范德格拉夫起电机

范德格拉夫起电机

范德格拉夫起电机（Van de Graaff generator），又称范德格拉夫加速器，是一种用来产生静电高压的装置。该装置于1929年由荷兰裔美国物理学家罗伯特·杰米森·范德格拉夫发明。范德格拉夫起电机通过传送带将产生的静电荷传送到中空的金属球表面。范德格拉夫起电机非常易于获得非常高的电压，现代的范德格拉夫起电机电势可达500万伏特。

1结构

结构如图，空心金属圆球A放在绝缘圆柱 C 上，圆柱内B为由电动机带动上下运动的丝带（绝缘传送带），金属针尖 E 与数万伏的直流电源相接，电源另一端接地，由于针尖的放电作用，电荷将不断地被喷送到传送带B上。另一金属针尖F与导体球 A 的内表面相联。当带电的传送带转动到针尖 F 附近时，由于静电感应和电晕放电作用，传送带上的电荷转移到针尖 F 上，进而移至导体球A的外表面，使导体球A带电。随着传送带不断运转，A球上的电量越来越多，电势也不断增加。通常半径为1米的金属球可产生约 1 兆伏（对地）的高电压。为了减少大气中的漏电，提高电压，减小体积，可将整个装置放在充有10～20个大气压的氮气的钢罐之中。

产生正极性电的范德格拉夫起电机可用作正离子的加速电源，产生负极性电的则可用于高穿透性的

X 射线发生器中。

2原理

典型范德格拉夫起电机原理示意图[1]

一最终的电量就越多。

1) 中空金属球壳

2) 上部电极

3) 上部滚轴（金属制）

4) 这条带子带有正电荷

5) 这条带子带有负电荷

6) 下部滚轴（可以采用丙烯酸玻璃制制）

7) 下部电极（接地）

8) 带负电的球型装置，用于将主球[1]壳放电

9) 因电位差产生的电花。

3运用

范德格拉夫起电机球形罩上的电荷能产生超过一千万伏特的电压。在核物理实验中，如此高的电压可用来加速各种带电粒子，如质子、电子等。此外，这种起电机也可用来演示很多有趣的静电现象，如使头发竖立起来、吸引发泡胶球、产生电火花、用电风使「风车[1]」旋转等。透过这些现象，我们可以更了

解静电的特质。

4现象

使头发竖立

我们可以站在绝缘的椅子上，用手按着起电机的球形金属罩。由于人的身体也可导电，所以当起电机启动时，电荷便传到我们的身体上。而因为头发上的电荷互相排斥，头发便竖立起来。

吸引发泡胶球

当发泡胶球移近起电机的球形罩时，发泡胶球中分子内的电荷分布将发生变化。在分子内，正负两极的电荷被轻微地分离，产生所谓极化的现象。此时球形罩上的电荷与分子内相反的电荷产生微小的吸力，从而吸引整个发泡胶球。

产生电火花

把接地的金属小球移近起电机的球形罩时，强大的电场使电荷由球形罩跃向金属小球，在空气中产生大量离子和电子。因为离子的能态比不带电的空气分子高，所以它们便自发地释放能量，产生火花。这是在空气中的放电现象，例如闪电就是电荷从一片云跃向另一片云或地面的放电现象。

产生电风

带电导体的尖端区域具有较高的表面电荷密度，而电荷密度越高，所产生的电场越强。而强大的电场使尖端周围的空气分子电离，空气中与导体电荷相反的离子或电子被尖端吸引，而那些与导体电荷相同的离子或电子则被尖端排斥到远处，这现象称为尖端[2]效应。离子运动时拖动空气分子，产生电风，可使

扇叶转动。

5日常生活中的静电

在日常生活中有很多静电的应用，像复印机、静电除尘器、静电喷漆。此外，认识静电使我们避免它可带来的危险，例如在运载[1]易燃物品的车辆尾端系上接地铁链，把电荷传到地面，以免电火花引致火

