Znajdź źródła: „Van de Graaff generator” – wiadomości – gazety – książki – scholar – JSTOR (maj 2019) (Learn how and when to remove this template message)
(Learn how and when to remove this template message)
Koncepcja generatora elektrostatycznego, w którym ładunek jest mechanicznie transportowany w niewielkich ilościach do wnętrza elektrody wysokiego napięcia, wywodzi się z wynalezionego w 1867 r. przez Williama Thomsona (Lorda Kelvina) kroplomierza Kelvina, w którym naładowane krople wody wpadają do wiadra z ładunkiem o tej samej polaryzacji, zwiększając ładunek. W maszynie tego typu siła grawitacji porusza krople wbrew przeciwstawnemu polu elektrostatycznemu wiadra. Sam Kelvin jako pierwszy zasugerował użycie taśmy do przenoszenia ładunku zamiast wody. Pierwszą maszynę elektrostatyczną, w której do transportu ładunku użyto bezkońcowego pasa, skonstruował w 1872 roku Augusto Righi. Wykorzystywała ona taśmę z gumy indyjskiej z drucianymi pierścieniami wzdłuż jej długości jako nośniki ładunku, który przechodził do kulistej metalowej elektrody. Ładunek był przenoszony na taśmę z uziemionej dolnej rolki poprzez indukcję elektrostatyczną za pomocą naładowanej płytki. John Gray również wynalazł maszynę taśmową około 1890 roku. Inną, bardziej skomplikowaną maszynę taśmową wynalazł w 1903 r. Juan Burboa. Bardziej bezpośrednią inspiracją dla Van de Graaffa był generator, nad którym pracował w latach 20. ubiegłego wieku W. F. G. Swann i w którym ładunek był transportowany do elektrody przez spadające metalowe kulki, powracając w ten sposób do zasady działania kroplomierza Kelvina.
Przyczynę tego, że ładunek wydobywający się z taśmy przesuwa się na zewnątrz elektrody kulistej, choć ma ona już duży ładunek o tej samej polaryzacji, wyjaśnia eksperyment Faradaya z lodowym kubłem.
Generator Van de Graaffa został opracowany, począwszy od 1929 roku, przez fizyka Roberta J. Van de Graaffa na Uniwersytecie Princeton w ramach stypendium, z pomocą kolegi Nicholasa Burke’a. Pierwszy model został zademonstrowany w październiku 1929 roku. Pierwsza maszyna wykorzystywała zwykłą puszkę po konserwach, mały silnik i jedwabną wstążkę kupioną w sklepie za pięć groszy. Następnie udał się do prezesa wydziału fizyki z prośbą o 100 dolarów na stworzenie ulepszonej wersji. Z pewnymi trudnościami udało mu się zdobyć te pieniądze. W 1931 roku mógł się pochwalić osiągnięciem 1,5 miliona woltów, mówiąc: „Maszyna jest prosta, niedroga i przenośna. Zwykłe gniazdo lampy zapewnia jedyne potrzebne zasilanie”. Zgodnie z wnioskiem patentowym, urządzenie posiadało dwie kule gromadzące ładunek o średnicy 60 cm, zamontowane na kolumnach ze szkła borokrzemianowego o wysokości 180 cm; aparat kosztował w 1931 roku tylko 90 dolarów.
Van de Graaff złożył w grudniu 1931 roku wniosek o drugi patent, który został przyznany Massachusetts Institute of Technology w zamian za udział w dochodach netto; patent został później przyznany.
W 1933 r. Van de Graaff zbudował model o wysokości 12 m (40 stóp) w ośrodku MIT w Round Hill, którego użytkowanie zostało przekazane przez pułkownika Edwarda H. R. Greena.
