elektrostatyka, akceleratory, generator van de
graaffa

Dariusz SZYMAŃSKI

GENERATOR VAN DE GRAAFFA

W latach dwudziestych nastąpił wyścig, aby wybudować urządzenie zdolne do osiągania bardzo

wysokich energii. Przedsiębiorstwa wspierały te projekty, ponieważ przesyłanie prądu elektrycznego
najefektywniej przebiega przy wysokich napięciach. Inny rodzaj motywacji stanowiła potrzeba
wytwarzania wysokoenergetycznych promieni Roentgena w celu leczenia nowotworów. Do
niszczenia guzów używano już radu, ale był to bardzo kosztowny sposób i sądzono, że
promieniowanie o wysokiej energii będzie korzystniejsze. Dlatego przedsiębiorstwa oraz medyczne
instytuty badawcze wspierały rozwój urządzeń wytwarzających wysokie napięcia. W swoim artykule
chciałbym przedstawić jeden z pierwszych generatorów wysokich napięć mianowicie generator van
de Graaff`a. Wynaleziony on został w 1929 roku przez fizyka amerykańskiego Roberta J. Van de
Graaff`a. Jest to generator wysokiego napięcia. Referat będzie dotyczył budowy jak i zarówno zasady
działania. Warto również wspomnieć o problemie generowania napięć stałych, które nie jest takie
proste jakby się mogło wydawać. Warto również prześledzić jego wykorzystywanie po dziś dzień
jako akceleratora do przyspieszania cząstek.

1.RYS HISTORYCZNY

Na początki naszego wieku naukowcy prowadzili liczne eksperymenty z

wykorzystaniem naładowanych cząstek. Pierwszym źródłem, z jakiego pozyskiwali
takie cząstki były substancje promieniotwórcze. Wysyłają one na przykład cząstki alfa
o energii do 6 MeV, które wykorzystywane były w pierwszych sztucznych reakcjach
jądrowych.

Wyścig, w obszarze konstrukcji urządzeń zdolnych do osiągnięcia bardzo

wysokich energii zaczął się już w latach dwudziestych. Przedsiębiorstwa dostarczające
prąd elektryczny wspomagały naukowców w tych wysiłkach, ponieważ
przekazywanie energii elektrycznej przebiega najwydajniej przy wysokich napięciach.
Inny rodzaj motywacji stanowiła potrzeba wytwarzania wysokoenergetycznych
promieni Roentgena w celu leczenia nowotworów. Do niszczenia guzów używano już
radu, ale był to bardzo kosztowny sposób i sądzono, że promieniowanie o wysokiej

energii będzie korzystniejsze. Dlatego przedsiębiorstwa dostarczające prąd oraz
medyczne instytuty badawcze wspierały rozwój generatorów wysokiego napięcia.

Jako jednym z pierwszych był Robert Van de Graaff pracujący na Uniwersytecie

Yale i w MIT. Zbudował on urządzenie przekazujące ładunki elektryczne wzdłuż
bardzo długiego jedwabnego pasa do metalowej kuli. W ten sposób potencjał na
czaszy wzrastał stopniowo, aż dochodził do kilku milionów woltów. To był słynny
dziś i znany wszystkim uczniom generator Van de Graaffa. Ostatecznie generatory
Van de Graaffa stały się najchętniej stosowanymi urządzeniami w kategorii do 10
milionów, woltów, ale całe lata zajęło doskonalenie i dopracowywanie tego
wynalazku.

W chwili obecnej istnieje wiele rozwiązań umożliwiających wytwarzanie

wysokich napięć stałych. Jednym z najczęściej stosowanych jest układ z
przetwarzaniem. Układ taki zawiera najczęściej generator napięcia wysokiej
częstotliwości (rzędu kilku- kilkudziesięciu kHz), transformator wysokiego napięcia
oraz prostownik wraz z odpowiednimi filtrami zmniejszającymi pozostałość
składowej zmiennej na wyjściu zasilacza. Cały układ pracuje na napięciu stałym, ale
zasilany jest z sieci prądu zmiennego o częstotliwości przemysłowej (50-60 Hz). W
tym układzie następuje zmiana napięcia z przemiennego na stałe, następnie
podwyższenie jego częstotliwości np. 20kHz, transformacja napięcia na jego wyższą
wartość oraz prostowanie i filtrowanie składowej zmiennej.

