1 000 000 VOLTS

GENERATEUR VAN DE GRAAFF      page 3


Les systèmes de charge de l'accélérateur Van de Graaff

Ce schéma montre les différents composants d'un accelerateur electrostatique Van de Graaff simple etage avec son systeme de charge , les poulies de la courroie isolante , la colonne de resistances et les anneaux equipotentiels qui concourent a distribuer regulierement la haute tension le long du tube accelerateur. L'ensemble est enferme dans un caisson pressurise avec du gaz SF6. Le systeme de charge est alimente par une tension continue de 10000 volts. Les particules ionisee sont generees dans l'electrode terminale ( dome ) qui reçoit les charges electriques transportees par la courroie sans fin (et collectees par une grille ou une fine lame de clinquant metallique: collector screen ). Les dimensions et les proportions ne sont pas respectees.

Deux categories de systeme de transport de charge mecanique qui peuvent etre mis a l'echelle pour des machines jusqu'a 20 millions de volts :

1/ Les courroies sans fin representent la plus vieille technologie pour produire des hauts voltages et R. J. Van de Graaff , de l'Universite de Princeton, USA,  a depose un brevet pour cette technologie en 1935. Les courroies sans fin etaient relativement simples a fabriquer et etaient capable de transporter jusqu'a 1 mA de courant de charge sur leur surface exterieure, bien plus qu'il n'en fallait pour la plupart des applications. Elles furent utilisees dans les machines construites par HVEC ( 1947 , R. Van de Graaff , D. Robinson et J.Trump ).  

2/ Dans les annees 1960 Raymond Herb, de l'Universite du Wisconsin ,USA , a developpe un nouveau systeme mecanique qui consiste en une chaine sans fin faite de cylindres d'acier inoxydable articules entre eux par des segments isolants en nylon. Ces chaines sont capables de transporter jusqu'a 150 µA chacune mais avec une grande stabilite des charges electriques. Des systemes a 2  ou 2 ou 3 chaines sont installes dans les accelerateurs qui necessitent une plus grande capacite de charges. Ce systeme est utilise dans les accelerateurs Pelletrons fabriques par NEC. Un systeme similaire a ete developpe par HVEC ou deux chaines comme celles du systeme Pelletron sont reliees maillon par maillon par une lame metallique : c'est la chaine Laddertron.


Les courroies ( R. J. Van de Graaff , 1935 ) 

  Dans les premiers temps elles etaient faites en coton pour ses qualites mecaniques et electriques. Elles pouvaient meme faire tourner un alternateur ou une dynamo dans l'electrode terminale. Elles se detendaient peu avec le temps.

  Les courroies ont ete faites ensuite avec du coton multicouche enduit de caoutchouc vulcanise sur leur face interne et externe (HVEC). Elles ont ete fabriquees en 2 largeurs : 0,15 m pour les accelerateurs jusqu'a 1 MV et 0,52 m pour les accelerateurs jusqu'a plus de 20 MV. Faites a la main ( l'enduit de caoutchouc vulcanise applique par sections de courroie ) , ces courroies avaient epaisseur variable et la densite des charges deposees etait inhomogene et engendrait des variations de voltage dans l'electrode terminale. La courroie des generateurs electrostatiques etait responsable de poussieres et de debris fibreux qui pouvaient perturber le fonctionnement du systeme de charge.  Ce n'etait pas sans consequence sur la qualite de l'acceleration. La courroie du Vivitron ( Strasbourg , 1985-1993) mesurait 100 mètres de long.