Jeden z akceleratorów Van de Graaffa wykorzystywał dwie naładowane kopuły o wystarczających rozmiarach, aby w każdej z nich znajdowały się laboratoria – jedno zapewniające źródło przyspieszonej wiązki, a drugie analizujące właściwy eksperyment. Zasilanie urządzeń wewnątrz kopuł pochodziło z generatorów zasilanych z taśmy, a kilka sesji zakończyło się dość makabrycznie, gdy gołąb próbował przelecieć pomiędzy dwoma kopułami, powodując ich rozładowanie. (Akcelerator znajdował się w hangarze lotniczym).
W 1937 r. firma Westinghouse Electric zbudowała w Forest Hills w Pensylwanii maszynę o wysokości 20 m (65 stóp), Westinghouse Atom Smasher, zdolną do wytworzenia energii 5 MeV. Zapoczątkowało to badania jądrowe do zastosowań cywilnych. Został wycofany z eksploatacji w 1958 r. i rozebrany w 2015 r.
Najnowszym osiągnięciem jest tandemowy akcelerator Van de Graaffa, zawierający jeden lub więcej generatorów Van de Graaffa, w którym ujemnie naładowane jony są przyspieszane przez jedną różnicę potencjałów, zanim zostaną pozbawione dwóch lub więcej elektronów, wewnątrz zacisku wysokiego napięcia, i ponownie przyspieszone. Przykład trzystopniowej operacji został zbudowany w Oxford Nuclear Laboratory w 1964 roku z 10 MV single-ended „injector” i 6 MV tandem EN.
Do lat 70-tych, aż 14 milionów woltów można było osiągnąć na terminalu tandemu, który używał zbiornika z wysokociśnieniowym gazem heksafluorku siarki (SF6), aby zapobiec iskrzeniu poprzez uwięzienie elektronów. Umożliwiło to generowanie wiązek ciężkich jonów o mocy kilkudziesięciu megaelektronowoltów, wystarczających do badania bezpośrednich reakcji jądrowych lekkich jonów. Największy potencjał utrzymywany przez akcelerator Van de Graaffa to 25,5 MV, osiągnięty przez tandem w Holifield Radioactive Ion Beam Facility w Oak Ridge National Laboratory.
Dalszym rozwinięciem jest pelletron, w którym gumowy lub tkaninowy pas zastąpiono łańcuchem krótkich przewodzących prętów połączonych izolacyjnymi ogniwami, a elektrody jonizujące powietrze zastąpiono uziemionym wałkiem i indukcyjną elektrodą ładującą. Łańcuch może pracować z dużo większą prędkością niż taśma, a zarówno osiągane napięcie, jak i natężenie prądu są dużo większe niż w przypadku konwencjonalnego generatora Van de Graaffa. W akceleratorze ciężkich jonów 14 UD na Australijskim Uniwersytecie Narodowym znajduje się pelletron o napięciu 15 milionów woltów. Jego łańcuchy mają ponad 20 metrów długości i mogą poruszać się z prędkością ponad 50 kilometrów na godzinę.
Nuclear Structure Facility (NSF) w Daresbury Laboratory został zaproponowany w latach 70-tych, uruchomiony w 1981 roku i otwarty dla eksperymentów w 1983 roku. Składał się on z tandemowego generatora Van de Graaffa pracującego rutynowo z napięciem 20 MV, umieszczonego w charakterystycznym budynku o wysokości 70 m. W czasie swojego istnienia przyspieszał 80 różnych wiązek jonów, od protonów do uranu, przeznaczonych do eksperymentów. Szczególną cechą była zdolność do przyspieszania wiązek rzadkich izotopów i promieniotwórczych. Prawdopodobnie najważniejszym odkryciem dokonanym przy użyciu NSF było odkrycie superodkształconych jąder. Jądra te, powstałe w wyniku fuzji lżejszych pierwiastków, rotują bardzo szybko. Wzór promieni gamma emitowanych w trakcie ich spowolnienia dostarczył szczegółowych informacji o wewnętrznej strukturze jądra. W wyniku cięć finansowych NSF został zamknięty w 1993 roku.