灾。同一道理，医院的手术室里，因为时常应用氧气和易燃的麻醉药物，所以地板通常是抗静电的，而所

有机器亦需接地，以免火花引发爆炸。

6提高电极电压的方法

1.提高电极电压的一个方法是制造更大的球形电极。用直径1m的球形电极可以得到0.6 x 10的6次

幂V高压，直径增大到2m可得到1.3×10的6次幂V高压。再增大直径并不能有效地提高电压。所以通过增大球形电极的直径来提高电压是很有限的。

2.后来人们发现在高气压条件下，气体的击穿强度即使气体变成良导电体的电压要比正常气压下高得

多。于是就试着把静电加速器放在高压气体中来解决电击穿问题。试验结果是成功的。原来在正常气压下只能得到0.6 x 10的6次幂V的静电加速器，放到充有几个大气压的氖气钢筒中后，电压就可以提高到4.5 x 10的6次幂V。大部分运行的静电加速器就是这种高气压静电加速[3]器。

直线加速器

直线加速器是应用沿直线轨道分布的高频电场加速电子、质子和重离子的装置。直线加速器的加速电场有行波和驻波两类。

基本介绍

应用沿直线轨道分布的高频电场加速电子、质子和重离子的装置。1928年E.维德罗提出加速原理。早期利用频率不太高的交变电场加速带电粒子，1946年后利用射频微波来加速带电粒子。在柱形金属空管（波导）内输入微波，可激励各种模式的电磁波，其中一种模式沿轴线方向的电场有较大分量，可用来加速带电粒子。

为了使沿轴线运行的带电粒子始终处于加速状态，要求电磁波在波导中的相速降低到与被加速粒子运动同步，这可以通过在波导中按一定间隔安置带圆孔的膜片或漂移管来实现。电子的质量很小，几兆电子伏的能量时，电子的速度已接近光速，带圆孔的膜片装置适用于加速电子。

质子或离子的质量较大，其速度较低，常采用带漂移管的装置。1966年建成的美国斯坦福电子直线加速器管长3050米，电子能量高达22吉电子伏，脉冲电子流强约80毫安，平均流强为48微安。

发展历史

1928年E.维德罗提出加速原理。早期利用频率不太高的交变电场加速带电粒子，1946年后利用射频微波来加速带电粒子。在柱形金属空管（波导）内输入微波，可激励各种模式的电磁波，其中一种模式沿轴线方向的电场有较大分量，可用来加速带电粒子。为了使沿轴线运行的带电粒子始终处于加速状态，要求电磁波在波导中的相速降低到与被加速粒子运动同步，这可以通过在波导中按一定间隔安置带圆孔的膜片或漂移管来实现。电子的质量很小，几兆电子伏。

中国科学院高能物理研究所35MeV质子直线加速器的加速腔的能量时，电子的速度已接近光速，带圆孔的膜片装置适用于加速电子；质子或离子的质量较大，其速度较低，常采用带漂移管的装置。1966年建成

的美国斯坦福电子直线加速器管长3050米，电子能量高达22吉电子伏，脉冲电子流强约80毫安，平均流强为48微安。

制成的高柱和在它们中间的加速器直线产品用途直线加速器

6) 偏转系统采用110º偏转滑雪式消色散结构，可获得更好的束流分布。

7) 高能量X线时，使用铁制的均整器，更低的感生辐射。

8) 加速管采用行波反馈系统，具有能量范围宽、能量稳定性高、束流能谱好，快速瞬态反应等的特点。

9) 磁控管、闸流管等关键微波器件选用英国EEV公司的产品，配合大功率的微波反馈系统，最高微波能量高达6MW。

10) 限束装置的上下光阑可分别独立运动，适应不同治疗种类的需要。

11) 等中心精度高，达±1mm。可配外置的X刀、多叶光栅等适形治疗系统。

12) 具有远程故障诊断功能，可通过Internet协助用户进行维护，维修更简便。