Как любитель ядерной физики и ускорительной техники я всегда нахожусь в поиске новых источников высокого напряжения. Обычно таким устройством оказывается нечто на основе большого трансформатора, умножителя напряжения или их комбинации. Но существует и множество других методов генерации высокого напряжения, которые зачастую не учитываются и рассматриваются как устаревшие. Один из них – это старый добрый генератор Ван де Граафа, изобретённый ещё в 1929 году. О сборке подобного устройства собственными силами и пойдёт речь в данной статье.

Генератор Ван де Граафа (VDG, Van de Graaf Generator) удивительная машина, способная достигать мегавольтового диапазона и использовавшаяся в ускорителях постоянного тока. Самым известным примером подобного устройства является Westinghouse Atom Smasher (ядерный ускоритель Ван де Граафа), который применялся для вызова первого зарегистрированного процесса фотоделения.

В своём принципе генераторы Ван де Граафа очень просты, но с течением времени претерпели множество изменений и доработок, обретя свою конечную форму в виде пелетрона. Эта их модификация до сих пор используется при создании небольших высоковольтных ускорителей, выпускаемых в основном компанией High Voltage Engineering, основанной самим мистером Ван де Граафом.

Желая немного отвлечься от экзаменов текущего семестра, я решил создать самовозбуждающуюся версию такого генератора в его простейшей форме. Конструкция будет состоять преимущественно из 3D-печатных, выточенных и вырезанных лазером деталей, а также включать кое-какие компоненты из хозяйственного магазина и садового инструментария.

В основе моего генератора лежит акриловая пластина, на которой установлен двигатель от старого садового инструмента, подшипники для нижнего ролика и держатель для трубки, через которую проходит передающий заряд ремень. Здесь же, подвешенная над ремнём и нижним роликом, установлена нижняя щётка для передачи заряда.

Дополнительные фото

Верхняя часть генератора по своей конструкции ещё проще. Она состоит из установленной на трубе 3D-печатной детали, в которую впаяны резьбовые вставки для фиксации подшипниковых узлов под верхний ролик, а также второй щётки. Узлы подшипников закреплены на резьбовых шпильках, на которых установлена железная платформа, удерживающая верхнюю сферу. Щётка напрямую подсоединена к узлам подшипников через шпильку. В ходе экспериментов я не обнаружил разницы между тем, подключены подшипники к щётке или нет.

Ремень передачи заряда сделан из фитнес-резинки “Thera-Band Gold”. Ширина этой резинки 120мм, но мой проект предполагал ширину 80мм и замкнутую петлю, а не просто прямой ремень. Для обрезки ленты в нужный размер хорошо подошёл дисковый нож (не стоит пытаться обрезать её с помощью скальпеля или чего-то подобного), после чего я склеил концы в форме V, чтобы более эффективно распределить получившийся нахлест вдоль шва. Сами ролики сделаны из ПТФЭ и нейлона 6-6, оба 80мм в длину и 25мм в диаметре. При этом их края сужаются с уклоном в 5° для обеспечения правильного хода ленты. Крепятся ролики на своих осях стопорными винтами М4.

Дополнительные фото

Последний элемент – это верхняя сфера, которая выполняет несколько функций. Она сохраняет передаваемый заряд, накапливая напряжение, обеспечивает гладкую поверхность для поддержания высокого напряжения пробоя, а также выступает в роли клетки Фарадея, сохраняя внутреннее электрическое поле свободным. Последняя её задача является наиболее важной, поскольку обеспечивает преобразование VDG в реальный источник тока, независимо от напряжения на его выводах.

Основная часть – это стальная полая сфера диаметром 30см, купленная в отделе садового декора. В этой сфере я проделал отверстие, а на получившуюся кромку приклеил гладкий бортик, который отрезал от миски для собачьего корма.

Удерживается сфера на генераторе магнитом, прикреплённым к стальной пластине над верхним роликом. Сам магнит я зафиксировал на термоклей, отцентровав относительно отверстия снизу.
Установив ПТФЭ-ролик внизу и нейлоновый вверху, я получаю на электроде положительное напряжение при силе тока от 15 до 20мкA. Для лучшей видимости разрядов пробоя я дополнительно собрал стойку с заземлённым электродом, представляющую собой зафиксированный на деревянной основе стержень из текстолита, на котором установлена сфера диаметром 100мм. В зависимости от влажности окружающего воздуха генерируются разряды длиной от 20 до 50см. При превышении этого диапазона разряд бьёт уже в воздух, а не в заземлённый электрод.

Если я решу собрать новую версию этого генератора для использования в качестве источника питания, то кое-что сделаю иначе. Во-первых, реализую его с внешним возбуждением, что позволит с лёгкостью контролировать поступающий ток и полярность. Основное отличие генераторов с внешним возбуждением в том, что они не опираются на трибоэлектрический эффект, а используют для передачи заряда на ленту металлические ролики и высоковольтное смещение на нижней щётке.

Также можно повысить передаваемый ток, установив несколько щёток в разных положениях, что обеспечит зарядку терминала при движении ленты как вверх, так и вниз.

Ещё одной значительной доработкой стало бы более эффективное формирование силовых линий поля с целью снижения напряжённости электрического поля на электроде и уменьшения количества разрядов по воздуху. Поскольку верхний электрод сферический, его электрическое поле пропорционально 1/r², в связи с чем на поверхности оно имеет высокую плотность.

Кроме того, установка между электродом и заземлённым основанием градуирующих колец, подключённых через высокоомный делитель напряжения, позволит сделать напряжённость поля более линейной по всей его протяжённости.

Градуирующие кольца можно встретить в коммерческих ускорителях Ван де Граафа. Они эффективно помогают получить более высокое и стабильное напряжение.

Коммерческий VDG-ускоритель со множеством градуирующих колец. Фото с Science Museum Group

Это линейное выравнивание можно легко продемонстрировать с помощью простого скрипта Python, который строит сферическое и идеализированное линейное поле при любых заданных параметрах напряжения, размера сферы и расстояния до земли. Естественно, он содержит ряд серьёзных допущений, но при этом очень хорошо отражает основную идею. Общепринятым значением для формирования разряда в воздушной среде считается 1МВ/м.

Telegram-канал и уютный чат для клиентов

Самодельный генератор Ван де Граафа