ヴァンデグラフ発電機

ヴァンデグラフ発電機

科学教育に使用される小型ヴァン・デ・グラフ発電機
用途	食品の殺菌や材料の加工のための電子の加速、核物理学実験のための陽子の加速、核医学における高エネルギーX線ビームの生成、物理教育、エンターテイメント
発明家	ロバート・J・ヴァン・デ・グラーフ
関連商品	線形粒子加速器

ヴァンデグラフ発電機は、移動するベルトを使用して絶縁された柱の上部にある中空の金属球に電荷を蓄積し、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) 電気を生成します。 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発電機によって達成される 電位差は、5メガボルトにもなります。卓上型は約100 kVを生成し、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機械は娯楽用、および静電気を教えるための物理教育用に製造されており、より大きなものはいくつかの科学博物館に展示されています。

ヴァンデグラフ発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。その高い潜在能力を利用して、真空管内で亜原子粒子を高速に加速できるからです。 1930年代初頭にサイクロトロンが開発されるまで、最も強力なタイプの加速器でした。ヴァンデグラフ発電機は現在でも、核研究や核医学用の高エネルギー粒子ビームやX線ビームを生成する加速器として使用されています。^[2]

オープンエアのヴァンデグラフ機械によって生成される電圧は、アーク放電とコロナ放電によって約 5 MV に制限されます。現代の産業機械のほとんどは、絶縁ガスの加圧タンクに収納されており、約 25 MV もの大きな電位に達することができます。

電荷が少量ずつ機械的に高電圧電極の内部に輸送される静電発生器の概念は、 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に端を発しています。 ^[3]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下し、電荷が追加されます。^[4] このタイプの機械では、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します。ケルビン自身が、水の代わりにベルトを使用して電荷を運ぶことを最初に提案しました。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機械は、1872年にアウグスト・リギによって構築されました。^{[1] [4]}この機械では、長さに沿ってワイヤリングが付いたゴムベルトが電荷キャリアとして使用され、球状の金属電極に通過しました。電荷は、帯電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適用されました。ジョン・グレイも1890年頃にベルトマシンを発明した。 ^[4]もう一つのより複雑なベルトマシンは1903年にフアン・ブルボアによって発明された。^{[1] [5]}ヴァン・デ・グラーフのより直接的なインスピレーションは、WFGスワンが1920年代に開発していた発電機であった。これは金属球を落下させることで電荷が電極に運ばれるというもので、ケルビン水滴器の原理に戻るものであった。^{[1] [6]}

ヴァンデグラフ発電機は、1929年にプリンストン大学の物理学者ロバート・J・ヴァンデグラフが同僚のニコラス・バークの協力を得て開発を開始した。最初のモデルは1929年10月に実演された。^[7]最初の機械は、普通のブリキ缶、小型モーター、そして50セントショップで購入した絹のリボンを使用していた。その後、彼は物理学部の学部長に改良版を作るために100ドルを要求した。彼は苦労しながらもその資金を獲得した。1931年までに、彼は150万ボルトを達成したと報告し、「この機械はシンプルで安価で持ち運びも可能だ。必要な電力は普通のランプソケットだけで賄える」と述べた。^{[8] [9]特許出願によると、この発電機は高さ180cmの}ホウケイ酸ガラスの柱に直径60cmの電荷蓄積球2個を取り付けたもので、1931年の装置の価格は90ドルだった。 ^{[10] [11]}

ヴァン・デ・グラーフは1931年12月に2番目の特許を申請し、純利益の一部と引き換えにマサチューセッツ工科大学に譲渡され、後に特許が付与された。 ^[12]

1933年、ヴァン・デ・グラーフはMITラウンドヒル施設に40フィート（12メートル）の模型を製作したが、これはエドワード・HR・グリーン大佐の寄贈によるものだった。^[13]この発電機を航空機格納庫に設置したことによる結果の1つは「鳩効果」、つまり球体の外面に蓄積した糞からアーク放電が発生することだった。^[14]

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、5MeVを発生できる高さ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。これは民間向けの原子力研究の始まりとなった。^{[15] [16]}この装置は1958年に廃止され、2015年に部分的に解体された。^[17]（安全上の理由から筐体は横倒しにされた。）^[18]

より最近の開発は、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です。この加速器では、負に帯電したイオンが 1 つの電位差で加速された後、高電圧ターミナル内で 2 つ以上の電子が剥ぎ取られ、再び加速されます。3 段階操作の例は、1964 年にオックスフォード原子核研究所で 10 MV シングルエンド「インジェクター」と 6 MV EN タンデムで構成されました。^{[19] [ページが必要]}

