1 000 000 VOLTS

GENERATEUR ET ACCELERATEUR VAN DE GRAAFF 

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Historique des accélérateurs électrostatiques à transporteur de charges

   La course aux hautes tensions des années 1920-1930 est déclenchée par Ernest Rutherford ( 1871-1937 ) qui identifia en 1928 la nécessité « d'obtenir  une source de particules positives plus énergétiques que celles émises par les substances radioactives naturelles ». En 1919 il avait réussi la première réaction nucléaire artificiellement provoquée : transmutation de l'azote 147N (cible) en isotope d'oxygène  178O en soumettant les atomes à un bombardement alpha de 5,617 MeV , selon le schéma 14N + 4 He  --> 17O + 1N. En 1932 Chadwick montrait l'existence du neutron ( particule alpha naturelle et cible en Béryllium )  .

   La même année Cockcroft et Walton réussissent la première transmutation artificielle par un accélérateur électromagnétique (multiplicateur de tension) de 700 kV  : 7Li+ p--> 4He+ 4He.  Si on bombarde  autre chose  que des noyaux très légers, de faible charge ( hydrogène , lithium , béryllium ), la barrière de potentiel qui s'oppose à la pénétration des projectiles dans le noyau devient si élevée que , malgré l'effet quantique  favorable qui permet une certaine probabilité de réaction avec des énergies 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
Tableau 1 : Les premiers accelerateurs electrostatiques americains

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.


Science et Vie 1937

Téléchargement fichier pdf : Philippe Molinié et Soraya Boudia -
Exposer les étincelle de la science au public :
les «machines atomiques» et la création du Palais de la Découverte.
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Evolution après de seconde guerre mondiale


 

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.
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
'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 )
'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 )
'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 ) .


Van de Graaff's Generators

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1999 , 2017 © Lyonel Baum, France