Протонов и ионов высоких энергий. Ускорение частиц происходит за счет их взаимодействия с электростатическими или электромагнитными полями. В медицине ускорители заряженных частиц используют для лучевой терапии и в радиобиологических исследованиях. В зависимости от способа ускорения ускорители заряженных частиц делят на электростатические (например, генератор Ван-де-Граафа), линейные резонансные, индукционные (см. Бетатрон) и циклические (циклотрон).

В электростатическом генераторе Ван-де-Граафа высокое напряжение создается за счет накопления на поверхности полой проводящей сферы электрического заряда, который подается на нее от электрического генератора с помощью движущейся бесконечной ленты. Ускорение заряженных частиц происходит в вакуумной трубе.

Роберт Ванн де Грааф во время демонстрации своего генератора в 1922 г

Электростатический генератор (Ван-де-Граафа) - ускоритель заряженных частиц. Состоит из источника высокого напряжения (собственно электростатический генератор) и ускорительной трубки. Первая удачная конструкция подобной установки была предложена в 1929 г. Ван-де-Граафом (R. J. Van de Graaff). Принцип действия электростатического генератора заключается в следующем.

Электрические заряды от генератора наносятся на диэлектрическую движущуюся ленту.

С этой ленты заряды переносятся системой щеток на внутреннюю поверхность полой металлической изолированной сферы - кондуктора (рис.). Таким образом, на сферу может быть перенесен достаточно большой заряд, максимальная величина которого определяется возникновением разряда с нее во внешнее пространство. С увеличением размеров сферы напряжение повышается. В настоящее время для увеличения напряжения при минимальных размерах установки электростатический генератор помещают в бак с газом, имеющим высокую электрическую прочность (азот, фреон, углекислый газ), под давлением до 20 атм.

Электростатический генератор может быть использован для ускорения как электронов (см.), так и тяжелых частиц - протонов (см.). Предельная энергия ускоренных частиц достигает 10 Мэв. Электростатические генераторы нашли широкое применение в физике, технике и медицине. В медицине используются электростатические генераторы с электронным пучком (см. Электронное излучение) как источник жесткого тормозного излучения (см.), возникающего при попадании электронов высокой энергии на мишень из тяжелого элемента. См. также Ускорители заряженных частиц.

Электростатический генератор Ван-де-Граафа:
1 - высоковольтный электрод (кондуктор);
2 - ионный или электронный источник;
3 - многосекционная ускорительная трубка;
4 - изолирующая колонка;
5 - система дефокусировки электронного луча;
6 - тонкая алюминиевая фольга;
7 - конвейер;
8 и 10 - зарядные и съемные острия;
9 - двигающаяся «бесконечная» лента.

Американскому физику Роберту ван де Граафу довелось родиться и творить на стыке двух великих научных эпох – электричества и ядерной физики. Созданный им в 1929 году генератор, вошедший в историю под его именем, предназначался для первых физических ядерных исследований в качестве ускорителя частиц. Спустя всего два года, установка выдавала разряды мощностью до 7 млн. вольт.

Принцип действия генератора Ван де Граафа

Генератор Ван де Граафа — один из первых линейных ускорителей. Тем не менее воспроизвести его действующую модель по силам любому, кто хоть немного разбирается в электротехнике.

Генератор состоит из двух сфер, на которые подаются положительные и отрицательные заряды, диэлектрической закольцованной ленты, натянутой на 2 вращающихся валика (верхнего и нижнего), двух электродов в виде щеток, расположенных около валиков, причем верхний электрод замкнут на внутреннюю поверхность сферы, а нижний соединен с источником высокого напряжения.

Устройство начинает работать с вращением ленты, натянутой на валики. Верхний валик изготовлен из диэлектрического материала, а нижний – из металла с заземлением. Верхний электрод соединен с металлической сферой, а нижний, связанный с источником высокого напряжения, ионизирует окружающий воздух и создает положительные ионы, «прилипающие» к движущейся ленте.

Она, подобно транспортеру, «доставляет» положительные заряды «наверх», где с валика их снимает щеточный электрод, перебрасывая на внутреннюю поверхность сферы, где заряды накапливаются.

Одновременно на другой сфере происходит накопление отрицательных зарядов. Как только накопленный потенциал достигает критического уровня, происходит электрический разряд.

На заре ядерной эпохи генератор Ван де Граафа какое-то время использовался в качестве линейного ускорителя частиц. Но его активная научная «карьера» продолжалась недолго. Очень скоро появились ускорители нового поколения, несоизмеримые по мощности и возможностям со своим предшественником.

