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GENERATEUR VAN DE GRAAFF
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La course aux hautes tensions des annees 1920-1930 est declenchee par Ernest Rutherford ( 1871-1937 ) qui identifia en 1928 la necessite « d'obtenir une source de particules positives plus energetiques que celles emises par les substances radioactives naturelles ». En 1919 il avait reussi la premiere reaction nucleaire artificiellement provoquee : transmutation de l'azote 147N (cible) en isotope d'oxygene 178O en soumettant les atomes a un bombardement alpha de 5,617 MeV , selon le schema 14N + 4 He --> 17O + 1N. En 1932 Chadwick montrait l'existence du neutron ( particule alpha naturelle et cible en Beryllium ) .
La même annee Cockcroft et Walton reussissent la premiere transmutation artificielle par un accelerateur electromagnetique (multiplicateur de tension) de 700 kV : 7Li+ p--> 4He+ 4He. Si on bombarde autre chose que des noyaux tres legers, de faible charge ( hydrogene , lithium , beryllium ) , la barriere de potentiel qui s'oppose a la penetration des projectiles dans le noyau devient si elevee que , malgre l'effet quantique favorable qui permet une certaine probabilite de reaction avec des energies apparemment insuffisantes, on n'observe plus guere de reaction nucleaire avec les elements du milieu et surtout de la fin du tableau periodique. Le problème d'accroitre l'energie d'acceleration tres au dela des valeurs obtenues par les premiers experimentateurs se posait donc des le debut. Dans le cas de l'acceleration par une tension continue, l'energie finale du corpuscule ( emis avec une tres petite vitesse initiale) est egale au produit de la tension appliquee par la charge electrique. Celle-ci est toujours un multiple peu eleve de la charge de l'electron, et c'est donc vers l'accroissement de la tension acceleratrice que se sont , tout d'abord, portes les efforts des ingenieurs. L'extension du systeme multiplicateur de tension (transformateur elevateur de tension et cascade de redresseurs et de condensateurs) jusqu'a plusieurs millions de volts paraissait , a l'epoque, bien complique. Ce montage ( Greinacher , 1919 ) est victime d'une tension parasite d'ondulation au fur et a mesure que le nombre d'etages augmente.
Les physiciens americains R.J. Van de Graaff et J.G. Trump penserent alors au vieux principe des generateurs electrostatiques qui etait tombe dans l'oubli. Deux machines antiques sont les
ancetres du generateur Van de Graaff : la machine a bande de soie sans fin de Walckiers de St. Amand ( 1784 ) et l'amplificateur de charges d'Augusto Righi (1850-1920). En 1900 F. Tudsbury decouvre que les machines electrostatiques a influence fonctionnent mieux dans une atmosphere pressurisee (air , gaz carbonique ). Les generateurs electrostatiques ont l'avantage de produire des tensions continues tres elevees mais leur point faible est leur puissance insignifiante et leur fonctionnement capricieux , soumis a toutes les influences atmospheriques, inapte aux applications de puissance moderee comme les rayons X. C'est pourquoi les applications industrielles des hautes tensions continues preferaient les redresseurs. Dans le cas de la physique nucleaire c'etait avant tout de haute tension qu'on avait besoin. La puissance est secondaire : un microampere d'ions represente 6,2 x 1012 particules par seconde. Pour atteindre surement de tres hautes tensions il faut ecarter les poles de la machine, pour eviter les decharges entre eux. Van de Graaff proposa un generateur a courroie sans fin , que l'on peut loger dans une colonne isolante supportant l'un des poles profile en sphere, l'autre etant a la terre. La tension se forme par l'apport regulier de charges au pole haute tension et ne connait d'autre limite que l'isolement de ce dernier.
