Вероятно что сверхпроводники найдут применение в будущем

Введение

Однажды в поисках материала по нанотехнологиям я узнала, что студенты кафедры «Физика наноструктур и наноэлектроника» Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского занимаются таким явлением, как сверхпроводимость. Мне стало интересно, какие же преимущества сверхпроводники имеют перед обычными проводниками и почему же они не используются в быту.

Цель работы — выявить перспективы использования сверхпроводимости в настоящем и будущем.

Задачи:

1) ознакомиться с историей открытия сверхпроводимости;

2) изучить основные виды сверхпроводимости;

3) выявить практическую значимость и перспективы использования явления СП в современном мире и в будущем;

4) рассмотреть роль нанотехнологий в развитии комнатной сверхпроводимости.

Методы:

1) Эмпирические: а) изучение литературных источников;б)самооценка.

2) Теоретические: а) описание;б) обобщение.

Объект исследования — сверхпроводники.

Предмет исследования — применение сверхпроводников.

Гипотеза – спектр применения сверхпроводников крайне широк.

I. История открытия сверхпроводимости.

Сегодня сверхпроводимость – это одна из наиболее изучаемых областей физики, явление, открывающее перед инженерной практикой серьезные перспективы. Что же представляет собой сверхпроводимость? Какой смысл заложен в этом понятии?

Сверхпроводимость – это квантовое явление, при котором течение электрического тока в материале происходит без диссипации энергии. Оно характеризуется падением до нуля электрического сопротивления при охлаждении сверхпроводника ниже определенной температуры, которая называется температурой сверхпроводящего перехода (Tc) и определяется для каждого конкретного материала.

Другим ключевым параметром является критическая плотность тока (Jc, сила тока, поделенная на сечение сверхпроводника). Это значение соответствует величине плотности электрического тока в сверхпроводнике, при превышении которого образец возвращается в нормальное несверхпроводящее состояние.

Третьим критическим параметром является величина приложенного магнитного поля (Bc), при превышении которой восстанавливается электрическое сопротивление сверхпроводника, и он снова становится несверхпроводящим.

Изучив историю открытий в области сверхпроводимости, я обобщила материал в виде таблицы (см. Приложение 1).

II. Виды сверхпроводников и их свойства.

1. По температуре перехода в сверхпроводящее состояние

А) Низкотемпературные (Тс ниже 77 К).

В низкотемпературных сверхпроводниках электроны взаимодействуют через фононы – кванты тепловых колебаний положительно заряженных ионов, составляющих кристаллическую решетку металла. Ее искажение, возникающее при прохождении одного электрона, через несколько микросекунд оказывает влияние на его партнера. Таким образом, при испускании и поглощении фононов между электронами возникает слабое взаимное притяжение.

Б) Высокотемпературные (Тс от 77 до 135 К).

Все известные в настоящее время высокотемпературные сверхпроводники являются оксидами, большинство из которых содержат медь, но имеются также и соединения без меди. Особое значение в оксидных высокотемпературных сверхпроводниках имеет состояние кислородной подрешетки, т.е. концентрация, структурное положение и подвижности атомов кислорода в кристаллической структуре. Это вызвано тем, что с кислородом в оксидных сверхпроводниках связывают как понимание природы высокотемпературной сверхпроводимости, так и объяснение нестабильности свойств высокотемпературных сверхпроводящих материалов.

В) Комнатные (293 К).

Отдельные зерна графита могут проявлять сверхпроводящие свойства при комнатной температуре после обработки водой и выпекания в печи, что говорит о возможности достижения сверхпроводимости в нормальных условиях на практике. Но пока что в этой области сделано очень мало открытий.

2. По магнитным свойствам: (см. Приложение 2)

А) Сверхпроводники Iрода.

Сверхпроводниками I рода являются все чистые металлы, кроме переходных. Для сверхпроводников I рода характерны скачкообразный переход в сверхпроводящее состояние и наличие одной критической напряженности магнитного поля, при которой наблюдается этот переход. Значения критической температуры и критической напряженности магнитного поля у них малы, что затрудняет их практическое применение. Для сверхпроводников I рода характерным является проявление эффекта Мейснера.

Б) Сверхпроводники IIрода.

Все интерметаллические соединения и сплавы относятся к сверхпроводникам II рода. Они переходят в сверхпроводящее состояние в некотором интервале температур. Значения критической температуры и напряженности у них меньше. В таких сверхпроводниках токи не вытесняются на поверхность образца, а образуют цилиндрические каналы, пронизывающие весь объем. В центре канала куперовских пар нет, и сверхпроводимость отсутствует. При возрастании магнитного поля нити, расширяясь, сближаются и сверхпроводящее состояние разрушается. Достаточно сильные магнитные поля, которые способны выдерживать эти сверхпроводники, позволяют использовать их в различного типа устройствах для создания сильного магнитного поля.

Однако деление веществ по их сверхпроводящим свойствам на два вида не является абсолютным. Любой сверхпроводник I рода можно превратить в сверхпроводник II рода, если создать в нем достаточную концентрацию дефектов кристаллической решетки.

3. По общим свойствам:

А) Органические сверхпроводники (Tc= 11,5 К).

Б) Соединения типа A-15, представляющие собой классические низкотемпературные сверхпроводники (Tc= 23,2 К).

В) Магнитные сверхпроводники или фазы Чевреля, объединяющие ферромагнитные и антиферромагнитные сверхпроводники (Tc= 15 К и Bc2 (вернее поле) = 60 Тл).

Г) Тяжелые фермионы (Tc=18К) демонстрируют сосуществование сверхпроводимости с ферромагнитизмом и антиферромагнитизмом.

Д) Оксидные сверхпроводники без меди – предшественники высокотемпературных сверхпроводников (Tc=31К), монокристаллы перовскитного диэлектрика – оксида вольфрама, допированного натрием (91 К).

Е) Оксипниктиды – редкоземельные оксидные структуры без меди, (Tc=55К); также как и ВТСП имеют слоистую кристаллическую структуру и соответствующие проводящие плоскости FeAs.

Ж) Оксиды пирохлоров, представляющие группу минералов, содержащих титан, тантал и ниобий (Tc= 9,6 К).

З) Рутенокупраты – ближайшие структурные родственники ВТСП, в которых сверхпроводимость сосуществует с ферромагнетизмом (Tc= 50 К).

И) Высокотемпературные сверхпроводники – сверхпроводящие купраты, в которых сверхпроводимость осуществляется по плоскостям CuO2, (Tc= 166 ± 1,5 K).

К) Редкоземельные борокарбиды (Tc= 23 К).

Л) Кремниевые сверхпроводники (при высоком избыточном давлении Tc= 14 К).

М) Халькогениды – структуры на основе серы и селена (Tc= 4,15 К).

Н) Углеродные сверхпроводники – фуллеренные структуры (Tc= 40 К).

О) MgB2 и родственные структуры (Tc=39К) — дешевые и широкодоступные материалы (магнезию можно купить в любой аптеке!).

4. По типу кристаллических решеток:

А) Мягкие — чистые металлы, за исключением ниобия, ванадия, теллура. Основным недостатком является низкое значение критической напряженности магнитного поля.

Б) Твердые – сплавы с искаженными кристаллическими решетками. Обладают рядом особенностей:

• при охлаждении переход в сверхпроводящее состояние происходит на протяжении некоторого температурного интервала;

• имеют высокую Тс;

• некоторые имеют относительно высокие значения критической магнитной индукции Вкр;

• при изменении магнитной индукции могут наблюдаться промежуточные состояния между сверхпроводящим и нормальным;

• имеют тенденцию к рассеянию энергии при пропускании через них переменного тока;

• зависимость свойств сверхпроводимости от технологических режимов изготовления, чистоты материала и совершенства его кристаллической структуры.

5. По технологическим свойствам:

А) сравнительно легко деформируемые, из которых можно изготавливать проволоку и ленты;

Б) трудно поддающиеся деформации из-за хрупкости, из которых получают изделия методами порошковой металлургии.

III. Применение сверхпроводников в современном мире.

1. Настоящее.

Спектр применений сверхпроводников удобно разделить на:

• различные материалы: пленочные проводники, сверхпроводящие магниты и пр.;
• микротехника: микроволновые устройства, сверхчувствительные системы обнаружения магнитных полей, цифровая электроника, искусственные биологические системы;
• макротехника: силовые кабели, электрические системы и сети, генераторы и двигатели.

Основные области применения явления сверхпроводимости сегодня можно представить в виде таблицы (см. Приложение 4).

Рассмотрим несколько наиболее важных отраслей применения.

А) В силовых применениях сверхпроводники позволяют снизить энергопотери и сократить массогабаритные показатели оборудования. Высокая плотность тока в сверхпроводниках позволяет уменьшать размеры оборудования, а также создавать магнитные поля высокой интенсивности, недостижимые обычной аппаратурой. Ограничивающим фактором является необходимость поддержания проводника при низкой температуре, что само по себе требует энергозатрат, поэтому наиболее актуальны применения в устройствах большой мощности. В этом случае затраты на криообеспечение пренебрежимо малы.

В настоящее время промышленность США уже имеет коммерческие ВТСП изделия — трансформаторы, электрические моторы, токоограничители и силовые кабели. С ростом производства изготовители ВТСП кабелей будут способны установить их во всех электросетях США. ВТСП кабели имеют целый ряд преимуществ в сравнении с традиционными, включая более низкие потери, меньший вес, более компактные размеры. ВТСП кабели не воздействуют на окружающую среду – они не излучают электромагнитные поля, в них не используют для охлаждения при подземной прокладке технические масла, как в случае традиционных кабелей. Исключение суммы потерь (4 млрд. долл. ежегодно) может компенсировать относительно высокую на данное время стоимость ВТСП кабеля.

На диаграмме (см. Приложение 3) показаны потери в ВТСП и традиционных кабельных сетях при 50 МВА и 132 кВ.

Б) Кто из нас не мечтал в детстве летать? Не так давно в Тель-Авивском университете прошла презентация проекта Superconductivity Group, которая наглядно показала, что эта мечта может сбыться.

Суть квантовой левитации состоит в том, что благодаря правильному использованию физических свойств сверхпроводников их возможно не просто удержать в воздухе, но и заставить двигаться над и даже под магнитными «рельсами» с умопомрачительной скоростью (см. Приложение 4, 5).

В) Несмотря на кажущуюся простоту, трение остается дискуссионной и плохо изученной проблемой. В частности, отсутствие ясной взаимосвязи между трением на микро- и макроскопическом уровне не позволяет вывести фундаментальный закон, позволяющий одинаково правильно описывать это явление на разных масштабах.

С изобретением в 1986 году атомно-силового микроскопа с кантилевером с микроскопической иглой на конце исследование трения переместилось на атомарный уровень, а сама наука о силе трения превратилась в нанотрибологию.

Оказалось, что прояснить ситуацию помогает явление сверхпроводимости.

Неконтактное трение имеет двойную природу: электронное трение (электростатическое плюс ван-дер-ваальсово) и фононное.

Парное объединение электронов при сверхпроводимости проводимости приводит к тому, что они начинают вести себя как единое целое. Благодаря этому единству электроны без потерь энергии двигаются через кристаллическую решетку, игнорируя ее сопротивление.

Значит, если электроны становятся невосприимчивы к препятствиям на своем пути, они не будут реагировать и на внешний раздражитель в виде иглы микроскопа. Следовательно, в системе «игла кантилевера — сверхпроводящая поверхность» вклад в трение будет давать лишь фононная часть, а электронная будет равна нулю.

Группа ученых из Швейцарии и Испании под руководством Эрнста Мейера ряд таких экспериментов, которые доказали, что трение главным образом имеет электронную природу при условии, что вещество находится в нормальном состоянии. В сверхпроводящем состоянии вдалеке от критической температуры основным «источником» трения являются фононы.

Г) Возможность существования сверхпроводимости при комнатной температуре и выше обосновали лауреат Нобелевской премии В.Л.Гинзбург и У. Литтл. Ими показано, что одной из самых важных проблем в области нанотехнологии является создание комнатнотемпературных сверхпроводников (КТСП). Нанотехнология КТСП позволяет конструировать искусственные слоистые сверхпроводниковые наноструктуры, нанося атомные слои не только из тех материалов, у которых параметры кристаллической решетки близки друг к другу (как требуется для полупроводниковых структур). При нанотехнологии можно использовать гораздо большее разнообразие проводников и диэлектриков, нанося их монослои с атомной точностью для создания искусственных электронного и фононного спектров, необходимых для КТСП. Именно это позволяет сделать исследования и производство сверхпроводящих материалов неким “полигоном” для отработки нанотехнологических методов для сильнокоррелированных структур. Поэтому, создание КТСП — это, в значительной мере, нанотехнологическая проблема и, на мой взгляд, одна из важнейших.

