Van-de-Graaff-Beschleuniger
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Ein Van-de-Graaff-Beschleuniger ist ein Teilchenbeschleuniger, dessen Spannungserzeuger nach dem Prinzip des Van-de-Graaff-Generators arbeitet. Er wurde 1930 von Robert Jemison Van de Graaff erfunden.
Beim Van-de-Graaff-Generator wird zur Erzeugung der Beschleunigungsspannung ein mechanisch angetriebenes, elektrisch schwach leitendes Endlosband genutzt, auf welches durch eine Beladeeinheit positive Ladungsträger aufgebracht und zu einem Hochspannungsterminal befördert werden. Dort entlädt sich das Band an einer Entladeeinheit und die transportierten Ladungsträger fließen auf eine Terminalelektrode ab. Dadurch steigt deren Elektrische Spannung, es entsteht an dieser ein positives Potenzial gegen Masse, welches mehrere Megavolt betragen kann.
Diese Hochspannung wird über eine Widerstandskette entlang eines Ionenstrahlrohres so aufgeteilt, dass die Teilspannungen auf den dazwischengeschalteten Potenzialringen (in ihrer Gesamtheit Säule genannt) ein elektrisches Feld aufbauen, welches eine gleichmäßige Beschleunigung der Ionen gewährleistet. Die Ionen werden von einer Ionenquelle in der Terminalelektrode emittiert, im Bereich der Säule beschleunigt und gelangen durch ein mehrere Meter langes Rohrsystem zum Target, welches mit diesen Ionen beschossen wird. Auf dem Weg dahin erfährt der Ionenstrahl mehrere Beeinflussungen durch verschiedene elektronenoptische Systeme.
Die maximale Höhe der Terminalspannung wird in erster Linie durch die auftretende elektrische Feldstärke und die damit in Zusammenhang stehende Durchschlagsfestigkeit des umgebenden Mediums begrenzt. Aus diesem Grund befindet sich das Generatorsystem in einem mit Gas befüllten Druckbehälter. Abhängig vom verwendeten Gas und vom herrschenden Druck kann die Durchschlagsfestigkeit zwischen Terminal und Druckbehälter wesentlich vergrößert werden. Der Ladestrom wird so groß gewählt, wie zum Erreichen der maximalen Terminalspannung nötig ist. Die erreichbaren Beschleunigungsspannungen betragen bis zu etwa 10 MV.
Da sich Störungen und Schwankungen der Hochspannung am Terminal direkt auf die Energiestabilität des Ionenstrahls auswirken, wird mittels einer Koronatriode die Hochspannung zusätzlich stabilisiert, indem diese negative Ladungsträger auf das Terminal leitet und damit die Spannung beeinflusst.
Schwankungen bzw. die Wechselanteile der Beschleunigungsspannung werden mit einer kapazitiven Messelektrode gemessen. Realisiert wird diese Elektrode mittels eines metallischen Bandes, welches an der Innenseite des Druckbehälters im Bereich des Terminals angebracht ist. Eine Isolierung trennt das Metallband vom Behälter. Durch diese Anordnung ergibt sich ein kapazitiver Spannungsteiler zwischen Terminal, Metallstreifen und Behälter.
Eine Weiterentwicklung des Van-de-Graaff-Beschleunigers ist der Tandembeschleuniger.