Rys. 1 Schemat układu z przetwarzaniem wysokich częstotliwości

Podniesienie częstotliwości napięcia transformowanego pozwala wydatnie obniżyć

wymiary transformatora WN i w efekcie zmniejszyć wymiary całego źródła
wysokiego napięcia. Pomimo stosunkowo wysokiej sprawności wymienionych
układów realizowanych w oparciu o współczesne elementy elektroniczne, mają one
istotne wady, ograniczające a czasami wręcz uniemożliwiające ich zastosowanie w
konkretnym przypadku. Jedną z wad jest pozostałość na wyjściu zasilacza niewielkiej
składowej zmiennej, która w przypadku najwyższych napięć, może osiągać znaczne
wartości. Zastosowanie odpowiednich filtrów, przy bardzo dużym napięciu
wyjściowym może być problematyczne ze względy na ich wymiary. Stąd w
przypadku potrzeby dostarczania wysokich napięć, i małym poborze prądu
(niewielkich mocach średnich) nastąpił powrót do rozwiązań opracowanych
wcześniej.

Sieć 230/400V

50Hz

Prostownik

Generator mocy

wysokiej

częstotliwości

Transformator

wysokiego napięcia

Prostownik

oraz

zespół filtrów

2.BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA

Rys. 2 Schemat generatora Van de Graaffa

Prosty generator, składa się z elektrody w kształcie czaszy, gromadzącej ładunek

elektryczny oraz układu przenoszącego ten ładunek na elektrodę. Układ ten składa się
z pasa transmisyjnego wykonanego z nie przewodzącego materiał rozpiętego na
dwóch rolkach. Jest on napędzany silnikiem, gdzie im więcej obrotów ma układ
napędzający tym więcej ładunków dostaje się do elektrody zbiorczej. Skraca to czas
ładowanie generatora. Pas jest umieszczony wewnątrz elektrody i poprzez system
ostrzy przekazuje ładunki do czaszy. Pas transmisyjny jest elektryzowany poprzez
szczotkę z zewnętrznego generatora o wysokim napięciu stałym(rzędu kilku do
kilkunastu kV), w wyniku elektryzowania przez tarcie lub w wyniku zjawiska ulotu.
Jeden z biegunów generatora musi być uziemiony, co sprawia, że na pas dostają się
ładunki jednego znaku. Uzyskiwanie wysokiego napięcia (energii ładunków
elektrycznych) następuje w wyniku mechanicznego przenoszenia ich na izolującym
pasie transmisyjnym. A na elektrodę przekazywanie odbywa się na zasadzie rozpływu
ładunku elektrycznego na zewnątrz metalu (puszka Faradaya). Doprowadzony
ładunek sumuje się, ograniczająco wpływają na niego rezystancja izolacji.

szczotka zbierająca
ładunek z pasa
transmisyjnego

szczotka
przekazująca
ładunki na pas

S

il

ni

k

na

pę

dz

aj

ąc

y

pa

s

uziemienie rozładowujące pas

3.ZASTOSOWANIA

Obecnie używa się generatora do budowy niektórych typów akceleratorów.

Akceleratory, są to urządzenia do przyspieszania cząstek naładowanych (elektronów,
protonów, jonów, jąder atomowych). Ze względu na sposób przyspieszania cząstek
akceleratory dzielą się na: akceleratory elektrostatyczne, w którym cząstki poruszają
się w przybliżeniu po liniach prostych i są przyspieszane przez stałe pole elektryczne,
liniowe oraz akceleratory cykliczne; betatron, cyklotron, synchrotron,
synchrocyklotron. Generator van de Graaffa jest wykorzystywany do budowy
akceleratora liniowego (elektrostatycznego). Schemat jego budowy znajduje się
poniżej.

Zasada działania tego urządzenia opiera się na dostarczeniu ładunków do czaszy

generatora tak jak opisane to było w punkcie wyżej. Ruch pasa wynosi zebrane
ładunki ku górze do wnętrza kopuły, gdzie przez ostrze spływają one na

elektrodę

zbiorczą.

Potencjał

elektrody rośnie do momentu zrównania się tempa ubywania

ładunku przez upływ z szybkością jego doprowadzenia. Górna część rury akceleratora,
ze źródłem jonów (1), połączona jest z elektrodą zbiorczą. Dolny koniec rury, o
potencjale ziemi, zamknięty jest tarczą (2) bombardowaną przez przyspieszone
cząstki.