Однако в отличие от своих «ровесников», электротехнических устройств середины прошлого века, списанных в утиль, генератор Ван де Граафа ведет довольно активную жизнь. Из ведущих исследовательских центров он перебрался в школьные физклассы и институтские лаборатории, став, к примеру, незаменимым учебным пособием для моделирования природных разрядов в газовой среде.

Пожалуй, одним из самых известных опытов носит название «волосы дыбом». Для этого нужно встать на резиновый коврик или деревянную доску и прикоснуться к включенному генератору Ван де Граафа. Обладателей пышной шевелюры ждет сюрприз, достойный снимка с последующим размещением в Instagram.

Генератор Ван де Граафа своими руками

В нем воплощен известный тезис: «Все гениальное просто». В YouTube и на интернет-сайтах можно встретить десятки вариантов действующих генераторов Ван де Граафа, изготовленных руками умельцев из абсолютно доступных подручных материалов – карандашей, обрезков водопроводных труб ПВХ, резинок, канцелярских скрепок, батареек, электродвигателей от игрушек, скотча, проводов и т. д. Данный перечень ограничивается лишь фантазией и квалификацией изобретателей.

Наиболее доступным является вариант с обрезком трубы ПВХ, внутри которого на осях крепятся вращающиеся валики, соединенные между собой прочной лентой. Для установления осей необходимо с помощью разогретого паяльника вверху и внизу проделать параллельные отверстия.

Перпендикулярно к нижней оси проделывается еще одно отверстие для щетки. Нижний валик и щетка соединяется с электромотором. В качестве сферы можно задействовать использованную банку из-под газировки емкостью 0,33 л. К стороне, обращенной внутрь трубы, прикрепляется щетка для снятия положительного заряда. После этого конструкция собирается. Все, можно запускать. Через пару минут следует поднести банку-сферу к струйке воды, и она под действием магнитного поля слега отклонится. Что и требовалось доказать.

Это инструкции о том, как я построил Генератор Ван де Графа своими руками из некому ненужного мусора. Вот он на рисунке:

Итак, первое, что нужно сделать, это собрать все необходимые компоненты. Они включают в себя: 1 карандаш, два старых высохших пасты, кусок трубу ПВХ, одна мертвая лампочка, длинный кусок резинки, скрепка, алюминиевая фольга, скотч, один маленький двигатель от игрушки, девятивольтовая батарея, и немного провода, ну и основание – деревянная дощечка. Все видно на фото:

Первым шагом на ваших действий станет сверления отверстия под трубку в основании основания. Нужно взять дрель с перьевым сверлом нужного диаметра, чтобы ПВХ трубка плотно входила.

Следующее, вы делаете два сквозных отверстия через обе стороны трубки. Расстояние между отверстиями такое, чтобы при вставке пасты и натягом между пастами резинки так чтоб резинка была слегка натянута. Убедитесь, что резинка сидит не слишком туго иначе она будет остановить двигатель.

Затем делаем еще два отверстия в трубке. Первое отверстие должны быть просверлено чуть выше первого на той же оси. Второе отверстие должно быть прямо перпендикулярно нижнему. Внимательно посмотрите на фото:

Теперь необходимо вытащить чернила из пасты. Я использовал ленту галстук, как те, которые приходят с мешки для мусора, чтобы очистить пасту. Что используете Вы думайте сами.

Далее вам вырезать кусок пасты по длине внутренний диаметр труб из ПВХ. Затем возьмите скрепку и вырежьте кусочек достаточной длины, так чтоб кусочек выступал из трубки как минимум на сантиметр. Смотрите фото:

Как Вы наверное догадались таких валика нам понадобится два. Перед сборкой необходимо собрать диэлектрическую пленку. Она делается из скотча и нашей резинки. Резинка обклеивается скотчем, чтоб клеящие стороны были слеины друг с другом. Можно и не обклеивать полоску скотча, а просто надеть с верху резинку для прижимку к нашим роликам.

Потом возьмем ластик от карандаша и соберём нашу конструкцию как показано на рисунке ниже. Для надежности соединения супер клеем вал мотора приклеивается к ластику и скрепке.

Следующим шагом будем добавить щетки, которые собирают заряд. Нижняя кисть, как показано на картинке слева проходит через отверстие в нижней части, конечик проволоки должен быть размохрён. Вы должны убедиться, что кисти близки к резинке, но не должны прикосаться к ней. Верхняя кисть, как показано на рисунке справа проходит через верхнее отверстие.

