stringtranslate.com

Генератор Ван де Граафа

Генератор Ван де Граафа — это электростатический генератор , который использует движущуюся ленту для накопления электрического заряда на полом металлическом шаре наверху изолированной колонны, создавая очень высокие электрические потенциалы . Он производит электричество постоянного тока очень высокого напряжения (DC) при низких уровнях тока. Он был изобретен американским физиком Робертом Дж. Ван де Грааффом в 1929 году. [1] Разность потенциалов, достигаемая современными генераторами Ван де Граафа, может достигать 5 мегавольт. Настольная версия может производить порядка 100 кВ и может хранить достаточно энергии для создания видимых электрических искр . Небольшие машины Ван де Граафа производятся для развлечения и для обучения физике, чтобы преподавать электростатику ; более крупные экспонируются в некоторых научных музеях .

Генератор Ван де Граафа изначально был разработан как ускоритель частиц для физических исследований, поскольку его высокий потенциал может быть использован для ускорения субатомных частиц до больших скоростей в вакуумной трубке. Это был самый мощный тип ускорителя до тех пор, пока в начале 1930-х годов не был разработан циклотрон . Генераторы Ван де Граафа до сих пор используются в качестве ускорителей для генерации энергичных частиц и рентгеновских пучков для ядерных исследований и ядерной медицины . [2]

Напряжение, создаваемое машиной Ван де Граафа на открытом воздухе, ограничивается дугой и коронным разрядом до примерно 5 МВ. Большинство современных промышленных машин заключены в герметичный бак с изолирующим газом; они могут достигать потенциалов до примерно 25 МВ.

История

Ускоритель атомов Westinghouse ,Генератор Ван де Граафа мощностью 5  МэВ, построенный в 1937 году компанией Westinghouse Electric в Форест-Хиллз, штат Пенсильвания.
Этот генератор Ван де Граафа первого венгерского линейного ускорителя частиц достиг 700 кВ в 1951 году и 1000 кВ в 1952 году.
Ускоритель частиц Ван де Граафа в герметичном баке в Университете Пьера и Марии Кюри в Париже

Фон

Концепция электростатического генератора, в котором заряд механически транспортируется в небольших количествах внутрь высоковольтного электрода, возникла с капельницей Кельвина , изобретенной в 1867 году Уильямом Томсоном (лорд Кельвин), [3] в которой заряженные капли воды падают в ведро с зарядом той же полярности, добавляя заряд. [4] В машине такого типа гравитационная сила перемещает капли против противоположного электростатического поля ведра. Сам Кельвин первым предложил использовать ремень для переноса заряда вместо воды. Первая электростатическая машина, которая использовала бесконечную ленту для переноса заряда, была построена в 1872 году Аугусто Риги . [1] [4] Она использовала резиновую ленту с проволочными кольцами по всей ее длине в качестве носителей заряда, которые переходили в сферический металлический электрод. Заряд подавался на ленту с заземленного нижнего ролика посредством электростатической индукции с помощью заряженной пластины. Джон Грей также изобрел ленточную машину около 1890 года. [4] Еще одна более сложная ленточная машина была изобретена в 1903 году Хуаном Бурбоа [1] [5] Более непосредственным источником вдохновения для Ван де Граафа был генератор, который В. Ф. Г. Суонн разрабатывал в 1920-х годах, в котором заряд переносился на электрод падающими металлическими шариками, таким образом возвращаясь к принципу капельницы Кельвина. [1] [6]

Начальная разработка

Генератор Ван де Граафа был разработан в 1929 году физиком Робертом Дж. Ван де Грааффом в Принстонском университете с помощью коллеги Николаса Берка. Первая модель была продемонстрирована в октябре 1929 года. [7] Первая машина использовала обычную консервную банку, небольшой мотор и шелковую ленту, купленную в магазине «все по пять центов» . После этого он пошел к заведующему кафедрой физики с просьбой дать ему 100 долларов на создание улучшенной версии. Он получил деньги, хотя и с некоторыми трудностями. К 1931 году он смог сообщить о достижении 1,5 миллиона вольт, сказав: «Машина проста, недорога и портативна. Обычный патрон лампы обеспечивает единственную необходимую мощность». [8] [9] Согласно патентной заявке, она имела две сферы для накопления заряда диаметром 60 см, установленные на колоннах из боросиликатного стекла высотой 180 см; в 1931 году аппарат стоил 90 долларов. [10] [11]

