El generador Round Hill es un generador experimental de Van de Graaff de alto voltaje construido en Round Hill , Massachusetts . Cuando se construyó en 1933, fue diseñado para ser el acelerador de partículas más potente del mundo. Actualmente, el generador se utiliza en el Museo de Ciencias de Boston para demostraciones educativas.
El instrumento fue construido por un equipo del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), liderado por el físico Robert J. Van de Graaff , quien aspiraba a ser el primer científico en dividir artificialmente el átomo . Completaron la construcción un año después de que John Cockroft y Ernest Walton lograran la hazaña en 1932. La máquina fue precursora de los aceleradores de partículas electrostáticos de alto voltaje construidos por la High Voltage Engineering Corporation , que Van de Graaff y su alumno John G. Trump introdujeron en clínicas oncológicas y laboratorios de física nuclear de todo el mundo.
Demasiado grande para caber en un laboratorio de investigación, el generador de 13 metros de altura se ensambló en el hangar de dirigibles de Round Hill. Originalmente, un técnico operaba la máquina desde dentro de uno de sus terminales metálicos, que actuaba como una jaula de Faraday . Se presentó al público por primera vez en noviembre de 1933 y The New York Times lo apodó " Niágara eléctrico " debido a sus abundantes descargas eléctricas. La cobertura en Time , Science y una reseña de Nikola Tesla en Scientific American le dieron fama a su inventor. Diseñado para alcanzar potenciales de 10 megavoltios, los problemas con el aislamiento de aire limitaron el acelerador a 5,1 megavoltios.
Cuando el programa de investigación de Round Hill finalizó en 1936, el generador fue reacondicionado e instalado en el campus del MIT en Cambridge, Massachusetts. Tras dos décadas de uso en investigación en el MIT, el generador de Round Hill fue trasladado al Museo de Ciencias de Boston en 1955, donde permanece en funcionamiento en la exposición "Teatro de la Electricidad".
Historia
Orígenes del generador Van de Graaff
El desarrollo de los generadores de alto voltaje de Van de Graaff comenzó durante sus estudios de posgrado en Europa, donde conoció a muchos físicos destacados de la época. En 1924, Van de Graaff asistió a las conferencias sobre radiactividad de Marie Curie . [ 1 ] Su uso de un contador Geiger y un altavoz para detectar partículas alfa cautivó a Van de Graaff, y decidió buscar formas de estudiar las "partículas individuales" en lugar de la termodinámica estadística. [ 1 ] [ 2 ] Durante una breve estancia en la Universidad de Leiden , fue animado a investigar métodos para acelerar artificialmente partículas a través de conversaciones con su compañero de habitación, Robert Oppenheimer . [ 2 ] En Oxford, Van de Graaff fue influenciado por el discurso de aniversario de Ernest Rutherford en 1927 ante la Royal Society , en el que Rutherford expresó su "antigua ambición de tener disponible... un suministro abundante de átomos y electrones... que trasciendan en energía las partículas alfa y beta de las sustancias radiactivas". [ 1 ]
Van de Graaff propuso una técnica sencilla y económica para generar altos voltajes mediante electrostática: atraer electrones a una cinta, recogerlos en un terminal metálico y luego acelerarlos hacia un objetivo. [ 3 ] En 1929, mientras era becario nacional de investigación en la Universidad de Princeton , construyó un prototipo de generador, un dispositivo rudimentario hecho con "una lata, una cinta de seda y un pequeño motor, sin costo alguno". [ 4 ] Este prototipo alcanzó los 80 000 voltios, pero tenía una limitación fundamental: los bordes afilados de la lata creaban concentraciones de campo eléctrico que causaban descargas de corona , una forma de ruptura dieléctrica que impedía alcanzar voltajes más altos. [ 4 ]
En Princeton, Van de Graaff encontró un defensor para su investigación en el jefe del departamento de física, Karl Taylor Compton , quien vio el potencial del generador para la física de partículas. [ 1 ] [ 5 ] Compton seguía de cerca proyectos paralelos de aceleradores de partículas en la Universidad de Cambridge , donde John Cockcroft y Ernest Walton desarrollaban circuitos multiplicadores de voltaje , y en la Universidad de California, donde Ernest Lawrence había propuesto el ciclotrón . [ 2 ] [ 6 ] En 1930, el MIT contrató a Compton como su nuevo presidente, con la esperanza de transformar la escuela de ingeniería en una institución de investigación científica de primer nivel. Compton, a su vez, contrató a Van de Graaff en septiembre de 1931 para reforzar el creciente departamento de física del MIT. [ 2 ] [ 6 ]

Van de Graaff mejoró su diseño montando una esfera de metal pulido de tres pies sobre una columna aislada. [ 2 ] Este enfoque eliminó los bordes afilados de su prototipo de lata que causaban una ruptura eléctrica y generó aproximadamente un millón de voltios a pesar de costar menos de $100 construirlo. [ 1 ] Una demostración del generador en la cena inaugural del Instituto Americano de Física en noviembre de 1931 atrajo una atención significativa. [ 1 ] [ 7 ] Demostró que la generación electrostática podía alcanzar voltajes que superaban con creces los disponibles de fuentes radiactivas naturales, lo que justificó un proyecto más grande. [ 2 ] [ 8 ] De regreso en el MIT, Van de Graaff y sus colaboradores hicieron planes para un modelo aislado con aire para alcanzar 10 megavoltios, lo que rompería el récord de voltajes generados artificialmente. Esto requeriría un terminal 100 veces más grande en volumen.