В настоящее время сверхпроводник, работающий при комнатных температурах, может быть изготовлен как в объемном, так и в пленочном виде.

2. Будущее.

Через 10-20 лет сверхпроводимость будет широко использоваться в энергетике, промышленности, на транспорте и гораздо шире в медицине и электронике. Внедрение СП-технологий приведет как к простой замене традиционного оборудования на более эффективное сверхпроводящее, так и к изменениям структурного характера и к появлению совершенно новых технологических нововведений.

Одним из самых перспективных направлений является комнатная сверхпроводимость. Оно будет усиленно развиваться, т.к. имеет огромное значение.

В электронике сверхпроводимость найдет широкое применение в компьютерных технологиях. Потенциально наиболее выгодное промышленное применение сверхпроводимости связано с генерированием, передачей и эффективным использованием электроэнергии. Еще одно перспективное применение сверхпроводников – в генераторах тока (от мощных электростанций до обычных ветряных установок) и электродвигателях. С развитием СП-технологий сверхпроводящие двигатели найдут широкое применение также и в самолетах и на автомобильном транспорте.

Строительство сверхпроводящей железной дороги запланировано в Японии. За счет сил взаимного отталкивания между движущимся магнитом и током, индуцируемым в направляющем проводнике, поезд будет двигаться плавно, без шума и трения и будет способен развивать очень большую скорость. Ожидается, что дорога будет введена в эксплуатацию к 2020 г.

Возможность ускорения макроскопических объектов электромагнитным полем найдет свое применение также на аэродромах и космодромах, где СП-магниты будут обеспечивать взлет/посадку воздушным судам и космическим кораблям. Рассматриваются также возможности применения сверхпроводящих магнитов для аккумулирования электроэнергии в магнитной гидродинамике и для производства термоядерной энергии.

Заключение

Таким образом, возможности применения сверхпроводимости в настоящее время распространяются на многие сферы жизни. В недалеком будущем сверхпроводимость станет одной из базовых составляющих технического прогресса во многих секторах экономики и будет играть важную роль в нашей повседневной жизни. Благодаря нанотехнологиям будет развиваться комнатная сверхпроводимость, что сможет изменить нашу жизнь к лучшему. Поставленная мной в начале работы гипотеза подтвердилась.

Литература и источники

1. «Атомпресса» № 9, март 2008 г. Предложения по работам в области технической сверхпроводимости.

2. Боголюбов Н. Н., Толмачев В. В., Ширков Д. В. Новый метод в теории сверхпроводимости. — М.: Изд-во АН СССР, 1958.

3. В. Л. Гинзбург, Е. А. Андрюшин. Сверхпроводимость. — М.: Альфа-М, 2006.

4. И.А. Ковалёв, С.А. Лелехов, Н.А. Черноплёков и др., Оценка возможности создания подводной ВТСП линии электропередачи постоянного тока мощностью 1 ГВА с рабочим напряжением 500 кВ /Сборник трудов «Российский электротехнический конгресс», секция 9, С. 16.

5. Мнеян М.Г. Сверхпроводники в современном мире. Книга для учащихся – М.: Просвещение, 1991.

6. “Сверхпроводимость: исследования и разработки” №6, 1994.

7. “Сверхпроводимость: физика, химия, техника” №1-6, 1996

8. Шмидт В.В. Введение в физику сверхпроводников. М.: Изд-воМЦНМО, 2000.

9. Ren Y., Weinstein R., Sawh R., Liu J. // Phys. C. — 1997. — Vol. 282-287. — P. 2301.

10. Sakai N., Mase H., Ikuta H., et al. // Supercond. Sci. Technol. — 2000. — Vol. 13. — P. 770-773.

Приложение 1.

Электросамолеты: как авиация готовится к революции

Не так давно мир скептически относился к электромобилям, но Tesla заставила в них поверить. Теперь на электричество переводят и авиацию. Рассказываем, как появляются электросамолеты и почему мы еще на них не летаем

Как устроены электросамолеты

Под термином «электросамолет» понимают электрифицированный летательный аппарат. Специалисты в области авиации различают три уровня электрификации самолетов: «более электрический», «полностью электрический» и «гибридный».

«Более электрический», или самолет с повышенной электрификацией

Этот аппарат, как и обычный самолет, оснащен двигателем внутреннего сгорания. Мотор преобразует химическую энергию сгорающего топлива в механическую и создает тягу — силу, которая толкает его сквозь поток воздуха. Но большую часть работы оборудования (регулировку крыла, выпуск шасси и так далее) выполняют электроприводы. Они питаются от системы электроснабжения и преобразуют электрическую энергию в механическую.

Советский бомбардировщик Пе-2 считается первым в мире электрифицированным самолетом. В 1930-х годах на нем установили около 50 электроприводов (Фото: avia.pro)

«Полностью электрический самолет»

Летательный аппарат, у которого отсутствуют двигатели внутреннего сгорания, а все оборудование работает на электроэнергии. Для создания тяги в таких самолетах используют электродвигатели, которые питаются от аккумуляторов. В начале 2000-х годов начался бум создания «полностью электрических самолетов», где основным источником энергии были литий-ионные аккумуляторные батареи.

Самолет Yuneec International E430 китайского производства с электрическим двигателем, который питается от литий-полимерных аккумуляторов (Фото: avia.pro)

• солнечные батареи — преобразуют энергию излучения в электроэнергию;
• топливные элементы — преобразуют химическую энергию топлива в электрическую без процессов горения; чаще всего в качестве топлива используется водород.

Сергей Кравченко, руководитель проекта «Контур» Фонда перспективных исследований:

«Применение водорода обусловлено его высокими энергетическими свойствами как топлива и отсутствием загрязнения окружающей среды. Поэтому он имеет большой потенциал в области развития полностью электрических технологий».

«Гибридный самолет»

Оснащен гибридной силовой установкой. Она преобразует энергию дважды: сначала в механическую с помощью двигателей внутреннего сгорания, затем в электрическую с помощью генераторов.

Сергей Кравченко:

«Гибридный двигатель состоит из электрической части (электромотор, генератор, аккумуляторная батарея) и двигателя внутреннего сгорания, который использует химическое топливо. И если сейчас это керосин, то в будущем это будет водород, что открывает огромные перспективы для авиационной техники, разрабатываемой по технологии «полностью электрического самолета».

Кто создает и тестирует электросамолеты сегодня

Разработчики по всему миру, включая Россию, работают над созданием электросамолетов. Мы собрали примеры нескольких успешных проектов.

Стартап Kitty Hawk — персональный электросамолет

В 2017 году стартап Kitty Hawk, в который инвестирует сооснователь Google Ларри Пейдж, показал прототип первого персонального электросамолета Heaviside. Одноместный аппарат может вертикально взлетать и садиться, причем для этого ему достаточно площадки размером примерно 10х10 м.

Heaviside может преодолеть на одном заряде батареи до 160 км — примерно как от Москвы до Твери (Фото: Kitty Hawk)

Pipistrel — двухместный электросамолет

Компания Pipistrel представила двухместный электрический самолет Velis Electro, который прошел сертификацию Европейского агентства авиационной безопасности EASA. Аппарат получает энергию от двух аккумуляторов, развивает скорость до 181 км/ч и может находиться в воздухе до 50 мин.

Pipistrel уже запустила серийное производство Velis Electro: сертификат типа EASA позволяет эксплуатировать самолет в коммерческих целях (Фото: Pipistrel)

MagniX и AeroTEC — самый крупный коммерческий самолет

В 2020 году компании MagniX и AeroTEC испытали самый большой коммерческий самолет Cessna Caravan 208B с электрическим двигателем. По словам исполнительного директора Роя Ганзарски, самолет может перевозить 4–5 пассажиров на расстояние до 160 км.

Разработчики рассчитывают, что когда электродвигатель Cessna Caravan 208B пройдет сертификацию, самолет сможет выполнять рейсы с полной загрузкой из девяти пассажиров (Фото: MagniX)

Siemens — электросамолет с максимальной скоростью

Компания Siemens запустила самолет Extra 330LE с электродвигателем на аккумуляторных батареях. Аппарат побил рекорд среди аналогов: во время полета в 2017 году он достиг максимальной скорости 340 км/ч.

Siemens планируют использовать разработки Extra 330LE для производства (в партнерстве с компанией Airbus) региональных авиалайнеров, работающих на гибридных двигательных установках (Фото: Siemens)

ЦИАМ — первый пилотируемый российский электросамолет

На международной авиационной выставке МАКС-2021 Центральный институт авиационного моторостроения имени Баранова (ЦИАМ) представил первый полностью электрический пилотируемый российский самолет «Сигма-4». Он развивает максимальную скорость до 100 км/ч и рассчитан на полеты дальностью 100 км — это примерная протяженность МКАД.

Электродвигатель «Сигма-4» питается от аккумуляторных литий-ионных батарей. По словам главы ЦИАМ Михаила Гордина, летные испытания самолета запланированы на вторую половину 2021 года (Фото: N+1)

ЦИАМ — летающая лаборатория с уникальной гибридной силовой установкой

На МАКС-2021 ЦИАМ также представил летающую лабораторию Як-40ЛЛ. В носовой части аппарата установлен воздушный винт, который приводится в движение электродвигателем. А электроэнергию он получает от генератора, который вращается двигателем внутреннего сгорания.

Электродвигатель создан по уникальной технологии — на высокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП). При определенной температуре ВТСП проводят электрический ток без сопротивления и потери энергии. Это позволит увеличивать КПД двигателей: наращивать мощность и при этом снижать их массу и габариты, что важно при строительстве самолетов. Разработку двигателя проводили в рамках совместного проекта Фонда перспективных исследований и ЗАО «СуперОкс». Во время выставки МАКС-2021 летающая лаборатория совершила первый полет, в процессе которого был включен электродвигатель.

Ученые надеются, что к 2030 году технологии позволят создать региональный самолет на гибридной схеме, как у Як-40ЛЛ (Фото: НИЦ «Институт имени Н. Е. Жуковского»)

Зачем переводить авиацию на электричество

Очевидная причина повышенного спроса на электрификацию — экология. По данным Международной ассоциации воздушного транспорта IATA, на долю коммерческой авиации приходится около 2–3% выбросов углекислого газа. Причем за один короткий перелет, например из Лондона в Рим, образуется 234 кг углекислого газа на одного человека — больше, чем производят граждане некоторых стран за целый год.

Переход на электричество поможет решить экологические и другие проблемы современной авиации.

Сокращение количества выбросов в атмосферу

«Полностью электрический самолет» не создает выхлопа. Но его пока не считают абсолютно экологичными, так как производство аккумуляторов загрязняет окружающую среду, а из-за структуры и химического состава их сложно утилизировать.

Авиакомпания Airbus представила проект развития авиации будущего «Умное небо». По ее прогнозам, к 2050 году будут распространены самолеты с гибридными силовыми установками и электродвигателями. Аэропорты откажутся от двигателей внутреннего сгорания даже на земле: беспилотные электротягачи будут доставлять самолеты на взлетно-посадочную полосу и обратно. Все это поможет снизить количество выбросов в атмосферу.

Снижение затрат на топливо

Именно эта перспектива мотивирует многие крупные авиакомпании вкладывать средства в разработку электросамолетов. Расходы на топливо составляют до 30% их затрат и значительно влияют на прибыль.

В 2020 году электросамолет компаний MagniX и AeroTEC Cessna 208B совершил успешный 30-минутный полет. Исполнительный директор Рой Ганзарски отметил, что цена полета составила всего $6. А если бы они использовали обычное моторное топливо, полет обошелся бы в $300-400.

По словам главы ЦИАМ Михаила Гордина, применение гибридных силовых установок позволит в будущем уменьшить расход топлива на 70%.

Снижение количества шума

Электрические и гибридные летательные аппараты гораздо тише обычных с ДВС. Например, вертолет на высоте 500 м создает звук в 60 дБ, который по громкости можно сравнить с проезжающим мимо мотоциклом. А электросамолет Heaviside (разработка компании Kitty Hawk) во время полета на той же высоте создает звук в 38 дБ — примерно тот же уровень громкости, что и во время разговора людей.