Les charges electriques sont appliquees sur la courroie par une grille (ou une lame metallique) perpendiculaire au mouvement de la bande sans fin. Cette grille est reliee a une source de tension continue reglable de 7 à 50 kV. Les valeurs elevees de cette tension sont necessaires dans les conditions d'une fonctionnement sous gaz pressurise. En air libre 7 à 10 kV suffisent. La base du generateur Van de Graaff est mise a la terre , c'est le pole basse energie. Les charges sont deposees par la lame metallique qui est pressee legerement au contact de la courroie,  selon un angle qui evite une perte de contact. Lorsque l'ecran de charge est fait d'une fine grille metallique ( en acier inoxydable ) , le pas de la grille varie entre 1,5 et 3 mm fils par millimetres. Le bord de la grille qui est au contact de la courroie est modifie : 2 fils transversaux sont enleves , laissant des pointes de 1,5 à 2 mm aller au contact de la surface externe de la courroie. Cette grille faite de pointes corona est ajustee de maniere a ce qu'elle touche legerement mais uniformement la courroie dans sa largeur,  tout en restant plus etroite qu'elle. Les poulies, sur lesquelles tourne la courroie, sont tournees tres legerement en forme de barrique. La courroie peut changer de position lorsqu'elle est mobile ( centree ) ou lorsqu'elle s'arrete (decentree) .
La courroie s'enroule sur une poulie motrice cylindrique au pole basse energie. Cette poulie est mise a la terre. Elle est mise en mouvement par un moteur electrique. Elle peut etre meme le rotor d'un moteur inverse ( l'armature centrale est fixe et la partie externe tourne ). La charge peut etre positive ou negative. Si la charge est positive alors l'electrode terminale sera positive ( pole haute energie ) . Dans ces conditions on peut accelerer des faisceaux d'ions positifs. Une charge negative sert a accelerer des electrons.

Figure :  depicts a simple belt charging system for a single-ended electrostatic accelerator.

The belt passes around a grounded pulley at the base of the accelerator. This pulley typically is actually an inverted motor the armature is stationary and the outer housing rotates. A metal screen or thin shim is pressed lightly onto the surface of the belt that is in contact with the grounded pulley. The screen is, ideally, not perpendicular to the belt but at an acute angle so that wear in the screen does not produce a gap between the screen and the belt. The screen is mounted on an insulating fixture that will withstand up to 50kV from the charging power supply under pressurized conditions. A current- regulated high-voltage power supply is connected to the charging screen and adjusted to apply the desired charge to the moving belt - up to
1 mA . The charge can of course be positive or negative. Positive charge will produce a positive potential on the accelerator terminal, and this is used for producing positive-ion beams. Negative charge is employed in electron accelerators. The charging screen is usually constructed of stainless steel wire mesh with between 1.5 and 3 wires per mm. The edge of the screen that contacts the belt typically has two transverse wires removed, leaving 1.5 2 mm of wire extending to contact the belt. This screen edge prescrits a series of sharp corona points to the outside surface of the moving belt at the drive pulley location. The screen is adjusted so that it contacts the belt lightly along the entire length of the screen to minimize wear on both the belt and the screen. The screen is not as wide as the belt and should be centered on the running belt. Because the pulleys typically are crowned, the belt will change position between rest and running conditions. It is important that the charging screen or shim not be directly exposed to the drive motor during running conditions or an electrical arc will occur damaging the charging supply and possibly the motor bearings. In the terminal, a similarly prepared screen which is electrically connected to the terminal contacts the belt ahead of the terminal pulley and removes the charge from the moving belt, transferring it to the terminal. 

  Pour un fonctionnement plus regulier , la bande sera remplacee par une chaine alternant des cylindres metalliques lies entre eux par un isolant solide . Le Pelletron ( NEC ) et le Laddertron (HVEC ) vont faire leur apparition dans les annees 1960.

Les chaines  ( Raymond Herb , 1960

1/ Le Pelletron fabrique par National Electrostatics Corporation  ( NEC) , Middleton WI , USA ( 1965), entreprise creee par le Pr Raymond Herb . Le transporteur de charge (la traditionnelle courroie ) est remplace par une chaine a sections conductrices et isolantes alternees. Les Pellets sont des petits tubes cylindriques metalliques lies entre eux par des pieces en nylon. Ils sont charges par induction. Le systeme a ete invente par James Ferry et Raymond Herb dans les annees 1960 mais il existe une nette ressemblance avec la machine de Righi. La chaine est construite avec des sections de tube d'acier inoxydable .

