Свой недолгий путь электроны начинают в инжекторе (слева внизу), еще сильнее ускоряются в бустере (второй модуль слева) и инжектируются в основной линак (синий модуль в центре). Линак их всех ускоряет еще сильнее - до 50 МэВ. Эти быстрые электроны не успевают повернуть в поглотитель и улетают по кругу, возвращаясь на вход основного линака. Только прилетают они к нему в противофазе (мы специально так длину кольца подобрали) и поэтому вместо ускорения тормозятся. На схеме с синусоидой показано, как сгустки электронов на вершине синусоиды ускоряются, а в минимумах - замедляются. При замедлении они отдают свою энергию обратно в резонаторы ускорительного модуля и вылетают справа уже замедленные до 6,3 МэВ. Теперь электроны "медленные" (так-то всё равно у них почти скорость света, просто энергия ниже) и не успевают проскочить поворот в поглотитель, где и тормозятся о медный блок. Тут вся идея в том, что энергия, которую отдали "быстрые" электроны при торможении, сразу же используется для ускорения "медленных", которые прилетели из инжектора. Т.е. происходит та самая рекуперация энергии. Сгустки из инжектора идут один за другим с частотой 1,3 ГГц, т.е. каждые 0,77 наносекунды. Конкретно в этом ускорителе нет никакого практического смысла - он просто ускоряет электроны и затем тормозит их же. Его задача - создание и экспериментальная отработка большого числа технологий, необходимых в таких системах.

Мы же с вами в этой статье сосредоточимся на инжекторе. Вот его схема (вид сверху):

В модуле инжектора находится его ключевой компонент - фотоэмиссионная сверхпроводящая пушка. Ну, еще сверхпроводящий соленоид и поглотитель высших мод (ПВМ). К пушке пристыкованы два каплера - антенны ввода мощности по 120 кВт и система крепления катодной вставки (левее пушки).

Вот схема пушки с обвязкой.

А вот так она выглядит без тюнера и каплеров:

Пушка представляет собой простой (ну, не совсем простой) электромагнитный резонатор. Вот он "голый" (это официальный термин, между прочим, - naked cavity), т.е. без гелиевого бака:

Немного познакомимся с устройством. На картинке цифрами обозначены: 1 – катодная труба (это "зад" пушки. В катодную трубу вставляется катодная вставка с самим фотокатодом), 2 – ячейка заградительного фильтра (это полость резонатора, настроенная так, чтобы электромагнитное поле из основного резонатора не уходило в катодную трубу), 3 – полу ячейка, 4 – главная ячейка резонатора, 5 –два порта каплеров (к ним пристыковываются антенны ввода мощности), 6 – пучковая труба, 7 – задняя стенка, 8 – отверстие для фотокатода (в него почти вровень с задней стенкой устанавливается фотокатод).

А вот сама катодная вставка, которая сзади вставляется в пушку:

Эта штука целиком вставляется в катодную трубу резонатора. Тут цифрами обозначены: 1 – транспортировочный стержень (с его помощью катодную вставку устанавливают в пушку. После этого стержень убирается), 2 – керамический тепло- и электроизолятор, 3 – фильтр Петрова (хитро посчитанная форма металлического корпуса для создания резонаторных полостей, служащих индукционными и емкостными элементами фильтра), 4 – байонетная пружина, 5 – держатель катода, 6 – фотокатод.

На самом деле держатель катода (5) внутри полый и имеет еще несколько коаксиальных тяг и пружин. Их задача сильно прижимать катод к держателю для его охлаждения и обеспечения электрического контакта:

Вот тот красный цилиндр справа и есть фотокатод. Это молибденовый цилиндр, на торец которого напылен слой материалов с высоким квантовым выходом. Ниже фото торца катода после напыления материалов:

В нашем случае напылено покрытие из цезия-калия-сурьмы (K2CsSb). Но бывают и другие (см. график ниже).

Тут видно, что даже для лучших материалов квантовый выход не превышает 20%. И даже это даётся очень дорого - напыление в сверхвысоком вакууме, хитрый график нагрева и отжига для формирования правильного химического соединения. Транспортировка из синтезирующей лаборатории в ускоритель в специальном вакуумном "чемодане". И при всём при этом готовое напыление "живёт" всего неделю при нашем сверхвысоком вакууме (который очень даже ничего себе).