| Localisation | Auteur | Annee | Voltage | Isolation | Faisceau | Position | Remarques |
| Princeton , New Jersey, USA | Van de Graaff | 1931 | 1,5 MV | Air | Non accelerateur | Vertical | 2 poles (+) et (-) |
| Washington, DC , USA | Tuve et coll. | 1932 | 1,2 MV | Air | Non accelerateur | Vertical | |
| Washington, DC , USA | Tuve et coll. | 1936 | 0,6 MV | Air | Protons , Deuterons | Vertical | Modele experimental |
| Round Hill, Mass. , USA | Van de Graaff | 1935 | +2,4 -2,7 MV | Air | Protons | Vertical | Tube horizontal |
| Madison, Wisc., USA | Raymond Herb | 1934 | 0,4 MV | Air ( 0,4 MPa ) | Protons | Horizontal | Machine pressurisee |
| Madison, Wisc., USA | Raymond Herb | 1936 | 2,4 MV | Air, CCl4 (0,6 MPa) | Protons | Horizontal | Anneaux equipot. |
| Madison, Wisc., USA | R. Herb, McKibben | 1940 | 4,5 MV | N2 CCl4 | Protons, deuterons | Horizontal | 2 ecrans intermediaires |
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Van de Graaff du Palais de la Decouverte , Paris , 1937 - A double , non pressurised Van de Graaff machine ( Paris , France , 1937 ) . C'est une realisation de Mr Andre Lazard pour Mr Frederic Joliot-Curie. Les spheres en laiton ( Brass) mesurent 3 metres de diametre et pesent chacune 1500 kg. L'ensemble pese 5000 kg . Les 2 generateurs utilises , positif et negatif, sont identiques. La Base est metallique : c'est une chambre de 3 m sur 3 m , haute de 2,50 m , fermee de glaces. Elle est munie de 4 roues et peut rouler sur 2 rails ecartes de 2,75 m. Le pylone ( pole ) en cylindres de bakelite mesure 9 m. Seize cylindres font 4 etages dont les planchers sont en bois impregne. Le cinquieme a 4 isolateurs en porcelaine qui entrent dans la sphere. Le coffre a courroie ( belts housing) , en bakelite , de section carree de 1 m sur 1 m, part de la base metallique et monte jusque dans la sphere. Il contient les 3 courroies ( belts) qui transportent les charges vers la sphere.Dans la base metallique de chaque appareil sont dispôses 3 tambours de 18 cm de diametre et 80 cm de longueur. Ils sont entraines a 2000 t/mn par un moteur electrique de 3 ch a courant continu. Les colonnes coulissantes permettent de regler la tension des courroies.Dans la sphere, 3 tambours (drums) correspondent aux tambours du sol. Leurs paliers reposent sur le plancher. Les 3 courroies ( belts ) ont une largeur de 70 cm , une epaisseur de 1,5 mm et une longueur de 22 m. C'est un tissu de coton recouvert sur ses 2 faces d'une couche de caoutchouc ( a layer of rubber) . Un fil de platine de 0,1 mm de diametre est tendu a 10 mm de la courroie a la hauteur de l'axe du tambour d'entrainement. Une tension de 10 kV est appliquee entre le fil et le tambour. Entre les 2 generateurs portes a des tensions de + 2,5 MV et 2,5 MV : 5 000 000 V. Ce generateur, fabrique pour donner a Ivry des radioelements en abondance, reste coince dans le Palais de la Decouverte (Paris , France ) ou il avait ete installe pour l'exposition de 1937, et seulement en juillet 1942 on peut s'occuper de son demenagement pour s'apercevoir aussitot qu'on a besoin d'en changer quelque partie mecanique, sans rien en faire a cause de la penurie . Au Laboratoire de Synthese Atomique d'Ivry on utilisera le generateur de Marx pour induire indirectement les transmutations nucleaires. During the 1937 Paris Universal Exhibition, an impressive Van de Graaff was installed in the newly opened Palais de la Decouverte, which was (and still is) located in the Grand Palais.This apparatus, built by A. Lazard under the direction of the famous French physicist Frederic Joliot (1900-1958), was supposed to be used atter the exhibition as a powerful source of radiolelements. This machine was composed of two Van de Graaff generators accumulating charges of different polarity at a total tension of 5 Mvolt. The generators were 14 metres high and mounted on rails. The spheres at the top of them had a diameter of 3 metres. Each generator had three independent endless-belts driven by separate motors and charged by a 10,000 volts direct current source. The system was entirelv enclosed in a gigantic Faradav's cage. This machine, which amazed visitors to the fair with its spark several metres long was on the front-page of many magazines, but had unfortunately a sad fate. Because of World War Il it was forgotten in the Palais de la Decouverte and only in 1942 was it possible to undertake its removal to the Joliot's laboratorv in Yvry near Paris. The machine had to be overhauled and a few mechanical pieces had to be substituted, but, due to the shortage and the critical wartime situation, nothing could be done. Therefore, this spectacular Van de Graaff was never used for any scientific research and it finally scraped |