В декабре 1931 года Ван де Грааф подал заявку на второй патент, который был передан Массачусетскому технологическому институту в обмен на долю чистого дохода; позднее патент был выдан. [12]

В 1933 году Ван де Грааф построил 40-футовую (12-метровую) модель на объекте Массачусетского технологического института в Раунд-Хилле , использование которой было передано в дар полковником Эдвардом Х. Р. Грином . [13] Одним из последствий расположения этого генератора в авиационном ангаре стал «эффект голубя»: образование дуги из-за скопившегося помета на внешней поверхности сфер. [14]

Машины с более высокой энергией

В 1937 году компания Westinghouse Electric построила в Форест-Хиллз, штат Пенсильвания, машину длиной 65 футов (20 м) — Westinghouse Atom Smasher , способную генерировать 5 МэВ . Она ознаменовала начало ядерных исследований для гражданских целей. [15] [16] Она была выведена из эксплуатации в 1958 году и частично снесена в 2015 году. [17] (Из соображений безопасности корпус был положен на бок.) [18]

Более недавняя разработка — тандемный ускоритель Ван де Граафа, содержащий один или несколько генераторов Ван де Граафа, в котором отрицательно заряженные ионы ускоряются через одну разность потенциалов , прежде чем они будут лишены двух или более электронов внутри высоковольтного терминала и снова ускоряются. Пример трехступенчатой ​​операции был построен в Оксфордской ядерной лаборатории в 1964 году из 10 МВ одностороннего «инжектора» и 6 МВ EN тандема. [19] [ нужна страница ]

К 1970-м годам на конце тандема, который использовал резервуар с газом гексафторидом серы высокого давления (SF 6 ), чтобы предотвратить искрение при захвате электронов, можно было достичь 14 МВ. Это позволило генерировать пучки тяжелых ионов в несколько десятков МэВ, достаточных для изучения прямых ядерных реакций легких ионов. Наибольший потенциал, поддерживаемый ускорителем Ван де Граафа, составляет 25,5 МВ, достигнутый тандемом в Holifield Radioactive Ion Beam Facility в Oak Ridge National Laboratory . [20]

Дальнейшим развитием является пеллетрон , в котором резиновая или тканевая лента заменена цепью коротких проводящих стержней, соединенных изолирующими связями, а воздухоионизирующие электроды заменены заземленным роликом и индуктивным зарядным электродом. Цепь может работать с гораздо большей скоростью, чем лента, а как напряжение, так и токи, достигаемые намного больше, чем с обычным генератором Ван де Граафа. Ускоритель тяжелых ионов 14 UD в Австралийском национальном университете вмещает пеллетрон 15 MV. Его цепи имеют длину более 20 м и могут двигаться быстрее 50 км/ч (31 миль/ч). [21]

Ядерная структура Facility (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, работающего в обычном режиме при 20 МВ, размещенного в отличительном здании высотой 70 м. За время своего существования она ускорила 80 различных ионных пучков для экспериментального использования, от протонов до урана. Особой особенностью была способность ускорять редкие изотопные и радиоактивные пучки. Возможно, самым важным открытием, сделанным с помощью NSF, было открытие сверхдеформированных ядер. Эти ядра, образованные в результате слияния более легких элементов, вращаются очень быстро. Картина гамма-лучей, испускаемых при замедлении, предоставила подробную информацию о внутренней структуре ядра. [22] После финансовых сокращений NSF закрылся в 1993 году. [23]

Описание

Схема генератора Ван де Граафа

Простой генератор Ван де Граафа состоит из ленты из резины (или подобного гибкого диэлектрического материала), движущейся по двум роликам из разного материала, один из которых окружен полой металлической сферой. Металлический электрод в форме гребня с острыми концами (2 и 7 на схеме) расположен около каждого ролика. Верхняя гребень (2) соединена со сферой, а нижняя (7) с землей. Когда для привода ленты используется двигатель, трибоэлектрический эффект вызывает перенос электронов из разнородных материалов ленты и двух роликов. В показанном примере резина ленты станет отрицательно заряженной, в то время как акриловое стекло верхнего ролика станет положительно заряженным. Лента уносит отрицательный заряд на своей внутренней поверхности, в то время как верхний ролик накапливает положительный заряд. [24]

