로버트 J. 밴더그래프

1. 개요

로버트 J. 밴더그래프는 미국의 물리학자이자 엔지니어로, 1931년 최초의 반 데 그래프 발전기를 개발하여 핵물리학 연구에 기여했다. 앨라배마 대학교에서 기계 공학을 전공하고 프린스턴 대학교에서 물리학 석사 학위를 받은 그는 옥스퍼드 대학교에서 고전압 송전 기술을 연구하며 발전기 아이디어를 얻었다. 밴더그래프 발전기는 핵물리 실험을 위한 고전압 직류 전원 공급 장치로 사용되었으며, 이후 탄뎀 가속기 개발로 이어져 핵 반응 연구 등에 기여했다. 그는 고전압 엔지니어링 공사를 설립하여 고전압 기술 개발에 힘썼으며, 엘리엇 크레슨 메달과 톰 W. 보너 핵물리학상을 수상했다. 밴더그래프는 1967년 사망했으며, 그의 이름을 딴 밴드와 달 분화구가 존재한다.

2. 생애

로버트 제미슨 밴더그래프는 앨라배마 대학교에서 학사 및 석사 학위를 취득하고, 유럽 유학을 통해 물리학에 대한 깊은 지식을 쌓았다. 1929년 반 데 그래프 발전기를 처음 개발한 이후, 지속적인 연구를 통해 성능을 향상시켰다. 제2차 세계 대전 중에는 고전압 방사선 프로젝트를 이끌었으며, 전후에는 존 G. 트럼프와 함께 고전압 엔지니어링 공사(HVEC)를 설립하고, 절연 코어 변압기와 탠덤 발전기 기술을 개발하는 등 과학 기술 발전에 크게 기여했다. 1936년 엘리엇 크레슨 메달, 1965년 톰 W. 보너 핵물리학상을 수상하였다.

2.1. 초기 생애 및 교육

로버트 제미슨 밴더그래프는 앨라배마주 터스컬루사의 제미슨-반 데 그래프 저택에서 태어났다. 그의 아버지 아드리안은 순회 판사였으며, 네덜란드계였다. 그의 세 형들인 아드리안 주니어, 하그로브, 윌리엄은 모두 앨라배마 크림슨 타이드에서 뛰었던 올-사우스 대학 미식축구 선수였다. 윌리엄은 "불리"로 알려졌으며 앨라배마 최초의 올 아메리카 선수였다.

터스컬루사에서 로버트는 앨라배마 대학교에서 1922년에 학사, 1923년에 기계 공학 석사 학위를 받았다. 그는 더 캐슬 클럽(나중에 세타 타우의 Mu 챕터가 됨)의 창립 멤버였다. 앨라배마 파워 컴퍼니에서 1년 동안 일한 후, 밴더그래프는 1925년 소르본 대학교에서 마리 퀴리의 강의를 들었다. 1926년에는 로드 장학금으로 옥스퍼드 대학교에서 두 번째 학사 학위를 받았으며, 1928년 옥스퍼드 대학교에서 존 실리 타운센드 지도하에 D.Phil. 학위를 받았다.

2.2. 유럽 유학 및 연구

앨라배마 대학교에서 학사 및 석사 학위를 취득한 후, 반 데 그래프는 유럽으로 유학을 떠났다. 1925년 소르본 대학교에서 마리 퀴리의 강의를 들으며 물리학에 대한 깊은 관심을 갖게 되었다.

1926년 로드 장학금을 받아 옥스퍼드 대학교에서 공부하며 두 번째 학사 학위를 받았다. 옥스퍼드 대학교에서 존 실리 타운센드의 지도를 받으며 고전압 송전 기술을 연구했고, 1928년 D.Phil. 학위를 취득했다. 이 과정에서 고전압 발생 장치에 대한 관심을 키웠고, 이는 훗날 반 데 그래프 발전기 개발의 기초가 되었다.

2.3. 반 데 그래프 발전기 개발

1929년 프린스턴 대학교에서 특별 연구원으로 근무하면서 8만 볼트의 전압을 만들어낼 수 있는 대전 벨트식 정전기 발전기(반 데 그래프 발전기)를 제작했다. 1931년 매사추세츠 공과대학교(MIT)로 옮겨 본격적인 개발을 진행하여 700만 볼트를 발생시킬 수 있었다. 1934년까지 매사추세츠 공과대학교의 연구원으로 근무했으며, 이후 1960년까지 매사추세츠 공과대학교 부교수를 역임했다. 1935년 반 데 그래프 발전기 개발 특허를 얻었다.

2.4. 제2차 세계 대전과 전후 활동

제2차 세계 대전 동안 반 데 그래프는 고전압 방사선 프로젝트의 책임자였다. 전쟁이 끝난 후, 존 G. 트럼프와 함께 고전압 엔지니어링 공사(HVEC)를 공동 설립했다. 1950년대에는 고전압 직류를 생산하는 절연 코어 변압기를 발명했고, 탠덤 발전기 기술도 개발했다.

