• В различных областях науки и техники используются ускорители заряженных частиц — электронов, протонов, ионов. Такие ускорители могут быть построены на различных принципах. В том числе, на электростатическом принципе. Одним из типов генераторов, построенных на таком принципе, является генератор Ван де Граафа. В этом приборе, который был изобретен в 1929 году профессором Массачусетского университета Ван де Граафом, использовался принцип создания поля сверхвысокого напряжения путем электризации ленты из диэлектрика, которая передвигается с помощью двигателя.

    Конструкция и принцип действия

    генератор ван де графаКонструкция генератора бывает вертикальной и горизонтальной. Наиболее распространенной является установка с вертикальным расположением.
    В состав такого генератора входят:

    • бесконечная диэлектрическая резиновая или шелковая лента, двигающаяся со скоростью 20-40 м/c на 2-х вращающихся шкивах;
    • 2 шкива. Нижний шкив выполнен из металла и вращается электродвигателем, а верхний шкив изготовлен из диэлектрика, например, акрилового стекла;
    • полый металлический электрод в виде полусферы, внутри которого находится верхний шкив. Этот электрод укреплен на изоляторе;
    • источник высокого напряжения.

    Нижний шкив заземлен. На электрод, находящийся вблизи этого шкива, подается высокое напряжение. На небольшом расстоянии от верхнего и нижнего шкивов установлены электроды, выполненные в виде щетки или гребенки. Верхний электрод соединен с полой полусферой.

    Принцип работы прибора

    Под воздействием высокого напряжения в воздушном слое, находящимся между нижним щеточным электродом и нижним шкивом, образуются положительно заряженные ионы. Эти ионы притягиваются к металлическому шкиву, оседают на диэлектрической ленте и транспортируются к полому полусферическому электроду. С помощью верхнего щеточного электрода эти ионы снимаются с ленты и попадают на поверхность сферического электрода. С течением времени происходит накапливание заряда и повышение потенциала этого электрода относительно земли.

    Максимальная величина получаемого напряжения определяется напряжением разряда, возникающего вокруг сферического электрода в результате ионизации окружающего электрод воздуха. При увеличении диаметра сферы это напряжение возрастает.

    Для его увеличения в установках с относительно небольшой сферой прибор помещают в герметический корпус, который наполняется под давлением в 20 атмосфер газами с большой электрической прочностью. К таким газам относятся азот, фреон и другие газы. Такой корпус, выполненный из изоляционных материалов, служит также для обеспечения безопасности людей.

    генератор ван де граафа устройство и принцип работы

    Тандемный генератор

    Тандемный генератор состоит из 2-х каскадов. В таком генераторе создаются отрицательные ионы, которые летят в сторону находящегося под высоким положительным потенциалом электрода, находящегося в середине заполненного газом сосуда. Проходя через находящийся внутри электрода канал, отрицательные ионы, имеющие энергию в 10 МэВ, отдают свои электроны и превращаются в положительные ионы. Далее пучок этих положительных электронов перемещается в сторону электрода, имеющего нулевой потенциал. Таким образом, можно получить пучок протонов с удвоенной энергией.

    Использование

    Генераторы Ван де Граафа часто применяются в исследованиях атома и в медицине.

    генератор ван де граафаВ первом случае они используются для проведения ядерных реакций и для ввода частиц в ускорители. Такие установки есть в большинстве ядерных лабораторий, в которых исследователи имеют дело с частицами малых и средних энергий.
    В таких ускорителях под воздействием создаваемого генератором напряжения происходит формирование и ускорение пучков частиц.

    Во втором случае генераторы применяются для лучевой терапии и исследований. При этом пучки частиц ударяются в мишень и создают жесткое излучение.

    Кроме того, такие генераторы могут быть использованы в качестве учебных пособий для демонстрации явлений электростатики, а также для исследования грозовых разрядов и ударов молнии.

    Технические характеристики

    1-й генератор данного типа вырабатывал напряжение в 80 кВ. В дальнейшем изобретатель получил напряжения в 1 МВ и 7МВ. При этом напряжение первичного источника было 50 кВ.

