ヴァンデグラフ起電機
高電位電極の内部に力学的な手段で電荷を少量ずつ送り込むという発電方式は、トムソン(ケルヴィン卿)が1867年に発明したケルヴィン水滴誘導起電機にまで遡る。これは帯電した水滴が同符号の電荷を帯びた受け皿へと連続して滴り落ち、電荷を蓄積していく仕組みだった。この方式では受け皿からの静電斥力に抗して水滴を運ぶのは重力であるが、トムソン自身ははじめ水滴ではなくベルトを用いて電荷を運ぶことを提案していた。
循環するベルトによって電荷を運ぶ方式の起電機は1872年にアウグスト・リーギによって初めて作られた。リーギの装置で電荷を運ぶのは、天然ゴムのチューブベルトに嵌められた多数の針金リングであった。接地されたローラーの近くに帯電板が備え付けられ、静電誘導によってリングに電荷を誘起する。チューブは循環の途中で球形の金属電極を貫通する構造になっており、球電極内部でリングから球へと電荷の受け渡しが行われる。ジョン・グレイもまたベルト式の起電機を発明した。1903年には、Juan Burboaによってさらに精巧なベルト式起電機が発明された。しかし、ヴァン・デ・グラフに直接インスピレーションを与えたのは、1920年代にW・F・G・スワン(英語版)が開発していた起電機であった。落下する金属球が電荷を運ぶという、ケルヴィンの水滴誘導起電機の原理を復活させた方式だった。
プリンストン大学でフェローを務めていた物理学者R・J・ヴァン・デ・グラフは、同僚ニコラス・バークと共同で1929年から静電起電機の開発に着手した。空き缶とモーター、雑貨店で購入した安物の絹リボンを用いて製作された第1号機の運転に成功したのは1929年10月のことであった。
左の模式図に示すのはごくシンプルな空気絶縁式のヴァンデグラフ起電機である。異なる材質で作られた2本のローラー(図の (3)、(6))に輪になったベルトをかけ、モーターで回転させる。ベルトの材質にはゴムや絹など絶縁性で柔軟な物質を用いる。ローラーの1つ (3) は中空の金属球 (1) の中に設置され、もう一方 (6) は柱の下部に置かれる。それぞれのローラーの近くには尖った歯を持つくし形電極(図の (2)、(7))が備えられており、ベルトと触れない程度の距離が保たれている。金属球の中にあるくし形電極 (2) は球と電気的に接続されており、下部の電極 (7) は接地されている。電荷の発生には摩擦帯電(異種物質を互いに接触させると電荷の移動が起きる現象)を利用する。図の例では、ゴムベルトの裏面が上方のアクリル製ローラー (3) と擦り合わされて負に帯電し、ローラーは逆に正に帯電する。負電荷はベルトの回転につれて下方に送られ、一方で正電荷はローラーに蓄積し続ける。正に帯電したローラー (3) は近接するくし形電極 (2) に対して電場を及ぼす。くしの歯が鋭利であればその先端位置での電場は非常に強くなり、空気の分子をイオン化するほどになる。イオン化によって生じた電子はゴムベルトの表面へ、陽イオンはくし形電極へと引き付けられる。電極 (2) に触れた陽イオンは電極から電子を受け取って中和され、結果として電極および金属球 (1) の電子数は減少する。金属球が得た正味の正電荷は球殻の外面に蓄積するため、球殻内部には電場は作られない。
この施設は「ウェスティングハウス・アトム・スマッシャー(英語版)」と呼ばれ、核物理学研究の民間利用の端緒となった。この施設は1958年に閉鎖され、2015年に解体された。
第2次大戦後、大型加速器の民間需要が高まった。1947年にヴァン・デ・グラフらが設立したHVEC社は数十年にわたって大型静電加速器の開発と供給を主導した。ハーブは1965年にNEC社を設立し、HVEC社と並んで大型加速器を多数建造した。日本でも戦前から研究機関によるヴァンデグラフ加速器の試作が行われていたが、戦後1960年代からは東芝や三菱、日立などの民間企業が加速器開発の主体となった。
タンデム型加速器は、安定性・制御性というヴァンデグラフ型加速器の利点を保ったまま加速エネルギーを増大させようという試みの中から生まれてきた。この方式では加速エネルギーを倍増させるために2段階の加速を行う。まず、陰イオンをグラウンドから高電位ターミナルまで電位勾配に沿って加速させ、ターミナル中で物質と相互作用させて複数の電子を奪い、陽イオンへと変えてから、グラウンドまで逆の電位勾配に沿ってさらに加速させる。このようなアイディアは静電加速器の登場とともに提唱されていたが、イオン源などの周辺技術が確立していなかったため実現できなかった。初めて実用化されたタンデム型加速器はHVEC社の「ENタンデム」(1958年)である。1964年には、タンデム加速器に加えて前段加速用としてもう一基の静電加速器を用いる3段タンデム方式が開発された。
多くの科学博物館では小型のヴァンデグラフ起電機を展示しており、放電を起こしたり、来館者の髪の毛を立たせたりといった静電気のデモンストレーションに用いている。また学校教育やサイエンスショーで用いられることもある。ヴァン・デ・グラフが1930年代に作製した、空気絶縁型としては世界最大のヴァンデグラフ起電機は現在ボストン科学博物館に常設展示されている。一部が重なり合った二つのアルミ球は直径4.5 mで、高さ6.7 mの柱に載せられており、最大到達電圧は2 MVである。同館ではこの起電機とテスラコイルを用いたサイエンスショーが日に2 – 3回実施されている。
加速エネルギーの大きさでは1930年代に考案されたサイクロトロン加速器に及ばないものの、エネルギーの安定性および制御性に優れ、粒子ビームの拡がりが小さいなどの利点があり、改良を重ねながら今日まで用いられ続けている。核物理学研究以外にも、核医学分野で高エネルギー粒子の発生やX線ラジオグラフィに用いられたり、加速器質量分析(英語版)をはじめとする微量元素分析や、材料分野でのイオン注入へ応用されることも一般的である。
ヴァンデグラフ装置のターミナル電位はアーク放電やコロナ放電の発生により制限されるが、現代の実用ヴァンデグラフ装置は絶縁ガスを満たした加圧タンクに収められているのが一般的であり、これにより電位差は最大で約25 MVに達する。実質的な電位差を増大させるため、グラウンドから高電位ターミナルまでを往還させながら多段階の加速を行う方式はタンデム型ヴァンデグラフ加速器(Tandem Van de Graaff)と呼ばれる。例として、25 MVのターミナル電位を持つタンデム加速器で多価の重イオンを加速させると、400 MeV以上のエネルギーを持つイオンビームを作り出すことができる。