Итак, фотокатод устанавливается в резонатор-пушку. В резонатор через антенны-каплеры подается СВЧ мощность. Через пучковую трубу на катод светит ультрафиолетовый лазер. Лазер выбивает электроны из фотокатода. Электроны сразу же подхватываются электромагнитным полем, ускоряются в полу ячейке, потом влетают в основную ячейку, где ускоряются уже почти до скорости света, и вылетают из резонатора. Примерная схема того, как это работает:

На картинке катод установлен в резонатор. Правее резонатора красным показан сверхпроводящий соленоид (магнитная катушка). Он выполняет роль магнитной линзы - фокусирует электронный пучок. Красными и желтыми линиями показаны границы электронного пучка для разных режимов.

Работает вся эта красота на частоте 1,3 ГГц при температуре 1,8 К (Кельвинов. Это -271,35 градусов Цельсия) и вакууме порядка 5e-11 мбар. При этом катодная вставка целиком достается и устанавливается без необходимости нагревать модуль или прерывать вакуумную откачку - очень замороченное устройство. Резонатор сверхпроводящий - сделан из чистейшего ниобия. Собственная добротность у него при рабочей температуре порядка 1e10. Т.е. собственные потери составляют одну десятимиллиардную.

Напряженность электрического поля на внутренней поверхности резонатора порядка 40-50 МВ/м (мегавольт на метр). При такой напряженности поля электроны вылетают из любой шероховатости или пылинки. И уж тем более из любой царапины. Эффект называется автоэлектронной (полевой )эмиссией (да-да, "любимые" всеми студентами Фаулер с Нордгеймом и Шоттки с его эффектом). Для правильной работы ускорителя электроны должны вылетать только с фотокатода и только в строго определенное время (именно тогда, когда его облучают импульсом лазера), чтобы попасть в нужную фазу во всех остальных элементах ускорителя. Любые посторонние электроны создают так называемый темновой ток (не тот, который в фотодиодах).

Такие электроны могут не просто лететь в ненужной фазе, но и лететь "вбок" или вообще в противоположную сторону. При ударе о любую поверхность (в самом резонаторе или в трубе в любой другой части ускорителя) разогнанные электроны во-первых, приведут к выделению тепла и тормозного излучения в рентгеновском или гамма-диапазоне, а во-вторых, выбъют из материала еще больше электронов (называемых вторичными электронами), которые в свою очередь продолжат этот праздник.

Если же в стенку они ударятся внутри сверхпроводящего резонатора, то выделение тепла может привести к потере сверхпроводимости - квенчу. В случае отсутствия быстродействующих схем защиты, которые мгновенно (за сотню микросекунд) выведут всю мощность из резонатора, жидкий гелий, охлаждающий резонатор снаружи, вскипит, т.е. превратиться в газ. А газообразные гелий занимает в 900 раз бОльший объем, чем жидкий. В общем, он просто разорвет и резонатор и модуль и трубопроводы. Вот пример разрушений вокруг от квенча сверхпроводника (в данном случае это был магнит) в жидком гелии:

Короче, темновой ток нам совсем не нужен. Когда его чуть-чуть, еще жить можно. Но желательно, чтобы совсем не было.

С основами разобрались, теперь можно к главной истории переходить.В общем, через пару недель тестов полностью собранного модуля катод уронили в пушку. (здесь были мои слова в адрес нескольких выдающихся уже бывших коллег).

Просто разобрать и собрать снова (если ничего не поцарапалось) - около года работы группы инженеров в чистой комнате. А если поцарапалось - нужно ставить вторую пушку, которая как раз находилась в производстве.

Что мы обнаружили при разборке модуля и как потом всё это дело чинили - во второй части. Там будет много картинок, как вы любите. Сюда уже просто не влезет после такого длинного введения. Зато вы теперь неплохо разбираетесь в устройстве ускорителей-рекуператоров и сверхпроводящих инжекторов.

Grand Vacuum Tube Company прямо в Бенгалию

Скоро выяснилось, что даже стали для производства трубы нужного качества в стране просто не было, не говоря уже о машинах.