Instalación de Round Hill
En 1926, el MIT estableció un programa de investigación en Round Hill, la finca del coronel Edward H.R. Green en South Dartmouth, Massachusetts. Green, un entusiasta de la tecnología e hijo de la famosa inversora Hetty Green , accedió a abrir Round Hill a los investigadores del MIT, ampliar la estación de radio existente en la propiedad y sufragar los gastos operativos de los investigadores. [ 6 ] La instalación fue dirigida originalmente por Edward L. Bowles , quien estableció programas de investigación en radiocomunicaciones, investigación de la niebla y navegación aérea. [ 6 ]

En 1931, Van de Graaff demostró un prototipo de generador en Round Hill. El coronel Green quedó "encantado" con las espectaculares descargas eléctricas del generador y aceptó la sugerencia de Compton de construir un generador a gran escala en la finca. [ 6 ] La construcción del generador a gran escala comenzó en 1932, y el equipo y el grupo de investigación de Van de Graaff se trasladaron a Round Hill en agosto de ese año. La instalación de alto voltaje fue gestionada por Lester y Chester van Atta, Edward W. Samson y Doyle L. Northrup, quienes operaban independientemente de la investigación existente en Round Hill. [ 6 ] [ 9 ] Debido a la necesidad de control ambiental, el generador de 43 pies se alojó en un hangar de dirigibles en la finca que anteriormente se había utilizado para un dirigible Goodyear . [ 6 ] [ 9 ]
La máquina se presentó al público por primera vez el 28 de noviembre de 1933, generando una atención científica y mediática significativa. [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] El generador producía espectaculares descargas eléctricas , lo que lo convirtió en una atracción popular para visitantes y potenciales inversores. El equipo realizaba demostraciones regulares, durante las cuales la máquina disparaba enormes rayos púrpuras hacia las vigas del hangar, creando un sonido atronador. [ 13 ] Aunque visualmente impactante, la demostración mostraba los límites operativos de un generador con aislamiento de aire. Los arcos eléctricos volvían a mostrar la dificultad de mantener altos voltajes sin sufrir una avería.
En marzo de 1934, el célebre ingeniero eléctrico Nikola Tesla escribió un artículo de portada sobre el generador de Round Hill para Scientific American , en el que señalaba que el generador representaba "un avance significativo respecto a sus predecesores", entre los que se incluía su propia bobina de Tesla . También expresó escepticismo sobre los objetivos finales del proyecto, escribiendo que "es muy probable que los intentos de destruir el núcleo atómico y transmutar elementos produzcan resultados de dudoso valor". [ 14 ]
El hangar de Round Hill resultó ser un lugar hostil para aprovechar las capacidades del generador. [ 2 ] Aunque los componentes fueron diseñados para limitar las descargas, los excrementos de paloma en las esferas de los terminales causaron las intensas chispas que vio el público. [ 2 ] La humedad también pudo haber favorecido la ruptura de voltaje en el terminal. [ 2 ] La lluvia costera y la niebla salina debilitaron las columnas de papel que sostenían los terminales. [ 15 ] Diseñado para alcanzar 10 megavoltios, los voltajes más altos registrados del generador alcanzaron solo la mitad de este nivel. [ 8 ] [ 16 ]
Aunque los voltajes eran adecuados para la desintegración nuclear, no se realizaron experimentos nucleares en Round Hill. Además de los problemas ambientales, se tardaron casi cuatro años en diseñar un tubo acelerador capaz de controlar un haz de partículas. [ 15 ] Estas dificultades en Round Hill decepcionaron a Van de Graaff, pero no lo disuadieron de seguir desarrollando la tecnología. [ 2 ]
