반데그라프 발전기

Van de Graaff generator
이 기사는 금속 지구본에 전하를 축적하는 데 사용되는 기계에 대한 것입니다.프로그레시브 록밴드는 Van der Graaf Generator를 참조하십시오.
반데그라프 발전기
Large metal sphere supported on a clear plastic column, inside of which a rubber belt can be seen clearly: A smaller sphere is supported on a metal rod. Both are mounted to a base plate, on which is a small driving electric motor.
과학 교육에 사용되는 소형 Van de Graff 발전기
사용하다식품 및 공정 물질을 살균하기 위한 전자 가속, 핵 물리학 실험용 양성자 가속, 핵 의학, 물리학 교육, 엔터테인먼트 분야에서 에너지 X선 빔 생성
발명가로버트 J. 반 더 그라프
관련 항목선형 입자 가속기

Van de Graff 발전기는 절연 기둥 상단에 있는 중공 금속 글로브에 이동 벨트를 사용하여 전하를 축적하여 매우 높은 전위를 생성하는 정전 발전기입니다.저전류 레벨에서 매우 고전압 직류(DC) 전기를 생성합니다.그것은 1929년 [1]미국의 물리학자 Robert J. Van de Graff에 의해 발명되었다.최신 Van de Graff 발전기가 달성한 전위차는 최대 5메가볼트입니다.테이블 상판 버전은 약 100kV의 전압을 발생시킬 수 있으며 가시적인 전기 스파크를 발생시키는 데 필요한 에너지를 저장할 수 있습니다.작은 Van de Graff 기계는 엔터테인먼트를 위해, 그리고 정전기를 가르치기 위한 물리학 교육을 위해 생산됩니다; 몇몇 과학 박물관에는 더 큰 기계들이 전시되어 있습니다.

Van de Graff 발전기는 원래 물리학 연구를 위한 입자 가속기로 개발되었는데, 그 이유는 높은 잠재력이 진공관에서 아원자 입자를 빠른 속도로 가속시키는 데 사용될 수 있기 때문이다.그것은 1930년대 초에 사이클로트론이 개발되기 전까지 가장 강력한 형태의 가속기였다.Van de Graff 발전기는 여전히 핵 연구와 핵 [2]의학을 위한 에너지 입자 및 X선 빔을 생성하기 위한 가속기로 사용된다.

야외 Van de Graff 기계에 의해 생성되는 전압은 아크와 코로나 방전에 의해 약 5MV로 제한됩니다. 대부분의 최신 산업용 기계는 절연 가스의 가압 탱크에 둘러싸여 있으며, 이는 약 25MV의 전위를 달성할 수 있습니다.

역사

웨스팅하우스 Atom Smasher, 1937년 펜실베니아 포레스트 힐스에 있는 웨스팅하우스 전기회사가 만든 5MeV Van de Graff 발전기
최초의 헝가리 선형 입자 가속기의 Van de Graff 발전기는 1951년에 700 kV, 1952년에 1000 kV를 달성했습니다.
Pierre and Marie Curie University, Paris의 가압 탱크에 있는 Van de Graff 입자 가속기

배경

정전 발전기의 컨셉에 기계적으로 적은 양을 고압으로 전극이 켈빈 물 드로퍼 웜에서부터 유래된 1867년에서 같은 극성으로, 돌격을 추가 물 가을의 양동이에 방울을 청구했다 윌리엄 톰슨(켈빈 경은)[3]에 의해 발명되의 내부로 옮겨진다.[4]이런 종류의 기계에서는 중력이 버킷의 반대편 정전장에 대해 방울을 이동시킨다.켈빈 자신은 처음에 물 대신 벨트를 사용하여 전하를 운반할 것을 제안했다.전하를 운반하기 위해 끝없는 벨트를 사용한 최초의 정전 기계는 1872년 아우구스토 [1][4]리기에 의해 만들어졌습니다.그것은 길이 방향으로 와이어링이 달린 인도 고무 벨트를 전하 운반체로 사용했고, 그것은 구형 금속 전극으로 통과되었다.대전된 플레이트를 사용한 정전 유도에 의해 접지된 하부 롤러에서 벨트로 전하가 인가되었습니다.존 그레이는 또한 [4]1890년경 벨트 기계를 발명했다.또 다른 복잡한 벨트 기계는 1903년 후안 버보아에[1][5] 의해 발명되었다. 반 데 그라프에게 더 직접적인 영감은 1920년대에 전하가 떨어지는 금속 공에 의해 전극으로 전달되어 켈빈 워터 드로퍼의 [1][6]원리로 되돌아가는 발전기였다.

