Un acceleratore di particelle Van de Graaff in un serbatoio pressurizzato all’Università Pierre e Marie Curie, Parigi

Il concetto di un generatore elettrostatico in cui la carica viene trasportata meccanicamente in piccole quantità all’interno di un elettrodo ad alta tensione ha avuto origine con il contagocce Kelvin, inventato nel corso del 1867 da William Thomson (Lord Kelvin), in cui gocce d’acqua cariche cadono in un secchio con la stessa polarità di carica, aggiungendosi alla carica. In una macchina di questo tipo, la forza gravitazionale muove le gocce contro il campo elettrostatico opposto del secchio. Kelvin stesso suggerì per primo di usare una cintura per trasportare la carica invece dell’acqua. La prima macchina elettrostatica che usava un nastro senza fine per trasportare la carica fu costruita nel 1872 da Augusto Righi. Utilizzava un nastro di gomma india con anelli di filo lungo la sua lunghezza come portatori di carica, che passava in un elettrodo metallico sferico. La carica veniva applicata al nastro dal rullo inferiore messo a terra per induzione elettrostatica usando una piastra carica. Anche John Gray inventò una macchina a nastro intorno al 1890. Un’altra macchina a nastro più complicata fu inventata nel 1903 da Juan Burboa. Un’ispirazione più immediata per Van de Graaff fu un generatore che W. F. G. Swann stava sviluppando negli anni ’20, in cui la carica veniva trasportata a un elettrodo da sfere di metallo che cadevano, tornando così al principio del contagocce di Kelvin.

Il motivo per cui la carica estratta dal nastro si sposta all’esterno dell’elettrodo a sfera, anche se ha già un’alta carica della stessa polarità, è spiegato dall’esperimento del secchiello del ghiaccio di Faraday.

Il generatore di Van de Graaff fu sviluppato, a partire dal 1929, dal fisico Robert J. Van de Graaff all’Università di Princeton con una borsa di studio, con l’aiuto del collega Nicholas Burke. Il primo modello fu dimostrato nell’ottobre 1929. La prima macchina usava un normale barattolo di latta, un piccolo motore e un nastro di seta comprato in un negozio five-and-dime. Dopo di che, andò dal presidente del dipartimento di fisica chiedendo 100 dollari per fare una versione migliorata. Ottenne i soldi, con qualche difficoltà. Nel 1931, poteva riferire di aver raggiunto 1,5 milioni di volt, dicendo: “La macchina è semplice, poco costosa e portatile. Una normale presa di lampada fornisce l’unica potenza necessaria”. Secondo una domanda di brevetto, aveva due sfere di accumulo di carica di 60 cm di diametro montate su colonne di vetro borosilicato alte 180 cm; l’apparato costava solo 90 dollari nel 1931.

Van de Graaff fece domanda per un secondo brevetto nel dicembre 1931, che fu assegnato al Massachusetts Institute of Technology in cambio di una quota del reddito netto; il brevetto fu poi concesso.

Durante il 1933, Van de Graaff costruì un modello di 40 piedi (12 m) presso la struttura di Round Hill del MIT, il cui uso fu donato dal colonnello Edward H. R. Green.

Uno degli acceleratori di Van de Graaff utilizzava due cupole cariche di dimensioni sufficienti che ciascuna delle cupole aveva dei laboratori all’interno – uno per fornire la fonte del fascio accelerato, e l’altro per analizzare l’esperimento effettivo. L’energia per l’attrezzatura all’interno delle cupole proveniva da generatori che scorrevano sul nastro, e diverse sessioni ebbero una fine piuttosto raccapricciante quando un piccione tentò di volare tra le due cupole, causandone la scarica. (L’acceleratore era collocato in un hangar per aerei.)

Nel 1937, la società Westinghouse Electric costruì una macchina di 65 piedi (20 m), il Westinghouse Atom Smasher capace di generare 5 MeV a Forest Hills, Pennsylvania. Ha segnato l’inizio della ricerca nucleare per applicazioni civili. Fu dismesso nel 1958 e fu demolito nel 2015.

Uno sviluppo più recente è l’acceleratore tandem Van de Graaff, contenente uno o più generatori Van de Graaff, in cui gli ioni carichi negativamente sono accelerati attraverso una differenza di potenziale prima di essere spogliati di due o più elettroni, all’interno di un terminale ad alta tensione, e accelerati nuovamente. Un esempio di operazione a tre stadi è stato costruito nel laboratorio nucleare di Oxford durante il 1964 di un “iniettore” single-ended da 10 MV e un tandem EN da 6 MV.

Dagli anni ’70, si potevano raggiungere fino a 14 milioni di volt al terminale di un tandem che utilizzava un serbatoio di gas esafluoruro di zolfo (SF6) ad alta pressione per impedire lo sparking intrappolando gli elettroni. Questo ha permesso la generazione di fasci di ioni pesanti di diverse decine di megaelettronvolt, sufficienti per studiare reazioni nucleari dirette di ioni leggeri. Il più grande potenziale sostenuto da un acceleratore Van de Graaff è di 25,5 MV, raggiunto dal tandem nell’Holifield Radioactive Ion Beam Facility nell’Oak Ridge National Laboratory.

Un ulteriore sviluppo è il pelletron, dove il nastro di gomma o tessuto è sostituito da una catena di corte aste conduttive collegate da link isolanti, e gli elettrodi ionizzanti in aria sono sostituiti da un rullo a terra e da un elettrodo di carica induttiva. La catena può essere azionata a una velocità molto maggiore di una cinghia, e sia la tensione che le correnti raggiungibili sono molto più grandi che con un generatore Van de Graaff convenzionale. L’acceleratore di ioni pesanti 14 UD dell’Università Nazionale Australiana ospita un pelletron da 15 milioni di volt. Le sue catene sono lunghe più di 20 metri e possono viaggiare più velocemente di 50 chilometri all’ora (31 mph).

La Nuclear Structure Facility (NSF) al Daresbury Laboratory fu proposta negli anni ’70, commissionata nel 1981 e aperta agli esperimenti nel 1983. Consisteva in un generatore tandem Van de Graaff che funzionava regolarmente a 20 MV, alloggiato in un edificio caratteristico alto 70 m. Durante la sua vita, ha accelerato 80 diversi fasci di ioni per uso sperimentale, che vanno dai protoni all’uranio. Una caratteristica particolare era la capacità di accelerare fasci isotopici e radioattivi rari. Forse la scoperta più importante fatta usando l’NSF fu quella dei nuclei super-deformati. Questi nuclei, quando si formano dalla fusione di elementi più leggeri, ruotano molto rapidamente. Lo schema dei raggi gamma emessi mentre rallentano ha fornito informazioni dettagliate sulla struttura interna del nucleo. In seguito a tagli finanziari, l’NSF ha chiuso nel 1993.