Evolution apres de seconde guerre mondiale
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High
Voltage Engineering Corporation (HVEC) "Van de
Graff, 4.0-million-volt positive-ion accelerator" American
Scientist Volume 39, Number 4, October 1951
Copyright ©1988-1999
National Trade Show Press, Inc. All rights reserved. The High Voltage Engineering Corporation (HVEC) was founded by Robert J. Van de Graaff, Denis M. Robinson, and John G. Trump for the production of particle accelerators. The company develops and manufactures particle accelerator systems, electric power regulators, surface analysis instruments, vehicle monitoring equipment, and modular power connectors. It started manufacturing operations in April 1947 and soon began supplying electrostatic generators used in cancer therapy, radiography, and in studies of nuclear structure. By 1967 the corporation included four subsidiaries, Electronized Chemicals Corporation, Glass Grinding Corporation, HVE Europa The Netherlands, and Ion Physics Corporation. |
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| Van de Graaff a un etage de type CN | Van de Graaff a un etage de type CN |
| Modele | Type | Longueur | Diametre | Ameliorations | Voltage moyen | Voltage maximum | Annees de production |
| 'CN' | Un etage | - | - | - | - | - | 1951-1966 : fabrication commerciale de 36 exemplaires |
| 'KN' | Un etage | 3 - 4 MV | Electrons , ions positifs | ||||
| 'EN' | Tandem | 11 m | 2,4 m | 5 MV | 7 MV | EN-1 (Chalk River,Montreal 1959) - 30 exemplaires (Tableau 4 ) |
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| 'FN' |
Tandem | 13,4 m | 3,66 m | 7 MV | 11 MV | FN-1 (1963) - FN-14 Saclay 9 MV ( 1981) -19 exemplaires ( Tableau 5 ) |
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| 'MP' «Emperor» |
Tandem | 20 m | 4, 5 m | 10 MV | 18 MV | Yale MP-1 (1965) - Canadian Chalk River lab. (MP-3) Universite d'Heidelberg (MP-5) , BNL ( MP6-NII et MP-7) Orsay (MP-9) Strasbourg (MP-10) - 10 exemplaires (Tableau 6 ) |
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| 'MP' Orsay | Tandem | 24,3 | 4 m / 6m | ||||
| Vivitron | Tandem | 50 m | 8,4 m | 7 portiques | 1985-1993 ( HVEC-VIVIRAD ) |
Tableau 2 : Les accelerateurs electrostatiques de HVEC (fondee en 1947 - production significative entre 1959 et 1973 )
| Modele | Type / Nom | Hauteur du caisson | Diametre du caisson | Chaines |
Isolation |
Voltage |
Localisation |
| 5U | Pelletron | - | - | - | - | - | Melbourne ( Australie) |
| 5URe-2 | Pelletron | - | - | - | - | - | Fermilab, Batavia, IL , USA |
| 5 UD | Pelletron | - | - | - | - | - | Tokyo ( Japon ) |
| 6 U | Pelletron | - | - | - | - | - | Stuttgart (Allemagne) |
| 6UE | Pelletron | - | - | - | - | - | Santa Barbara |
| 8 UD | Pelletron | - | - | - | - | - | Sao Paulo ( Bresil) |
| 12 UD | Pelletron | - | - | - | - | - | Tsukuba (Japon ) |
| 14 UR | Pelletron | 26,5 m - - |
5,5 m - - |
- - - |
SF6 - - |
- - - |
Camberra ( Australie ) Mumbai ( Inde) Rehovot, (Israel ) |
| 15 UD | Pelletron "Tandar" | - | - | - | SF6 | 15 MV | New Delhi ( Inde ) , 1991 |
| 20 UD | Pelletron | 34,84 m | 2,15 m | x 2 , 200 mA | - | - | Bueno Aires ( Argentine ) |
| 20 UR | Tandem -Pelletron | 26,6 m | 8,3 m | - | SF6 | 2,5 - 18 MV | Tokai (Japon) |
| 25 URC | Pelletron ORNL | - | - | - | - | - | Oak Ridge , Tennessee, USA |
Tableau 3 : Les accelerateurs electrostatiques > 5 MV ( Serie U) de NEC ( fondee en 1965 - production significative entre 1970 et 1991 )
Lien avec les laboratoires installes.