1970年代までに、高圧六フッ化硫黄（SF ₆）ガスタンクを使用して電子を捕捉し、火花を防いだタンデム加速器の端末で14 MVに達することができた。これにより、数十MeVの重イオンビームを生成できるようになり、軽イオン直接核反応を研究するのに十分なものとなった。ヴァンデグラフ加速器の最大ポテンシャルは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加速器で達成された。^[20]

さらに発展したのがペレトロンで、ゴムや布のベルトの代わりに絶縁リンクでつながれた短い導電性ロッドのチェーンが使用され、空気イオン化電極の代わりに接地ローラーと誘導充電電極が使用されています。チェーンはベルトよりもはるかに高速で動作し、達成可能な電圧と電流はどちらも従来のヴァンデグラフ発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。チェーンの長さは20メートルを超え、時速50 km (31 mph) を超える速度で移動できます。^[21]

ダーズベリー研究所の核構造施設 (NSF) は1970 年代に提案され、1981 年に稼働し、1983 年に実験用に開設されました。NSF は、高さ 70 メートルの独特な建物に収容された、常時 20 MV で稼働するタンデム ヴァン デ グラフ ジェネレータで構成されていました。稼働中、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、希少同位体および放射性ビームを加速できることが特長でした。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す。これらの核は、より軽い元素の融合から形成されると、非常に高速で回転します。減速時に放出されるガンマ線のパターンから、核の内部構造に関する詳細な情報が得られます。^[22]財政削減の後、NSF は 1993 年に閉鎖されました。^[23]

シンプルなヴァンデグラフ発電機は、異なる材質の 2 つのローラーの上を移動するゴム (または同様の柔軟な誘電体) のベルトで構成され、ローラーの 1 つは中空の金属球で囲まれています。各ローラーの近くには、鋭い先端を持つ櫛形の金属電極(図の 2 と 7) が配置されています。上部の櫛 (2) は球に接続され、下部の櫛 (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、摩擦電気効果により、ベルトと 2 つのローラーの異なる材質から電子が移動します。示されている例では、ベルトのゴムは負に帯電し、上部ローラーのアクリルガラスは正に帯電します。ベルトは内部表面の負の電荷を運び去り、上部ローラーは正の電荷を蓄積します。^[24]

次に、正極の上部ローラー (3) を取り囲む強い電界が、近くのコーム (2) の先端付近に非常に高い電界を誘導します。コームの先端では、電界が空気分子をイオン化でき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、正イオンはコームに向かいます。コームでは、金属からの電子によって中和されるため、コームとそれに取り付けられた外殻 (1) には正味の電子が少なくなり、正味の正電荷が残ります。ガウスの法則(ファラデーの氷桶実験で説明されているように) により、余分な正電荷は外殻の外側表面に蓄積され、殻内に電界は残りません。ベルトを駆動し続けると、さらに静電誘導が発生し、殻に大量の電荷が蓄積される可能性があります。電荷は、球体から放出される電荷​​の速度 (漏れとコロナ放電による) が、ベルトによって球体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。^[24]

終端球の外側では、球にかかる高電圧によって高電界が発生し、外部からのさらなる電荷の追加が妨げられます。ただし、電荷を帯びた導体の内部には電界がないため、外殻の電位を完全に克服することなく、内部から電荷を継続的に追加できます。

球体が大きく、地面から遠いほど、ピーク電位は高くなります。ベルトとローラーの材質を選択することで、電荷の符号 (正または負) を制御できます。摩擦電気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、球体の電位を高くすることもできます。

ヴァンデグラフ発電機の端子は、動作するために球形である必要はなく、実際、ベルトが入る穴の周囲が内側にカーブした球形が最適な形状です。丸い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ガスをイオン化することなく、より大きな電位を実現できます。ヴァンデグラフ発電機は、ほぼどのレベルの電位でも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例です。

達成可能な最大電位は、球の半径Rと周囲のガス内でコロナ放電が発生し始める電界E _{maxの積にほぼ等しい。標準温度および圧力（} STP）の空気の場合、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は、約V _max = R · E _{maxの最大電圧を発生することが期待できます。}450kV。これが、ヴァンデグラフ発電機が可能な限り大きな直径で作られることが多い理由です。^[25]

ヴァンデグラフ発電機の開発の当初の動機は、原子物理学の実験で粒子を加速するための高電圧源としてでした。^[1]端子の表面と地面の間の高い電位差は、対応する電界をもたらします。イオン源を球体の表面近く（通常は球体自体の内部）に配置すると、電界は適切な符号の荷電粒子を球体から遠ざけるように加速します。発電機を加圧ガスで絶縁することで、ブレークダウン電圧を上げることができ、加速された粒子の最大エネルギーを増やすことができます。^[25]