Спустя десятилетия последовали новые проекты безлокомотивного транспорта с воздушным приводом. Была построена короткая испытательная трасса, где повозка, двигаясь в пятидесятипроцентном вакууме, разгонялась до 48 километров в час. И даже какое-то время в сороковых годах работала коммерческая линия в Ирландии. Была линия и в Англии, но после ряда поломок и финансовых убытков её пришлось закрыть в 1848 году. Следующей идеей была магнитная подушка, которую первым описал будущий известный ракетчик Роберт Годдард. Похожую идею двигал Эмиль Башеле, запантентовавший свой летающий поезд. Третьим в компании изобретателей был Борис Петрович Вейнберг, который построил у себя в Томске работающую модель вакуумного поезда, состоящую из десятикилограммового снаряда, двигавшегося по медной трубе длиной двадцать метров. Практической реализации этих проектов мир не дождался, но предложением Годдарда заинтересовались, хотя и сильно позже, аж после Второй мировой. Он запатентовал свою идею, но всё-таки эра реактивных самолётов и огромных легковушек перетянула пассажиропоток из железных дорог. И, несмотря на новые идеи Роберта Салтера по сверхскоростной транзитной системе, у рельсового наземного транспорта в США перспективы из десятилетия в десятилетие только ухудшались.

А вот в Японии и Франции быстрые поезда вошли в моду. В 1964 году стал курсировать экспресс между Токио и Киото, а в 1981 году из Парижа в Лион пошёл первый TGV. Пошли эксперименты и с магнитной подушкой. Немцы построили у себя экспериментальную трассу, которую пришлось закрыть после 28 лет работы в результате несчастного случая. Они стали сотрудничать с Китаем, который запустил первую линию в аэропорт Шанхая по немецкому проекту в 2004 году. Сегодня есть ещё линии в Японии и Южной Корее. Продолжается строительство длинной линии между Токио и Осакой.

Кроме масковского Гиперлупа, есть ещё подобный проект от Virgin Ричарда Брэнсона. Уже построили полукилометровую трассу, на которой двое пассажиров разгонялись до скорости 175 километров в час. Тестовая трасса в 320 метров есть у французской Hyperloop TT. Они обещали запустить коммерческую линию в 2017, затем в 2019, затем в 2020 году. Но так и не запустили до сих пор. Недавние прогнозы указывают уже на конец двадцатых.

Причины несбывшихся прогнозов всё те же, что и в девятнадцатом веке: недостаток подходящего материала для труб и опор, технические проблемы с достижением и поддержанием сверхнизкого давления в трубе, а также с приведением в движение капсулы. Маск слишком многое упрощает, между тем, как только на выбор маршрута и получение разрешений почти гарантированно уйдут долгие годы. И всё же в 2017 году Илон разродился твитом, в котором хвастался получением устного разрешения построить трассу из Нью-Йорка в Вашингтон, по которой можно будет промчаться всего за 20 минут. То есть некто в столице поднял трубку телефона и разрешил компании без опыта построить шестисоткилометровый туннель для поезда со скоростью 1000 км/ч. Ну да, ну да. Охотно верится, особенно в стране, которая не была способна отремонтировать старую железнодорожную линию между этими городами для того, чтобы поднять скорость поездов хоть немного выше текущих 125 км/ч.

Несмотря на то, что мы сегодня имеем и новые материалы, и новые двигатели, и мощные системы проектирования, всё ещё остаётся достаточно вызовов. Начиная с психологии пассажиров, запертых внутри тесной капсулы, и заканчивая решением большого количества инженерных проблем, самой очевидной из которых является разница в давлении. 100 Паскалей – это в 200 раз меньше, чем в стратосфере, где летают реактивные самолёты. Не хочется даже думать о последствиях возможной декомпрессии. Или температурное расширение, требующее специальных компенсаторов, в которых тоже нужно держать вакуум. Можно зарыть трубу в землю, но это поднимет и без того высокие издержки ещё выше. А какая это будет удобная цель для террористов! Короче, транспортные эксперты настроены довольно пессимистично: всё ещё слишком сложно и дорого это всё. Тем, кто хочет дождаться первой поездки, автор советует вести здоровый образ жизни, чтобы прожить подольше. Мир уже ждёт её больше двух сотен лет.

Полностью согласен с автором. Физику не обманешь. Слишком капризная вещь – вакуум, чтобы использовать её для пассажирских перевозок. Но мечтать, конечно, не вредно.