Traslado al campus de Cambridge del MIT
Tras la muerte del coronel Green en 1936 y las subsiguientes complicaciones legales relacionadas con su herencia, el programa de investigación de Round Hill llegó a su fin. En 1937, el generador fue trasladado al campus de Cambridge del MIT, donde fue completamente rediseñado y reensamblado. [ 6 ] [ 2 ] [ 17 ] El traslado, junto con la construcción de un sistema mejorado de correa de carga y un sistema de control remoto, requirió "algo menos de un año". [ 18 ]
El generador reconfigurado presentaba mejoras significativas con respecto al diseño de Round Hill. Las dos torres se reensamblaron como una sola máquina unida y la máquina se colocó en una nueva carcasa metálica sellada. [ 13 ] [ 17 ] La máquina se alojó dentro de una carcasa de acero soldada con salas subterráneas para equipos y experimentos. [ 18 ] Este rediseño resolvió varios problemas: facilitó las reparaciones y el mantenimiento y abordó las preocupaciones sobre la seguridad radiológica al ubicar a los investigadores en un pequeño laboratorio dentro de las esferas, protegidos de la radiación. La selección de objetivos podía realizarse en una sala subterránea debajo de los operadores. El generador reconfigurado operaba a un voltaje más bajo pero más estable de hasta 2,4 megavoltios. [ 2 ] [ 9 ]
Traslado al Museo de Ciencias de Boston.

El generador permaneció en su recinto en el MIT hasta 1955, cuando su ubicación fue designada como sitio para un nuevo ciclotrón . Karl Compton, en sus últimos años en el MIT, sugirió que el generador de Round Hill podría tener valor en demostraciones educativas, tal como había cautivado a los medios en su primera demostración pública. [ 19 ] El MIT trasladó el generador al nuevo edificio del Museo de Ciencias de Boston, donde se convirtió en la pieza central del Teatro de Electricidad Elihu Thomson del museo. Diseñado originalmente con 150 asientos, el teatro fue ampliado en 1980 y se realizaron mejoras para presentar varios espectáculos al día. [ 20 ]
Diseño y funcionamiento

El generador Round Hill constaba de dos unidades separadas, cada una con una esfera de aluminio pulido de 4,5 metros de diámetro que descansaba sobre una columna aislante cilíndrica hueca de 7,6 metros de altura y 1,8 metros de diámetro. La altura total de las esferas sobre el suelo era de 13,1 metros. [ 3 ] Las columnas estaban hechas de un material llamado Textolite , compuesto por cientos de finas capas de papel cementadas a alta presión con goma laca. Las esferas y las columnas estaban montadas sobre pesados camiones de cuatro ruedas que circulaban por una vía férrea de 4,3 metros de ancho, lo que permitía a los investigadores variar la distancia entre los terminales. Cada unidad con su camión pesaba aproximadamente 16 toneladas. [ 16 ] [ 21 ]
Cada unidad contenía cintas de papel sin fin que operaban verticalmente dentro de las columnas huecas, desde motores de accionamiento en las bases hasta poleas dentro de las esferas. Las cintas viajaban a velocidades de hasta 5650 pies por minuto. La carga eléctrica se "pulverizaba" sobre las cintas en la base a una presión relativamente baja de 20 000 voltios y se transportaba hasta las esferas, donde se acumulaba. Una esfera almacenaba cargas negativas, mientras que la otra almacenaba cargas positivas. [ 16 ] [ 21 ] Un tubo acelerador aislado al vacío estaba ubicado entre las esferas.
