Електростатичний генератор Ван де Граафа
Електростатичний генератор Ван де Граафа- прискорювач заряджених частинок, генератор високої напруги.
Для створення високої постійної напруги у генераторі Ван де Граафа використовуються електризація тертям. Таким методом можна досягти напруги до кількох мега вольт. Значення напруги обмежене виникненням коронного розряду між сферичними електродами. Відповідно, енергія прискорених частинок обмежена кількома М еВами на одиницю заряду.
З огляду на невелике прискорення електростатичний генератор дозволяє досліджувати лише низькоенергетичні ядерні реакції. Однак він знайшов широке прикладне використання у фізиці твердого тіла, як прилад, що дозволяє вивчати приповерхневі шари речовини, проводити іонну імплантацію і т.д.
1. Будова та принцип дії
Простий генератор Ван де Граафа складається з діелектричної (шовкової або гумової) стрічки (4 і 5 на малюнку), що обертається на роликах 3 і 6, причому верхній діелектричний ролик, а нижній металевий і з'єднаний з землею. Один з кінців стрічки укладений у металеву сферу 1. Два електроди 2 і 7 у формі щіток знаходяться на невеликій відстані від стрічки зверху та знизу, причому електрод 2 з'єднаний з внутрішньою поверхнею сфери 1. Поблизу нижнього електрода повітря іонізується, утворюються позитивні іони під дією сили Кулона рухаються до заземленого 6 роликів і осідають на стрічці, завдяки чому частина стрічки рухається вгору, заряджається. Стрічка доставляє заряд всередину сфери 1 де він знімається щіткою 2 завдяки тому, що всі заряди виштовхуються на поверхню сфери і поле всередині сфери створюється тільки додатковим зарядом на стрічці. Таким чином, на зовнішній поверхні сфери накопичується електричний заряд.Можливість отримання високої напруги обмежена коронним розрядом, що виникають під час іонізації повітря навколо сфери.
Основний принцип роботи генератора випливає із законів розподілу заряду у провідниках. Заряд концентрується на зовнішній поверхні сфери. У середині сфери заряд відсутня. Саме це допомагає стікати заряди з наелектризованої стрічки та накопичувати його на сфері. Тому генератор може працювати і без заземлення та додаткових джерел енергії. Стрічка може електризуватися від тертя, потім видаватимуть заряд сфері. Звідси й різниця потенціалів на стриці, яка піднімається до сфери та опускається від неї, та на відповідних електродах.
Сучасні генератори Ван де Граафа замість стрічок використовують ланцюги, що складаються з металевих та пластикових ланок, які чергуються між собою.
2. Характеристики
Промислові електростатичні генератори дають струм до 100 мк А. Пучки іонів добре колімовані, енергія на виході може бути стабілізована з точністю до 10 кеВ.
3. Історія відкриття
Електростатичний генератор був винайдений в 1929 році в університеті Прінстона американським фізиком Роберт Ван де Грааф. Спочатку він інтенсивно використовувався в ядерній фізиці для вивчення ядерних реакцій, але досить швидко інтерес фізиків змістився у бік вищих енергій, і генератор Ван де Граафа втратив своє значення для переднього фронту ядерної фізики, хоча знайшов застосування у прикладній фізиці.
4. Тандемні генератори
Для підвищення енергії прискорених частинок удвічі використовуються танденмні генератори. Вони заражених позитивно сферичний електрод (кондуктор) розташований посередині резервура з високим тиском. Використовується джерело негативно заряджених іонів. Ці іони прискорюються, рухаючись здалекого кінця резервуара до позитивно зарядженого кондуктора. На кондукторі вони обдираються, втрачаючи електрони і перетворюючись на позитивно заряджені іони. Для обдирання негативних іонів їх пропускають через металеву фольгу або через канал із високою щільністю газу. Позитивні іони, що утворюються, прискорюються ще раз, рухаючись до негативно зарядженого електрода.