Générateur de Van de Graaff - Définition

Du générateur à l'accélérateur Van de Graaff

Robert Van de Graaff ( 1901 -1967 ) a commencé à travailler sur son générateur à courroie à Princeton en 1929 et a présenté le concept à l'American Physical Society en 1931. Le prototype de 1 500 000 volts utilisait 2 dispositifs à courroie , l'un à sphère positive et l'autre à sphère négative. Au département du magnétisme terrestre du Carnegie Institution à Washington, Van de Graaff construisit des machines de plus en plus grandes. La tension augmente avec la taille des sphères. Au M.I.T.(Massachusetts Institute of Technology) Van de graaff construisit un énorme générateur double dans une ancien hangar pour dirigeable (à Round Hill). Les deux sphères mesuraient 4,6 mètres de diamètre et étaient montées sur des colonnes isolantes en textolite. Les différences de potentiel entre les deux sphères ont pu atteindre 5,1 millions de volts. En France , en 1937 André Lazard construisit au Palais de la Découverte , un générateur semblable à celui de Round Hill. Les sphères de 3 mètres de diamètre étaient chargées par 3 courroies en coton,recouvert de caoutchouc, de 70 cm de large et 1,5 mm d'épaisseur. La transformation du générateur en accélérateur devient possible en adaptant un tube à vide entre l'électrode terminale et le sol. La source est dans la sphère , la cible est au sol. Fin 1932 avec une sphère de 2 mètres de diamètre la machine pouvait accélérer des protons à 600 KeV . En octobre 1933 l'accélération atteint 1,2 MeV. Van de Graaff et John Trump ont publié un article en 1937 décrivant un accélérateur d'électrons de 1,2 millions de volts construit pour la Harvard Medical School. Cette source puissante de rayons X a été la première application d'un accélérateur électrostatique en clinique médicale.

Pour améliorer les performances du générateur Van de Graaff, Raymond Herb de l'Université du Wisconsin a expérimenté des machines encloses sous vide puis sous pression d'air et de gaz. En 1935 Herb et ses associés ont developpé une machine de 2,5 millions de volts dans un caisson étanche cylindrique de 1,7 mètre de diamètre et 6,1 mètres de long , sous 0,75 MPa d'air. Du dioxyde de carbone a été mélangé à l'air pour éviter le risque d'incendie. En 1939 des améliorations internes (notamment des écrans intermédiaires) ont permis d'atteindre 4,3 millions de volts ( Los Alamos ).

Van de Graaff et ses collaborateurs ont construit au M.I.T. une machine verticale de 4 millions de volts utilisant des résistances étagées pour créer un gradient de tension le long de la colonne et du tube, de haut en bas. En 1947 John Trump, Denis Robinson et Van de Graaff créent la société HVEC (High Voltage Engineering Corporation) qui va construire des générateurs électrostatiques pour la radiothérapie anticancéreuse , la radiologie à très haute tension et la physique nucléaire. Un de leurs premiers produits a été un accélérateur électrostatique de 4 millions de volts qui a servi comme injecteur du «Cosmotron» le premier synchrotron à protons. HVEC a fabriqué 36 exemplaires du modèle «CN» entre 1951 et 1966, les premières machines du genre fabriquées en nombre.Durant la même période HVEC construisit de nombreux exemplaires du modèle «KN» , de 3 et 4 millions de volts pour accélérer à la fois des électrons et des ions positifs. Tous ces accélérateurs manufacturés avaient des points communs : gradient du potentiel par résistances le long de la colonne et du tube, courroie transporteuse des charges, pressurisation avec du diazote et du dioxyde de carbone.

Ces machines à un étage ont pu atteindre des voltages de 10 million de volts. Pour obtenir des valeurs supérieures il aura fallu développer les machines tandem et les sources de ions négatifs. A la suite de W. H. Bennett , Luis Alvarez et A.C. Whittier , le CRNL ( Chalk River Nuclear Laboratory ) et HVEC travaillent sur le concept de la double accélération et le premier modèle fabriqué en 1958 produit son premier faisceau en 1959.Ce modèle appelé «EN» tandem , se présente dans un caisson de 11 mètres de long et 2,4 mètres de diamètre. Prévu pour générer 5 millions de volts, il a pu atteindre 7 millions de volts. En 1960 cette machine ( EN-1 ) a été installée à l'Université de Montréal.Trente machines EN ont été construites entre 1958 et 1973. En 1963 un Van de Graaff tandem plus grand ( modèle «FN» ) est fourni à Los Alamos. Son caisson mesure 13,4 mètres de long et 3,66 mètres de diamètre.Prévu pour générer 7 millions de volts, le modèle «FN» a pu atteindre 11 millions de volts. Dix neuf exemplaires ont été construits. Le modèle «MP» mesure 20 mètres de long et 4,5 mètres de diamètre. Le premier exemplaire est livré à l'université Yale en 1965. Le MP-10 de Strasbourg a pu atteindre 18 millions de volts avec quelques modifications. Au total HVEC a fabriqué 55 accélérateurs tandem en 14 ans.