粒子ビーム ヴァン デ グラフ加速器は、高電位端子が装置の中心に位置する「タンデム」構成で使用されることが多い。負に帯電したイオンが一方の端から注入され、端子に向かって引力によって加速される。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、端子から反発力によって加速される。この構成では、ヴァン デ グラフ発生器 1 台分のコストで 2 回の加速が可能になり、イオン源機器を接地電位近くで利用できるという利点もある。^[25]

ペレトロンは、ベルトを使用して高電圧端子に電荷を転送する際の欠点を克服するため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「ペレット」が使用されています。ペレットとは、絶縁リンクで連結された金属球のことです。この球のチェーンは、従来のヴァン・デ・グラフ加速器のベルトと同じ機能、つまり高電圧端子に電荷を転送する機能を果たします。独立した帯電球とチェーンの耐久性の高さにより、高電圧端子でより高い電圧を実現でき、電荷をより迅速に端子に転送できます。^[25]

1930年代にヴァン・デ・グラフ博士によって作られた世界最大の空気絶縁型ヴァン・デ・グラフ発電機は、現在ボストンの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2つの4.5メートル（15フィート）のアルミニウム球が連結されたこの発電機は、しばしば2MV（200万ボルト）を得ることができる。ヴァン・デ・グラフ発電機といくつかのテスラコイルを使ったショーは、1日に2、3回行われている。^[26]アメリカ科学エネルギー博物館など多くの科学博物館では、小型のヴァン・デ・グラフ発電機を展示しており、その静電気発生特性を利用して「雷」を作ったり、人の髪を逆立たせたりしている。ヴァン・デ・グラフ発電機は、学校や科学ショーでも使用されている。^[27]

ウィムズハースト機やボネッティ機などの他の静電機械は、ヴァンデグラフ発電機と同様に動作します。電荷は、可動プレート、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、高電位の露出金属部品からのコロナ放電と絶縁不良により、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。機械の起動後、端子電極の電圧は、電極からの漏れ電流が電荷輸送速度と等しくなるまで増加します。したがって、端子からの漏れによって、達成可能な最大電圧が決まります。ヴァンデグラフ発電機では、ベルトによって大きな中空の球状電極の内部に電荷が輸送されます。これは、漏れとコロナ放電を最小限に抑える理想的な形状であるため、ヴァンデグラフ発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、球の直径が大きく、球が滑らかであるほど、達成できる電圧が高くなります。^{[28] [検証が必要] [より良い情報源が必要]}

• 米国特許 1,991,236 - 「静電発生器」
• 米国特許 2,922,905 - 「正イオン加速器における電子負荷を低減する装置」

• 静電浮上 – 電界を利用して帯電物体を浮上させるプロセス
• ファラデーケージ – 電界を遮断するために使用される導電性メッシュの囲い
• 金属スピニング – 金属加工プロセス – 薄い金属球を製造するために使用される金属加工プロセス
• オーディンコイル – 共振トランス回路
• テスラコイル – ニ​​コラ・テスラが発明した電気共振変圧器回路

ウィキメディア・コモンズには、ヴァン・デ・グラーフ発電機に関連するメディアがあります。

• ヴァンデグラフ発電機の仕組みと作り方、HowStuffWorks
• インタラクティブ Java チュートリアル – ヴァンデグラフ発電機国立高磁場研究所
• タンデム ヴァン デ グラフ加速器 西ミシガン大学 物理学
• 科学博物館にあるヴァン・デ・グラーフ博士の巨大な機械
• ヴァンデグラフ発電機に関するよくある質問、科学愛好家
• ヴァンデグラフ発電機に関する報告書のイラスト 「ラウンドヒルの MIT 高電圧発電機の進捗報告書」より 2015-05-09 にWayback Machineでアーカイブ
• ニコラ・テスラ「静電発電機の可能性」DOC "。サイエンティフィック・アメリカン、1934 年 3 月。(.doc 形式)
• パオロ・ブレンニ、「ヴァン・デ・グラフ発電機 - 20 世紀の静電機械」科学機器協会紀要第 63 号 (1999)
• シャリエ・ジャック「ヴァン・デ・グラーフの世代」。ナント科学学部。
• Hellborg, Ragnar 編『静電加速器: 基礎と応用』[NY, NY: Springer, 2005]。オンラインで入手可能: https://books.google.com/books?id=tc6CEuIV1jEC&pg=PA51&lpg=PA51&dq=electrostatic+accelerator+book
• アメリカ物理学会がORNLのホリフィールド施設を歴史的な物理学の場所に指定