Diseñado originalmente para producir potenciales de 10 megavoltios, las condiciones ambientales dificultaron alcanzar esta potencia nominal. El voltaje máximo alcanzado por el generador Round Hill fue de aproximadamente 5,1 millones de voltios entre los terminales, con cada esfera generando alrededor de 3,5 millones de voltios. [ 2 ] [ 10 ] A plena capacidad operativa, el generador podía suministrar una corriente de carga de 2,1 miliamperios , con aproximadamente 1,1 miliamperios disponibles para su aplicación a un tubo acelerador a voltaje máximo. [ 2 ] [ 16 ]
Contribuciones técnicas
El generador Round Hill fue diseñado principalmente para la investigación en física nuclear, en particular para el estudio de núcleos atómicos mediante bombardeo de partículas de alta energía. A principios de la década de 1930, esto representaba la frontera de la física atómica experimental. [ 13 ] Finalmente, el circuito multiplicador de voltaje de John Cockcroft y Ernest Walton de 1932 produjo la primera "división controlada del átomo". [ 22 ] Sin embargo, la energía electrostática ofrecía un control del haz y una regulación de voltaje superiores a los de dispositivos contemporáneos como el de Cockcroft-Walton, lo que llevó a su amplia adopción en experimentos nucleares. [ 2 ] [ 13 ]
El generador Round Hill incorporó varias innovaciones técnicas que impulsaron el estado de la ingeniería de alto voltaje. El generador presentaba un sistema de carga por correa mejorado que proporcionaba un funcionamiento más estable y un mejor control de voltaje que los diseños anteriores de Van de Graaff. [ 16 ] El tubo acelerador con aislamiento al vacío impulsó avances en la tecnología de vacío. La reinstalación en Cambridge también introdujo varias innovaciones que se convirtieron en estándar en los diseños de aceleradores posteriores. El generador presentaba uno de los primeros sistemas de control remoto integrales para equipos de alto voltaje para gestionar las preocupaciones sobre la exposición a la radiación. [ 18 ] Una vez reinstalado en Cambridge, la tecnología de vacío de la instalación alcanzó presiones tan bajas como 6×10 −7 mm Hg, con una presión de funcionamiento normal de 4×10 −6 mm Hg durante el funcionamiento del haz de electrones. [ 18 ] El sistema también podía acelerar tanto iones positivos como electrones, aunque el trabajo con iones positivos estaba limitado por la desgasificación de las superficies de los electrodos. [ 18 ]
El concepto básico del generador de Van de Graaff se publicó abiertamente, lo que llevó a muchos otros laboratorios de física a construir modelos del generador. [ 3 ] Sin embargo, muchas de las mejoras realizadas durante el experimento de Round Hill fueron patentadas por Van de Graaff, quien presentó una primera patente en diciembre de 1931. [ 23 ] En una asociación sin precedentes, el MIT cedió estas patentes a la Research Corporation , que ayudó a financiar la instalación de Round Hill. [ 23 ] Posteriormente, Van de Graaff y su protegido, John G. Trump , utilizaron estas patentes en una empresa que fundaron para construir aceleradores de partículas para el tratamiento del cáncer y la ciencia nuclear, la High Voltage Engineering Corporation . [ 1 ]
Legado
El físico experimental D. Allan Bromley concluye: «Aunque el rendimiento del generador Round Hill fue decepcionante para Van de Graaff, la experiencia adquirida con esta máquina fue invaluable para diseños posteriores y, en particular, para el trabajo subsiguiente en el MIT». [ 2 ] Los principios de diseño del generador Round Hill influyeron en el desarrollo posterior de aceleradores y aplicaciones médicas. En particular, el proyecto demostró la viabilidad de producir voltajes altos y controlables mediante transporte electrostático, lo que llevó a la adopción generalizada del acelerador Van de Graaff en la investigación de física nuclear. [ 2 ]
Mientras el proyecto Round Hill estaba en marcha, Van de Graaff y Trump también trabajaron en métodos para hacer la tecnología más compacta utilizando aislamiento al vacío y aislamiento de gas. [ 23 ] En 1937, Trump desarrolló un generador Van de Graaff más pequeño que operaba a 1 millón de voltios para la terapia del cáncer, el cual se instaló en el Huntington Memorial de Harvard, el primer uso del acelerador electrostático en medicina clínica. [ 24 ] Para 1936, Trump lideraba el desarrollo de un generador de rayos X médicos de 2 millones de voltios, descrito como productor de "rayos X de onda corta penetrantes a un potencial de un millón de voltios para la investigación médica y el tratamiento de enfermedades malignas". [ 25 ]

Tras la Segunda Guerra Mundial , Trump y Van de Graaff perfeccionaron aún más los generadores electrostáticos de alto voltaje a través de la High Voltage Engineering Corporation (HVEC), fundada en 1946. La compañía llegó a producir unos 500 aceleradores de partículas de alto voltaje para instituciones de investigación de todo el mundo. [ 13 ] Trump se mantuvo enfocado en las aplicaciones de la tecnología, mientras que Van de Graaff se centró en aumentar la escala, convirtiéndolos en instrumentos fundamentales para la investigación en física nuclear a nivel mundial. [ 2 ]
Lecturas adicionales
- Registros del MIT de la Oficina del Presidente, 1930-1959 , AC-0004, Archivos del Instituto MIT
- Artículos de Robert Jemison Van de Graaff , MC-0045, Archivos del Instituto MIT
- Registros del Teatro de la Electricidad , A2022-07-01, Museo de Ciencias de Boston
Referencias
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41°32′23″N 70°55′50″O / 41.5396°N 70.9306°O / 41.5396; -70.9306
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