3 pellets ( d'une chaine de Pelletron )

Les tranches de sections sont arrondies. Les Pellets mesurent 31,75 mm de diametre sur 31,75 mm de long et sont lies entre eux par des pieces isolantes en nylon qui sont articulees par des rivets ou des vis mecaniques filetees.

Pelletron Charging System ( NEC :  National Electrostatics Corporation )
Chaine de Pelletron / Pelletron Chain

Dans le cas illustre par l'animation ci-dessus ( Gif animé de NEC ) , la cage terminale ( Terminal Shell) est positive. La chaine tourne sur deux roues de 30 cm ou 60 cm de diametre. La vitesse de deplacement de la chaine est environ de 15 metres / seconde. L'inducteur (tension negative reglable de  0 a - 50 kV )  pousse les electrons hors de la chaine alors qu'elle est en contact avec la poulie reliee a la terre : les pelletsportent alors une charge positive. Ils quittent la poulie dans le champ inducteur en retenant chacuns une charge positive , capturee sur le metal entre deux chainons en nylon isolant . La chaine transporte mecaniquement cette charge a la cage terminale THT .  La charge induite est de 3 a 4 µA / kV du voltage de l'inducteur. Lorsque la charge arrive dans la cage terminale ( Terminal Shell) elle passe a travers une autre electrode et une charge negative est induite en miroir sur cette electrode. Une poulie conductrice ( Pickoff pulley ) en regard de cette electrode collecte la charge de la chaine et l'applique a un autre inducteur localise sur le cote oppose de la roue du Terminal. Cette electrode se comporte alors comme un inducteur positif et une charge negative induite accompagne chaque pellet sortant du Terminal. Ce systeme en miroir permet de doubler l'efficacite du systeme de charge. Chaque pellet, portant sa charge positive, va la communiquer a la jante conductrice de la roue du Terminal ( Terminal pulley ) . Les moteurs et les poulies sont supportes par des plateformes a contrepoids qui assurent une tension mecanique correcte de la chaine. L'ensemble est maintenu verticalement ou horizontalement et les tensions peuvent atteindre plusieurs millions de volts selon le nombre de modules utilises . Les performances en stabilite tensionnelle ( fluctuation du voltage en fonction du temps  = 'ripple' ) sont un peu meilleures que dans le cas d'une courroie classique , moins de 0,1 % , voire 0,01 %. Le defaut essentiel vient du fait que la charge montee est plus restreinte qu'avec une courroie et qu'il est donc impossible pratiquement d'obtenir des intensites superieures a 150 µA en direct sans doubler ou tripler le nombre des chaines a pelletrons. Enfin, le 'ripple' du aux vibrations mecaniques reste du meme ordre que celui des Van de Graaff a courroie.

  Several fundamental improvements and modifications were suggested by the American physicist and industrialist Raymond Herb (1908-1996) He proposed one of the very first pressurised Van de Graaff generators.In 1935 he proposed the first column enclosed by closely spaced metal rings (equipotential rings), which contributed to produce evenly distributed voltage stress. In 1940 he and his collaborators introduced the use of three concentric high potential electrodes.In 1965 he founded the National Electrostatics Corporation (NEC), which is still today one of the leading firms for the construction of Van de Graaff generators and ancillary equipment. Among the most interesting innovations proposed by Herb and his collaborator there is the pelletron. This is fundamentally a Van de Graaff machine in which the rubberized-fabric endless belt is replaced by a special chain (or by more of them) of metal pellets connected by insulating nylon links . In 1947 Herb and his group had put staples in a standard endless-belt to increase voltage stability. This idea was developed for several years and finalily at the end of the 1950' and in the 1960' it was possible to find a good solution using a' string of beads' charge carrier, which evolved into the modern Pelletron . The chain (which is curiousIy reminiscent of Righi's rubber ring withthe brass carriers) has several advantages compared to the Van de Graaff belt, which is subject, for example to spark damages. The metal pellets of the chain are charged and discharged by induction (like many late 19th century generators) and no sparking and corona effects are involved in the process. Not onIy has it a longer life, but also it is also insensitive to moisture and gives excellent voltage stability. Today most powerful Pelletron chain generators can deliver current of 100-200 µA and the potential terminal can go up to 25-30 MVolt.A different type of charging chain called Laddertron, was developedby the HVEC. The name derives from the fact that the this chain had originally H shaped metallic carriers, which looked like a ladder (From Palo Brenni in Bulletin of the Scientific Instrument Society No. 63 -1999).