| Modele EN | Localisation | Mise a jour du systeme de charge |
| EN-1 | Universite de Montreal ( Chalk River ) | Chaine Pelletron (NEC) |
| EN-2 | Universite du Wisconsin | Chaine Pelletron (NEC) |
| EN-4 | California Institute of Technology | Courroie ( hors service en 2002) |
| EN-5 | Rafter Radiocarbon Lab., Nouvelle Zelande (ANU ) | Chaine Pelletron (NEC) |
| EN-6 | Eidg. Technische Hoshule , Zurich | Courroie |
| EN-7 | Pakistan (MPI-Heidelberg) | Courroie |
| EN-9 | Universite de Liverpool | Courroie ( hors service en 2002) |
| EN-10 | Institut Ruder Boskovic , Croatie (Rice) | Courroie |
| EN-12 | Oak Rigde National Lab. (USA) | Courroie ( hors service en 2002) |
| EN-14 | Universite de Pennsylvanie , Sandia-Albuquerque | Chaine Pelletron ((NEC) |
| EN-15 | Universite du Texas, Livermore | Courroie ( hors service en 2002) |
| EN-17 | Universite de Erlangen | Courroie |
| EN-18 | Universite de Pekin (Oxford) | Courroie |
| EN-19 | Departement Atomique Militaire , France | Courroie |
| EN-20 | Universite de Pittsburgh | Courroie ( hors service en 2002) |
| EN-21 | Universite de Tel-Aviv | Courroie |
| EN-22 | Universite de Pittsburgh | Courroie ( hors service en 2002) |
| EN-23 | ININ, Mexico , Mexique | Courroie |
| EN24 | Universite d'Utrecht, Pays Bas | Courroie |
| EN-25(11) | Univesite de Western Michigan ( Argonne) | Courroie |
| EN-26 | Univesite d'Uppsala, Suede | Courroie ( hors service en 2002) |
| EN-27 | Universite de l'Etat du Kansas | Chaine Pelletron (NEC) |
| EN-28 (3) | Livermore (FSU) | Courroie ( hors service en 2002) |
| EN-29 (8) | Universite d'Aarhus , Danemark (Niels Bohr) | Courroie |
| EN-30 (16) | Universite du Witwatersrand , Afrique du Sud ( Saclay) | Courroie |
Tableau 4 : Accelerateurs Tandem EN (HVEC)
| Modele FN | Localisation | Mise a jour du systeme de charge |
| FN-1 | ANSTO, Australie, ( Rutgers) | Chaine Pelletron (NEC) |
| FN-2 | Lab. scientifique de Los Alamos ( USA) | Courroie ( hors service en 2002) |
| FN-3 | Universite de Washington (Livermore) | Chaine Pelletron (NEC) |
| FN-4 | Universite de Stanford ( USA) | Courroie ( hors service en 2002) |
| FN-5 | Universite de Washington ( USA) | Chaine Pelletron (NEC) |
| FN-6 | Edgewood Arsenal | Courroie ( hors service en 2002) |
| FN-7 | Universite de Cologne ( Allemagne ) | Courroie |
| FN-8 | Universite d'etat , Stony Brook , New York ( USA) | Laddertron (HVEC) |
| FN-9 | Argentine (McMaster) | Chaine Pelletron (NEC) |
| FN-10 | Duke University | Chaine Pelletron (NEC) |
| FN-11 | Argonne National Laboratory ( USA) - Tandem : 8,5 a 9 MV | Chaine Pelletron (NEC) |
| FN-12 | Universite Notre Dame ( USA) | Chaine Pelletron (NEC) |
| FN-13 | Universite de Purdue ( USA) | Chaine Pelletron (NEC) |
