В 1925 г. Б. И. Угримовым был построен ЭСГ с лентой, работавший в воздухе при нормальном давлении. При движении ленты со скоростью 21 м/сек были получены напряжение 80 кВ и ток 2 мка. Так как оба шкива этой установки заземлялись, то точка наивысшего потенциала была на середине ленты. Генератор был рекомендован для ускорения электронов.
В 1937 г. на Всемирной выставке в Париже демонстрировался электростатический генератор с лентой, построенный Ф. Жолио-Кюри с сотрудниками. Генератор работал в воздухе. Напряжение генератора по отношению к земле достигало 2,5 Мв. Высота изолирующих колонн ЭСГ равнялась 9 м, а диаметр шара 3 м. Таким образом, продольный рабочий градиент по опорной колонне составлял менее 3 кВ/см.
Стремясь получить более высокие напряжения и уменьшить потери на коронирование, увеличивали диаметр кондуктора. Один из первых электростатических генераторов, работающий на открытом воздухе, состоял по существу из двух отдельных генераторов, один из которых имел положительную полярность напряжения по отношению к земле, а другой — отрицательную. Наибольшее напряжение на электродах высокого напряжения генераторов равнялось 4-2,4 Мв и —2,7 Мв, что составляло между электродами 5,1 Мв. Электроды диаметром 4,57 м изготовлены' из листового алюминия толщиной 6 мм и установлены на текстолитовых цилиндрах высотой 6,7 м, диаметром 1,8 м. Таким образом, рабочий градиент вдоль опорной колонны несколько больше 3,5 кВ/см. Строительная высота электростатического генератора 12,9 м. Он размещен в ангаре с линейными размерами 42x22,5 м и высотой 22,5 м.
Диаметр кондуктора электростатического генератора на напряжение 6 Мв, построенного в Украинском физико- техническом институте, достигает 10,2 м. Шар установлен на трех изолирующих колоннах высотой 10 м и диаметром 2 м. Общая строительная высота установки составляет 16 м. Высота зала, в котором размещен генератор, равняется 25 м. В данном ЭСГ, работающем при атмосферном давлении, продольный рабочий градиент по колонне уже превышает 4 кВ/см. Практически генератор давал напряжение до 4 Мв.
Несмотря на огромные размеры кондуктора, потери на корону в ЭСГ, работающих при атмосферном давлении, все же оставались значительными и росли с увеличением влажности и загрязненности воздуха. Мощность ЭСГ, работающих в атмосфере, не превышала 100 Вт. Изготовление подобных генераторов на сверхвысокие напряжения сопряжено с большими трудностями и мало эффективно.
Для напряжений до 1 Мв ЭСГ, работающие в атмосфере, достаточно просты в изготовлении и размещаются в обычном лабораторном помещении.
В Институте физических проблем имени С. И. Вавилова Академии наук СССР построены и работают электростатические генераторы с лентой на напряжение 2,8 Мв. Продольный рабочий градиент по колонне составляет 7,5 кВ/см. Котел генератора заполнен смесью азота и углекислоты в соотношении 4 : 1 при давлении 8 ат. С помощью генератора ускоряются ионы. Ток в пучке достигает 80 мка. Общая схема устройства этого ЭСГ приведена на рис. 2-30. В разборном стальном котле 13 диаметром 1 400 мм и высотой 5 000 мм расположена опорная рама 1, на которой смонтирован генератор. Лента 4 из прорезиненного перкаля натянута на шкивах 2 и 3 и приводится в движение асинхронным двигателем 5. Лента заряжается от коронирующих электродов, соединенных с источником напряжения в несколько десятков киловольт. Заряженные частицы из ионного источника 14 поступают в трубку 7, ускоряются в ней и на выходе попадают в электромагнит /6, магнитное поле которого изменяет на 90° направление движения ионов и разделяет их по энергиям на отдельные пучки.