Затем сильное электрическое поле, окружающее положительный верхний ролик (3), индуцирует очень сильное электрическое поле вблизи точек близлежащего гребня (2). В точках гребня поле становится достаточно сильным, чтобы ионизировать молекулы воздуха. Электроны из молекул воздуха притягиваются к внешней стороне ремня, в то время как положительные ионы направляются к гребню. На гребне они нейтрализуются электронами из металла, таким образом оставляя гребень и прикрепленную внешнюю оболочку (1) с меньшим количеством чистых электронов и чистым положительным зарядом. По закону Гаусса (как показано в эксперименте с ледяным ведром Фарадея ) избыточный положительный заряд накапливается на внешней поверхности внешней оболочки, не оставляя электрического поля внутри оболочки. Продолжение движения ремня вызывает дальнейшую электростатическую индукцию, которая может накапливать большие количества заряда на оболочке. Заряд будет продолжать накапливаться до тех пор, пока скорость выхода заряда из сферы (через утечку и коронный разряд ) не сравняется со скоростью, с которой новый заряд переносится в сферу ремнем. [24]

Снаружи терминальной сферы высокое электрическое поле возникает из-за высокого напряжения на сфере, что препятствует добавлению дополнительного заряда извне. Однако, поскольку электрически заряженные проводники не имеют никакого электрического поля внутри, заряды могут непрерывно добавляться изнутри без необходимости преодоления полного потенциала внешней оболочки.

Искра, вырабатываемая генератором Ван де Граафа в Музее науки в Бостоне , Массачусетс

Чем больше сфера и чем дальше она от земли, тем выше ее пиковый потенциал. Знак заряда (положительный или отрицательный) можно контролировать выбором материалов для ремня и роликов. Более высокие потенциалы на сфере можно также получить, используя источник напряжения для зарядки ремня напрямую, а не полагаясь исключительно на трибоэлектрический эффект.

Терминал генератора Ван де Граафа не обязательно должен быть сферическим для работы, и фактически оптимальной формой является сфера с внутренней кривизной вокруг отверстия, куда входит ремень. Закругленный терминал минимизирует электрическое поле вокруг него, позволяя достигать больших потенциалов без ионизации воздуха или другого диэлектрического газа , окружающего его. Поскольку генератор Ван де Граафа может подавать тот же самый небольшой ток практически на 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 около30 кВ/см . Таким образом, можно ожидать, что полированный сферический электрод диаметром 30 сантиметров (12 дюймов) будет развивать максимальное напряжение V max = R · E max около450 кВ . Это объясняет, почему генераторы Ван де Граафа часто изготавливаются с максимально возможным диаметром. [25]

Использовать как ускоритель частиц

Упрощенная схема тандемного ускорителя

Первоначальная мотивация для разработки генератора Ван де Граафа заключалась в том, чтобы использовать его в качестве источника высокого напряжения для ускорения частиц в экспериментах по ядерной физике. [1] Высокая разность потенциалов между поверхностью терминала и землей приводит к возникновению соответствующего электрического поля . Когда источник ионов размещается вблизи поверхности сферы (обычно внутри самой сферы), поле будет ускорять заряженные частицы соответствующего знака от сферы. Изолируя генератор сжатым газом, можно повысить напряжение пробоя, увеличивая максимальную энергию ускоренных частиц. [25]

Тандемные ускорители

Тандемный ускоритель Ван де Граафа в NCSRD в Греции

Ускорители Ван де Граафа с пучком частиц часто используются в конфигурации « тандем » с высокопотенциальным терминалом, расположенным в центре машины. Отрицательно заряженные ионы инжектируются на одном конце, где они ускоряются силой притяжения по направлению к терминалу. Когда частицы достигают терминала, они лишаются некоторых электронов, что делает их положительно заряженными, и впоследствии ускоряются силами отталкивания от терминала. Такая конфигурация приводит к двум ускорениям по стоимости одного генератора Ван де Граафа и имеет дополнительное преимущество, оставляя аппаратуру источника ионов доступной вблизи потенциала земли. [25]

