Vind bronnen: “Van de Graaff generator” – nieuws – kranten – boeken – scholar – JSTOR (mei 2019) (Leer hoe en wanneer u dit sjabloonbericht verwijdert)
(Leer hoe en wanneer u dit sjabloonbericht verwijdert)
Het concept van een elektrostatische generator waarin lading mechanisch in kleine hoeveelheden wordt getransporteerd naar het inwendige van een hoogspanningselektrode vindt zijn oorsprong in de Kelvin waterdruppelaar, uitgevonden in 1867 door William Thomson (Lord Kelvin), waarbij geladen waterdruppels in een emmer met dezelfde polariteit lading vallen, waardoor de lading wordt toegevoegd. In een dergelijke machine beweegt de gravitatiekracht de druppels tegen het tegengestelde elektrostatische veld van de emmer in. Kelvin zelf stelde eerst voor om een riem te gebruiken om de lading te dragen in plaats van water. De eerste elektrostatische machine die gebruik maakte van een eindeloze riem om lading te vervoeren werd in 1872 gebouwd door Augusto Righi. Hij gebruikte een Indiase rubberen riem met draadringen over de lengte als ladingsdragers, die in een bolvormige metalen elektrode werden geleid. De lading werd op de riem aangebracht vanaf de geaarde onderste rol door elektrostatische inductie met behulp van een geladen plaat. John Gray vond omstreeks 1890 ook een bandmachine uit. Een andere, meer gecompliceerde bandmachine werd in 1903 uitgevonden door Juan Burboa. Een meer directe inspiratiebron voor Van de Graaff was een generator die W.F.G. Swann in de jaren 1920 ontwikkelde, waarbij de lading door vallende metalen kogels naar een elektrode werd getransporteerd, waarmee hij terugkeerde naar het principe van de Kelvin waterdruppelaar.
De reden dat de aan de band onttrokken lading naar de buitenkant van de bolelektrode beweegt, hoewel deze al een hoge lading van dezelfde polariteit heeft, wordt verklaard door het Faraday-ijsemmer-experiment.
De Van de Graaff-generator werd vanaf 1929 ontwikkeld door de natuurkundige Robert J. Van de Graaff aan de Princeton-universiteit met een beurs, met hulp van collega Nicholas Burke. Het eerste model werd gedemonstreerd in oktober 1929. De eerste machine gebruikte een gewoon conservenblikje, een motortje en een zijden lint dat gekocht was in een winkeltje met vijf en een dubbeltje. Daarna ging hij naar de voorzitter van de natuurkunde-afdeling met het verzoek om 100 dollar voor het maken van een verbeterde versie. Hij kreeg het geld, met enige moeite. In 1931 kon hij melden dat hij 1,5 miljoen volt had bereikt en zei: “De machine is eenvoudig, goedkoop en draagbaar. Een gewone lampfitting levert de enige benodigde stroom.” Volgens een octrooiaanvraag had het apparaat twee ladingsaccumulatiebollen van 60 cm diameter, gemonteerd op kolommen van borosilicaatglas van 180 cm hoog; het apparaat kostte in 1931 slechts $90.
Van de Graaff vroeg in december 1931 een tweede octrooi aan, dat werd toegewezen aan het Massachusetts Institute of Technology in ruil voor een aandeel in de netto-inkomsten; het octrooi werd later verleend.
In 1933 bouwde Van de Graaff een model van 12 meter in de Round Hill faciliteit van het MIT, waarvan het gebruik werd geschonken door kolonel Edward H.R. Green.
Een van Van de Graaffs versnellers gebruikte twee geladen koepels die groot genoeg waren om in elk van de koepels laboratoria te hebben – een om de bron van de versnelde straal te leveren, en de andere om het eigenlijke experiment te analyseren. De stroom voor de apparatuur in de koepels werd geleverd door generatoren die van de band liepen, en aan verscheidene sessies kwam een tamelijk gruwelijk einde toen een duif tussen de twee koepels probeerde te vliegen, waardoor ze ontlaadden. (De versneller stond in een vliegtuighangar.)
In 1937 bouwde het bedrijf Westinghouse Electric een machine van 20 meter, de Westinghouse Atom Smasher, die 5 MeV kon opwekken in Forest Hills, Pennsylvania. Dit markeerde het begin van nucleair onderzoek voor civiele toepassingen. Hij werd in 1958 buiten gebruik gesteld en in 2015 gesloopt.
Een recentere ontwikkeling is de tandem Van de Graaff-versneller, die een of meer Van de Graaff-generatoren bevat, waarin negatief geladen ionen door één potentiaalverschil worden versneld voordat zij, binnen een hoogspanningsklem, van twee of meer elektronen worden ontdaan en opnieuw worden versneld. Een voorbeeld van een drietrapsoperatie is gebouwd in het Oxford Nuclear Laboratory in 1964 van een 10 MV single-ended “injector” en een 6 MV NL tandem.
Tegen de jaren zeventig kon wel 14 miljoen volt worden bereikt aan de terminal van een tandem die een tank hogedruk zwavelhexafluoride (SF6) gas gebruikte om vonkvorming te voorkomen door elektronen op te sluiten. Hierdoor konden zware ionenbundels van verscheidene tientallen mega-elektronvolt worden opgewekt, voldoende om directe kernreacties met lichte ionen te bestuderen. De grootste potentiaal die door een Van de Graaff-versneller wordt gehandhaafd is 25,5 MV, bereikt door de tandem in de Holifield Radioactive Ion Beam Facility in Oak Ridge National Laboratory.
Een verdere ontwikkeling is de pelletron, waarbij de rubberen of stoffen band wordt vervangen door een keten van korte geleidende staven die met elkaar zijn verbonden door isolerende schakels, en de lucht-ionisatie-elektroden worden vervangen door een geaarde rol en een inductieve oplaadelektrode. De ketting kan bij veel grotere snelheid dan een riem worden in werking gesteld, en zowel het voltage als de haalbare stromen zijn veel groter dan met een conventionele Van de Graaff generator. De 14 UD zware ionenversneller van de Australische Nationale Universiteit bevat een pelletron van 15 miljoen volt. De kettingen zijn meer dan 20 meter lang en kunnen sneller dan 50 kilometer per uur (31 mph) gaan.
De Nuclear Structure Facility (NSF) in Daresbury Laboratory werd in de jaren zeventig voorgesteld, in 1981 in gebruik genomen en in 1983 opengesteld voor experimenten. Het bestond uit een tandem Van de Graaff-generator die routinematig op 20 MV werkte, ondergebracht in een markant gebouw van 70 m hoog. Tijdens zijn levensduur versnelde de installatie 80 verschillende ionenbundels voor experimenteel gebruik, variërend van protonen tot uranium. Een bijzonder kenmerk was de mogelijkheid om zeldzame isotopische en radioactieve stralen te versnellen. Misschien wel de belangrijkste ontdekking die met behulp van de NSF werd gedaan, was die van supergevormde kernen. Deze kernen, gevormd uit de fusie van lichtere elementen, roteren zeer snel. Het patroon van de gammastralen die worden uitgezonden wanneer zij vertragen, verschafte gedetailleerde informatie over de inwendige structuur van de kern. Als gevolg van financiële bezuinigingen werd de NSF in 1993 gesloten.