В результате переход авиации на электричество позволит бороться с шумовым загрязнением и строить аэропорты ближе к черте города.

Снижение затрат на эксплуатацию

Электрические двигатели устроены проще двигателей внутреннего сгорания. У них меньше движущихся и соприкасающихся частей, а значит, они менее подвержены износу. Специалисты авиационной промышленности предполагают, что электрические самолеты будут реже нуждаться в техобслуживании, что снизит эксплуатационные расходы.

«Полностью электрический самолет»: в чем сложность

Первые «полностью электрические самолеты» уже существуют и проходят успешные испытания. Но говорить о том, что они станут альтернативой пассажирским лайнерам, рано. Причина в аккумуляторных батареях, которые нуждаются в улучшении.

Даже самые современные батареи уступают топливу в удельной энергоемкости — количестве энергии, которую они могут накопить. Реактивное топливо содержит примерно в 30 раз больше энергии, чем литий-ионная батарея.

Самый большой в мире пассажирский самолет Airbus A380 может пролететь 15 000 километров за один рейс и перевезти до 700 пассажиров. По подсчетам преподавателя кафедры прикладной аэродинамики университета Лафборо Дункана Уолкера, тот же самолет сможет преодолеть максимум 1 000 км с батареями в качестве источника энергии. Чтобы Airbus A380 пролетел на аккумуляторах свой максимум, ему понадобится комплект батарей весом в 30 раз больше, чем его текущий расход топлива. То есть из-за веса он просто не сможет оторваться от земли.

Даже если заменить всех пассажиров и груз на батареи, дальность полета Airbus A380 все равно была бы меньше 2 000 км по сравнению с обычными 15 000 км на топливе (Фото: Airbus)

Кроме того, самолет с традиционными двигателями во время полета сбрасывает топливо. Так судно становится легче, поэтому расход топлива, которое необходимо для полета, уменьшается. А вес аккумуляторов остается постоянным на протяжении всего полета, даже когда заряд израсходован.

По оценкам экспертов в области авиации, для безопасных и рентабельных полетов можно будет использовать батареи с энергоемкостью 2 000 Вт·ч/кг. Сейчас это показатель не превышает 250 Вт·ч/кг, а за год энергоемкость батарей растет примерно на 3%.

Сергей Кравченко:

«По мнению специалистов, батареи как источник энергии станут коммерчески привлекательными при достижении удельной мощности 600 кВт/кг (удельная мощность — количество тока, которое может выдавать аккумулятор на единицу веса. Показатели современных батарей находятся в пределах 10 кВт/кг. — РБК Тренды).

На текущий момент 100%-го решения указанных проблем не существует. Фонд перспективных исследований в том числе работает над созданием новых аккумуляторов, систем электроснабжения и электродвижения для транспортных средств».

Какие перспективы у электрических самолетов

Очевидно, что перспективы электрифицированных самолетов напрямую зависят от прогресса в области электротехники. По мнению директора проектного комплекса «Гражданские самолеты» НИЦ «Институт имени Н. Е. Жуковского» Сергея Гальперина, коммерческий электросамолет, который мог бы летать на приличные для России расстояния только на батареях или топливных элементах, появится нескоро.

Сергей Кравченко:

«Полностью электрические самолеты вышли из стадии диковинок и в ряде стран уже успешно используются в коммерческих задачах. Ожидается, что и в России данные разработки в ближайшие годы достигнут стадии перехода от экспериментов к опытным технологиям и коммерческому использованию. Однако объем вопросов, которые мешают скорейшему массовому использованию данных типов авиационной техники, еще существенный. И это в большинстве случаев задачи по обеспечению безопасности пассажиров и окружающих объектов».

Глава ЦИАМ Михаил Гордин отметил, что в ближайшем будущем крупные пассажирские лайнеры будут использовать именно гибридные силовые установки. А полностью электрические самолеты, вероятно, найдут применение только в малой авиации из-за ограниченной дальности и вместимости пассажиров.

Сергей Кравченко:

«В среднесрочной перспективе ожидается широкое распространение летательных аппаратов с гибридной силовой установкой. Появление полностью электрических систем будет связано с успехами электрохимии. Однако текущие достижения не позволяют ожидать существенного прогресса в этой области в ближайшее время.

Рассматриваются технические решения, в которых источник электрической энергии — топливный элемент, а потребитель — электромотор. Расчеты показывают, что данная компоновка реализуема для широкого класса региональных самолетов. Именно такое решение может составить конкуренцию газотурбинному двигателю, но требуется создать и испытать данную технологию, чтобы подтвердить расчеты».

Вероятно что сверхпроводники найдут применение в будущем

Как показано в предыдущей главе, напряженность ускоряющего электрического поля в созданных и проектируемых ускорителях ограничивается 100 МэВ/м. Это приводит к необходимости создания линейных коллайдеров длиной до 48 км.. Естественно стремление повысить напряженность ускоряющего поля и сделать коллайдеры более компактными. В связи с этим в ряде научных центров в прошлом веке были начаты работы по использованию кильватерного метода ускорения. Полученные к настоящему времени результаты показывают, что этот метод является перспективным, но потребует для реализации многолетних теоретических и экспериментальных исследований.
Кильватерное ускорение для получения более высоких темпов ускорения основано на передаче энергии от сгустков сильноточного возбуждающего электронного пучка сгусткам слаботочного пучка. Получены напряженности ускоряющего кильватерного поля в десятки ГэВ/м в диэлектрических и плазменных ускорителях. Разрабатываются лазарные и пучковые плазменные коллайдеры.
В диэлектрическом кильватерном ускорителе (ДКУ) кильватерное поле, наводится короткими релятивистскими электронными импульсами, содержащими один сгусток или последовательность сгустков, которые инжектируются из другого ускорителя. Проходя через ускоряющую структуру ДКУ, релятивистские электроны создают поля Вавилова – Черенкова, которые направлены под углом наружу. Волны этих полей отражаются диэлектриком или его покрытием в направлении центральной оси и создают аксиальное поле, которое и ускоряет электроны [1]. Может ускоряться или часть электронов, входящих в возбуждающий сгусток, или релятивистские электроны сгустка от другого источника, которые вводятся в кильватерное поле с небольшой задержкой относительно возбуждающего сгустка.
Ускорение электронов может осуществляться также в другом, втором диэлектрическом кильватерном ускорителе ДКУ, куда по короткому волноводу подводится ВЧ энергия кильватерного поля из первого ДКУ.
Для создания больших ускоряющих кильватерных полей должны применяться структуры с высоким импедансом.
Таким образом, существует несколько методов создания кильватерного ускорения в ДКУ. Естественно самым простым является метод, когда в кильватерном поле ускоряются электроны, находящиеся в тех же сгустках, которые возбуждают это поле. Возможность реализации этого метода и физическое объяснение происходящих в этом процессах подробно рассмотрены, например, в работе сотрудников Харьковского Физико-технического Института, ХФТИ, (Украина) [1]. При проведении экспериментальных работ ими использовался S-диапазонный волноводный металлический ускоритель «Алмаз-2» на энергию 4,5 МэВ, который ускорял заряд, равный 16 пК в каждом из 6000 сгустков, следующих с частотой следования 360 1/с. Средний ток в импульсе с длительностью 2 мкс составлял ~ 0,5 А. Посредством изменения рабочей частоты ВЧ колебаний изменялась ширина энергетического спектра ускоренных электронов. Эффект кильватерного ускорения достигался, при длине дрейфа ~1,5м между возбуждающим длительностью 2 мкс составлял ~ 0,5 А. Посредством изменения рабочей частоты ВЧ колебаний изменялась ширина энергетического спектра ускоренных электронов. Эффект кильватерного ускорения достигался, при длине дрейфа ~1,5м между возбуждающим ускорителем и прямоугольным резонатором с поперечным сечением 8,5×8 см., возбуждаемом этим импульсом. Вдоль узких стенок резонатора располагались диэлектрические пластины из фторопласта (ε = 2,1; tgδ = 1,5∙10 -4 ). Использовался вид колебаний LSM 1,1,10 .
При узком спектре (9%) практически все электроны сгустка теряли энергию на возбуждение кильватерного поля. Ускоренные электроны не обнаруживались, что объяснялось малым расплыванием сгустка на длине дрейфа. Длина сгустка не превышала половину длины возбужденной волны, и электроны не попадали в ускоряющую часть кильватерного поля.
При начальной ширине энергетического спектра 12% кроме замедленных электронов наблюдались также ускоренные электроны, что свидетельствовало об их попадании в ускоряющую фазу кильватерного поля. Максимальный прирост энергии, который составлял 0,5 МэВ, соответствовал напряженности кильватерного поля в резонаторе, равной ≈1 МВ/м. В работе отмечается, что энергию больше исходной получают электроны передней части сгустка, обладающие большей энергией. Электроны задней части при попадании в ускоряющую часть кильватерного поля не успевают набрать энергию превышающую исходную. Кроме того, они смещаются в тормозящую фазу кильватерного поля.
При начальной ширине энергетического спектра 22% длина сгустка составляла 6,18 см, что превышало половину длины кильватерной волны. При такой длине сгустка взаимодействие сгустков с диэлектрической структурой заметно уменьшалось, и амплитуда наведенной волны падала, хотя все еще наблюдались как замедленные, так и ускоренные электроны.
Существенно более продвинутым является метод, когда в ускоряющую диэлектрическую структуру, где возбуждается кильватерное поле, вводится другой релятивистский пучок (Рис.1.4) [2].

Рис.1.4. Схема коллинеарного кильватерного ускорения с ведущим и ведомым пучком

В случае ускорения пучков в одной диэлектрической структуре, сгусток, возбуждающий кильватерное поле, часто называют «ведущим», а второй сгусток «ведомым» или «свидетель». «Пучок свидетель», вводится коллинеарно с возбуждающим пучком, вследствие чего такой метод ускорения получил название коллинеарного
Наиболее оптимальным методом кильватерного ускорения является применение схемы двулучевого ускорения (иногда называемой схемой «повышающего трансформатора». Она представлена на Рис.2.4.

Рис. 2.4. Система двулучевого ускорения

По этой схеме при прохождении электронного пучка с мощным зарядом, в первой диэлектрической структуре наводится кильватерное поле. ВЧ. энергия из этой структуры по волноводу передается во вторую диэлектрическую структуру, где и осуществляется ускорение сгустков электронов с малым зарядом [2,3].
Структура ускорителя с высокой диэлектрической проницаемостью имеет меньшие поперечные размеры, что при той же ВЧ мощности приводит к получению больших ускоряющих полей. В работе [3] отмечается, что измеренный градиент в ускоряющей структуре более, чем в 4 раза выше, чем в структуре ускорителя генератора, создающей кильватерное поле. В связи с необходимостью увеличить ВЧ мощность, генерируемую диэлектрическими ускоряющими структурами, и соответственно повысить темп ускорения электронов в кильватерном поле, усовершенствование этих структур продолжается.
Достигнутые результаты по использованию кильватерного ускорения в диэлектрических ускорителях рассматриваются ниже в разделе 4.1.
Вопросы возбуждения кильватерных полей лазерными пучками и потоками заряженных частиц в плазме и разработка плазменных коллайдеров будут рассмотрены ниже в разделе 4.2 этой главы.

4.1. Диэлектрические ускорители с кильватерным методом ускорения

1. Простоту изготовления (по сравнению с диафрагмированным волноводом или цепочкой резонаторов), что особенно важно на рабочих частотах, превышающих 10 ГГц. Сравнительно малый поперечный размер диэлектрических структур позволяет существенно сократить размеры и массу фокусирующей системы.
2. Снижение вероятности развала ускоряемых сгустков в связи с тем, что частоты мод, отклоняющих электроны, почти всегда ниже частоты моды, их ускоряющей.
3. Непосредственное уменьшение поперечного отклонения электронов вследствие большого поглощения в диэлектрической структуре (250 дБ/м) всех мод, кроме рабочей ТМ 0n моды.

1. Поверхностные пробои при высоких электрических полях.
2. Заряд диэлектрика при взаимодействии с ореолом пучка.
3. Ухудшение свойств диэлектрика, связанное с радиационными повреждениями.
4. Термический нагрев.

