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ヴァンデグラフ起電機は、絶縁された柱の上部にある中空の金属球に動くベルトを使用して電荷を蓄積し、非常に高い電位を生成する静電発電機です。低電流レベルで非常に高い電圧の直流（DC）電力を生成します。これは、 1929 年にアメリカの物理学者ロバート J. ヴァンデグラフによって発明されました。[ 1 ]現代のヴァンデグラフ起電機で達成される 電位差は、最大で 5 メガボルト（MV）にもなります。安価な卓上型バージョンでは、100 kV 程度の電圧を生成でき、目に見える電気火花を発生させるのに十分なエネルギーを蓄えることができます。小型のヴァンデグラフ起電機は娯楽用や静電気を教えるための物理教育用に製造されており、大型のものは一部の科学博物館に展示されています。
ヴァンデグラフ起電機は、もともと物理学研究用の粒子加速器として開発されました。その高い電位を利用して、真空の加速管内で素粒子を高速に加速することができます。 1930年代初頭にサイクロトロンが開発されるまでは、最も強力なタイプの加速器でした。静電エネルギーは容易に制御できるため、ヴァンデグラフ起電機は現在でも核研究や核医学用の高エネルギー粒子ビームを生成する加速器として使用されています。[ 2 ]
屋外型ヴァンデグラフ加速器で発生する電圧は、アーク放電やコロナ放電によって約5メガボルト（MV）に制限されます。一方、研究用ヴァンデグラフ加速器は、絶縁ガスで満たされた加圧タンク内に設置されており、約25MVもの高電圧を実現できます 。
電荷を少量ずつ機械的に高電圧電極の内部に輸送する静電発電機の概念は、1867年にウィリアム・トムソン（ケルビン卿）によって発明されたケルビン水滴器[ 3 ]に由来する。この装置では、帯電した水滴が同じ極性の電荷を持つバケツに落ち、電荷が加算される[ 4 ] 。 この種の機械では、重力によって水滴がバケツの反対の静電場に逆らって移動する。ケルビン自身は、電荷を運ぶために水の代わりにベルトを使用することを最初に提案した。エンドレスベルトを使用して電荷を輸送する最初の静電発電機は、1872年にアウグスト・リギによって製作された[ 1 ] [ 4 ]。この発電機は、電荷キャリアとして長さに沿ってワイヤーリングが付いたインドゴムベルトを使用し、それが球状の金属電極に送られた。電荷は、帯電したプレートを使用した静電誘導によって、接地された下部ローラーからベルトに印加された。ジョン・グレイも1890年頃にベルトマシンを発明した。 [ 4 ] 1903年には、フアン・ブルボアによってさらに複雑なベルトマシンが発明された。[ 1 ] [ 5 ]ヴァン・デ・グラフにとってより直接的なインスピレーションとなったのは、 1920年代にWFGスワンが開発していた発電機で、これは落下する金属球によって電荷が電極に運ばれるもので、ケルビン水滴の原理に戻るものであった。[ 1 ] [ 6 ]
ロバート・ジェミソン・ヴァン・デ・グラーフは、「個々の粒子」を研究したいという願望から、この発電機にたどり着いた。[ 7 ] 1922年にアラバマ大学を機械工学の学位を取得して卒業した後、彼は熱力学と粒子の統計的扱いに不満を抱くようになった。1924年にソルボンヌ大学でマリー・キュリーの放射能に関する講義に出席し、ルイ・ド・ブロイの波動粒子二重性に関する博士論文の弁論を目撃した。後に彼は、この経験が核物理学への転向を決定づけたと述べている。[ 8 ] [ 7 ] 1925年から1928年までオックスフォード大学のローズ奨学生として、彼は1927年のアーネスト・ラザフォードの王立協会での講演を読み、エネルギーにおいて天然の放射性物質を凌駕する粒子ビームを提唱し、電荷を機械的に高電圧端子に輸送する方法を検討し始めた。[ 8 ]