Пеллетрон

Пеллетрон — это тип тандемного ускорителя, разработанный для преодоления некоторых недостатков использования ремня для передачи заряда к высоковольтному терминалу. В пеллетроне ремень заменен «пеллетами», металлическими сферами, соединенными изолирующими звеньями в цепь. Эта цепочка сфер выполняет ту же функцию, что и ремень в традиционном ускорителе Ван де Граффа — передавать заряд к высоковольтному терминалу. Отдельные заряженные сферы и более высокая прочность цепи означают, что на высоковольтном терминале можно достичь более высокого напряжения, и заряд может передаваться к терминалу быстрее. [25]

Генераторы развлечений и образования

Самый большой в мире генератор Ван де Граафа с воздушной изоляцией, построенный доктором Ван де Грааффом в 1930-х годах, теперь постоянно экспонируется в Бостонском музее науки . С двумя соединенными 4,5-метровыми (15-футовыми) алюминиевыми сферами, стоящими на колоннах высотой 22 фута (6,7 м), этот генератор часто может получить 2 МВ (2 миллиона вольт ). Шоу с использованием генератора Ван де Граафа и нескольких катушек Теслы проводятся два-три раза в день. [26] Во многих научных музеях, таких как Американский музей науки и энергетики , выставлены на обозрение малогабаритные генераторы Ван де Граафа, и они используют свои статические свойства для создания «молний» или для того, чтобы заставить волосы людей встать дыбом. Генераторы Ван де Граафа также используются в школах и на научных шоу. [27]

Сравнение с другими электростатическими генераторами

Другие электростатические машины, такие как машина Вимшурста или машина Бонетти, работают аналогично генератору Ван де Граафа; заряд переносится движущимися пластинами, дисками или цилиндрами на высоковольтный электрод. Однако для этих генераторов коронный разряд с открытых металлических частей при высоких потенциалах и более слабая изоляция приводят к меньшим напряжениям. В электростатическом генераторе скорость переноса заряда ( ток ) на высоковольтный электрод очень мала. После запуска машины напряжение на конечном электроде увеличивается до тех пор, пока ток утечки с электрода не сравняется со скоростью переноса заряда. Таким образом, утечка с терминала определяет максимально достижимое напряжение. В генераторе Ван де Граафа ремень позволяет переносить заряд во внутреннюю часть большого полого сферического электрода. Это идеальная форма для минимизации утечки и коронного разряда, поэтому генератор Ван де Граафа может вырабатывать наибольшее напряжение. Вот почему конструкция Ван де Граафа использовалась для всех электростатических ускорителей частиц. В общем, чем больше диаметр и чем глаже сфера, тем выше напряжение, которого можно достичь. [28] [ необходима проверка ] [ необходим лучший источник ]