К преодолению этих недостатков и были направлены исследования, проводившиеся во многих научных центрах.

Используются цилиндрические (Рис. 3.4) [4] и плоские диэлектрические ускоряющие структуры (Рис. 4.4), [5] — структуры с диэлектрическими шайбами или пластинами установленные соответственно в цилиндрическом или прямоугольном волноводе [6].

Рис.3.4. Цилиндрические диэлектрические структуры

Рис.4.4.. Поперечное сечение плоской диэлектрической структуры. Электроны движутся в направлении перпендикулярном плоскости чертежа

Наибольшее распространение нашли диэлектрические структуры цилиндрической формы, хотя их изготовление в W диапазоне длин волн сложнее, чем плоских структур [5].
В работе [7] для повышения эффективности ускорения используется набор диэлектрических слоев с чередующимися высокими и низкими значениями ε. Это позволяет уменьшить величину магнитного поля во внешней металлической оболочке ускоряющей структуры, и снизить потери в этой оболочке. Эскиз цилиндрического однослойного и многослойного диэлектрического волновода приведен на Рис. 5.4.

Рис. 5.4. Поперечное сечение ускоряющей структуры с однослойным и многослойным диэлектрическим заполнением

Разработка диэлектрических многослойных ускорителей велась в ряде научных центров, в том числе на кафедре физики С анкт- П етербургского Г осударственного Э лектро- Т ехнического У ниверситета (СПбГЭТУ, Россия).
Рассматривались диэлектрические ускорители как с возбуждением от внешних ВЧ источников (клистроны, магниконы), так и при возбуждении их пучком ускоренных электронов.
Приведенные в литературе данные о разработке диэлектрических ускорителей с внешним возбуждением относятся к конструкциям, где ВЧ мощность на вход структуры подводилась от внешнего ВЧ источника [8,9] . Исключение составляет работа [10], где использовался принцип «двухлучевого ускорения», но без использования кильватерной волны.
Плоская диэлектрическая структура возбуждалась на 8-й гармонике (91,392 ГГц) мощным пучком ускорителя возбудителя, работающего на частоте 11,424 ГГц. Энергия пучка этого ускорителя составляла 300 МэВ при импульсном токе 0,5 А.. Ускоритель работал при частоте следования импульсов 10 Гц. В работе [10] приводятся формулы, позволяющие оценить градиент ускоряющего поля G_r, достигаемый при возбужденни структуры, работающей на n — гармонике пучка с импульсным током I₀ ускорителя-возбудителя. Ускоряющая структура возбудитель включалась в кольцо рециркуляции. Величина импульсного тока гармоники определяется формулой . а напряженность ускоряющего поля гармоники G_r – формулой:

где r – шунт-импеданс возбуждаемой структуры, τ = αL, (где, в свою очередь, τ — параметр затухания, α – коэффициент затухания структуры) , L – длина ускоряющей структуры. Величина h = A iφ – характеризует затухание A и фазу φ волновода цепи рециркуляции. Максимальная мощность, генерируемая на гармонике, составляет P = |G_r| 2 /2αr. Рассматриваемая экспериментальная структура миллиметрового диапазона имела размеры w ≈ 800 мкм, a ≈ 36,6 мкм, b ≈ 600 мкм ( смотри Рис. 4. 4), теоретический шунт-импеданс для цилиндрического пучка составлял r ≈ 63 МОм/м. При использовании квадрупольного триплета профиль гауссова пучка имел размеры 200 мкм х 300 мкм, для которого эффективная величина шунт-импеданса составляла r = 50 Мом/м. В ускоряющей структуре циркулировала мощность 200 кВт. В течение двух недель структура проработала с числом импульсов ~ 2×10 5 . Мощность в 200 кВт соответствовала напряженности ускоряющего поля 20 МВт/м. Никаких явлений, связанных с пробоями в структуре обнаружено не было.
Следует отметить, что в длинноволновых структурах электрические пробои наблюдались при существенно более низких напряженностях поля.
В диэлектрических структурах с внешним возбуждением достигнута меньшая напряженность ускоряющего поля, чем напряженность, гарантированно получаемая в металлических диафрагмированных волноводах.
Значительно более высокие напряженности ускоряющих полей были экспериментально получены только при использовании кильватерных методов ускорения.
Первые эксперименты с кильватерным коллинеарным ускорением в диэлектрических структурах, вероятно, проводились в исследовательском комплексе AWA Аргонской Национальной Лаборатории, ANL.
Испытательный комплекс AWA ( Argonne Wakefield Accelerator) был создан в в 90-х годах ХХ века. Его блок — схема приведена на Рис.6.4 [13 -16].

Рис.6.4. Упрощенная принципиальная схема комплекса AWA. ЭО – электронная оптика, СПА – спектр-анализатор

В комплексе AWA используются два источника релятивистских электронов с большим зарядом в коротком импульсе (и соответственно в каждом электронном сгустке).
На Рис.6.4 внизу показан источник, создающий релятивистский пучок ускоренных электронов, который вводится в исследуемый ускоритель, где и возбуждается кильватерное поле (этот ведущий пучок иногда называют также питающим).
Основное ускорение осуществляется в двухсекционной (металлической) ускоряющей структуре на стоячей волне с модой π/2. Пушка и структура работали в L-диапазоне частот (1,3 ГГц). Питающий релятивистский источник мог создавать импульсы тока с зарядом от 1 до 100 нКл и с энергией до 15…18 МэВ [14,15]. Предполагается повысить напряженность кильватерного поля, применив в ускорителе возбуждающего пучка клистроны с мощностью 35 МэВ [17] . В настоящее время в качестве источника ВЧ энергии для получения питающего пучка использовался клистрон, работающий на частоте 1,3 ГГц и генерирующий импульсную ВЧ мощность 24 МВт в режиме 8 мкс [14].
Величина заряда сгустка возрастает при увеличении его длительности. [15]. Управление длительностью ведущего импульса и соответственно зарядом в импульсе осуществляется с помощью лазера, воздействующего на катод электронной пушки.
Кроме того в комплексе AWA используется электронная пушка «пучка-свидетеля», которая по состоянию на 2004 г ускоряла электроны до энергии 2 МэВ и в которой использовался магниевый фотокатод [14]. . С помощью «пучка свидетеля» можно измерять характеристики кильватерного поля в исследуемой ускоряющей структуре.
Создается новая 1,5 ячеечная ВЧ пушка с входной ВЧ мощностью пучка 12 МВт при напряженности на катоде 80 МВ/м. Согласно расчету эта пушка сможет обеспечить получение 8 МэВ электронных импульсов с зарядом 1 – 100 нКл в каждом импульсе [13].
Схема комплекса AWA постоянно модернизируется. Последние годы в усовершенствовании стенда помимо ANL принимает участие также китайский Университет в Синьхуа (Tsinghua)., где разрабатывается инжектор ускорителя возбуждающего кильватерное поле на частоте 7,8 ГГц.
Согласно [17] в 2008 г. упомянутый выше 1,3 ГГц возбуждающий двухсекционный металлический ускоритель на стоячей волне позволяет получать одиночные питающие сгустки с зарядом 1…100 нКл (достигнут заряд в 150 нКл), с эмиттансом < 200 мм∙мрад. Длина сгустка составляет 1,5 – 2,5 мм. При увеличении числа сгустков от 4 до 16, заряд в каждом сгустке не превышает 10 нКл (регулируется в диапазоне 1…10 нКл ) Снижение заряда обусловлено сравнительно низкой квантовой эффективностью лазерного управления. В ближайшем будущем в электронной пушке будет установлен Cs 2 фотокатод, что даст возможность работать с последовательностью от 16 до 64 сгустков при заряде от 50 до 100 нКл/сгусток и длине сгустка 10…50 нс [17].
Ниже приводятся результаты работ с ДКУ ускорителями, выполненными на стенде AWA. Так в работе [14] сообщается, что в цилиндрической диэлектрической структуре, возбуждаемой на частоте 15 ГГц (двенадцатая гармоника возбуждающего релятивистского пучка), наводилось кильватерное поле с напряженностью 11 МэВ/м. При этом структура имела внутренний радиус 5 мм, наружный радиус 7,7 мм и диэлектрическую проницаемость ε = 4. Заряд возбуждающего пучка составлял ~ 20 нКл/имп. Задержка ведомого импульса могла регулироваться в пределах от 100 пс до >1 нс. Малая напряженность кильватерного поля объяснялась сравнительно большой длиной возбуждающего сгустка, а также большим эмиттансом инжектируемого пучка.
Расхождение пучка на участке дрейфа между L–диапазонным питающим ускорителем и исследуемым диэлектрическим ускорителем вызывало перехват части пучка. Авторы работы [14] предполагают, что использование новой ВЧ электронной пушки в ускорителе-инжекторе позволит создать кильватерный ускоритель длиной менее 1 м на энергию 100 МэВ.
Одна из основных задач, решаемых при разработке и испытании диэлектрических структур, состояла в получении максимально достижимой напряженности кильватерного поля.
В работах [16,17] приводятся результаты испытаний нескольких цилиндрических диэлектрических структур на стоячей волне, разработанных в ANL Параметры этих структур приведены в Табл.1-4.

Таблица № 1.4. Характеристики испытанных диэлектрических цилиндрических структур [17].

Структуры на стоячей волне

№ 1
С10-102 № 2
С10-23 №3
С5.5-28 № 4
Q3.8-25.4 Материал Cordierite Cordierite Cordierite Quartz Диэлектрическая постоянная 4,76 4,76 4,76 3,75 Частота (ТМ 01n ) 14,1 ГГц 14,1 ГГц 9,4 ГГц 8,6 ГГц Внутренний радиус 5 мм 5 мм 2,75 мм 1,9 мм Внешний радиус 7,49 мм 7,49 мм 7,49 мм 7,49 мм Длина 102 мм 23 мм 28 мм 25,4 мм Градиент кильватерного поля 0,45 МВ/м/нКл 0,5 МВ/м/нКл 0,91 МВ/м/нКл 1,33 МВ/м/нКл

Имеет место прогресс в увеличении напряженности ускоряющего кильватерного поля в коротких диэлектрических ускорителях на стоячей волне:

90-ые годы ~ 10 МВ/м
Лето 2005 г. 23 МВ/м
Зима 05/06 г. 43 МВ/м
Лето 2006 г. 78 МВ/м
Осень 2007 г. 100 МВ/м

Ускоряющие структуры работали на гармониках частоты питающего ускорителя.
Естественно, что наибольшие ускоряющие поля получены в структурах с меньшим внутренним радиусом диэлектрика. Увеличение максимально напряженности поля достигнуто при применении диэлектрика из кварца [19,20].
В работе [17] в качестве целей на будущее при использовании двулучевого ускорения указывается создание системы с двумя структурами:

1. Структуры возбуждающего пучка с 64 –мя сгустками, разделенными интервалами 0,77 нс при заряде в каждом сгустке 50 нКл и полной длине импульса 50 нс.
2. Структуры с «пучком свидетелем» со среднеквадратичной протяженностью сгустка σ z = 1 мм и полным зарядом в импульсе 1 нКл. Система должна обеспечить ускорение электронов до 95 МэВ при длине структуры «пучка свидетеля» около 1м.

