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Le concept de générateur électrostatique dans lequel la charge est transportée mécaniquement en petites quantités à l’intérieur d’une électrode à haute tension trouve son origine dans la goutte d’eau de Kelvin, inventée au cours de l’année 1867 par William Thomson (Lord Kelvin), dans laquelle des gouttes d’eau chargées tombent dans un seau avec une charge de même polarité, ajoutant à la charge. Dans une machine de ce type, la force gravitationnelle déplace les gouttes contre le champ électrostatique opposé du seau. Kelvin lui-même a d’abord suggéré d’utiliser une courroie pour transporter la charge au lieu de l’eau. La première machine électrostatique qui utilisait une courroie sans fin pour transporter la charge a été construite en 1872 par Augusto Righi. Elle utilisait une courroie en caoutchouc indien avec des anneaux de fil sur toute sa longueur comme porteurs de charge, qui passaient dans une électrode métallique sphérique. La charge était appliquée à la courroie à partir du rouleau inférieur mis à la terre par induction électrostatique en utilisant une plaque chargée. John Gray a également inventé une machine à courroie vers 1890. Une autre machine à courroie plus compliquée a été inventée au cours de 1903 par Juan Burboa Une inspiration plus immédiate pour Van de Graaff était un générateur que W. F. G. Swann développait au cours des années 1920, dans lequel la charge était transportée vers une électrode par la chute de billes métalliques, revenant ainsi au principe du compte-gouttes à eau de Kelvin.
La raison pour laquelle la charge extraite de la ceinture se déplace vers l’extérieur de l’électrode sphérique, bien qu’elle ait déjà une charge élevée de même polarité, est expliquée par l’expérience du seau à glace de Faraday.
Le générateur de Van de Graaff a été développé, à partir de 1929, par le physicien Robert J. Van de Graaff à l’université de Princeton grâce à une bourse, avec l’aide de son collègue Nicholas Burke. Le premier modèle a été démontré en octobre 1929. La première machine utilisait une boîte de conserve ordinaire, un petit moteur et un ruban de soie acheté dans un magasin à cinq sous. Après cela, il est allé voir le président du département de physique pour lui demander 100 dollars afin de fabriquer une version améliorée. Il obtient l’argent, non sans mal. En 1931, il pouvait annoncer qu’il avait atteint 1,5 million de volts, affirmant que « la machine est simple, peu coûteuse et portable. Une douille de lampe ordinaire fournit la seule énergie nécessaire ». Selon une demande de brevet, il disposait de deux sphères d’accumulation de charges de 60 cm de diamètre montées sur des colonnes en verre borosilicate de 180 cm de haut ; l’appareil ne coûtait que 90 dollars au cours de l’année 1931.
Van de Graaff a déposé un second brevet au cours du mois de décembre 1931, qui a été cédé au Massachusetts Institute of Technology en échange d’une part des revenus nets ; le brevet a été accordé par la suite.
Durant l’année 1933, Van de Graaff a construit un modèle de 40 pieds (12 m) dans les installations de Round Hill du MIT, dont l’utilisation a été offerte par le colonel Edward H. R. Green.
L’un des accélérateurs de Van de Graaff utilisait deux dômes chargés de taille suffisante pour que chacun des dômes ait des laboratoires à l’intérieur – l’un pour fournir la source du faisceau accéléré, et l’autre pour analyser l’expérience réelle. L’équipement à l’intérieur des dômes était alimenté par des générateurs alimentés par la courroie, et plusieurs sessions ont connu une fin plutôt horrible lorsqu’un pigeon a tenté de voler entre les deux dômes, provoquant leur décharge. (L’accélérateur était installé dans un hangar à avions.)
En 1937, la société Westinghouse Electric a construit une machine de 65 pieds (20 m), le Westinghouse Atom Smasher capable de générer 5 MeV à Forest Hills, en Pennsylvanie. Elle marque le début de la recherche nucléaire pour des applications civiles. Il a été mis hors service en 1958 et a été démoli en 2015.
Un développement plus récent est l’accélérateur Van de Graaff en tandem, contenant un ou plusieurs générateurs Van de Graaff, dans lequel les ions chargés négativement sont accélérés par une différence de potentiel avant d’être dépouillés de deux ou plusieurs électrons, à l’intérieur d’une borne haute tension, et accélérés à nouveau. Un exemple de fonctionnement en trois étapes a été construit au laboratoire nucléaire d’Oxford au cours de 1964 d’un « injecteur » à une extrémité de 10 MV et d’un tandem EN de 6 MV.
Dans les années 1970, on pouvait atteindre jusqu’à 14 millions de volts à la borne d’un tandem qui utilisait un réservoir d’hexafluorure de soufre (SF6) à haute pression pour empêcher la formation d’étincelles en piégeant les électrons. Cela a permis de générer des faisceaux d’ions lourds de plusieurs dizaines de mégaélectronvolts, suffisants pour étudier les réactions nucléaires directes des ions légers. Le plus grand potentiel soutenu par un accélérateur Van de Graaff est de 25,5 MV, atteint par le tandem de la Holifield Radioactive Ion Beam Facility du Oak Ridge National Laboratory.
Un autre développement est le pelletron, où la ceinture en caoutchouc ou en tissu est remplacée par une chaîne de courtes tiges conductrices reliées par des maillons isolants, et les électrodes d’ionisation dans l’air sont remplacées par un rouleau mis à la terre et une électrode de charge inductive. La chaîne peut fonctionner à une vitesse bien supérieure à celle d’une courroie, et la tension et les courants atteignables sont bien plus élevés qu’avec un générateur Van de Graaff classique. L’accélérateur d’ions lourds 14 UD de l’Université nationale australienne abrite un pelletron de 15 millions de volts. Ses chaînes mesurent plus de 20 mètres de long et peuvent se déplacer à plus de 50 kilomètres par heure (31 mph).
L’installation de structure nucléaire (NSF) du laboratoire de Daresbury a été proposée au cours des années 1970, mise en service en 1981 et ouverte aux expériences en 1983. Elle consistait en un générateur Van de Graaff en tandem fonctionnant en routine à 20 MV, logé dans un bâtiment distinctif de 70 m de haut. Au cours de sa vie, il a accéléré 80 faisceaux d’ions différents à des fins expérimentales, allant des protons à l’uranium. Une caractéristique particulière était la capacité d’accélérer des faisceaux isotopiques et radioactifs rares. La découverte la plus importante réalisée à l’aide de la NSF est sans doute celle des noyaux super-déformés. Ces noyaux, lorsqu’ils sont formés par la fusion d’éléments plus légers, tournent très rapidement. Le schéma des rayons gamma émis lors de leur ralentissement a fourni des informations détaillées sur la structure interne du noyau. Suite à des coupes financières, la NSF a fermé ses portes en 1993.