (ноябрь 1867 г.). «Об самодействующем аппарате для умножения и поддержания электрических зарядов с приложениями к теории Вольта» . Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал и научный журнал . Серия 4. 34 (231): 391–396 . Проверено 1 сентября 2015 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Грей, Джон (1890). Машины электрического воздействия . Лондон: Уиттакер и Ко, стр. 187–190.
- ^ Патент США №. 776997, Хуан Г.Х. Бурбоа Статическая электрическая машина , подана: 13 августа 1903 г., выдана: 6 декабря 1904 г.
- ^ Суонн, WFG (1928). «Устройство для получения высоких потенциалов». Журнал Института Франклина . 205 : 828.
- ^ «Роберт Джемисон Ван де Грааф» . Институт химии – Еврейский университет в Иерусалиме . Архивировано из оригинала 4 сентября 2006 г. Проверено 31 августа 2006 г.
- ^ ван де Грааф, Р.Дж. (15 ноября 1931). «Протокол собрания в Скенектади от 10, 11 и 12 сентября 1931 года: электростатический генератор на 1 500 000 вольт». Физический обзор . 38 (10). Американское физическое общество (APS): 1919–1920. doi : 10.1103/physrev.38.1915 . ISSN 0031-899X .
- ^ Время Нильса Бора , Авраам Паис, Oxford University Press, 1991, стр.378-379.
- ^ «Генератор Ван де Граафа», в «Справочнике по электротехнике», (редактор), CRC Press, Бока-Ратон, Флорида, США, 1993 г. ISBN 0-8493-0185-8
- ^ Вольф, МФ (июль 1990 г.). «Генератор Ван де Граафа». IEEE-спектр . 27 (7): 46. дои : 10.1109/6.58426 . S2CID 43715110 .
- ^ «Этот месяц в истории физики: 12 февраля 1935 года: выдан патент на генератор Ван де Граафа» . Новости АПС . 20 (2). Февраль 2011 года . Проверено 10 мая 2022 г.
- ^ Томас, Уильям (7 сентября 2016 г.). «Профиль Джона Трампа, дяди Дональда, опытного ученого» . Физика сегодня . дои : 10.1063/PT.5.9068 . Проверено 10 мая 2022 г.
- ^ Уилсон, EJN «Обзор ускорителей» (PDF) . Ускорительный институт . ЦЕРН . Проверено 10 мая 2022 г.
- ^ Токер, Франклин (2009). Питтсбург: новый портрет . Издательство Питтсбургского университета. п. 470. ИСБН 9780822943716 .
- ^ «Ускоритель частиц Ван де Граафа, Westinghouse Electric and Manufacturing Co., Питтсбург, Пенсильвания, 7 августа 1945 года» . Изучите историю Пенсильвании . ВИТФ-ТВ . Проверено 19 февраля 2015 г.
- ^ О'Нил, Брайан (25 января 2015 г.). «Брайан О'Нил: С падением атомной ракеты в Форест-Хиллз часть истории рушится» . Питтсбург Пост-Газетт .
- ^ «Атомная установка в Форест-Хиллз снесена; восстановление обещано» . Питтсбург Пост-Газетт . Проверено 17 января 2022 г.
- ^ Дж. Такач, Энергетическая стабилизация электростатических ускорителей , John Wiley and Sons, Чичестер, 1996.
- ^ «Американское физическое общество называет объект Холифилда ORNL историческим физическим объектом» . Окриджская национальная лаборатория.
- ^ «Ускоритель частиц» . Ноябрь 2002 г. Архивировано из оригинала 8 июня 2019 г.
- ^ Дж. С. Лилли, 1982 Phys. Скр. 25 435-442 дои : 10.1088/0031-8949/25/3/001 )
- ^ Дэвид Диксон. «Занавес падает на британский ядерный объект» (PDF) . Издательская группа «Природа» . Проверено 6 февраля 2024 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б «Генератор Ван де Граафа – МагЛаб» . Nationalmaglab.org . Национальная лаборатория сильных магнитных полей . Проверено 10 мая 2022 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д Хинтербергер, Ф. «Электростатические ускорители» (PDF) . ЦЕРН . Проверено 10 мая 2022 г.
- ^ «Молния! | Музей науки, Бостон» . www.mos.org . Бостонский музей науки . Проверено 11 мая 2022 г.
- ^ «Чудеса генератора Ван де Граафа» . Мир науки . Мир науки Ванкувера . Проверено 11 мая 2022 г.
- ^ «Электростатическая машина Бонетти» . www.coe.ufrj.br. Проверено 14 сентября 2010 г.
Внешние ссылки [ править ]
- Как работают генераторы Ван де Граафа , как построить, HowStuffWorks
- Интерактивное руководство по Java - Национальная лаборатория сильных магнитных полей генератора Ван де Граафа
- Тандемный ускоритель Ван де Граафа Университет Западного Мичигана Физика
- Доктор Огромная машина Ван де Граафа в Музее науки
- Генератор Ван де Граафа Часто задаваемые вопросы , любитель науки
- Иллюстрация из отчета о генераторе Ван де Граафа. Из «Отчета о ходе работы над высоковольтным генератором Массачусетского технологического института в Раунд-Хилл». Архивировано 9 мая 2015 г. на Wayback Machine.
- Никола Тесла , « Возможности электростатических генераторов».
DOC ». Scientific American, март 1934 г. (формат .doc) - Паоло Бренни, Генератор Ван де Граафа - электростатическая машина для ХХ века. Бюллетень Общества научных приборов № 63 (1999).
- Шарье Жак « Генератор Ван де Граафа ». Факультет наук Нанта.
- Хеллборг, Рагнар, изд. Электростатические ускорители: основы и применение [Нью-Йорк, Нью-Йорк: Springer, 2005]. Доступно в Интернете по адресу: https://books.google.com/books?id=tc6CEuIV1jEC&pg=PA51&lpg=PA51&dq=electrostatic+accelerator+book .
- Американское физическое общество назвало объект Холифилда ORNL историческим физическим объектом