Следующий этап и финал - обклеиваем сгоревшую лампочку куском алюминиевой фольги. Ключевую роль в обеспечении алюминиевого проводини больше заряда для того чтобы собрать его как можно больше. Потом к этой фольге на лампе подключаем верхний провод и нашу лампу-электрод вставляем на верх всей конструкции. Ну, вот что вы теперь знаете, как построить самим генератор Ван де Графа.

В начале 1930-х годов доктор Роберт Ван де Грааф, работавший на тот момент научным сотрудником в Массачусетском технологическом институте и занимавшийся научными исследованиями в области ядерной физики и ускорительной техники, разработал, спроектировал и в скором времени соорудил высоковольтный электростатический ускоритель, работающий по принципу электризуемой ионами воздуха конвейерной ленты (1933).

Позже, в 1936 году, Ван де Граафом был построен (все по тому же принципу) самый большой в мире электростатический генератор постоянного напряжения — тандемный генератор Ван де Граафа, состоящий из двух высоких башен.

Газеты того времени называли изобретение доцента не иначе как революционным, предрекали ему «свершать чудеса» и «открывать тайны природы». Столь сильный ажиотаж в прессе вовсе не удивителен, ведь самый большой двухкаскадный генератор Ван де Граафа состоял из двух огромных колонн диаметром почти по 2 метра каждая и высотой примерно по 15 метров (с закрепленными сверху на колоннах металлическими сферами диаметром по 4,5 метра, внутрь которых механически подавался электрический заряд) и позволял получать разность потенциалов в 7000000 вольт.

Несмотря на низкий КПД устройства в целом (порядка 23%), люди, видевшие чудесный прибор в работе, испытывали неизгладимое впечатление, ведь искровые разряды получались более метра длиной.

Мощности генератора Ван де Граафа хватало для реальной исследовательской работы, - для ускорения атомных ядер, а также элементарных частиц, таких как протоны и электроны, до достаточно высоких скоростей. Так генератор Ван де Граафа, использованный в ускорителях, помогал ученым выявлять составные части атомов, являющие собой структуру физической вселенной.

Говорят, идея относительно принципа работы высоковольтного генератора пришла Ван де Граафу, когда он был еще студентом и наблюдал то и дело проскакивавшие искры статического электричества на работающем печатном станке.

Принцип действия генератора заключается в следующем. Шелковая или резиновая лента (диэлектрическая лента) натянута и вращается подобно конвейерной ленте на паре роликов, один из которых находится в основании колонны, второй — внутри полости проводящей сферы наверху. Нижний ролик изготовлен из металла и гальванически соединен с землей, он приводится во вращение двигателем. Верхний ролик — диэлектрический.

К ленте снизу, под нижним роликом, с небольшим зазором подведена металлическая щетка, соединенная с положительной клеммой источника высокого напряжения, отрицательная клемма которого присоединена непосредственно к нижнему ролику.

Итак, между нижним роликом и щеткой движется диэлектрическая лента (в реальном генераторе лента имела ширину около 120 см). Под действием высокого напряжения (порядка 20000 вольт) между роликом и щеткой, воздух между ними ионизируется и положительные ионы воздуха, влекомые силой Кулона, устремляются к отрицательно заряженному ролику. Но поскольку на пути ионов находится диэлектрическая лента, ионы оседают на ленте, заряжая ее таким образом.

Лента движется снизу вверх, внизу она непрерывно получает заряд, одновременно с этим заряд с ее поверхности непрерывно забирается возле верхнего ролика, так как верхний ролик внутри сферы тоже имеет расположенную рядом с собой щетку. Щетка снимает заряд с ленты, и будучи соединена гальванически с внутренней поверхностью полой проводящей сферы, передает ей заряд, все больше и больше электризуя эту сферическую емкость по всей ее наружной поверхности, по сути нагнетая, накачивая в нее заряд.

Генератор Ван де Граафа активно используется в различных лабораториях, а также его можно встретить в политехнических музеях и всех тех местах, где проводятся эксперименты с электричеством. Это устройство способно создавать электростатический ток мощностью в несколько тысяч вольт.
Такое название генератор получил в честь голландского физика Р. Дж. Ван де Граафа, которым в 1931 году была создана эта интересная машина. Сегодня подобные установки активно демонстрируются в школе на уроках физики, их называют электрофорными машинами. В этой статье речь пойдет о том, как своими руками можно сделать уменьшенную копию такого генератора из подручных материалов.