Электрод высокого напряжения 6 поддерживается изоляционной колонной, разделенной металлическими дисками 9, 10 и опорным диском 8. Генератор имеет два экрана 11 и 12, выравнивающих напряжение по высоте изолирующей колонны. Экраны присоединяются к эквипотенциальному кольцу. Рассматривая экраны как коаксиальные цилиндры, определяют их диаметр. Напряженность электрического поля на поверхности экрана радиуса г определяется формулой 
где U2 — напряжение на кондукторе радиусом R. Для системы коаксиальных цилиндров получаем Еrr = const при условии, что напряжение приходящееся на каждый промежуток, будет величиной постоянной.
На рис. 2-31 дана схема компактного электростатического генератора на напряжение 1,75 Мв, у которого изолирующей средой служит смесь фреона с азотом, находящихся в соотношении 1 : 7 при давлении 14 ати. Общая высота установки 396 см. Толщина стенки стального котла диаметром 112 см и объемом 3,1 м3 равна 11 мм.
Рис. 2-30. Схема устройства ЭСГ, работающего в атмосфере сжатого газа.
Применение устройств по выравниванию падения напряжения по высоте генератора, описанных выше, позволило довести рабочий градиент по изолирующим колоннам до 11,5кв/см. Электрод 1 генератора представляет собой медный цилиндр, заканчивающийся наверху полусферой.
Рис. 2-31. Схема электростатического генератора на напряжение 1,75 Мв.
Минимальное расстояние от кондуктора до внутренней поверхности котла составляет около 31 см. При напряжении 1,75 Мв средний рабочий градиент по газу внутри установки достигает 56 кВ/см, что почти в 2 раза выше электрической прочности воздуха при атмосферном давлении.
Лента 2 и ускорительная трубка 3 расположены параллельно оси установки. Эквипотенциальные выравнивающие кольца 4 изготовлены из латунной трубки диаметром 19,1 мм. Диаметр кольца равняется 61 см. Всего колец взято 50. Между соседними кольцами проложена изолирующая текстолитовая прокладка 5 и включено сопротивление 500 Мом. Общее сопротивление делителя напряжения ЭСГ равняется 25·103 Мом. С каждым, десятым кольцом связываются направляющие устройства 6, фиксирующие траекторию движения ленты, что необходимо для устойчивой работы генератора. Направляющие устройства представляют собой стеклянные или пирексовые палочки, закрепленные в пазу алюминиевого прутка. Лента движется, касаясь торца стеклянной палочки. Направляющие, изготовленные из текстолита или эбонита, оказались хуже, чем стеклянные.
Нижний шкив 7, вращающий ленту, заземлен. В цепь заземляющего провода включен микроамперметр. Это позволяет контролировать ток утечки с ленты на землю. Индукционная зарядка ленты (самовозбуждение) в данном случае давала неустойчивую работу.
Внутри электрода помещен генератор постоянного тока 8 напряжением 120 В и мощностью 2 кВт. Ротор генератора приводится во вращение верхним шкивом ЭСГ. Постоянный ток служит для питания капиллярной дуги низкого напряжения, являющейся источником ионов, и преобразователя постоянного тока в переменный. Преобразователь мощностью 1 кВт дает переменный ток при напряжении 110 В, питающий различные цепи управления и связи. Интересно отметить, что щетки генератора постоянного тока при заполнении сосуда сжатым воздухом работали ненадежно: ток часто прерывался. При замене воздуха смесью азота и фреона этот недостаток в работе генератора был устранен.
Рис. 2-32. Электростатический генератор на напряжение 2 Мв.
При работе установки внутри нее рассеивается мощность около 9 кВт. Выделяющееся тепло отводится с помощью воды, циркулирующей по восьми змеевикам из медной трубки. Змеевики уложены по внутренней поверхности котла до высоты, на которой установлен двигатель, приводящий в движение нижний шкив. Так как газ, заполняющий сосуд, должен иметь минимальную влажность (<3%), то перед впуском в котел его пропускают через соответствующие осушительные устройства. Если внутри сосуда влажность около 8% продержится только в течение нескольких часов, то затем приходится несколько суток просушивать всю установку, прежде чем станет возможной работа с высоким напряжением.