Первые цилиндрические диэлектрические ускорители ANL работали на частоте 7,8 ГГц, которая являлись 6-ой гармоникой частоты 1,3 ГГц металлического ЛУЭ, инжектирующего электронный пучок в первую структуру. Согласно измерениям, проведенным на спектр-анализаторе, СВЧ энергия наведенной волны концентрировалась в ТМ 01 моде основной частоты 7,8 ГГц.
Невозможность перейти в ГВ/м диапазон в первую очередь объясняется большими размерами электронных сгустков и внутренних диаметров цилиндрических диэлектрических систем. В значительной степени это также связано с большим эмиттансом и слабой фокусировкой питающего электронного пучка.
Существенно более высокие градиенты кильватерных полей достигнуты в диэлектрических ускорителях с капиллярными ускоряющими структурами на испытательных стендах ускорителя SLAC.
Питающий пучок создавался линейным S-диапазонным ускорителем SLAC с максимальной энергией 50 ГэВ. При испытаниях использовался пучок электронов с энергией 28,5 ГэВ. В ускорителе в качестве источников ВЧ мощности используются клистроны SLAC модели 5045 с выходной ВЧ мощностью 65 МВт, работающие в S диапазоне на частоте 2,856 ГГц.
Различные испытательные стенды располагались в Южной дуге области экспериментов с пучком (Программы SABER – South Arc Beam Experiment Region, SABER) [21,22]. Важной особенностью работ по исследованию структур было использование пучков с длительностью возбуждающего сгустка до 10…100 рс, что соответствовало возбуждению в ДКС кильватерных волн на частотах 10 10 …10 12 Гц, т.е. переход в ТГц диапазон частот (при длительности возбуждающего сгустка 1 рс длина волны составляет 1 мкм).
Для получения электронных пучков малого диаметра в линии пучка возбудителя была применена специальная система магнитной фокусировки. Эта система ( Final Focus Test Beam, FFTB) [23], устанавливаемая на выводе пучка из ускорителя SLAC, позволяла формировать сгустки со среднеквадратичном диаметром, не превышающем 20 мкм. Получению малых размеров сгустков, безусловно, способствовал очень малый эмиттанс пучка электронов, ускорявшихся до десятков ГэВ. В настоящее время длительность электронных сгустков доведена до 30 — 300 фс, а среднеквадратичное значение радиуса сгустка — до 10 мкм.
На ускорителе SLAC в ходе исследований по программе Т-148 были испытаны несколько диэлектрических структур и определены параметры наведенного в них кильватерного поля [18,24].
Как отмечалось выше, кильватерное излучение в диэлектрической трубке распространяется под углом Черенкова к стенке полого цилиндрического диэлектрика, на поверхности которого создается электрическое поле qE r,suff ( где q – суммарный заряд электронов в сгустке, возбуждающий поле, E r,surf – напряженность поля, наводимого одним электроном ) Затем волна отражается от стенки диэлектрика (или его покрытия) по направлению к центральной оси, где создается осевое электрическое поле — E z,dec . Оценка максимальной напряженности осевого кильватерного поля (излучение Черенкова) может быть проведена с помощью приближенной формулы, приведенной в работе [18]:

где, N b – число сгустков электронов, r e – классический радиус электрона, m e c 2 – масса покоя электрона, a – внутренний диаметр диэлектрика, σ z = сσ t – среднеквадратичная длина сгустка ( с – скорость света, σ t – длительность сгустка).
Из рассмотрения формулы (2-4) видно, что уменьшение внутреннего радиуса диэлектрической трубки и сокращение длины (длительности) сгустка приводит к увеличению напряженности осевого ускоряющего поля. При этом, конечно, нужно иметь в виду, что уменьшение величины внутреннего диаметра диэлектрика «а» требует сокращения поперечных размеров сгустка σ r (среднеквадратичный радиус сгустка).
Снижение внутреннего диаметра диэлектрика до 0,1 мм и сокращение длительности сгустка до 100 рс переводит нас в ТГц диапазон кильватерных полей. Таким образом, используя каппилярные алмазные структуры, мы должны были бы вместо пучка использовать источники ТГц колебаний очень большой мощности, недостижимой в клистронах или в каких-либо других электровакуумных приборах, или работать на гармониках.

Рис. 7.4. Алмазная трубка с внутренним диаметром 105 мкм [19]

Наибольшие напряженности ускоряющего поля достигались в каппилярной алмазной трубке, приведенной на Рис.7.4. Основные параметры приведены в Табл.2.4.
Первые исследования капиллярных диэлектрических структур показали, что при длительности сгустка 100 рс и напряженности поля 1,1 ГВ/м возникал пробой, создающий повреждения в структуре из кварца. Предполагалось, что при длительностях сгустка 30 фс и 330 фс допустимый градиент должен был увеличиться до 18 ГВ/м и 7 ГВ/м соответственно. Характеристики диэлектрической структуры и параметры возбуждающего пучка, полученные при дальнейших испытаниях приведены в Табл.2 -4 [24]. Видно, что максимально достигнутая напряженность ускоряющего поля составила 16 ГВ/м. Предполагается, что основной причиной, ограничивающей напряженность ускоряющего поля, является появление ионизации в структуре и пробой в диэлектрике.
Наведенные в структуре кильватерные поля содержали колебание на основной частоте и более высокие гармоники. Длина волны основного колебания и его частота, определенные по формулам λ ≈ 4(b – a)x(ε – 1) 1/2 и f = c/λ составили: λ = 634 мкм и f = 473 ТГц. Испытанные ДК структуры представляли собой оптоволокна из плавленого кварца. Были экспонированы 20 волокон, причем каждое прошло испытания при числе сгустков в диапазоне от 50 до 1000. После работы с пучком волокна исследовались на электронном микроскопе с целью определения характера повреждений, вызванных пробоями. Длина исследованных структур составляла 1 см. В дальнейшем в рамках программ SABER предполагается увеличить длину волокон до 10 см, имея целью в дальнейшем создание структур длиной в 1 м.
Испытания W (К) диапазонных структур [10] проводились также в центре SLAC на испытательном комплексе Орион (Orion Facility) [25]. Этот комплекс создан на основе оборудования прототипа ускорителя, сооруженного при разработке систем нового линейного коллайдера (NLC Test Accelerator, NLCTA). Как отмечалось ранее, коллайдер предполагалась создавать на основе ускоряющих, структур, работающих на частоте 11,414 ГГц. Существенно более высокая частота колебаний возбуждающего ускорителя, чем у ускорителя SLAC позволила возбуждать W (К) — диапазонные ДКС на восьмой гармонике. При использовании ускорителя SLAC потребовалась бы работа на 32-й гармонике, что снизило бы эффективность исследования.

Таблица № 2.4. Характеристики диэлектрической структуры и параметры возбуждающего пучка [24].

ПАРАМЕТР	ВЕЛИЧИНА
Внутренний диаметр диэлектрика (2а)	100 мкм
Внешний диаметр диэлектрика (2b)	324 мкм
Диэлектрическая постоянная ( ε )	~ 3
Число электронов e — в сгустке	1,4×10 10
Среднеквадратичная длина сгустка (σ z )	100 – 10 мкм
Среднеквадратичный радиус сгустка (σ r )	10 мкм
Энергия пучка	28,5 ГэВ
Максимальное радиальное поле на поверхности диэлектрика	27 ГВ/м
Максимальное тормозящее поле (вакуум)	11 ГВ/м
Максимальное ускоряющее поле (вакуум)	16 ГВ/м

В комплексе Орион предусматриваются два испытательных зала: один на энергию пучка ~ 65 МэВ, другой на ~ 300 МэВ. Некоторые параметры комплекса Орион приведены в Табл. 3.4.

Таблица № 3.4. Некоторые характеристики комплекса Орион [25]

Энергия пучка	7 МэВ (источник); 7 -67 МэВ (Зал низких энергий)67 – 350 МэВ (Зал высоких энергий)
Заряд в сгустке	Оптимально — 0,25 нКл. Подстраивается до номинального максимума – 1 нКл
Число сгустков	1 или 2 (дробление заряда)
Поперечный эмиттанс	< 2 х 10 -6 м, нормализованный среднеквадратичный (0,25 нКл)
Длина сгустка	1,8 пс, среднеквадратичная величина (0,25 нКл)
Стабильность заряда	2,5 % от импульса к импульсу
Дрожание запуска импульса	0,25 рс ( среднеквадратичная величина)
Частота повторения	10 Гц
Средняя мощность пучка	0,67 Вт при 67 МэВ; 3,5 Вт при 350 МэВ ( 1 нКл/сгусток)
Источник электронов	1,6 элемента, S-диапазон (2,856 ГГц) фотоинжектор, Mg катод
Управляющий лазер	Ti:Sapphire, длина волны 266 нм,выход 1 мДж
Источник ВЧ системы	Клистрон SLAC модели 5045. Твердотельный модулятор от коллайдера NLC
Инжекторный ЛУЭ	Х диапазонный (11,4 ГГц), 2 секции 0,9 м (от коллайдера NLC)
ЛУЭ высокой энергии	Х диапазонный, 4 секции, 1,8м , 72 МВ, структуры коллайдера NLC

Помимо исследований по достижению максимального ускоряющего градиента проводились работы по измерению ВЧ мощности, генерируемой кильватерным полем. Первые результаты таких исследований приведены в работе [26]. Сообщается, что диэлектрические структуры на бегущей волне на частотах 7,8, 15 и 20 ГГц способны генерировать импульсные мощности до 4…20 МВт. Предполагается, что с использованием нового ВЧ фото-инжектора будет можно получать импульсную мощность до 1 ГВт и напряженности кильватерного поля до ~ 0,5 ГВ/м при длительностях возбуждающего импульса в 10 нс [16].

Рис.8.4 Структура с волноводом, нагруженным диэлектриком

Как указывалось выше, помимо цилиндрических и плоских диэлектрических структур были предложены структуры с диэлектрическими пластинами, расположенными в прямоугольном волноводе (Рис.8.4).
Эти структуры имеют ряд преимуществ перед цилиндрическими структурами [25, 26, 27]:

1. Структуры позволяют использовать плоские электронные пучки
2. Их рабочая частота легко подстраивается посредством перемещения внутрь или наружу стенок волновода, прилежащих к диэлектрическим пластинам (при наличии зазора между ними).
3. Запасенная в таких структурах энергия на некоторых частотах больше, чем в цилиндрических структурах, что уменьшает нагрузку током пучка.
4. ВЧ поле неоднородно в поперечном направлении, в результате чего на релятивистский пучок действуют фокусирующие силы, подобные силам в ВЧ квадрупольных линзах.
5. Структуры позволяют реализовать много-модные режимы возбуждения, что приводит к значительному увеличению напряженности кильватерного поля.

В работе [23] приводятся результаты компьютерного моделирования такой структуры (смотри Табл. 4.4).
Напряженность кильватерной волны структуры с расчетными параметрами указанными в Табл. 4.4, наводимой одним сгустком с зарядом 100 нКл, должна составить 11,9 МВ/м, что соответствует 18,3 МВт генерируемой мощности. Если использовать последовательность из 4-х сгустков, следующих с частотой следования 1,3 ГГц, то при заряде в каждом сгустке 100 нКл напряженность поля должна увеличиться до 33,14 МВ/м, а генерируемая ВЧ мощность составить 160 МВт.

Таблица № 4.4. Параметры структуры, нагруженной диэлектриком

Параметр	Величина
Частота, ГГц	7,8
Длина волновода L, мм	800
Диэлектрическая проницаемость, ε	10
Тангенс потерь в диэлектрике, tgδ	5×10 -4
Групповая скорость, β g ,c	0,11
Добротность (металлический волновод), Q w	4135
Полная добротность, Q	1348
Шунт-импеданс/добротность, r/Q	5,043 кОм/м
Поперечное сечение волновода	12×56,8 мм
Расстояние между диэлектрическими пластинами	6мм

В работах [9,24] приведены результаты испытаний подобной структуры с двумя диэлектрическими пластинами, расположенными у противоположных стенок прямоугольного волновода, которые проводились на испытательном комплексе Аргонской Национальной Лаборатории (ANL). Структура возбуждалась пучком на частоте 7,8 МГц (6:-ая гармоника рабочей частоты ускорителя — возбудителя кильватерной волны). В работе отмечается наличие высокого вакуума (7∙10 -9 Тор), достигнутого после откачки структуры в течение 7 дней. Получена ВЧ мощность в 30 МВт при заряде в сгустке 60-66 нКл и длительности импульса ~ 1,7 нс без каких либо признаков электрических пробоев. Подтверждено суммирование кильватерных полей при увеличении последовательности сгустков (4 сгустка). Ожидается, что при последовательности из 64 сгустков с зарядом 50 нс в каждом сгустке можно будет генерировать ВЧ мощность до 280 МВт при длительности ВЧ импульса 50 нс.
Рассматривались также двух и трехканальные диэлектрические структуры. В работе [27] предложена структура, представляющая собой прямоугольный волновод – пятизонная структура с тремя диэлектрическими пластинами и двумя каналами. Один — для возбуждающего, а другой – для ускоряемого пучка.
Расчетно-теоретические исследования такой структуры 80 ГГц ускорителя приведены в работе [28], представленной сотрудниками ХФТИ (Украина), Иельского Университета (США), фирмы Omega-P, Inc. (США) и Колумбийского Университета (США).
По сравнению с одноканальными диэлектрическими структурами на прямоугольном волноводе двухканальная пяти зонная структура имеет три дополнительных достоинства:

1. Гибкость в получении необходимого коэффициента трансформации между каналами
2. Возможность посредством аксиальных щелей подавлять не желательные моды ВЧ колебаний.
3. Хорошая откачка вакуумных каналов через аксиальные щели.