1929年、プリンストン大学でカール・T・コンプトンの下で研究していたヴァン・デ・グラフは、ブリキ缶、絹のリボン、小型モーターを使って最初のモデルを製作した。これは8万ボルトを達成した。[ 7 ] 1931年9月までに、約100ドルで製作されたツインスフィアマシンは150万ボルトに達した。これはそれまでの直流電源の2倍である。[ 9 ] [ 10 ]このデモンストレーションはメディアで広く報道され、他の物理学者の注目を集めた。[ 10 ]その月、カーネギー研究所の地球磁気部門のマール・トゥーブは装置を借り、ワシントンまでのドライブのために車に固定した。加速管を取り付けたDTMマシンは、1932年末までにヴァン・デ・グラフの最初の核物理学実験を可能にした。[ 11 ] [ 12 ]
ヴァン・デ・グラーフは1931年にコンプトンに続いてMITに移り、リサーチ・コーポレーションからの資金援助とエドワード・H・R・グリーンから寄贈された施設を利用して、ラウンドヒル研究ステーションにさらに大きな発電機を建設した。かつての航空機格納庫に設置されたこの発電機は、6.7メートルの柱の上に2つの4.6メートルのアルミニウム球を備え、510万ボルトの差動電圧を達成した。屋外で運転すると、チームが「鳩効果」と呼んだ、球体に蓄積した糞によって引き起こされるアーク放電に対処する必要があった。[ 13 ]一方、ウィスコンシン大学のレイモンド・ハーブは、密閉加圧式装置という別のアプローチを追求した。彼の1934年の加速器は、四塩化炭素蒸気と混合した空気を使用して、コンパクトなタンク内で100万ボルトに達した。[ 14 ]この加圧絶縁方式は、単なる規模ではなく、その後の開発を決定づけることになった。ヴァン・デ・グラーフは1931年12月に2番目の特許を申請し、それはリサーチ・コーポレーションに譲渡された。[ 15 ]
1937年、ウェスティングハウス・エレクトリック社は、ペンシルベニア州フォレストヒルズに、5 MeVのエネルギーを生成できる高さ65フィート（20メートル）のウェスティングハウス・アトム・スマッシャーを建設した。これは、民生用途の原子力研究の始まりとなった。[ 16 ] [ 17 ] 1958年に廃止され、2015年に部分的に解体された。[ 18 ]（安全上の理由から、囲いは横倒しにされた。）[ 19 ]
より最近の開発としては、1 つ以上のヴァン デ グラフ発生器を含むタンデム ヴァン デ グラフ加速器があり、負に帯電したイオンが、高電圧端子内で 2 つ以上の電子を剥ぎ取られる前に、 1 つの電位差を通して加速され、再び加速されます。3 段階の動作の例として、1964 年にオックスフォード原子力研究所で 10 MV のシングル エンド「インジェクター」と 6 MV EN タンデムが構築されました。 [ 20 ]
1970年代までに、高圧六フッ化硫黄（SF6 ）ガスタンクを使用して電子を捕捉することで火花放電を防ぐタンデムの終端で最大14 MVを達成することが可能になった。これにより、軽イオンの直接核反応を研究するのに十分な数十MeVの重イオンビームを生成することが可能になった。ヴァンデグラフ加速器で維持できる最大の電位は25.5 MVで、オークリッジ国立研究所 のホリフィールド放射性イオンビーム施設のタンデムで達成された。[ 21 ]
さらに発展したのがペレトロンで、ゴムまたは布製のベルトが絶縁リンクで接続された短い導電性ロッドのチェーンに置き換えられ、空気電離電極が接地されたローラーと誘導充電電極に置き換えられています。チェーンはベルトよりもはるかに高速で動作させることができ、達成可能な電圧と電流は従来のヴァンデグラフ起電機よりもはるかに大きくなります。オーストラリア国立大学 の14 UD重イオン加速器には15 MVペレトロンが設置されています。そのチェーンは20 m以上の長さがあり、 50 km/h (31 mph)を超える速度で移動できます。[ 22 ]