초기 개발

반 데 그라프 발전기는 1929년부터 동료 니콜라스 버크의 도움을 받아 프린스턴 대학의 물리학자 로버트 반 데 그라프에 의해 개발되었습니다.첫 번째 [7]모델은 1929년 10월에 시연되었다.첫 번째 기계는 일반 깡통, 작은 모터, 그리고 오분 가게에서 산 실크 리본을 사용했다.그 후, 그는 개선된 버전을 만들기 위해 100달러를 요구하며 물리학부 회장에게 갔다.그는 간신히 그 돈을 손에 넣었다.1931년까지, 그는 150만 볼트 달성을 보고할 수 있었다. "이 기계는 간단하고, 저렴하며, 휴대성이 좋다.일반 램프 소켓이 필요한 [8][9]전원만 공급합니다."특허 출원에 따르면, 그것은 180cm 높이의 붕규산염 유리 기둥에 직경 60cm의 전하 축적구 2개를 설치했다.[10][11] 1931년에는 이 장치가 90달러였다.

Van de Graff는 1931년 12월에 두 번째 특허를 출원했고, 그것은 순이익의 몫의 대가로 Massachusetts Institute of Technology에 할당되었다.그 특허는 나중에 [12]부여되었다.

1933년, Van de Graff는 MIT의 Round Hill 시설에서 40피트(12m)의 모델을 만들었고, 이 시설은 Edward H. R.[13] Green 대령에 의해 기증되었습니다.항공기 격납고에서 이 발전기의 위치가 가져온 결과 중 하나는 구체의 외부 표면에 쌓인 배설물에서 아크가 발생하는 [14]"피건 효과"였다.

고에너지 기계

1937년 Westinghouse Electric Company는 펜실베이니아주 Forest Hills에 5MeV를 발생시킬 수 있는 Westinghouse Atom Smasher라는 65피트(20m) 크기의 기계를 만들었습니다.그것은 민간 [15][16]용도를 위한 핵 연구의 시작을 알렸다.1958년 해체되었다가 2015년 [17]일부 철거되었다(안전상의 이유로 [18]울타리를 옆으로 눕혔다).

보다 최근의 개발은 하나 이상의 Van de Graff 발생기를 포함하는 탠덤 Van de Graff 가속기로, 여기서 음전하 이온은 고전압 단자 내에서 두 개 이상의 전자를 제거하기 전에 하나의 전위차를 통해 가속되고 다시 가속됩니다.3단계 운영의 예는 1964년 옥스퍼드 원자력 연구소에서 10 MV 싱글 엔드 "인젝터"와 6 MV EN [19][page needed]탠덤으로 구축되었다.

1970년대에 이르러서는 전자를 잡아 불꽃을 일으키는 것을 방지하기 위해 고압 육불화황(6SF) 가스 탱크를 사용한 탠덤 단자에서 최대 14MV를 얻을 수 있었다.이를 통해 수십 MeV의 중이온 빔이 생성되어 광이온 직접 핵반응을 연구하기에 충분했다.Van de Graff 가속기에 의해 유지되는 최대 잠재력은 25.5 MV이며, 오크리지 국립 [20]연구소에 있는 홀리필드 방사성 이온 빔 시설의 탠덤에 의해 달성된다.

한층 더 발전된 것은 펠레트론입니다.펠레트론은 고무 또는 패브릭 벨트를 절연 링크로 연결된 짧은 도전봉 체인으로 대체하고 공기 이온화 전극을 접지 롤러 및 유도 충전 전극으로 교체합니다.체인은 벨트보다 훨씬 빠른 속도로 작동할 수 있으며, 도달 가능한 전압과 전류 모두 기존의 Van de Graff 제너레이터보다 훨씬 높습니다.호주 국립 대학의 14 UD 중이온 가속기에는 15MV 펠레트론이 들어 있습니다.그것의 체인은 길이가 20m 이상이고 50km/h(31mph)[21]보다 빨리 달릴 수 있다.

데레스베리 연구소의 핵구조 시설(NSF)은 1970년대에 제안되었고 1981년에 취역하여 1983년에 실험을 위해 개방되었다.그것은 70m 높이의 독특한 건물에 수용된 20 MV로 일상적으로 작동하는 탠덤 Van de Graff 발전기로 구성되었다.수명 동안, 그것은 양성자에서 우라늄에 이르는 80개의 다른 이온 빔을 실험용으로 가속화했다.특별한 특징은 희귀한 동위원소 빔과 방사능 빔을 가속하는 능력이었다.NSF를 이용한 가장 중요한 발견은 아마도 초변형 핵의 발견일 것이다.이 원자핵들은 가벼운 원소들의 융합으로 형성될 때 매우 빠르게 회전한다.속도가 느려질 때 방출되는 감마선의 패턴은 핵의 내부 구조에 대한 자세한 정보를 제공했다.재정 삭감에 이어 NSF는 [22][verification needed]1993년에 문을 닫았다.