Rys. 3 Schemat akceleratora liniowego z generatorem wysokiego napięcia typu van de Graaffa

źródło

WN

do pompy
próżniowej

1

2

Generator van de Graaffa bywa często wykorzystywany w akceleratorze typu

tandem. W tandemie wykorzystuje się zjawisko przeładowania jonów. Na przykład,
ujemne jony wodoru H

−

są przyspieszone w kierunku dodatnio naładowanej kulistej

elektrody. Jony te po wejściu do wnętrza kuli przechodzą przez układ zmieniając ich
znaki z ujemnych na dodatnie. Efekt ten osiąga się przez przepuszczenie wiązki jonów
ujemnych przez cienką metalową folię, gdzie znaczna ich część traci po dwa elektrony
stając się w ten sposób dodatnio naładowanymi protonami.

Rys. 4 Schemat akceleratora typy tandem z generatorem van de Graaffa

4.VIVITRON

Rys. 5 Schemat akceleratora VIVITRON

d

e

f

c

b

a

d : akcelerator jonów
dodatnich
e : pas transmisyjny
f : układ zmieniający znak
jonów

a : źródło jonów ujemnych
b : źródło WN
c : akcelerator jonów
ujemnych

Elektroda

WN

Źródło jonów

Jony ujemne

Jony dodatnie

Rura zmieniająca

znak jonów

Pas

Zbiornik
ciśnieniowy

Rura akceleracyjna

Magnes

analizujący

Tarcza

Vivitron, jest obecnie jednym z największych akceleratorów elektrostatycznych na

świecie. Został zbudowany w Centrum Badań Jądrowych w Strasbourgu. Jak widać
jest to akcelerator typu tandem. Jego wymiary to 51m długości oraz jego średnica w
najszerszym punkcie wynosi 8,5m. Maksymalne napięcie, jakie może wygenerować to
30MV. Rzeczą interesująca jest, że pomimo tak wielkiego napięcia jakie jest tam
wytwarzane, prąd jest bardzo mały rzędu 50nA. Lekkie jony są rozpędzane do
prędkości 0,28c gdzie c oznacza prędkość światła. Projekty tej konstrukcji zaczęły się
w 1983r. Budowę rozpoczęto 1987, a pierwsze przyspieszone cząstki trafiły na
detektory w 1994r. Podczas 13 lat działania Vivitron był poważnie uszkodzony tylko
2 razy, co świadczy o jego niezawodności. Tutaj ujawnią się zalety takich generatorów
nad urządzeniami elektronicznymi służącymi do wytwarzania wysokich napięć
stałych. Generator van de Graaffa jest stosunkowo prosty budowie i nie zawiera wielu
elementów mechanicznych, a co zatem idzie nie ma wielu elementów, które mogłyby
się zepsuć. Jego jeszcze jedna poważną zaletą jest brak zakłóceń spowodowany
wpływem składowej zmiennej, tak jak ma to miejsce w przypadku urządzeń
zasilanych napięciem zmiennym. Dlatego, pomimo tak dużego postępu technicznego
jest dalej używany.

LITERATURA

[1] Bobrowski Czesław, Fizyka krótki kurs dla inżynierów, Wydawnictwo Naukowo – Techniczne 1978
[2] Encyklopedia popularna PWN, Warszaw 1994
[3] B. Heusch and Collaboratores, The Vivitron anh his first results, Strasbourg 1982
[4] ireswww.in2p3.fr/ires/recherche/vivitron/uk/welcome.html, 05.03.2007
[5] www.myzlab.pl/, 09.01.2007
[6] www.wikipedia.pl, 07.01.2007.

THE GENERATOR VAN DE GRAAFFA

The race started to build the clever device to achieving very high energies in years twentieth.

Enterprises supported these projects, because sending the electric in high tensions is the most effectively.
She made up the different kind of the justification one need production the high energetistic of rays
Roentgena in the aim of the treatment of tumours. Radium was already used to decay of bumps, but the
very expensive way was this and it was believed that the radiation about high energy would be more
profitable. That is why enterprises and medical investigative institutes supported the development of
devices producing high tensions. In my article i would like to introduce one from first generators of high
tensions namely the generator van de Graaff`a. He was invented in 1929 by the American physicist
Roberta J. Van de Graaff`a. This is the generator of the high tension. The report will relate to how it it
build and how it work. It is also proper remember about the problem generates solid tensions, which he
is not such easy as we think. Till now he is used as the accelerator of elementary entity.