Електростатичен генератор Ван де Грааф
Електростатичен генератор Ван де Грааф - ускорител на частици, генератор с високо напрежение.
Генераторът Van de Graaff използва електрификация на триене, за да създаде високо постояннотоково напрежение. Този метод може да постигне напрежение до няколко мега волта. Стойността на напрежението е ограничена от появата на коронен разряд между сферичните електроди. Съответно енергията на ускорените частици е ограничена до няколко MeVama на единица заряд.
Като се има предвид малкото ускорение, електростатичният генератор може да изследва само нискоенергийни ядрени реакции. Той обаче намери широко приложение във физиката на твърдото тяло като устройство, което позволява на човек да изследва приповерхностните слоеве на материята, да извършва имплантиране на йони и т.н...
1. Структура и принцип на действие
Един прост генератор на Ван де Грааф се състои от диелектрична (копринена или гумена) лента (4 и 5 на фигурата), въртяща се върху ролки 3 и 6, като горната ролка е диелектрична, а долната метална и свързана със земята. Един от краищата на лентата е затворен в метална сфера 1. Два електрода 2 и 7 под формата на четки са разположени на малко разстояние от лентата отгоре и отдолу, а електрод 2 е свързан с вътрешната повърхност на сферата 1. Близо до долния електрод въздухът се йонизира, под действието на сила се образуват положителни йони. Висулките се придвижват към заземените 6 ролки и се утаяват върху лентата, поради което част от лентата се движи нагоре, заредена. Лентата доставя заряд във вътрешността на сферата 1, където се отстранява с четка 2 поради факта, че всички заряди се изтласкват върху повърхността на сферата и полето вътре в сферата се създава само от допълнителен заряд върху лентата. По този начин на външната повърхност на сферата се натрупва електрически заряд. Възможността за получаване на високо напрежение е ограничена от коронен разряд, произтичащ от йонизация на въздуха около сферата.
Основният принцип на работа на генератора следва от законите на разпределението на заряда в проводниците. Зарядът е концентриран върху външната повърхност на сферата. В средата на сферата няма заряд. Това е, което помага да се източи зарядът от наелектризираната лента и да се натрупа върху сферата. Следователно генераторът може да работи без заземяване и допълнителни енергийни източници. Лентата може да се наелектризира от триене, след което да зареди сферата. Оттук и потенциалната разлика в стриктурите, която се издига до сферата и пада от нея и върху съответните електроди.
Съвременните генератори на Van de Graaff, вместо ремъци, използват вериги, състоящи се от метални и пластмасови връзки, които се редуват помежду си.
2. Характеристики
Промишлените електростатични генератори дават ток до 100 μA. Йонните лъчи са добре климатизирани, изходната енергия може да бъде стабилизирана с точност от 10 keV.
3. История на откритието
Електростатичният генератор е изобретен през 1929 г. в Принстънския университет от американския физик Робърт Ван де Грааф. Отначало той се използва интензивно в ядрената физика за изучаване на ядрени реакции, но доста бързо интересът на физиците се измества към по-високите енергии и генераторът на Ван де Грааф губи значението си за водещия край на ядрената физика, въпреки че намира приложение в приложното поле физика.
4. Тандемни генератори
Генераторите Tandenmny се използват за удвояване на енергията на ускорените частици. При тези заразени положително сферичен електрод (проводник) е разположен в средата на резервоар с високо налягане. Използва се отрицателен източник на йони. Тези йони се ускоряват, придвижвайки се от далечния край на резервоара към положително заредения проводник. Върху проводника те се събличат, губят електрони и се превръщат в положително заредени йони. За да се отделят отрицателните йони, те се прекарват през метално фолио или през канал с висока плътност на газа. Получените положителни йони се ускоряват още веднъж, преминавайки към отрицателно заредения електрод.