Van de Graaff-akselerator

Selve generatoren består av en isolerende søyle som bærer en hul metallkule, høyspenningselektroden. Søylen, som kan være horisontal eller vertikal, er festet på en jordet metallplattform. Et endeløst gummibelte, ladebåndet, tilfører elektrisk ladning til høyspenningselektroden. Ladningen kan på samme måte som i en elektrisermaskin tilføres båndet ved gnidning, men vanligvis lades det gjennom en rekke av metallspisser med høye spenninger på 10–50 kV (kilovolt). Spenningen stiger inntil den blir så høy at det slår en gnist over til omgivelsene, hvis man ikke på andre måter har sørget for at ladning fjernes. Ved hvilken spenning man får gnistoverslag, avhenger av avstanden til ledende omgivelser og av egenskaper til gassen som omgir elektroden. I tørr luft kan man med en elektroderadius på 1 meter komme opp i en spenning på mellom 1,5 og 2 MV (megavolt). Høyere spenning oppnås ved å plassere generatoren i en ståltank under et trykk på 1 – 2 megapascal (10 – 20 atm). Man kan da oppnå spenninger helt opp til 20 MV.

Når Van de Graaff-generatoren skal brukes som akselerator, forsynes den med et akselerasjonsrør som er et lufttomt rør som vanligvis plasseres inne i bæresøylen. Røret er laget av korte isolatorseksjoner av glass eller keramisk materiale, skilt med elektroder av rustfritt stål. Hver stålelektrode er utvendig forbundet med en stor metallring, potensialring, som er festet til og omgir bæresøylen. Potensialringene er elektrisk forbundet med hverandre gjennom store resistorer (elektrisk motstand). På den måten oppnår man et jevnt spenningsfall langs søylen og i akselerasjonsrøret. Når generatoren brukes som akselerator for positivt ladde partikler, sitter det i toppen av akselerasjonsrøret en ionekilde, der gass ledes inn og ioniseres, og et sett med fokuseringselektroder som trekker positive ioner ut av ionekilden og sender dem i en tynn stråle inn i akselerasjonsrøret. Høyspenningselektroden holdes på positivt potensial, og det blir gjennom akselerasjonsrøret et elektrisk felt som akselererer ionene nedover. Elektrodene i røret er utformet slik at de hele tiden holder partiklene samlet i en stråle.

Van de Graaff-akseleratoren kan også brukes for å akselerere elektroner. Høyspenningselektroden lades da negativt, og ionekilden erstattes med en elektronkilde, for eksempel en glødekatode.

Partikkelenergien finnes ved å multiplisere partikkelens ladning med spenningsfallet, angitt i megaelektronvolt (MeV). For partikler med ladning e (protoner, elektroner) blir energien i MeV lik spenningen på høyspenningselektroden i MV. Dobbelt ladde partikler med 2e (α-partikler) akselereres til den dobbelte energi.

Denne akseleratoren er modifisert slik at akselerasjonsrøret føres gjennom høyspenningselektroden og tilbake til jordpotensial. Her ledes negative ioner inn og akselereres til de når høyspenningselektroden, som er positiv. I denne sitter en såkalt stripper, som regel en tynn metallfolie, som slår løs og fjerner to eller flere elektroner fra hvert ion, slik at disse blir positivt ladde og kan akselereres videre i den andre halvdelen av røret. Man oppnår derved å få akselerert partiklene til høyere energi, for eksempel protoner til dobbelt energi.

Spesielt egner tandem Van de Graaff-akseleratorer seg for akselerasjon av tunge ioner der stripperen kan få fjernet et stort antall elektroner, og derfor få akselerert partiklene til mange ganger så høy energi.

Van de Graaff-akseleratoren har funnet stor anvendelse i kjernefysisk forskning. Den brukes også for undersøkelser av faste stoffers struktur, som elektronakselerator i store elektronmikroskoper og som forakselerator for synkrotroner og lineærakseleratorer, og i mindre utstrekning for strålingsterapi i medisinen.

Den første norske Van de Graaff-akselerator ble bygd ved Norges Tekniske Høgskole, NTH (nå NTNU), og var fullført 1936. Den gav en spenning på 0,5 MV og var den gang den største i Skandinavia. Den ble senere flyttet til Universitetet i Oslo og gav grunnlaget for oppbyggingen av et kjernefysisk laboratorium der. Den finnes nå i Norsk Teknisk Museum. Senere ble det bygd Van de Graaff-akseleratorer med spenning i området 1,5–3 MV ved universitetene i Bergen og Oslo, Haukeland sykehus og NTNU.

• akselerator