2.5. 수상 및 업적

1936년 엘리엇 크레슨 메달을 수상했으며, 1965년에는 정전기 가속기 개발에 기여한 공로로 미국 물리학회에서 톰 W. 보너 핵물리학상을 수상했다.

2.6. 사망 및 이후

반 데 그래프는 1967년 1월 16일 매사추세츠주 보스턴에서 사망했다.

그가 사망한 해에, 프로그레시브 록 밴드 반 데 그래프 제너레이터가 그의 이름을 따서 결성되었는데, 철자에 오류가 있었다. 달의 뒷면에 있는 반 데 그래프 분화구는 그의 이름을 따서 명명되었다.

3. 반 데 그래프 발전기

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밴더그래프 발전기는 전기를 띤 절연 벨트를 사용하여 전하를 운반하는 장치이다. 벨트는 보통 고무로 만들어지며, 한쪽 끝의 고전압원에서 다른 쪽 끝의 금속 구 안으로 전하를 옮긴다. 전하는 구의 바깥쪽에 쌓이면서 고전압원의 전위보다 훨씬 큰 전위를 만든다. 하지만 실제로는 여러 제한 때문에 대형 밴더그래프 발전기에서 만들 수 있는 전위는 약 7MV로 제한된다. 탄뎀 밴더그래프 발전기는 이러한 발전기 두 대를 직렬로 연결한 것으로, 약 15MV의 전위를 생성할 수 있다.

소형 밴더그래프 발전기는 취미용품이나 과학 교재 회사에서 만들어지며, 고전압 DC 전위의 효과를 보여주는 데 사용된다. 작은 기계라도 수 센티미터 길이의 불꽃을 만들 수 있다. 밴더그래프가 직접 만든, 공기로 절연된 세계 최대 크기의 밴더그래프 발전기는 현재 보스턴 과학 박물관에서 작동 중이며, 낮 동안 시연은 인기 있는 볼거리이다. 현대적인 밴더그래프 발전기는 프레온이나 육불화황과 같은 압축된 유전체 가스로 절연된다.

3.1. 작동 원리

밴더그래프 발전기는 전동 절연 벨트(일반적으로 고무로 만들어짐)를 사용하여 전하를 이동시킨다. 벨트 한쪽 끝의 고전압원에서 다른 쪽 끝의 금속 구 내부로 전하를 전달하는 방식이다. 전하는 구의 외부에 존재하기 때문에 축적되어 기본 고전압원보다 훨씬 큰 전위를 생성한다. 하지만 실용적인 제한 사항으로 인해 대형 밴더그래프 발전기에서 생성되는 전위는 약 7MV로 제한된다.

3.2. 주요 용도

반데그라프 발전기는 주로 핵물리 실험에 사용되는 선형 원자 입자 가속기의 DC 전원 공급 장치로 사용된다. 탄뎀 반데그라프 발전기는 본질적으로 직렬로 연결된 두 개의 발전기이며 약 15 MV를 생성할 수 있다.

반 데 그라프 발전기는 움직이는 부품이 없는 고체 상태 DC 전원 공급 장치로 서서히 대체되었다. 반 데 그라프 원자 입자 가속기에서 생성되는 에너지는 이중으로 전하를 띤 (예: 알파 입자) 입자를 가속하는 탄뎀 발전기를 사용하더라도 약 30 MeV로 제한된다. 다른 기술을 사용하는 보다 현대적인 입자 가속기는 훨씬 더 큰 에너지를 생성하므로 반데그라프 입자 가속기는 대부분 구식이 되었다. 여전히 대학 및 대학교의 대학원생 연구와 고에너지 버스트의 이온 소스로 어느 정도 사용되고 있다.

3.3. 현대적 대체 기술

반 데 그라프 발전기는 간단한 기계 장치이다. 소형 반 데 그라프 발전기는 취미가와 과학 장치 회사에서 제작하며, 고전압 DC 전위의 효과를 시연하는 데 사용된다. 소형 취미용 기계조차도 길이가 몇 센티미터에 달하는 인상적인 불꽃을 생성한다. 최근 몇 년 동안 반 데 그라프 발전기는 움직이는 부품이 없는 고체 상태 DC 전원 공급 장치로 서서히 대체되었다. 반 데 그라프 원자 입자 가속기에서 생성되는 에너지는 이중으로 전하를 띤 (예: 알파 입자) 입자를 가속하는 탄뎀 발전기를 사용하더라도 약 30 MeV로 제한된다. 다른 기술을 사용하는 보다 현대적인 입자 가속기는 훨씬 더 큰 에너지를 생성하므로 반 데 그라프 입자 가속기는 대부분 구식이 되었다. 여전히 대학 및 대학교의 대학원생 연구와 고에너지 버스트의 이온 소스로 어느 정도 사용되고 있다.

4. 특허