Présentation PHY-241. La Machine de Van de Graaff.

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1 Présentation PHY-241

2 La Machine de Van de Graaff

3 Plan de L'exposé Partie 1 : Introduction Les ancêtres du générateur de VdG La course aux hautes tensions, l'inventeur et son prototype. Partie 2 : didactique. Description (et démo) du génétateur didactique. Partie 3 : Maturation de la technologie : du générateur à l'accélérateur. Conclusion

4 Machine E-Statique de Rouland Walckiers,1784 : Bande de soie en boucle Deux rouleaux en bois Soie chargée par friction sur des coussins Utilisé avec succès à l'ARP Encombrant Amélioré par Rouland

5 Electromètre de Righi Righi, 1872 : Thèse de Doctorat Electromètre à induction Anneau flexible en boucle Amplificateur de charges Mesure de faibles tensions, pour vérifier l'effet Volta

6 La Course aux Hautes Tensions 1919 : Rutherford accomplit la première transmutation nucléaire (azote en oxygène). Atomes lourds = Haute barrière Coulombienne E = q U, donc on peut accélérer les particules dans un tube à vide soumis à une très haute tension De nombreux systèmes sont proposés (foudre, impulsion, transformateur de Tesla, multiplicateur de tension, etc...) Une des meilleurs idées : le générateur éléctrostatique de Van de Graaff

7 Robert Jamison Van de Graaff Physicien américain (20/12/1901 – 19/01/1967) Maitrise d'ingénieur en mécanique (Alabama) Assiste aux cours de Marie Curie (la Sorbonne) 1928 : Doctorat de physique à Oxford 1929 : Membre de la recherche nationnale à Princeton, et invention du générateur.

8 Premier Prototype Electrophore a service continu (machine éléctrostatique dite "d'addition "). Principe indiqué par lord Kelvin, repris par Volrath et considerablement ameliore par R. J. Van de Graaff. Effet Couronne (induction) Effet Triboéléctrique Présenté à l'American Physical Society en 1931. 2 sphères (+/-) 80 kV

9 La Machine ? Grosso modo 3 types de machines de Van de Graaff: Le(s) prototype(s) Les générateurs didactiques / de démonstration Les accélérateurs Van de Graaff

10 La Machine de Van de Graaff

11 Le ”Van de Graaff” didactique 1.Sphère creuse conductrice 2.Peigne supérieure 3.Poulie en nylon 4.Courroie en latex 5. - ” - 6.Poulie motrice (en PVC) 7.Peigne infériere

12 Définitions importantes 1. Effet triboélectrique «Lorsqu'on met en contact deux matériaux de natures différentes, il y a migration d'une partie des électrons». Dépend de l'électronégativité des matériaux. Ex.: nylon ( + + ) papier ( + ) latex ( - ) PVC ( - - - )

13 Définitions importantes 2.Effet couronne «Décharge électrique entrainée par l'ionisation du milieu (diélectrique) entourant un conducteur». Conducteur (pointe): E = σ / ε 0 σ prop. à 1 / R R petit ==> E grand E in d E

14 Fonctionnement Poulie en PVC plus électronégative que la courroie en latex. Séparation de charges par effet triboélectrique. S poulie σ poulie >> σ couronne Création d'un champ E -

15 Fonctionnement Ionisation de l'air entre peigne et poulie Passage de charges sur la courroie par «effet de couronne» Evacuation immédiate des charges par la courroie E

16 Fonctionnement Poulie supérieure (nylon) moins électronégative que la courroie Poulie se charge (+) Répulsion des charges (+) sur le peigne Chargement de la sphère E + + + + + + +

17 Calcul du potentiel Champ disruptif de l'air : E ~ 36 000 V/cm Distance de claquage mesurée : d = ~4 cm Potentiel : V = E * d V ~ 144 kV V= 0 d

18 Calcul du potentiel Pour une sphère parfaite: V = R σ/ε 0 R = 10 cm Ici, théoriquement : V = R E disr = 360 kV (Jamais atteint ! Sphère imparfaite...) R

19 La Machine de Van de Graaff

20 Evolution du Générateur 1931 : Amélioration du dispositif (1,5 MV) 1936 : Construction d'un grand générateur double à Round Hill: Deux colonnes 3 couroies / colonne 4.6 m de diamètre 10 m de hauteur 5,1 MV

21 De Round Hill au MIT Un labo dans chaque sphère Un tube accélérateur entre les dômes Transformé et réutilisé au MIT pour étudier la fission et les rayon X de haute énérgie

22 L'Accélérateur du MIT Des ions ou particules chargées peuvent être accélérée dans un tube à vide entre le dôme et le sol. La colonne est isolée de tout champs éléctrique pour uniformiser au mieux le champ éléctrique. On crée ainsi un faisceau de haute énergie de particules chargée.

23 Sophistication Technologique Etudes sur les hautes tensions, les isolants Mécanique de précision Préssurisation des terminaux Remplacement des couroies par des chaines de charge (Résistance, induction, charge stable, insensible à l'humidité) Découverte de l'effet de changement de charge, qui mena à la mise au point des accélérateurs Tandem-Van de Graaff

24 Tandem-VdG : Principe Atomes --> Ions (-) Accélération Ions (-) --> Ions (+) Accélération

25 Tandem : deux exemples Le Tandem-VdG de l'Institut de physique nucléaire d'Orsay fournit un faisceau d'ions à un accélérateur linéaire d’électrons dédié à la production de faisceaux radioactifs riches en neutrons. Le Vivitron était la machine la plus performante en Europe pour ce type d'accélérateur et fait partie des trois machines au monde atteignant 20 MV. La dernière expérience fut réalisée en 2003.

26 Une Contribution Importante Notons que Van de Graaff reçu plusieurs diplômes honorifiques, et fut récompensé avec le prix T.Bonnet pour ses nombreuses contributions au développement des accélérateurs éléctrostatique Van de Graaff mourut en 1967 Plus de 500 accélérateurs de particules de ce type était alors en exploitation Son invention fut donc clairement une avancée majeure pour la physique expérimentale

27 Merci Pour Vôtre Attention Si ce sujet vous interresse, quelques liens internet sont disponibles à l'adresse suiante : http://psychosmose.free.fr/pag es/vdg.html Ce document est téléchargeable à la même adresse.