В нормальных условиях генератор позволяет получать пучок положительные ионов с энергией от 150 до 1 750 кэв при токе выше 40 мка.
На рис. 2-32 представлен электростатический генератор с лентой, рассчитанный нормально на работу при напряжении 2 Мв и токе 300 мка. Стальной котел имеет высоту 317,5 см, наибольший внутренний диаметр 137,2 см, объем 4,9 м3. Зазор между электродом высокого напряжения и котлом с боковой стороны составляет 40,64 см, а между электродом и вершиной котла 62,23 см. Таким образом, средний рабочий градиент в газовой среде между боковыми стенками электрода и котла составляет 48,5 кВ/см. Для того чтобы более ясно показать расположение генератора внутри котла, фотоснимок произведен на один кадр 2 раза: вначале снято внутреннее устройство, а затем внешний вид. Фланцевое соединение двух частей котла выполнено на середине его высоты·, что позволяет в случае необходимости вставлять еще один промежуточный цилиндр, увеличивая, таким образом, общую высоту котла. Одновременно также наращивается и изоляционная колонна. Это мероприятие позволяет переходить на более высокие рабочие напряжения. Так, при работе на напряжении 5,6 Мв высота изоляционной колонны составляла 236 см, а средний продольный градиент по опорной колонне 24 кВ/см.
В качестве изолирующей среды служит воздух при давлении 14 ати. При заполнении котла смесью фреона с шестифтористой серой (элегаз) напряжение на кондукторе ЭСГ можно было поднять значительно выше. Употребляя в качестве изолирующей среды элегаз при давлении 14 ати, напряжение на кондукторе электростатического генератора поднимали до 5,6 Мв.
На рис. 2-33 представлена верхняя часть изолирующей колонны ЭСГ в состоянии сборки.
Рис. 2-33. Общий вид верхней части изолирующей колонны ЭСГ.
Видны зарядная лента, заключенная между вспомогательными электродами, и литые алюминиевые диски диаметром 57 см с отверстиями. Диски служат для выравнивания напряжения вдоль ускорительной трубки и трех изолирующих опорные колонн из текстолитовых изоляторов, которые образуют равносторонний треугольник. Толщина алюминиевых дисков в центре составляет 3,2 мм, а на краю достигает 16 мм. Расстояние между двумя соседними дисками по центру составляет 25,4 мм, а по внешней окружности дисков 9,5 мм. Между соседними дисками установлены шаровые искровые промежутки. Равномерное распределение напряжения вдоль изолирующей колонны достигается с помощью делителя напряжения, сопротивления которого соединены с алюминиевыми кругами при помощи полупроводящей хлорвиниловой замазки.
Для регулирования электрического поля вдоль поверхности ленты применено специальное устройство. На расстоянии 12,7 мм друг от друга с каждой стороны ленты помещаются алюминиевые диски, служащие для выравнивания продольных градиентов потенциала. Заряженная лента, притягиваясь к алюминиевым трубкам, касается их. При таком контакте происходит утечка зарядов с ленты на эквипотенциальные диски, что влечет за собой неустойчивость зарядного режима и потенциала электрода высокого напряжения. Для предотвращения такого соприкосновения вдоль всей колонны размещаются ограничители или направляющие устройства, изолирующие ленту от эквипотенциальных стержней.
В данном генераторе заряженная лента направляется пирексовыми стерженьками диаметром 3,2 мм. Они крепятся при помощи хлорвиниловой замазки к дюралюминиевому прутку диаметром 20,6 мм. Последние прикреплены с помощью винтов к эквипотенциальным дискам. Направляющие стерженьки имеются не в каждом эквипотенциальном диске. Такое устройство удовлетворительно работает до напряжения на выходе генератора 2 Мв.