    Современные установки позволяют получить с помощью этого генератора напряжения в 20 миллионов вольт. Для этого используются тандемные установки. При этом ток в пучках может достичь нескольких мА, а энергия частиц – 40-50 МэВ.

    Для получения частиц с большей энергией используются более мощные установки – циклотроны, коллайдеры.

    Наиболее мощный генератор Ван де Граафа был использован в английской лаборатории Daresbury, в которой с 1983 по 1993 годы проводились ядерные эксперименты. В установке был использован тандемный генератор, развивающий напряжение в 20 МВ. Этот генератор располагался в здании высотой в 70 м. Важнейшим открытием, выполненным с помощью этой установки, было открытие супердеформированных ядер.

    До войны в Советском Союзе был также построен большой генератор такого типа. На 2-х фарфоровых изоляторах были установлены металлические шары диаметром в 5 м. Напряжение между шарами достигало 15 МВ. При разряде появлялись молнии размеров в 15 м. При этом время заряда достигало 10 минут, а средняя мощность установки была менее 100 Вт.

    Генераторы для опытов и образования

    Генераторы Ван де Граафа могут быть использованы для проведения опытов в области физики и электростатики. При этом большое количество генераторов имеется в продаже. Также в Интернете приведено много разных схем и конструкций для самостоятельного изготовления генератор генератора.

    Примером такого устройства является генератор, производимый немецкой компанией 3B Scientific GmbH. Цена такого прибора 104076 руб.

    Основные характеристики прибора:

    • создаваемое напряжение около 100 кВ;
    • ток короткого замыкания-15 мкА;
    • питание двигателя от сети переменного тока;
    • мощность потребления -13 ВА;
    • размеры -240х120х620 мм;
    • размеры шара – диаметр 90 мм, высота 420 мм;
    • вес генератора -5,8 кг.
    При работе с данным прибором необходимо выполнять ряд требований по технике безопасности:
    1. Данный прибор может представлять опасность для близко стоящих к прибору людей, у которых вживлен кардиостимулятор.
    2. Компьютерам и другим электронным приборам он может создавать ВЧ помехи.
    3. Нельзя использовать прибор во влажных помещениях.
    4. Нельзя прикасаться к цепям прибора.
    5. Включать прибор можно только в сетевую розетку, имеющую заземление.
    6. При замене предохранителя необходимо обязательно отключать прибор от сети.

    Подготовка и включение прибора:

    1. Перед включением генератора снять сферу, подняв ее вверх.
    2. Очистить поверхность шкивов. При необходимости вымыть их и просушить феном.
    3. Установить ленту в шкивы.
    4. Поставить сферу на место.
    5. Заземлить металлическую пластину и электрод.
    6. Включить двигатель и выбрать необходимую скорость.
    7. Для проверки заряда путем получения искры медленно передвигать ленту к металлической сфере.
    8. В случае влажности просушить прибор феном.

    Достоинства и недостатки

    Достоинством генераторов Ван де Граафа состоят в том, что с их помощью можно получить пучки заряженных частиц, у которых имеются следующие качества:

    • непрерывность;
    • высокая интенсивность;
    • отличная стабильность по энергии. Эта характеристика пучка достигает величины 0,01%;
    • малая расходимость (менее тысячной доли радиана).

    Недостатки генераторов:

    • ограничения по величине получаемых напряжений и энергии частиц;
    • повышенные требования к пробойному напряжению колонны и ленты;
    • трудности измерения сверхвысоких напряжений;
    • наличие вращающихся частей, уменьшающих надежность устройства.

    Источник: http://zewerok.ru/generator-van-de-graafa/



    Рекомендуем посмотреть ещё:


    Закрыть ... [X]

    Как сделать генератор Ван де Граафа своими руками Хайтек агрегатор Как научится рисовать человека в движение

    Ван де грааф генератор своими руками Ван де грааф генератор своими руками Ван де грааф генератор своими руками Ван де грааф генератор своими руками Ван де грааф генератор своими руками Ван де грааф генератор своими руками Ван де грааф генератор своими руками

    ШОКИРУЮЩИЕ НОВОСТИ