英国デアズベリー研究所の核構造施設（NSF）は1970年代に提案され、1981年に稼働を開始し、1983年に実験を開始しました。この施設は、高さ70mの独特な建物内に設置された、20MVで常時稼働するタンデム・ヴァンデグラフ起電機（具体的にはラダートロン[ 23 ] ）で構成されていました。稼働期間中、陽子からウランまで、実験用に80種類のイオンビームを加速しました。特に注目すべき点は、希少な同位体や放射性ビームを加速できることでした。NSFを使用して行われた最も重要な発見は、おそらく超変形核の発見でしょう。これらの原子核は、より軽い元素の融合によって形成されると、非常に速く回転します。減速する際に放出されるガンマ線のパターンは、原子核の内部構造に関する詳細な情報を提供しました。[ 24 ]財政削減に伴い、NSFは1993年に閉鎖された。[ 25 ]
単純なヴァンデグラフ起電機は、異なる材質の2つのローラー上を移動するゴム（または同様の柔軟な誘電体材料）のベルトで構成され、一方のローラーは中空の金属球で囲まれています。各ローラーの近くに、先端が鋭い櫛状の金属電極（図の2と7）が配置されています。上側の櫛（2）は球に接続され、下側の櫛（7）は接地されています。モーターを使用してベルトを駆動すると、摩擦帯電効果により、ベルトと2つのローラーの異なる材料間で電子が移動します。図示の例では、ベルトのゴムは負に帯電し、上側のローラーのアクリルガラスは正に帯電します。ベルトは内面の負電荷を運び去り、上側のローラーは正電荷を蓄積します。[ 26 ]
次に、正に帯電した上部ローラー（3）を囲む強い電界により、近くの櫛状部（2）の先端付近に非常に強い電界が発生します。櫛状部の先端では、電界が空気分子をイオン化するほど強くなります。空気分子からの電子はベルトの外側に引き寄せられ、正イオンは櫛状部に移動します。櫛状部では、金属からの電子によって正イオンが中和され、櫛状部とそれに付着した外殻（1）には正味の電子が少なくなり、正味の正電荷が生じます。ガウスの法則（ファラデーの氷のバケツ実験で示されているように）により、過剰な正電荷は外殻の表面に蓄積され、外殻内部には電界がなくなります。ベルトを駆動し続けると、さらに静電誘導が発生し、外殻上に大量の電荷が蓄積されます。電荷は、球体から放出される電荷の速度（漏洩とコロナ放電による）が、ベルトによって球体内に運ばれる新しい電荷の速度と等しくなるまで蓄積され続けます。[ 26 ]
終端球の外側では、球にかかる高電圧によって高い電場が発生し、外部からの電荷の流入を妨げます。しかし、帯電した導体内部には電場が存在しないため、外殻の電位差を克服することなく、内部から電荷を連続的に流入させることができます。
球体が大きいほど、また地面から遠いほど、そのピーク電位は高くなります。電荷の符号（正または負）は、ベルトとローラーの材料を選択することで制御できます。摩擦帯電効果だけに頼るのではなく、電圧源を使用してベルトを直接充電することで、球体の電位をさらに高くすることも可能です。
ヴァンデグラフ起電機の端子は、動作するために球形である必要はなく、実際には、ベルトが挿入される穴の周囲が内側に湾曲した球形が最適形状です。丸みを帯びた端子は周囲の電界を最小限に抑え、周囲の空気やその他の誘電体ガスを電離させることなく、より大きな電位を実現できます。ヴァンデグラフ起電機は、ほぼあらゆる電位レベルで同じ小さな電流を供給できるため、ほぼ理想的な電流源の一例と言えます。
達成可能な最大電位は、球の半径Rに、周囲のガス内でコロナ放電が発生し始める電界E maxを掛けた値にほぼ等しい。標準温度圧力 ( STP )の空気の場合、絶縁破壊電界は約30 kV/cm 。したがって、直径30センチメートル（12インチ）の研磨された球状電極では、最大電圧V max = R · E maxが約30 kV/cmになると予想される。 450 kV。これが、ヴァンデグラフ起電機が可能な限り最大の直径で作られることが多い理由である。[ 27 ]