Устойчивость работы генератора при повышенных напряжениях значительно улучшается, если направляющие стеклянные трубки крепить к эквипотенциальным дискам с помощью полупроводящих или изолирующих стержней. Полезно также заменить металлические прутки направляющего устройства стеклянными шарами, что позволяет уменьшить площадь контакта с лентой и тем самым предотвратить продольный разряд по ней.
В нижней части колонны электростатического генератора вращение нижнего ведущего шкива производится клиноременной передачей от двигателя мощностью 14 кВт. Двигатель имеет теплостойкую стеклянную изоляцию. Половина мощности двигателя тратится на преодоление сил трения ленты о газ. Для обеспечения необходимого натяжения ленты верхний ведомый шкив укрепляется на пружинах.
Воздух, поступающий в котел данного генератора, всегда предварительно осушается, проходя через слой силикагеля и змеевик, охлаждаемый сухим льдом. После такой осушки воздух имеет точку росы ниже 50° С. Если после нескольких часов работы точка росы повышается, то воздух подвергают дополнительной осушке путем вымораживания. Эта операция производится в отдельной изолированной системе с помощью небольшого компрессора, приводимого в движение двигателем мощностью 0,2 кВт. Работа генератора в атмосфере с постоянной влажностью устранила множество неопределенных помех, встречавшихся ранее. Когда генератор работает в атмосфере фреона или другого газа, то необходима еще специальная система для замкнутой циркуляции газа.
Промышленностью нашей страны освоен серийный выпуск электростатических генераторов с движущейся лентой вертикального исполнения на напряжение 2,5 Мв. Генератор предназначен для ускорения ионов и может быть приспособлен для работы с электронным пучком. Ток ионного пучка на расстоянии 1,4 м от анализатора составляет 50 мка. При работе генератора в качестве электронного ускорителя электронный пучок обеспечивает при бомбардировке мишени электронами с энергией 2,5 Мэв радиацию 180 р/мин на расстоянии 1 м в направлении падающего пучка электронов. Напряжение на индукторе 70 кВ. Мощность двигателя ленты 7 кВт. Генератор снабжен устройством для перезарядки ленты. Для измерения напряжения на кондукторе, которое может плавно меняться от 1 до 2,5 Мв, применяется роторный вольтметр с усилителем переменного тока, имеющего коэффициент усиления порядка 40 000.
Генератор имеет 44 эквипотенциальных кольца диаметром 70 см. Максимальный рабочий градиент напряжения в газовой среде составляет 56 кВ/см, а по опорной колонне 11,5 кВ/см. Высота котла ЭСГ 4,5 м, диаметр 1,6 м. Котел наполняется смесью азота с углекислотой в соотношении 4 :1 при давлении 20 ати. Общий вес генератора около 9 т. Для обслуживания ЭСГ предусмотрена специальная передвижная площадка с лестницей.
Для монтажа и последующей работы вертикально установленного генератора с движущейся лентой требуется высокое помещение. При горизонтальном расположении оси установки она может быть расположена в помещении нормальной высоты. В этом случае изолирующая конструкция, которая поддерживает электрод, располагается горизонтально и закрепляется одним или обоими концами. Новые условия механической нагрузки некоторых узлов установки вызывают необходимость изменения всей ее конструкции.
На рис. 2-34 представлена схема горизонтально расположенного электростатического генератора с лентой, который был построен в 1937 г. Установка располагается внутри стального котла диаметром около 170 см и длиной 600 см. Цилиндрический электрод 1 располагается по оси бака почти в его середине. Зарядные ленты 2 расположены по одну сторону кондуктора, а ускорительная трубка 3 — по другую. Диаметр колец 4, предназначенных для равномерного распределения напряжения по высоте генератора, равен диаметру кондуктора (75 см).
При атмосферном давлении генератор развивает напряжение 500 кВ, при давлении воздуха 8 ати— 2 100 кВ.
Рис. 2-34. Схема горизонтально расположенного электростатического генератора с лентой.
Добавлением небольшого количества четыреххлористого углерода удавалось поднимать напряжение до 2 500 кВ. Величина тока генератора достигала 0,2 мА. Расположение зарядных лент по одну сторону электрода, а ускорительной трубки по другую сторону облегчает задачу крепления деталей установки и распределения механической нагрузки, но увеличивает общую длину генератора.