| FN-14 | Centre d'etudes Nucleaire , Saclay ( France ) | Courroie |
| FN-15 | Institut de Physique Atomique (Roumanie) | Courroie |
| FN-16 | Institut Niels Bohr , Copenhague | Courroie ( hors service en 2002) |
| FN-17 | Universite de l'etat de Floride | Chaine Pelletron (NEC) |
| FN-18 | Universite de Pennsylvanie | Pelletron ( hors service en 2002) |
| FN-19 | Nigeria | Courroie ( hors service en 2002) |
Tableau 5 : Accelerateurs FN (HVEC)
| Modele MP | Localisation | Mise a jour du systeme de charge |
| MP-0 | Catane ( Italie ) | Courroie |
| MP-2 | Universite du Minnesota (USA) | Courroie ( hors service en 2002) |
| MP-3 | Atomic Energy of Canada , Ltd | Pelletron ( hors service en 2002) |
| MP-4 | Universite de Rochester ( USA) | Pelletron ( hors service en 2002) |
| MP-5 | Max-Planck-Institut fur Kemphysik, Heidelberg ( Allemagne ) | Chaine Pelletron (NEC) |
| MP-6 | BNL (USA) | Chaine Pelletron (NEC) |
| MP-7 | BNL (USA) | Chaine Pelletron (NEC) |
| MP-8 | Universite de Munich ( Allemagne ) | Chaine Pelletron (NEC) |
| MP-9 | Institut de Physique , Orsay ( France ) | Courroie |
| MP-10 | Universite de Strasbourg ( France ) | Courroie ( hors service en 2002) |
Tableau 6 : Accelerateurs MP (HVEC)
| Autres modeles | Localisation | Mise a jour du systeme de charge |
| HI-13 | IAE , Beijing | Chaine Laddertron |
| XTU | Legnaro ( Italie ) | Chaine Laddertron |
| ESTU | Universite de Yale | Chaine Pelletron (NEC) |
| Vivitron | Universite de Strasbourg | Courroie |
| Machine | Annees | Type | V(MV) Nominal | Faisceau maximal | Transport des charges |
| Oak Rigde, USA (NEC 25URC) | 1979 | Tandem a 2 colonnes | 24 MV | 32 MV | Pelletron |
| Daresbury ( UK ) | 1983 | Tandem vertical a 2 colonnes | 29,5 MV | Laddertron (HVEC) , Pelletron | |
| Yale ( ESTU) | 1987 | Tandem MP modifie ( dia : 7,6 m ) | 19 MV | 22,5 MV | Pelletron |
| Vivitron ( Strasbourg) | 1993-2003 | Tandem horizontal | 25 MV | - | Courroie de 100 m |
Tableau : Les tandems ou le voltage a atteint ou depasse 20 000 000 volts
Aujourd'hui sont reunis sous le terme d'accelerateurs electrostatiques les generateurs a transporteurs de charges de type Van de Graaff et les accelerateurs a cascades multiplicatrices de tension . Les energies vont de 1 à 20 MeV. Aux XX et XXI eme siecles c'est le terme accelerateurs electrostatiques qui les distingue des autres accelerateurs tels que les cyclotrons , synchrotrons , linacs ( accelerateurs lineaires ), collisionneurs d'electron et de protons dont les energies croissantes ont permis d'atteindre le GeV puis le TeV ( Tevatron , Large Hadron Collider ) .
SYMPOSIUM OF NORTHEASTERN ACCELERATOR PERSONNEL - S.N.E.A.P. : Archives
Van de Graaff's Generators
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1999 , 2007 © Lyonel Baum