ヴァンデグラフ起電機の開発の当初の動機は、原子核物理実験で粒子を加速するための高電圧源としてでした。[ 1 ]端子表面と接地との間の高い電位差により、対応する電場が発生します。イオン源を球の表面近く（通常は球自体の内部）に配置すると、電場によって適切な符号の荷電粒子が球から遠ざかるように加速されます。起電機を加圧ガスで絶縁することで、絶縁破壊電圧を上げることができ、加速される粒子の最大エネルギーを増加させることができます。[ 27 ]
粒子ビームのヴァンデグラフ加速器は、高電位端子を装置の中心に配置した「タンデム」構成でよく使用されます。負に帯電したイオンは一方の端から注入され、そこで引力によって端子に向かって加速されます。粒子が端子に到達すると、一部の電子が剥ぎ取られて正に帯電し、その後、反発力によって端子から離れる方向に加速されます。この構成により、1つのヴァンデグラフ発生器のコストで2つの加速が可能になり、イオン源の計測機器を接地電位付近でアクセス可能にするという利点も得られます。[ 27 ]
ペレトロンは、高電圧端子への電荷伝達にベルトを使用する際のいくつかの欠点を克服するように設計されたタンデム加速器の一種です。ペレトロンでは、ベルトの代わりに、絶縁リンクで鎖状に連結された金属球である「ペレット」が使用されます。この球の鎖は、従来のヴァンデグラフ加速器のベルトと同じ機能、つまり高電圧端子への電荷伝達に使用されます。電荷を帯びた球が個別に存在し、鎖の耐久性が高いため、高電圧端子でより高い電圧が得られ、電荷をより速く端子に伝達できます。[ 27 ]
世界最大の空気絶縁型ヴァンデグラフ起電機であるラウンドヒル発電機は、1933年にヴァンデグラフ博士によって完成され、現在はボストン科学博物館に常設展示されている。高さ22フィート（6.7メートル）の柱の上に、連結された2つの4.5メートル（15フィート）のアルミニウム球体を持つこの発電機は、しばしば2メガボルト（200万ボルト）の電圧を得ることができる。ヴァンデグラフ起電機と複数のテスラコイルを使用したショーは、1日に2～3回行われる。[ 28 ]
アメリカ科学エネルギー博物館など多くの科学博物館には、小型のヴァンデグラフ起電機が展示されており、その静電気発生特性を利用して「雷」を作り出したり、人の髪の毛を逆立てたりしている。ヴァンデグラフ起電機は学校や科学ショーでも使用されている。[ 29 ]
ウィムズハースト装置やボネッティ装置などの他の静電発電機は、ヴァンデグラフ起電機と同様に動作します。電荷は、移動するプレート、ディスク、またはシリンダーによって高電圧電極に輸送されます。ただし、これらの発電機では、高電位の露出した金属部分からのコロナ放電と絶縁性の低さにより、電圧が低くなります。静電発電機では、高電圧電極に輸送される電荷の速度（電流）は非常に小さいです。機械が起動すると、電極からの漏洩電流が電荷輸送速度と等しくなるまで、端子電極の電圧が増加します。したがって、端子からの漏洩が達成可能な最大電圧を決定します。ヴァンデグラフ起電機では、ベルトによって電荷が大きな中空球状電極の内部に輸送されます。これは漏洩とコロナ放電を最小限に抑えるのに理想的な形状であるため、ヴァンデグラフ起電機は最大の電圧を生成できます。これが、すべての静電粒子加速器にヴァンデグラフ設計が使用されている理由です。一般に、直径が大きく、球が滑らかであるほど、達成できる電圧は高くなります。[ 30 ]
{{cite journal}}: CS1メンテナンス: DOIは2025年7月現在非アクティブです（リンク）
」。サイエンティフィック・アメリカン、1934年3月号。（.doc形式）