묘사

Van de Graff 발전기 다이어그램

간단한 Van de Graff 발생기는 고무 벨트(또는 이와 유사한 유연한 유전체 재료)로 구성되어 있으며, 두 롤러 중 하나는 중공 금속 구체로 둘러싸여 있습니다.각 롤러 근방에는 날카로운 점(그림 중 2, 7)을 가진 빗 모양의 금속전극이 배치되어 있다.위쪽 빗(2)은 구에 연결되고 아래쪽 빗(7)은 접지에 연결됩니다.모터가 벨트를 구동하는 데 사용될 경우 트라이보전 효과가 벨트와 두 롤러의 상이한 재료로부터 전자를 전달합니다.이 예에서 벨트의 고무는 음전하를 띠는 반면 상부 롤러의 아크릴 유리는 양전하를 띠게 됩니다.벨트는 상부 롤러가 양전하를 [23]축적하는 동안 내부 표면에 음전하를 전달합니다.

다음으로, 정위 상부 롤러(3)를 둘러싼 강한 전계가, 근방의 빗(2)점 부근에 매우 높은 전계를 유도한다.빗의 지점에서, 그 장은 공기 분자를 이온화시킬 수 있을 만큼 강해진다.공기 분자의 전자는 벨트의 바깥쪽으로 끌어당기는 반면, 양이온은 빗으로 갑니다.빗에서는 금속으로부터의 전자에 의해 중화되므로 빗과 부착된 외각(1)은 더 적은 순 전자와 순 양전하를 갖게 됩니다.가우스의 법칙에 따라(페러데이 얼음통 실험에서 설명한 바와 같이) 과도한 양의 전하가 외부 셸의 표면에 축적되어 셸 내부에 전계가 남지 않습니다.벨트를 계속 구동하면 정전 유도가 더 진행되어 셸에 대량의 전하가 축적될 수 있습니다.누출 및 코로나 방전을 통해 구에서 나가는 전하 속도가 [23]벨트에 의해 구로 새 전하가 전달되는 속도와 같아질 때까지 전하가 계속 누적됩니다.

단자구 밖에서는 구상의 고전압에 의해 높은 전계가 발생하며, 이로 인해 외부에서 전하가 더해지는 것을 방지할 수 있습니다.그러나 충전된 도체는 내부에 전계가 없기 때문에 외각의 전위를 넘지 않고 내부에서 연속적으로 전하를 추가할 수 있다.

매사추세츠 주 보스턴에 있는 과학 박물관에서 세계에서 가장 큰 공기 절연 Van de Graff 발전기에 의한 스파크

구체는 크고 지면으로부터 멀수록 피크 전위는 높아집니다.전하의 신호(양극 또는 음극)는 벨트와 롤러의 재료를 선택하여 제어할 수 있습니다.삼각전기 효과에만 의존하는 것이 아니라 전압원을 사용하여 벨트를 직접 충전함으로써 구상의 더 높은 전위를 얻을 수 있습니다.

Van de Graff 발전기 단자는 작동하기 위해 구형일 필요가 없으며, 실제로 벨트가 들어가는 구멍 주위에 내향 곡선이 있는 구형이다.둥근 단자는 주변의 전계를 최소화하여 주변의 공기나 다른 유전 가스의 이온화 없이 더 큰 전위를 얻을 수 있습니다.Van de Graff 발전기는 거의 모든 전위 레벨에서 동일한 소전류를 공급할 수 있기 때문에 거의 이상적인 전류원의 예입니다.

최대 도달 가능 전위는 구 반지름 R에 주변 가스 내에서 코로나 방전이 형성되기 시작하는 전기장max E를 곱한 것과 거의 같다.표준 온도 및 압력(STP)에서 공기의 경우 분해 필드는 약 30 kV/cm입니다.따라서 직경 30cm(12인치)의 연마된 구형 전극은 약 450kV의 최대 전압max V = R·E를max 발생시킬 것으로 예상할 수 있다.이것이 Van de Graff 발전기가 가능한 가장 큰 [24]직경으로 만들어지는 이유를 설명해 줍니다.

학교에서 교육용으로 사용되는 Van de Graff 발전기
소시지 모양 상단 단자 제거
벨트에 전하를 퇴적시키는 바닥의 빗형 전극
벨트에서 전하를 제거하는 상단의 빗형 전극

입자 가속기로 사용

탠덤 액셀러레이터 다이어그램

Van de Graff 발전기 개발의 초기 동기는 핵물리 [1]실험을 위한 입자를 가속하는 고전압의 원천이었다.단자 표면과 접지 사이의 높은 전위차로 인해 대응하는 전계가 발생합니다.이온원이 구면(일반적으로 구면 내) 근처에 배치되면, 자기장은 해당 부호의 하전 입자를 구면에서 가속합니다.발전기를 가압가스로 절연함으로써 파괴전압을 상승시켜 가속입자의 [24]최대에너지를 높일 수 있다.

