FERDOS Dr. Adolfo Esposito
Secondo quanto indicato in figura l’elettrodo di alta tensione è caricato ad un potenziale positivo. Nei pressi del collettore c’è un ulteriore elettrodo che carica la parte di cinghia che va verso il basso di cariche negative. Un generatore di questo tipo si chiama generatore con due direzioni di carica. È ovvio che il sistema è simmetrico rispetto alla carica. La corrente massima che si può ottenere da un Van de Graaff dipende dalla densità massima delle cariche che può essere depositata sulla cinghia.
Per una cinghia che si muove in aria alla pressione atmosferica la massima densità teorica di carica è ~ 2.6x10-9 A s cm2, ma in pratica soltanto il 50÷60% di tale valore può essere ottenuto.
È chiaro che gli elettrodi non possono essere caricati a piacere. Se un generatore di questo tipo opera in aria, delle scariche possono avvenire fra l’elettrodo e le pareti del contenitore in cui è alloggiato. Questo ovviamente oltre certi valori di tensione.
Anche lungo la cinghia di trasmissione possono avvenire scariche. In aria non si può superare il valore di 30kV/cm.
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I primi Van de Graaff non raggiungevano che il 30% di questo potenziale a causa della non uniforme distribuzione della tensione lungo il generatore. Dispositivi di equalizzazione furono previsti. Un altro motivo per il non raggiungimento della potenziale nominale è che sull’elettrodo esistono delle micropunte che scaricano l’elettrodo.
Allo scopo di produrre tensioni da 2 a 25 MV fu necessario pertanto costruire impianti molto grandi. Uno dei più grandi acceleratori di questo tipo aveva degli elettrodi da 4.57 metri di diametro posti su colonne isolanti alte 6.7 m. Il sistema era fatto in modo da caricare ad un potenziale positivo di 2.4 MV e l’altro a un potenziale positivo di 2.7 MV. Raggiungendo una tensione massima di 5.1 MV e una corrente di 1.1 mA.
Tutto l’impianto era installato in un’area di 43x23x23 m3.
Allo scopo di eliminare questo tipo di inconvenienti i ricercatori svilupparono acceleratori pressurizzati o pressurizzati e isolati.
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Il Van de Graaff fu quindi inserito in una camera a tenuta in cui immettere un gas a pressione da diverse decine di atmosfere che facesse da isolante. La capacità di isolamento del dielettrico gas è proporzionale alla sua pressione. L’uso pertanto del gas a pressione ha ottenuto diversi vantaggi:
- dimensioni limitate
ISOLANTI Azoto
Derivati dal Metano Freon (C CL2 F2) Esafluoruro di zolfo (SF6)
Per quest’ultimo motivo si preferisce usare una miscela Azoto più Freon o SF6. Utilizzati talvolta
Molto usati anche se hanno una azione
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La costruzione di appropriate cinghie con resistenze dell’ordine di 1013 - 1614 ohm rappresenta una grande difficoltà nella costruzione di questi tipi di acceleratori.
Le cinghie devono allungarsi poco, essere resistenti all’ umidità, avere superfici lisce e possedere una resistenza meccanica notevole. All’inizio fu usata gomma vulcanizzata; successivamente da tessuto in cotone e seta gommata.
Il sistema di carica in anni sufficientemente recenti fu notevolmente migliorato con l’introduzione del sistema “pelletron” o “laddertron”.
Il primo, introdotto dalla NEC, consiste in una specie di catena fatta con piccoli cilindri metallici senza spigoli, collegati fra loro da agganci di plastica, raggiungendo un tempo di funzionamento superiore alle 40000 ore di funzionamento.
Il secondo tipo consiste in una variante del primo. La cinghia consiste di elementi piatti collegati fra loro da elementi isolanti. Quando questo tipo di sistema è usato nella carica bidirezionale si ottengono correnti fino a 600A.
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Con acceleratori a due stadi TANDEM si ottengono potenziali fino a 20 MV.
È appena il caso di far presente che fra gli acceleratori elettrostatici quello di tipo Van de Graaff è senz’altro il più diffuso a causa dei seguenti vantaggi:
- operazione in modo continuo ( corrente media corrente istantanea );
- operazione pulsata è possibile;
- fascio prodotto molto uniforme in energia;
- possibilità di accelerare particelle di diversa carica fino ad accelerare ioni pesanti; - operatività semplice, bassi costi di gestione.
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TANDEM
Un Van de Graaff unito ad altri stadi di accelerazione può costituire un tandem. Ma vediamo come funziona un sistema a due stadi.
Un fascio di ioni positivi è prodotto all’esterno dell’acceleratore. Questo fascio viene fatto passare attraverso un canale in cui c’è del gas a bassa pressione. Nell’interazione vengono prodotti ioni negativi ottenuti per “attachment” di due elettroni. Il fascio di ioni negativi viene mandato in uno spettrometro magnetico per selezionare esattamente quelli di uno specificato q/m. Gli ioni selezionati sono iniettati nelle camere da vuoto la cui sezione iniziale è messa a terra. L’elettrodo di alta tensione connesso alla camera ha un potenziale positivo dell’ordine di diversi MV. Gli ioni sono accelerati a una energia pari al potenziale corrispondente e passando attraverso un canale di “stripping” sottile foglia di metallo o carbone, perdono gli elettroni.