На рис. 2-35 приводится схема устройства горизонтально расположенного ЭСГ, построенного в 1948 г. Этот генератор развивает напряжение 1 000 кВ. Диаметр бака равняется 183 см, а длина его 366 см. Давление в баке составляет 22,5 ати и достигало только половины расчетного. Полного расчетного давления в баке достичь не удалось, так как газ начинал течь в вакуумную ускорительную трубку. Продольный градиент напряжения по опорной колонне составляет около 5,5 кВ/см.
Роторный вольтметр укреплен несколько сбоку от оси установки. На противоположной стороне бака симметрично роторному вольтметру размещается система коронирующих электродов, служащая для регулирования напряжения на электроде. Последний укрепляется на изоляторе, составленном из текстолитовых колец одного диаметра, что делает их взаимозаменяемыми. Изолятор крепится одним концом к торцовой поверхности бака. Для производства текущего ремонта и монтажа внутри бака имеется специальный люк в его стенке. Таким путем уменьшают размер помещения, необходимого для нормальной эксплуатации генератора. При работе установки за время более года не возникло необходимости производить текущий ремонт.
Рис. 2-35. Схема устройства горизонтально расположенного ЭСГ.
Параллельно ускорительной трубке устанавливается вторая трубка: одна используется для стабилизации напряжения с помощью электростатического анализатора, ток второй трубки идет на мишень. На конце высокого напряжения обе трубки жестко соединены между собой скобкой. Середина скобы прикреплена к одной из диагональных текстолитовых тяг. Крепление вакуумных камер в целом не зависит от крепления изолятора, несущего электрод высокого напряжения. Таким образом, вакуумная система от опоры оказывается отделенной. Вибрации, которые могут возникнуть при работе генератора, на вакуумную систему не передаются.
Каждая из вакуумных труб состоит из 27 фарфоровых колец с внешним диаметром 229 мм и внутренним 178 мм. Высота кольца равняется 64 мм. Из этих колец образована изоляционная колонна высотой 183 см. Фарфоровые кольца соединялись при помощи хлорвиниловой замазки и последующего запекания при высокой температуре.
Небольшой, на напряжение 2 Мв, генератор-ускоритель, выпускаемый одной американской фирмой, имеет ток 250 мка при плотности зарядов на ленте
2,5·10-10к/см2. Он работает в смеси газов, состоящей из 25% СО2 и 75% N при давлении 25 ати. Генератор дает пучок электронов или ионов и может быть использован как источник рентгеновских лучей. Применяется в различных отраслях науки, но особенно в медицине. Ежегодно фирма выпускает около десятка таких генераторов.
Отдельные генераторы (нс серийного производства) с напряжением 5 Мв. были разработаны и изготовлены в США, Англии, Франции, Швеции. Генераторы работают в азоте с 10%-ной добавкой фреона при давлении 11 ати. Максимальный ток 500 мка. ЭСГ имеют два промежуточных экрана для выравнивания электрического поля. Мощность генератора составляет 2,5 кВт, т. е. в 25 раз больше мощности, развиваемой генераторами, работающими в воздухе при атмосферном давлении.
В различных отраслях промышленности получили широкое применение передвижные малогабаритные электростатические генераторы. По сравнению с другими установками для получения высоких постоянных напряжений и ускоренных частиц ЭСГ более дешевы и просты в производстве и эксплуатации. Основными преимуществами электростатических генераторов с лентой являются большие значения постоянного напряжения и отсутствие пульсации напряжения. К преимуществам ЭСГ следует отнести также и то, что они не боятся коротких замыканий и не имеют опасных переходных процессов. Существенными недостатками электростатических генераторов с лентой являются малый к.п.д., малая мощность и значительные размеры. В приложении (табл. П-18) приведены характеристики и основные размеры некоторых электростатических генераторов с лентой.