탠덤 액셀러레이터

입자 빔 Van de Graff 가속기는 종종 "탄뎀" 구성에서 사용되며, 고전위 단자는 기계의 중앙에 위치합니다.음전하를 띤 이온을 한쪽 끝에 주입하고, 여기서 말단을 향해 유인력에 의해 가속한다.입자가 말단에 도달하면, 입자는 양전하를 띠기 위해 일부 전자를 제거하고, 그 후 말단에서 떨어진 반발력에 의해 가속됩니다.이 구성은 1대의 Van de Graff 발전기 비용으로 2개의 가속화를 가져오며 복잡한 이온원 계측기를 접지 [24]전위 부근에 접근 가능한 상태로 두는 추가적인 이점이 있습니다.

펠레트론

주요 기사: Pelletron

펠릿론은 벨트를 사용하여 고전압 단자에 전하를 전달하는 단점을 극복하도록 설계된 탠덤 가속기입니다.펠릿론에서 벨트는 "펠릿"으로 대체됩니다. 펠릿은 체인에 절연 고리로 연결된 금속 구체입니다.이 구체의 체인은 기존의 Van de Graph 가속기의 벨트와 동일한 기능을 하며 고전압 단자에 전하를 전달합니다.분리된 충전된 구와 체인의 높은 내구성은 고전압 단자에서 더 높은 전압을 얻을 수 있으며 전하가 단자로 더 [24]빨리 전달될 수 있음을 의미합니다.

엔터테인먼트 및 교육용 제너레이터

미국 과학 에너지 박물관에서 밴더그래프 발전기를 만지고 있는 여자.충전된 머리카락이 서로 밀어내고 그녀의 머리에서 튀어나온다.
보스턴 과학 박물관의 Theater of Electric의 교육 프로그램은 1930년대에 Van de Graff가 만든 세계에서 가장 큰 공기 단열식 Van de Graff 발전기를 시연합니다.

1930년대에 반 드 그라프 박사가 만든 세계에서 가장 큰 공기 단열식 반 드 그라프 발전기가 현재 보스턴 과학 박물관에 영구 전시되어 있습니다.두 개의 결합된 4.5m(15ft) 알루미늄 구가 22피트(6.7m) 높이의 기둥에 서 있는 이 발전기는 종종 2MV(2백만 볼트)를 얻을 수 있습니다.Van de Graff 제너레이터 및 여러 Tesla 코일을 사용하는 방법을 보여 줍니다.[25] 하루에 2~3회 실시합니다.미국 과학 에너지 박물관과 같은 많은 과학 박물관에는 소규모 반 드 그라프 발전기가 전시되어 있으며, 정전기 발생 특성을 이용하여 "번개"를 만들거나 사람들의 머리카락을 세워줍니다.Van de Graff 발전기는 학교와 과학 [26]쇼에서도 사용됩니다.

다른 정전 발전기와의 비교

Wimshurst 기계나 Bonetti 기계와 같은 다른 정전기는 Van De Graff와 유사하게 작동하며, 전하가 플레이트, 디스크 또는 실린더를 고전압 전극으로 이동시킴으로써 전송됩니다.그러나 이러한 발전기의 경우 노출된 금속 부품에서 높은 전위와 낮은 절연으로 코로나 방전이 더 작은 전압으로 이어집니다.정전발전기는 고전압전극에 대한 전하수송(전류) 속도가 매우 작다.기계 기동 후 단자전극의 전압이 상승하여 전극으로부터의 누설전류가 전하수송속도와 같아집니다.따라서 단자로부터의 누출에 따라 도달 가능한 최대 전압이 결정됩니다.Van de Graff 발생기에서 벨트는 큰 중공 구형 전극 내부로 전하를 전송할 수 있도록 합니다.이는 누출과 코로나 방전을 최소화하는 데 이상적인 형태이므로 Van de Graff 발전기는 최대 전압을 생성할 수 있습니다.이것이 Van de Graff 설계가 모든 정전기 입자 가속기에 사용된 이유입니다.일반적으로 직경이 크고 구면이 부드러울수록 [27][verification needed][better source needed]얻을 수 있는 전압은 높아집니다.

특허

「 」를 참조해 주세요.

  • 정전 부상
  • 패러데이 케이지 – 전계 차단에 사용되는 전도성 메쉬의 인클로저
  • 금속 방적 – 얇은 금속 구체를 제작하는 데 사용되는 금속 가공 공정
  • Oudin 코일 – 공진 변압기 회로
  • Tesla 코일 – Nikola Tesla가 개발한 전기 공진 변압기 회로

레퍼런스

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외부 링크

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