Generator Graffa

Na początku naszego wieku naukowcy przeprowadzali liczne eksperymenty z wykorzystaniem naładowanych cząstek. Pierwszym źródłem, z którego pozyskiwali takie cząsteczki były substancje promieniotwórcze. Wysyłają one na przykład cząsteczki alfa o energiach do 6 MeV, które wykorzystywane były w pierwszych sztucznych reakcjach jądrowych.
Wyścig, by wybudować urządzenia zdolne do osiągania bardzo wysokich energii zaczął się już w latach dwudziestych.
Przedsiębiorstwa dostarczające prąd elektryczny wspomagały naukowców w tych wysiłkach, ponieważ przekazywanie energii elektrycznej przebiega najwydajniej przy wysokich napięciach.
Inny rodzaj motywacji stanowiła potrzeba wytwarzania wysokoenergetycznych promieni Roentgena w celu leczenia nowotworów. Do niszczenia guzów używano już radu, ale był to bardzo kosztowny sposób i sądzono, że promieniowanie o wysokiej energii będzie korzystniejsze. Dlatego przedsiębiorstwa dostarczające prąd oraz medyczne instytuty badawcze wspierały rozwój generatorów wysokiego napięcia.
Naukowcy potrzebowali nowego sposobu pozyskiwania wysokoenergetycznych cząsteczek , urządzenia wytwarzającego napięcie rzędu dziesięciu milionów woltów, które zmieściłoby się w pomieszczeniu o rozsądnych rozmiarach i rurę próżniową zdolną do wytrzymania takiego napięcia.

Pretendentem do palmy pierwszeństwa był amerykański fizyk Robert Van de Graaff pracujący na Uniwersytecie Yale i w MIT.
Zbudował on w 1931 r. urządzenie przekazujące ładunki elektryczne wzdłuż bardzo długiego jedwabnego pasa do metalowych kul.
W ten sposób potencjał na metalowej kuli wzrastał stopniowo, aż dochodził do kilku milionów woltów i w postaci gigantycznego łuku przeskakiwał w powietrzu do ściany pomieszczenia.
To był słynny dziś i znany wszystkim generator Van de Graaffa.
Zwiększanie promienia kuli sprawiało, że odwlekał się moment formowania się łuku, natomiast umieszczanie jej w atmosferze z czystego azotu pozwalało zwiększać napięcie.
Ostatecznie generatory Van de Graaffa stały się najchętniej stosowanymi urządzeniami w kategorii do 10 milionów woltów, ale całe lata zajęło doskonalenie i dopracowywanie tego wynalazku.

Największe energie cząstek uzyskuje się w akceleratorach wiązek przeciwbieżnych , w których doprowadza się do zderzenia dwóch wiązek cząstek uprzednio przyśpieszonych do znacznych energii, a następnie zmagazynowanych w pierścieniach akumulacyjnych.

Ze względu na sposób przyspieszania cząstek akceleratory dzielą się na:
 akceleratory elektrostatyczne , w którym cząstki (elektrony, protony) lub jony przyspieszane są elektrostatycznym polem otrzymywanym za pomocą generatora Van de Graaffa.
 liniowe, w którym przyspieszane cząstki poruszają się po torach prostych.
 kołowe , w którym przyspieszane cząstki poruszają się po torach spiralnych lub kołowych i przyspieszane są wielokrotnie (cykliczne) .

Ze względu na konstrukcje generatora wyróżnia się akceleratory Van de Graaffa : powietrzne i ciśnieniowe.
Maksymalne energie osiągane w akceleratorach tego typu są rzędu 10 MeV (mega elektronowoltów) .
Dalsze zwiększenie osiąganych energii w przypadku przyspieszania jonów możliwe jest w akceleratorach Van de Graaffa typu tandem. Uzyskuje się je, zmieniając w trakcie przyspieszania znak ładunku jonów.
W Polsce działa kilka akceleratorów Van de Graaffa.

Zasada działania tego urządzenia jest dosyć prosta.

Kulista elektroda jest wsparta na izolowanych podporach, przymocowanych do podstawy. Nieprzewodzący pas za pośrednictwem rolek , z których jedna jest napędzana silnikiem elektrycznym , przesuwa się zgodnie ze zwrotem strzałek.
Materiał , z którego wykonane są rolki musi być dobrany tak , aby jedna z nich elektryzowała się dodatnio , a druga ujemnie.
Jeśli dolna rolka elektryzuje się dodatnio to pas elektryzuje się ujemnie. Ładunek ten jest przenoszony do wnętrza elektrody , gdzie za pośrednictwem systemu ostrzy w kształcie grzebienia jest przekazywany elektrodzie, skąd przedostaje się na jej powierzchnię zewnętrzną.

Druga część pasa elektryzuje się dodatnio i ładunek ten, po przeniesieniu w pobliże dolnego układu uziemionych ostrzy zostaje zobojętniony. Ponieważ odprowadzenie ładunku dodatniego jest jednoznaczne z pobieraniem ładunku ujemnego, obie części pasa powodują wzrost ilości energii ładunku zgromadzonego w kuli.
Wartość energii jaką może uzyskać ładunek zgromadzony na elektrodzie ograniczona jest przeciekami ładunku do otoczenia.
Mimo to, obecnie możliwe jest konstruowanie generatorów pozwalających na przyspieszanie elektronów, protonów i innych cząstek naładowanych do energii rzędu kilkudziesięciu MeV.

Generator Van de Graffa stanowi ważne narzędzie badawcze w fizyce jądrowej niskich energii. Akceleratory dawniej były stosowane w badaniach reakcji jądrowych, a obecnie są wykorzystywane do badań z dziedziny biologii i medycyny, fizyki środowiska oraz inżynierii materiałowej.