Патенты

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcde Van de Graaff, RJ; Compton, KT; Van Atta, LC (февраль 1933 г.). «Электростатическое производство высокого напряжения для ядерных исследований» (PDF) . Physical Review . 43 (3): 149–157. Bibcode :1933PhRv...43..149V. doi :10.1103/PhysRev.43.149 . Получено 31 августа 2015 г. .
  2. ^ Кэссидей, Лора (10 июля 2014 г.). «Техника обнаружения наркотиков и взрывчатых веществ на теле человека с помощью волосяного покрова». Science . doi :10.1126/article.22861 (неактивен 2024-09-12) . Получено 10 мая 2022 г. .{{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на сентябрь 2024 г. ( ссылка )
  3. ↑ Томсон, Уильям (ноябрь 1867 г.). «О самодействующем аппарате для умножения и поддержания электрических зарядов с приложениями к теории Вольта». The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science . Серия 4. 34 (231): 391–396 . Получено 1 сентября 2015 г.
  4. ^ abc Грей, Джон (1890). Электрические машины влияния. Лондон: Whittaker and Co., стр. 187–190.
  5. ^ Патент США № 776997, Хуан Г. Х. Бурбоа Статическая электрическая машина, подан: 13 августа 1903 г., выдан: 6 декабря 1904 г.
  6. ^ Сванн, ВФГ (1928). «Устройство для получения высоких потенциалов». Журнал Института Франклина . 205 : 828.
  7. ^ "Роберт Джемисон Ван де Грааф". Институт химии – Еврейский университет в Иерусалиме . Архивировано из оригинала 2006-09-04 . Получено 2006-08-31 .
  8. ^ van de Graaff, RJ (1931-11-15). «Протоколы заседания в Скенектади 10, 11 и 12 сентября 1931 г.: электростатический генератор на 1 500 000 вольт». Physical Review . 38 (10). Американское физическое общество (APS): 1919–1920. doi :10.1103/physrev.38.1915. ISSN  0031-899X.
  9. ^ Niels Bohr's Times , Авраам Пайс, Oxford University Press, 1991, стр. 378-379
  10. ^ «Генератор Ван де Граафа», в «Справочнике по электротехнике», (редактор), CRC Press, Бока-Ратон, Флорида, США, 1993 ISBN 0-8493-0185-8 
  11. ^ Вольф, МФ (июль 1990 г.). «Генератор Ван де Граафа». IEEE-спектр . 27 (7): 46. дои : 10.1109/6.58426. S2CID  43715110.
  12. ^ "Этот месяц в истории физики: 12 февраля 1935 г.: выдан патент на генератор Ван де Граафа". APS News . 20 (2). Февраль 2011 г. Получено 10 мая 2022 г.
  13. ↑ Томас, Уильям (7 сентября 2016 г.). «Профиль Джона Трампа, талантливого дяди Дональда, учёного». Physics Today (9): 22954. Bibcode :2016PhT..2016i2954T. doi :10.1063/PT.5.9068 . Получено 10 мая 2022 г.
  14. ^ Wilson, EJN "Обзор ускорителей" (PDF) . Accelerator Institute . CERN . Получено 10 мая 2022 г. .
  15. ^ Токер, Франклин (2009). Питтсбург: новый портрет. Издательство Питтсбургского университета. п. 470. ИСБН 9780822943716.
  16. ^ "Ускоритель частиц Ван де Граафа, Westinghouse Electric and Manufacturing Co., Питтсбург, Пенсильвания, 7 августа 1945 г.". Исследуйте историю Пенсильвании . WITF-TV . Получено 19 февраля 2015 г.
  17. ^ О'Нил, Брайан (25 января 2015 г.). «Брайан О'Нил: С падением атомного ускорителя в Форест-Хиллз рушится часть истории». Pittsburgh Post-Gazette .
  18. ^ "Атомный ускоритель в Форест-Хиллз снесен; обещана реставрация". Pittsburgh Post-Gazette . Получено 17.01.2022 .
  19. ^ J. Takacs, Энергетическая стабилизация электростатических ускорителей , John Wiley and Sons, Чичестер, 1996
  20. ^ «Американское физическое общество называет Холифилдский центр ORNL историческим физическим объектом». Национальная лаборатория Оук-Ридж. 25 июля 2016 г.
  21. ^ "Ускоритель частиц". Ноябрь 2002. Архивировано из оригинала 2019-06-08.
  22. ^ Дж. С. Лилли, 1982 Phys. Скр. 25 435-442 дои : 10.1088/0031-8949/25/3/001)
  23. ^ Дэвид Диксон (март 1993 г.). «Занавес падает на британский ядерный объект» (PDF) . Nature . 362 (6418). Nature Publishing Group: 278. doi :10.1038/362278b0 . Получено 6 февраля 2024 г. .
  24. ^ ab "Генератор Ван де Граафа – MagLab". nationalmaglab.org . Национальная лаборатория сильных магнитных полей . Получено 10 мая 2022 г. .
  25. ^ abcd Hinterberger, F. "Электростатические ускорители" (PDF) . CERN . Получено 10 мая 2022 г. .
  26. ^ "Молния! | Музей науки, Бостон". www.mos.org . Бостонский музей науки . Получено 11 мая 2022 г. .
  27. ^ "Чудеса генератора Ван Де Граафа" . Мир науки . Мир науки Ванкувера . Проверено 11 мая 2022 г.
  28. ^ "Электростатическая машина Бонетти". www.coe.ufrj.br . Получено 2010-09-14 .

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы, связанные с генераторами Ван де Граафа .