Raymond Georges Herb (biography, bibliography)

2/ Le Laddertron (HVEC)  est construit  avec le meme principe d'elements isolants et conducteurs alternes mais les elements ont la forme d'un H . Les chercheurs du laboratoire de Daresbury ( U.K.) ont developpe ce systeme dans les annees 1970 , repris commercialement par HVEC sous le nom de Laddertron. La chaine consiste en fait en 2 chaines metalliques paralleles reliees par leur bord avec des barres de liaison en aluminium. L'apparence est celle d'une echelle souple ( Ladder en anglais ). Cette chaine peut transporter 250 µA de charges electriques dans un accelerateur pressurise ( melange de gaz avec du SF6).  Par rapport au Pelletron le Laddertron souffre de quelques desavantage : son poids  ( 5 kg/ m ) , sa duree de vie ( 5000 h contre 20000 h pour le pelletron ) en raison d'un tension mecanique plus forte qui contraint les liens isolants en nylon. Ce systeme a remplace un certain nombre de courroies traditionnelles sur plusieurs machines  a Stony Brook (New York , USA ) , Orsay ( France) , Legnaro ( Italie ) ,  tandem HI-13 de Beijing ( Chine ), Ile-Ife ( Niger) . Dans un accelerateur HVEC modele FN la chaine Laddertron comporte 500 elements horizontaux. Voir la page de l'Institut de physique Nucleaire ( Tandem d'Orsay ). Voire la page de Stony Brook .

The name derives from the fact that the this chain had originally H shaped metallic carriers, which looked like a ladder (From Paolo Brenni in Bulletin of the Scientific Instrument Society No. 63 -1999).

The Laddertron was manufactured by High Voltage Engineering Corporation (HVEC) following a design developed at the pioneering large vertical tandem (now closed) at Daresbury Laboratory (UK). Similar Laddertron installations may be found in the horizontal tandems at Orsay (France), Legnaro (Italy), Beijing (China), and Ile-Ife (Nigeria).

The Laddertron chain consists of about 300 modular units, each containing two cylindrical stainless-steel casting (rings), one aluminum crossbar (rung), two polished steel bearing pins and two insulating links («dogbones») with replaceable bushings. In the original HVEC design the link material is a blue monocast nylon and the bushings are Garlock DU; the lubricant in these bushings is lead-loaded Teflon held in a phosphor-bronze layer backed by steel.

Chaine de Laddertron / Laddertron Chain
Chaine de Laddertron / inducteur

Exemples de VDG sortis de leur caisson pressurise.
Ohio State University VDG : anneaux equipotentiels et electrode terminale a gauche.  Open VDG : corona rings
HVEC KN de 4 MV
VDG  modele KN de HVEC - 4 Mvolts  - Notre Dame (USA)
Campus Strasbourg (1959) VDG de 3 Mvolts
Courroie et alignement de pointes corona au pole inferieur du VDG




Hauteur : 7 metres  - Diametre : 2 metres  - 2 courroies
E: electrode HT - E1 E2 : ecrans ( Intershields) - 149 plateaux  equipotentiels
C : enceinte pressurisee (tank) - 5 000 000 V ( 5MV)  - 100 mA

Schema de l'accelerateur VDG a un etage de Saclay

Open VDG at Baylor University
Open VDG in cz

Bibliographie et refererences 

Laddertron 

 T.W. Aitken , Nucl. Instruments and Methods , A338 , page 10


Van de Graaff' Generators / Accelerators

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