Авторы работы ориентировались на наличие в ANL источника релятивистского пучка с энергией 14 МэВ, возбуждающего кильватерное поле, который позволяет получать одиночный сгусток с зарядом 1…100 нК при последовательности из 64 сгустков. Каждый сгусток имеет заряд 50 нК. Диэлектрические структуры рассчитывались, исходя из использования их для возбуждения моды типа LSM 31 , так как именно эта мода обеспечивает симметричную поперечную структуру продольного электрического поля и большое значение коэффициента трансформации. Для получения большого коэффициента трансформации, размер канала возбуждения выбирался больше, чем у канала ускорения. Результаты расчета пятизонного ускорителя приведены в Табл.5 -4. Напряженность возбуждающего поля – около 3 МВ/м. Напряженность ускоряющего поля – около 28 МВ/м

Таблица № 5.4. Расчетные параметры двухканальной пяти-зонной структуры и сгустка

Частота LSM 31 — моды	80,003 ГГц
Ширина ускорительного канала 2а ас	2,0 мм
Ширина канала возбуждения 2а dr	10 мм
Высота структуры 2d	8 мм
Отношение максимумов полей в ускорительном и ведущем каналах	5,7
Коэффициент трансформации	~8 : 1
Ширина 1-й пластины	0,343 мм
Ширина 2-й пластины	0,513 мм
Ширина 3-й пластины	0,181 мм
Диэлектрическая проницаемость ε	4,0
Размера сгустка х b ×y b ×z b : 1,8×1,8×1,5 мм
Энергия возбуждающего сгустка	14 МэВ
Заряд возбуждающего сгустка	40 нКл
Число возбуждающих сгустков	1
Положение центра возбуждающего сгустка	7, 856 мм

Эскиз прямоугольного волновода–многозонная диэлектрическая структура с двумя и тремя каналами. Один — для возбуждающего, а другие – для ускоряемого пучка представлен на Рис. 9.4.

Рис.9.-4. Двух — и трехканальные диэлектрические структуры. КУ – канал ускорения; КВ – канал возбуждения

В работе [29] сообщается, что рассмотренный выше двухканальный диэлектрический ускоритель уже изготовлен и при его испытаниях в AWA ANL наблюдаемая напряженность ускоряющего поля составляла 31-35 МВ/м с энергетическим разбросом ~ 10% при заряде в возбуждающем сгустке 50 нКл. Там же говорится о работке трехканального ускорителя. Рабочий мод структуры – LSM 41 Расчетная напряженность возбуждающего поля – около 5 МВ/м, напряженность ускоряющего поля — около 31 — 36 МВ/м.

4.2. Плазменные ускорители

Плазменные ускорители являются ускорителями нового типа, где источником энергии является мощный пучок лазера, электронный или протонный пучок, а ускоряющей «структурой» служит плазма. Ускорение частиц в плазменных ускорителях осуществляется кильватерной волной.
Поток фотонов или частиц, проходя плазму, срывает легкие электроны с положительных ионов плазмы и «выдувает» их наружу. В результате в плазме возникают области избытка отрицательных и положительных зарядов. Возмущение образует кильватерную волну, которая перемещается в плазме со скоростью, близкой к скорости света [30].
Процессы, происходящие в плазменных ускорителях, относятся к коллективным методам ускорения. Первые предложения использовать «коллективные поля» электронных пучков для ускорения ионов до высоких энергий были очерчены В.И. Векслером, Я.Б. Файнбергом и Г.И. Будкером, и доложены В.И. Векслером, Г.И. Будкером и Э.А. Перельштейном в 1956 г. на международном семинаре в Женеве [31,32].
. В 1978-1985 гг. Dawson,ом и соавторами из Калифорнийского Университета в Лос-Анжелесе (UCLA) были сняты возражения о применении плазмы и создании в ней кильватерного поля для ускорения электронов. После чего этот метод ускорения стал быстро развиваться весьма многими группами исследователей во всем мире [31,74].

В плазменной структуре создаются кильватерные волны с очень высокой напряженностью аксиального электрического поля. Достигаемая напряженность Е₀, может быть определена по формуле [33]:

E0 = cmωp/e,

(3.4)

где с – скорость света, e и m- заряд и масса электрона, ω p – частота плазмы. Используя соотношение

ωp = (4πne 2 /m) 1/2

(4.4)

и подставляя численные значения с, e и m, получаем приближенную формулу для оценки напряженности ускоряющего поля, которое можно создать в плазме:

E0[В/м]96n 1/2 [см -3 ],

(5.4)

где n – плотность плазмы.
При плотности плазмы n = 10 18 см -3 напряженность ускоряющего поля может составить 100 ГэВ/м.
Столь высокие напряженности поля не могут быть получены в ЛУЭ с ускоряющей структурой из металла или диэлектрика. Как отмечалось выше, в традиционных ускоряющих структурах из металла электрическая прочность гарантированно обеспечивалась при напряженности ускоряющего поля, не превышающей 100 МВ/м. (в ГГц диапазоне длин волн). В диэлектрических ускорителях с использованием кильватерного метода ускорения и капиллярными диэлектрическими каналами достигались напряженности аксиальных кильватерных электрических полей, равные 16 ГВ/м. Дальнейшее увеличение напряженности ускоряющего поля оказывалось не возможным из-за электрических пробоев в диэлектрике.

Величина плотности электронов в плазме определяет не только ускоряющее кильватерное поле, но и длину волны плазменных колебаний, которая может быть рассчитана по формуле:

λp[мкм]3.3×10 10 n -1/2 [см -3 ]

(6.4)

Плазма создается в разреженном газе полученном, например, посредством испарения таблеток лития и при воздействии на пар мощного короткого импульса лазерного пучка или пучка заряженных частиц. Используются также плазмы гелия, водорода и некоторых других газов.

Чтобы получить кильватерные поля с очень высокой осевой напряженностью, плазма должна возмущаться импульсными пучками лазеров или заряженных частиц длительностью менее 1 пс с импульсной мощностью до 10 15 Вт ( 1 петаватт).. Будучи очень хорошо сфокусированы (диаметр пучка 10 мкм), эти потоки будут обладать интенсивностью 3х10 20 Вт/см 2 и возбуждать кильватерные поля с напряженностью порядка 10 12 В/см [33].
Исследования процессов ускорения заряженных частиц в плазме идут весьма интенсивно. Многие принципиальные вопросы уже решены. Осуществлено ускорение в кильватерных полях не только электронных, но и позитронных пучков. Достигнута энергия электронных пучков в 1 ГэВ при длине плазменного столба в 3,3 мм. Нa ускорителе SLAC при длине плазмы 84 см получен прирост энергии в 42 ГэВ. Ширина энергетических спектров в ряде экспериментов доведена до нескольких процентов. Тем не менее, еще предстоит решить ряд принципиальных проблем. В их числе:
— Увеличение эффективности ускорения (отношение мощности импульса ускоренных электронов к мощности возмущающего импульса.
— Увеличение интенсивности пучка ускоренных электронов, например, посредством повышения числа импульсов, ускоряемых в единицу времени.
Технология плазменных ускорителей развивается гораздо быстрее, чем развивалась технология обычных ускорителей. Ученые считают, что создать технологии использования кильватерного ускорения в плазме для физики высоких энергий удастся за пару десятилетий [31]. Очевидно, в меньшие сроки удастся построить плазменные ускорители прикладного назначения: компактные источники с высокой яркостью фотонов и интенсивностью фотонного излучения [35], компактные ускорители для протонной терапии.
Ниже будут рассмотрены вопросы разработки лазерных и пучковых плазменных коллайдеров.

4.3. Лазерно-плазменные и лазерно-вакуумные ускорители

Лазерные ускорители можно подразделить на плазменные и вакуумные. Как наиболее перспективные ниже будут рассматриваться, лазерные ускорители, где «ускоряющей структурой» является плазма. Кратко, однако, рассматриваются также вакуумные лазерные ускорители, с помощью которых можно создавать короткие протонные импульсы.

Лазерно — плазменные ускорители

Лазерно-плазменные ускорители – это ускорители, где возмущение плазмы осуществляется короткими импульсами сверхмощных лазеров.
Лазерные пучки с импульсной мощностью до 1 петаватт были созданы при использовании метода усиления и сжатия лазерного импульса с линейной частотной модуляцией ( C hirp P ulse . A mplification, – CPA) [35,36,37]. При распространении в плазме, лазерный импульс, длина которого превышает длину плазменной волны и имеет импульсную мощность, большую определенной величины, изменяет свою форму и модулируется по амплитуде (самомодуляция лазерного импульса). После этого он разбивается на последовательность коротких импульсов с линейной частотной модуляцией (chirp) и периодом следования, равным или меньшим периода плазменной волны ( длина волны плазменных колебаний, при плотности электронов в плазме равной n = 10 18 см -3 составляет 33 мкм).
Двигаясь в плазме, короткий лазерный импульс выталкивает электроны из той области, где он в данный момент находится. При этом на электроны действуют не только выталкивающие силы лазерного импульса, но также притягивающие силы поля ионов плазмы, которые из-за большой массы можно считать неподвижными.
Силы высокочастотного давления, действующие на электроны плазмы, столь велики, что сразу позади импульса возникает почти сферическая область, в которой электроны практически отсутствуют (Рис.10.4). Эту область называют «пузырем» (bubble), а сам режим ускорения — bubble-режимом [34,37]. В нее могут вводиться сторонние электроны в виде очень коротких электронных импульсов или после разрушения волны (смотри ниже) захватываться некоторое количество электронов плазмы. Поступившие в пузырь электроны группируются и ускоряются кильватерной волной с напряженностью поля 10 9 В/см до энергии порядка 100 МэВ на длине столба плазмы в несколько миллиметров.

Рис.10.4 Режим «пузыря» [30]

Первые эксперименты, проведенные во многих научных центрах, показали, что энергия ускоряемых электронов, получаемая при работе лазера в режиме СПА, достаточно велика. Однако, их энергетический спектр широк [34,38], что затрудняло использование таких плазменных ускорителей. Большой энергетический разброс был обусловлен тем, что вводимые в плазму сторонние релятивистские электроны захватываются кильватерным полем в разных точках в разное время. Инжекция электронов в плазменный ускоритель с лазерным кильватерным полем слишком сложна, так как ускоряющая структура (длина волны плазмы) имеет микроскопические размеры и существует в течение очень короткого промежутка времени. Тем не менее, оказалось возможным получить узкие энергетические спектры и малые эмиттансы ускоренных пучков, если использовать не релятивистские электроны, вводимые в плазму извне, а электроны самой плазмы. Лазерный импульс, проходя в плазме, делается короче и уже. Захват новых частиц прекращается, самые энергичные электроны, находящиеся на фронте импульса опережают волну и уменьшают темп своего ускорения. Следующие за ними электроны с меньшей энергией продолжают ее набирать. Это приводит к сокращению энергетического разброса [30].