Материалы и инструменты для самоделки :

- маленький гвоздь;
- пустые алюминиевые банки от напитков;
- кольцевая резинка (около 0.5 см шириной и диаметром 8-10 см);
- маленький электрический моторчик (от игрушки, фена и т.п.);
- стеклянный предохранитель (размер 5x20 мм);
- «крокодильчик» (зажим);
- фиксатор для батареи;
- бумажный стаканчик или чашка из пенополистирола;
- тюбик клея для пластика или пистолет с горячим клеем;
- два куска медного провода;
- два куска сантехнической ПВХ трубы диаметром 3/4 дюйма;
- муфта из ПВХ на 3/4 дюйма;
- сантехнический тройник 3/4 дюйма;
- деревянная подставка и изолнета.

Процесс сборки генератора:

Шаг первый. Собираем корпус генератора
Корпус генератора состоит из ПВХ труб, в качестве основы используется деревянная подставка. Сперва нужно взять основание и приклеить к нему кусок пластиковой трубы длиной 5-7 см (диаметр используемых труб 3/4 дюйма). Далее на эту трубу надевается ПВХ сантехнический тройник. Благодаря такой конструкции устройство можно будет легко разобрать, если понадобится заменить резинку или провести какие-либо другие работы внутри.

Теперь можно устанавливать двигатель, он вставляется в отверстие тройника и располагается горизонтально. Если окажется, что диаметр моторчика будет слишком маленьким, его нужно обмотать изолентой, он должен входить в корпус тройника с некоторым усилием. Чтобы вал двигателя мог взаимодействовать с резинкой, на него нужно надеть кусочек трубочки. Подойдет ампула гелиевой ручки или лучше всего мягкий резиновый кембрик от провода, это будет обеспечивать отличное сцепление с лентой.

После установки двигателя нужно взять дрель и просверлить напротив вала двигателя небольшое отверстие. Затем в него нужно вставить кусок многожильного провода, разлохмаченного на конце. Он будет снимать с ленты электрический заряд. Провод можно закрепить с помощью горячего клея или скотча. Теперь осталось только надеть на вал двигателя резинку и вытащить другой ее конец через верхнюю часть. После этого можно переходить к следующему этапу.

Шаг второй. Делаем вторую ось
Теперь нужно взять еще один кусок ПВХ трубы и отрезать от него кусок в 5-7 сантиметров, он будет вставляться в верхнюю часть тройника. Длина этого куска трубы должна быть такой, чтобы резинка не была слишком сильно натянута, иначе она не сможет вращаться. Но лента и не должна сильно провисать. После того как будет достигнута определенная длина, резинку можно временно зафиксировать вверху гвоздем.

Далее нужно взять полистироловый стаканчик и сделать в ее нижней части отверстие 3/4 дюйма. Стаканчик надевается на трубку донышком вверх, труба должна заходить в него плотно. Он нужен для того, чтобы на заключительном этапе установить алюминиевую банку.

После установки стаканчика в верхней части трубы нужно просверлить три отверстия. Два нужно для того, чтобы вставить второй вал, а третье для установки контакта. В качестве вала используется гвоздь, на который надевается кусочек стеклянной трубочки. При вращении она имеет самое маленькое трение. Такую трубочку автор сделал из стеклянного предохранителя. Чтобы снять металлические колпачки, их нужно сперва нагреть паяльником, а потом осторожно стащить плоскогубцами.

Ну а далее останется подключить вторую щетку, как и в первом случае нужно расправить щетину на проводе и сделать так, чтобы он находился от ленты на минимальном расстоянии, но не касался ее. Провод фиксируется скотчем или клеем.

Опять же, чтобы система проще разбиралась, можно сделать верхнюю часть съемной, используя муфту для пластиковой трубы. Как это сделать, можно увидеть на фото.

Шаг третий. Заключительный процесс сборки
На этом этапе конструкция будет собрана полностью. Сперва нужно зафиксировать стаканчик, для этого можно использовать горячий клей или специальный клей для пластика.

После этого можно устанавливать алюминиевую банку, для этого в верхней ее части нужно вырезать отверстие, подходящее по диаметру к стаканчику. Банка должна плотно сесть на него.

Благодаря закругленным краям, такая банка отлично подходит для работы с высоким напряжением, поскольку минимизируется «коронный разряд». Также нужно не забыть пропустить внутрь банки свободный конец провода от верхней щетки.

Ну а теперь остается лишь подключить систему к источнику питания, это может быть или батарея или же любой другой источник питания подходящего напряжения. Если конструкция собрана верно, к банке должны притягиваться кусочки бумаги, а на ощупь разряд тока чувствуется как легкое покалывание. Если этих явления не наблюдается, то возможно где-то допущена ошибка. Можно попробовать использовать другую резинку и проверить зазор контактов между ней.