В 2004 г. группа «Объединенные исследования лазерной оптики и ускорительных систем» ( L aser O ptics and A ccelerator S ystems I ntegrated S tudies — LOASIS ),США), сообщила о разгоне электронов на плазменном ускорителе до 250 МэВ, где наблюдался квази-узкий энергетический спектр [39,40]. Эксперименты проводились с использованием лазерных импульсов мощностью всего 9 ТВт. Две другие группы получили сходные результаты, применяя лазеры мощностью 30 ТВт [37,39].
Получение узкого энергетического спектра непосредственно связано с эффектом прорыва (разрушения) плазменной волны [37,40,41]. Разрушение волны происходит при сильно нелинейной напряженности кильватерного поля. Волна не обязательно разрушается полностью. Разрыв может быть связан лишь с малой частью волны, например, происшедшим позади лазерного импульса [41]. Именно в этой области имеет место максимальная напряженность кильватерного поля. Через разрыв захватываются, а затем ускоряются тепловые электроны плазмы.
Кильватерная волна разрушается внутри лазерного импульса или, как отмечалось выше, на краю его, когда квадрат амплитуды a 2 излучения лазера превышает ν_ph (ν_ph ≈ ω/ωp), где ω – угловая частота лазерной волны.
Величина a 2 может быть оценена по приближенной формуле [33]:

a 2 ≈ 7.2×10 19 λ 2 [мкм]I[Вт/см 2 ],

(7.4)

где λ – длина волны, I – интенсивность лазера. Этот режим обеспечивает инжекцию электронов плазмы в ускоряющую фазу ускорения, высокий темп ускорения этих электронов, их фокусировку и малый энергетический разброс[44].
При увеличении числа электронов, захваченных в режим ускорения, «пузырь растягивается. Его эффективная групповая скорость и захваченные электроны начинают изменять фазу в ускоряющем поле. В результате происходит само-группирование электронов в фазовом пространстве. Самогруппирование вызывает обострение пика в энергетическом спектре. В работе [38] сообщается, что энергия ускоренных электронов равнялась в пике 170 МэВ (при максимальной энергии электронов 200 МэВ). Ширина энергетического спектра на полувысоте пика составляла 24%. Согласно работе [33] интенсивность пучка при этом равнялась 10 9 электронов в импульсе (В Международном линейном коллайдере проектное число электронов в одном импульсе составляет 6,25×10 12 электронов). Моделирование процессов показало, что качество электронного пучка выше, когда захваченные электроны не взаимодействуют с полем лазера (только с кильватерной волной плазмы). При возникновении взаимодействия с полем лазера расходимость пучка и его энергетический спектр расширяются. Эффективность преобразования энергии лазерного пучка в энергию электронов, ускоренных в кильватерной волне, составила 10% [38].
О продолжении работ, связанных с улучшением энергетического спектра и одновременным снижением эмиттанса ускоренного электронного пучка сообщается в работе [43]. Использовались существенно более короткие chirped лазерные импульсы, чем в предыдущих исследованиях. Для плазменного ускорения электронов применялись лазеры с длительностью импульсов 8 фс и энергией в импульсе 40 мДж. Были получены 1 фс электронные сгустки с энергией до 50 МэВ, шириной спектра 3-10% (на полувысоте) и расходимостью от 5 до 10 мрад (на полувысоте кривой распределения). Существенное улучшение качества ускоренных электронных пучков дает основание надеется на создание лазерно — плазменных ускорителей широкого применения.
Первоначально в плазме удалось создать кильватерные поля с напряженностью в 100 ГэВ/м. Однако такие напряженности стабильно поддерживались в плазме только на длине в несколько сантиметров. Разрабатываются структуры с использованием водородной плазмы,где лазерные импульсы могли бы распространяться в волноводах по капиллярным каналам в сапфире. Электрический разряд между электродами разогревает газ, создавая плазму, через которую и проходит лазерный луч. В работах [41,42] сообщается, что с использованием капиллярного волновода на длине 3,3 см удалось ускорить электроны до энергии 1 ГэВ. При этом использовался лазерный пучок с импульсной мощностью 40 ТВт. Надеются, что капиллярные волноводы позволят поддерживать высокую интенсивность лазерного луча, по крайней мере, на длине 1м. Как отмечалось выше, капилляры для проводки электронных пучков применяются также в диэлектрических ускоряющих структурах.

Вакуумные лазерные протонные ускорители

При облучении тонких фольг сверхмощными короткими лазерными импульсами с интенсивностью более 10 18 Вт/см 2 были обнаружены протоны с энергией в десятки МэВ. Механизм такого сравнительно простого получения высоко-энергетичных протонов можно объяснить следующим образом. На основании анализа экспериментальных данных и компьютерного моделирования можно полагать [44,45,46], что под действием хорошо сфокусированного высоко интенсивного лазерного импульса (более 10 18 Вт/см 2 ) в тонкой фольге возникают быстрые электроны, которые пролетают фольгу насквозь и увлекают за собой ионы, образовавшиеся на ее поверхности. Эти ионы начинают ускоряться под действием кулоновских сил электронного пучка, прошедшего через фольгу. В 2000 г. были обнаружены протоны с энергией 10 МэВ. В настоящее время получены протоны с энергией 60 МэВ. В ряде экспериментов число ускоренных электронов на один импульс составило 10 18 . Использовались фольги из алюминия, майлара (толщиной в 15-25 мкм), из меди и других материалов.
Вероятно, первое применение лазерные ускорители протонов найдут в онкологии. Для этого потребуются значительно повысить энергию и интенсивность протонных пучков. Лазерные протонные ускорители окажутся существенно более компактными, чем синхротроны, которые используются в ионной терапии в настоящее время.

Пучково-плазменные ускорители

Пучково-плазменные ускорители – это ускорители, где возмущение плазмы осуществляется короткими электронными импульсами. Также как и в случае лазера, при воздействии на плазму мощного импульса заряженных частиц, поток частиц срывает легкие электроны с более тяжелых положительных ионов плазмы и «выдувает» наружу электроны, находящиеся в плазме. В результате в плазме возникают области избытка положительных и отрицательных зарядов. Возмущение образует кильватерную волну, которая перемещается в плазме со скоростью света. Поле, направленное из области положительного заряда к области отрицательного заряда, ускоряет попавшие в него электроны, оказавшиеся в конце импульса, возмущающего плазму, или электроны второго ведомого электронного сгустка. Этот ведомый импульс должен вводиться в плазменный канал на небольшом расстоянии от возбуждающего сгустка. Как и в лазерно-пучковых ускорителях используются режимы электронного «пузыря». Механизм явлений близок к механизму, рассмотренному выше для лазерно-плазменных ускорителей.

Согласно линейной теории плазмы амплитуда кильватерного поля повышается пропорционально при условии, что плотность плазмы, увеличивается таким образом, что k_pσ_z ≈ √2, где N число электронов в сгустке, σ_z – длина сгустка и k_p = ω/c – обратная величина скин слоя плазмы без столкновений. Нелинейный, или разрывной (blowout) режим – режим «пузыря», имеет место, когда плотность электронного сгустка, равная , больше, чем плотность плазмы n_p , а радиус пучка σ_γ удовлетворяет соотношению σ_γp. В режиме blowout для длины сгустка на порядок большей, чем длина волны плазмы, плазменные электроны выбрасываются из объема пучка к радиусу располагаясь позади чисто ионного столба. При таком режиме, являющимся основным, радиус электронного сгустка, длина сгустка, радиус ионного канала и плазменная длина волны имеют одинаковый порядок. Хотя в описанных в работе [52] экспериментах эти величины находятся на краю режима blowout, численное моделирование показало, что увеличение амплитуды кильватерной волны плазмы в раз может быть достигнуто.

Работы по пучково-плазменному ускорению при использовании ведущих электронных пучков с энергией в десятки ГэВ

Большой интерес по реализации пучково-плазменного ускорения с использованием электронного возбуждающего пучка представляют теоретические и экспериментальные работы, выполненные сотрудниками центра SLAC,. Калифорнийского университета и Университета Южной Калифорнии.
Комплекс SLAC – SABER обладает уникальными характеристиками, которые требуются для проведения исследований в плазме: с очень высокой энергией и малыми продольными и поперечными размерами пучка [48]. Некоторые характеристики пучка приведены в Табл.6.4.

Таблица № 6.4. Основные характеристики ускорителя, возбуждающего плазму

Параметры	Величина
Максимальная энергия электронов	50 ГэВ
Максимальная частота следования импульсов	60 Гц
Энергия электронов в импульсе	320 Дж
Размеры фокусного пятна	10мкм
Длительность импульса	50 фс
Сфокусированная интенсивность	7×10 21 Вт/см

На первом этапе работ [45] структура с длиной плазменного столба 10 см возбуждалась пучком ускорителя SLAC при энергии сгустков 28,5 ГэВ. Каждый сгусток содержал 1,8 х 10 10 электронов, был сжат до продольного размера 20 мкм и сфокусирован в поперечном направлении до пятна 10 мкм. Эти параметры были достигнуты в Испытательной линии конечной фокусировки пучка ( F inal F ocus T est B eam line, FFTB). При проведении экспериментов использовалась плазма паров лития с плотностью 2,8×10 17 атомов/см 3 .
Когда электроны возбуждающего сгустка входили в литиевый пар, их электрическое поле ионизировало атомы пара лития, выбивая валентные электроны, и создавали полностью ионизированную плазму для остальной части сгустка. Ионизация происходила на фронте импульса возбуждающего пучка. Плазменные электроны выталкивались из объема пучка и позже возвращались в первую половину периода плазменной волны.
Возвращающиеся электроны создавали повышенную плотность электронов на оси позади возбуждающего сгустка, формируя ускоряющее поле в конце сгустка. Большая амплитуда плазменной кильватерной волны повышала энергию части электронов на величину несколько большую 2,7 ГэВ. Необходимо отметить, что в экспериментах использовался только один возбуждающий пучок, и ускорялась часть этого пучка. Ведомый пучок не применялся. Из-за большой энергии возбуждающего пучка (скорости электронов, близкой к скорости cвета, де-фазирование электронов в кильватерной волне отсутствовало [45, 49]. Эффективное ускорение в кильватерном поле достигалось в режимах на краю «пузыря» (разрывной режим blowout).

На следующем этапе, с целью проверки возможности практического использования плазменного кильватерного ускорения были исследованы в 10 раз более длинные плазменные секции (около 1м) [50,51]. Такая длина секций представляется уже приемлемой для создания новых линейных коллайдеров.
Экспериментальные исследования с метровыми плазменными секциями проводились приблизительно при тех же значениях возбуждающего пучка и плотности плазмы, что и в случае 10 см плазменного столба. Ток в 50 фс импульсе составлял 20 кА. Большинство электронов теряло энергию в плазменной кильватерной волне, но некоторые электроны, находящиеся в конце возбуждающего сгустка ускорялись кильватерным полем до ~ 52 ГВм -1 . При длине плазменной секции 84 см они в два раза превосходили энергию возбуждающего сгустка (2 х 42 ГэВ), создавая такой же прирост энергии, что и 3-х км ускоритель SLAC. Плазменная секция, удваивающая энергию пучка возбудителя, получила название «дожигателя» (afterburner) плазмы.

Лазерные электронный и фотонный плазменные коллайдеры

Лазер — плазменные ускорители продемонстрировали высокий ускоряющий градиент 100 ГВ/м. В последнее время в национальной лаборатории им Лоуренса в Беркли было показано, что лазерно — плазменная технология может сильно уменьшить длину, а следовательно и стоимость будущего лептонного коллайдера [ 71,72] C учетом этого была разработана концепция создания линейных коллайдеров на основе лазерно – плазменной технологии [73].
Основные расчетные характеристики лазерно – плазменного коллайдера представлены в Табл. 7.4. Коллайдер состоит из 34 плазменных секций, каждая длиной 65 см. К каждой секции подводится пучок лазера с длиной волны 1 мкм и импульсной мощностью 23 Дж. Средняя подводимая к каждой ускоряющей структуре мощность оценивается в 345 кВт.
Длина каждого основного ЛУЭ коллайдера составит всего 39 м. На этой длине электроны могут быть ускорены в кильватерном поле волны до 0,250 ТэВ. Таким образом, лазерно-плазменные коллайдеры рассчитаны на получение в центре масс энергии 0,5 ТэВ.
Как отмечалось выше в разделе 4.1, при комптоновском рассеянии пучка лазера на пучке ускоренных электронов на некотором расстоянии перед точкой столкновения пучков может быть создан пучок фотонов Первичным источником фотонов может быть лазер по параметрам, близкий к лазеру возбуждающему электронный пучок в плазме.
Энергия лазера комптоновского рассеяния должна составлять 2 Дж, а длительность импулься – 3 пс. Эффективность комптоновского рассеяния составит 60%. В рассматриваемом коллайдере используется близлежащее обратное рассеяние (с малым углом рассеяния θ <<1) c круглой поляризацией пучка лазера, направленной противоположно пучку электронов.
Для получения ускоренных электронов во всех случаях используются два лазерно- плазменных возбудителя. При использовании дополнительно одного лазера и рассеянии его фотонов на одном из электронных пучков мы получает е-γ коллайдер. При применении двух дополнительных лазеров и рассеивании их пучков на двух электронных пучках, мы имеет фотонный γ-γ коллайдер, параметры которого и приведены в Табл.7.4.
Следует отметить, что фотон — фотонный коллайдер позволяет выполнять дополнительно ряд экспериментов, в которых заинтересована физика элементарных частиц.
Кроме того использование сталкивающихся фотонных пучков освобождает от потери энергии при входе электрона в точку взаимодействия, которые обусловлены взаимодействием электрона с электроном (позитроном), двигающимся в противоположном направлении (beamstrahlung). Исключаются также нестабильности пучок-пучок в этой области. Необходимо отметить, что для получения высокой светимости должны быть приняты меры к сокращению размеров сталкивающихся пучков в области столкновения до микрометров.
Потребуются значительные усовершенствования лазеров для повышения их энергии свыше 10 Дж, увеличения частоты повторения импульсов до 15 кГц, повышения эффективности лазера. Предполагается, что эти задачи могут быть решены в следующем десятилетии. Потребуется также решить проблемы связанные со ступенчатым питанием ускоряющих секций, включая вопросы синхронизации и стабильности работы.

Таблица № 7.4. Параметры лазерно — плазмерного линейного γ-γ коллайдера [71]

Плотность плазмы, n (см 3 ) 10 17 Энергия в центре масс, , (ТэВ) 0,5 Энергия пучка фотонов, (ТэВ) 0,25 Число фотонов в сгустке, N 3×10 9 Частота столкновений, f (кГц) 15 Мощность пучка, P b =fNγmc 2 (МВт) 1,8 Геометрическая светимость , L (c -1 см -2 ) 10 34 Длина сгустка, σ z (мкм) 1 Горизонтальный эмиттанс (мм·мрад) 0,1 Вертикальный эмиттанс (мм·мрад) 0,1 Длина волны плазмы, λ p (мкм) 105 Прирост энергию на секцию ЛУЭ, w секц (ГэВ) 7,4 Длина секций ЛУЭ(см) 65 Энергия лазера на секцию ЛУЭ (J) 23 Длина волны лазера (мкм) 1 Начальная нормализованная интенсивность лазера, α о 1,5 Средняя мощность лазера на секцию ЛУЭ (кВт) 345 Число секций ЛУЭ 34 Длина основного ЛУЭ коллайдера, км 0,039 Эффективность (сеть – пучок) 5% Полная мощность сети для питания коллайдера (МВт) 72 Длина волны лазера комптоновского рассеяния (мкм) 1 Энергия лазера комптоновского рассеяния (J)
Длительность импульса лазера комптоновсого рассеяния (пс) 3 Интенсивность комптоновского рассеяния (Вт/см 2 ) 0,27×10 18 Энергия гамма пучка в импульсе (ТэВ) 0,2 Эффективность конверсии (e → γ)

Пучковый электрон-позитронный плазменный коллайдер

На основе расчетно-теоретических и экспериментальных работ по кильватерному ускорению в плазме электронов и позитронов была разработана многоступенчатая концепция электрон-позитронного коллайдера [52,68,69].
Она основывается на использовании одного 25 ГэВ-ого ВЧ ускорителя-возбудителя формирующего ведущие импульсы, которые создают кильватерные поля в двух плазменных ускорителей электронов и позитронов, и ускоряют в них ведомые импульсы. коллайдера — на Рис.11.4. Основные расчетные параметры коллайдера представлены в Табл. 8.4.

Таблица № 8.4. Основные расчетные параметры электрон – позитронного плазменного коллайдера с кильватерным ускорением [52,69].

Параметры	Величина
Энергия частиц в центре масс	0,5 – 1 ТэВ
Основной пучок, число электронов в сгустке и сгустков в цепочке, частота следования	1×10 10 , 125, 100 Гц
Полная мощность двух основных пучков	20 МВт
Возбуждающий пучок: энергия, ток в импульсе, активная длина импульса	25 ГэВ, 2,3 А, 10 мкс
Средняя мощность возбуждающего пучка	58 МВт
Плотность плазмы, ускоряющий градиент и длина плазменной секции	1×10 17 см -3 , 25 ГэВ/м, 1 м
Эффективность передачи мощности: возбуждающий пучок =>плазма =>основной пучок	35%
Эффективность: сеть =>ВЧ=>возбуждающий пучок	50%×90%×45%
Полная эффективность и мощность от сети (при ускорении)	15,7%; 127 МВт
Установленная мощность для других систем	170 МВт
Эмиттанс основного пучка, х, y	2,005 мм.мрад
Размеры основного пучка в точке взаимодействия	014; 0,0032; 10 мкм
Светимость	3,5×10 34 см -2 сек -1
Светимость в 1% энергии	1,3×10 34 см -2 сек -1

Для питания секций ЛУЭ возбудителя был выбран клисторон, работающий с ВЧ мощностью ~ 30 МВт при длительности ВЧ импульса ~ 12 мкс (активная длина импульса ~ 10 мкс) и частоту следования импульсов — 100 Гц.
Длительность следования пакетов составляет 500 нс, интервал между импульсами ВЧ сепаратора составляет 600 нс. Пройдя ВЧ инжектор пачки электронов двигаются в противоположных направлениях и через магниты распределительной системы подводятся к 20 плазменным секциям основных плазменных ускорителей электронов и позитронов. В ЛУЭ возбудителе возможно использование ускоряющей структуры типа SICA, которая применяется в коллайдере CLIC В Табл.8 — 4 на основе результатов испытаний структуры SICA [70].указана эффективность передачи ВЧ мощности пучку возбуждения, равная 90% Импульсный ток в этом S – диапазонном ускорителе принят равным 2,3 А.. Ток возбуждения состоит из 20 пакетов сгустков с интервалом между пакетами 2 мс. Каждый пакет содержит 250 сгустков. Пакеты, отделены расстоянием 2 нс. Популяция каждого сгустка состоит из 2,9×10 10 электронов.
Электронные сгустки, созданные в ускорителе — возбудителе, поступают в ВЧ сепаратор. Увеличение интервала импульсов сепаратора на 100 нс связано с необходимостью учесть время нарастания поля в киккер – инжекторе.

Рис. 11.4. Концепция многоступенчатого плазменного линейного коллайдера. ВЧП- высокочастотная пушка; компрессор сгустков; ДЛЭ – линия доставки электронов; ЛДП –линия доставки позитронов; ИОЛУЭ.- инжектор основного линейного ускорителя электронов; ИОЛУП – инжектор основного линейного ускорителя позитронов

Последовательность сгустков основного пучка состоит из 125 сгустков и разделяется 4 нс. Каждая из 20 плазменных секций основных пучков, двигаясь в кильватерной волне, добавляет 25 ГэВ энергии сгусткам электронов или позитронов. Максимальная энергия частиц на выходе каждого основного ускорителя будет составлять 500 ГэВ.
В линии пучка основных ускорителей включены демпфирующие кольца, которые накапливают пакеты сгустков, один из которых должен извлекаться в каждый цикл (100 Гц) ускорителя. Извлеченные из колец пучки будут сжиматься в многоступенчатых компрессорах перед инжекцией в плазменные секции.
В работе [52] отмечается, что параметры ускорителя-возбудителя и некоторые схемы основных ускорителей не сильно отличаются от используемых в проекте коллайдера CLIC.
Электронные сгустки, созданные в ускорителе — возбудителе, поступают в ВЧ сепаратор. Увеличение интервала импульсов сепаратора на 100 нс связано с необходимостью учесть время нарастания поля в киккер – инжекторе.

Возбуждение кильватерного поля в плазме протонами

Газ, ионизированный электронными импульсами, может поддерживать кильватерные ускоряющие электрические поля очень большой величины. Так, в плазме, содержащей 10 18 электронов в 1 см 3 , может возникнуть волна с пиковым электрическим полем 100 ГВ/м [53]. В настоящее время считается, однако, что поддерживать эти поля удастся лишь на дистанции около 1м, так что конечный прирост энергии оказывается меньшим.
Потеря темпа ускорения ограничивает длину ускоряющей плазменной секции. Для того, чтобы достичь энергий ТэВ диапазона, требуется либо научиться состыковывать короткие секции, либо удлинять эффективную дистанцию ускорения в каждой секции [72]. Метод удлинения расстояния, на котором происходит эффективное ускорение электронов, недавно был изложен в работах [44,54]. Предлагается для получения электронов с энергией в ТэВ диапазоне сначала вводить в плазму релятивистский протонный пучок с протяженностью сгустков порядка 0,1 мм. Если это удастся сделать, то согласно расчетам можно ускорять электронный пучок на расстоянии в сотни метров при напряженности кильватерного поля в (2-3) ГВ/м и ускорять электроны до энергии порядка 1 ТэВ.
Говоря об использовании протонов для эффективного ускорения электронных пучков необходимо учитывать то обстоятельство, что вводимые частицы должны обладать скоростью приблизительно равной скорости света, чтобы не отстать от кильватерной волны. Это означает, что энергия вводимых электронов должна быть не менее нескольких ГэВ [30].
В работе [54] приводятся результаты компьютерного моделирования плазменного ускорителя, имеющим энергию 1 ТэВ, с протонным возбуждающим пучком. Основные его параметры приведены в Табл.9-4 [54].
Электроны, ускоренные в кильватерном поле, возбужденном протонным пучком достигнут средней энергии 0,62 ТэВ на длине ускорения 450 м. При этом конечный энергетический разброс составит около 1% от максимальной энергии. Полная эффективность (передача энергии от ведомого пучка – ведущему) составит около 10%.

Таблица № 9.4. Расчетные параметры плазменного ускорителя, возбуждаемого протонным пучком

Параметры Величина

Возбуждающий пучок Число протонов в сгустке (10 11 ) 1 Энергия протонов (ТэВ) 1 Начальный энергетический разброс протонов (10%) 10 Начальная длина сгустка, (мкм) 100 Начальное расхождение, (мрад) 0,03 Начальный поперечный размер сгустка,(мм) 0,4 Ведомый пучок Число электронов в сгустке ведомого пучка (10 10 ) 1.5 Энергия инжекции электронов (ГэВ) 10 Конечная энергия электронов (ТэВ)

Параметры плазмы Плотность свободных электронов (см -3 ) 6×10 14 Плазменная длина волны (мм) 1,35 Внешние поля Градиент магнитного поля (Тл/м) 1000 Длина магнитного поля, (м) 0,7

Мы не располагаем сведениями о начале экспериментальной реализации этого проекта.

В книге рассмотрены вопросы создания и использования ЛРУ в коллайдерах ТэВ – го дапазона энергий. В первой части книги ЛРУ или их фрагменты применяются для ускорения частиц в традиционных ВЧ полях.
Часть книги посвящена разработке нового класса коллайдеров, основанных на применении ускоряющих кильватерных полей, которые создаются в вакуумных диэлектрических или плазменных ускорителях. Эти кильватерные поля возбуждаются пучками ЛРУ или сверхмощными лазерами.
Основное внимание уделено лептонным линейным коллайдерам.
Сравнительно много места отведено ускоряющим резонаторам Большого электрон-позитронного коллайдера (БЭПК) на энергию в центре масс 208 ГэВ и большому адронному коллайдеру (БАК) – самой мощной вошедшей в эксплуатацию установке со встречными протонными и ионными пучками, От результатов физических исследований, на коллайдере БАК, в решающей степени будет зависеть судьба других коллайдеров, находящихся сейчас в разработке.

Наиболее надежная работа была достигнута в прототипе коллайдера TESLA (Teraelectronvolt Energy Superconducting Linear Accelerator – сверхпроводящий коллайдер на энергию 0,5 – 0,8 тераэлектронвольт), где использовались сверхпроводящие ускоряющие структуры L – диапазона. Использование сверхпроводимости позволяет также резко уменьшить ВЧ мощность клистронов, питающих резонаторы. Тремя фирмами были изготовлены многолучевые клистроны с импульсной мощностью 10 МВт, работающих на частоте 1,3 ГГц при длительности ВЧ импульса 1,6 мс. Все это позволило перейти к разработке Международного линейного коллайдера (МЛК). Он может быть первым запущен в производство после получения определяющих результатов физических исследований на коллайдере БАК.
Если исследования в БАК покажут, что энергия 0,5 — 1 ТэВ, окажется не достаточной, то будет начато изготовление компактного линейного коллайдера CLIC на энергию 3 ТэВ.
Вероятна также модернизация БАК и длительная его эксплуатация.

Вместо МЛК и CLIC На смену коллайдеру БАК может придти мюонный коллайдер, разработку которого предполагается завершить к 2020 г.

Во всех коллайдерах для получения высокой светимости принимаются меры по уменьшению эмиттанса сталкивающихся пучков. В адронных коллайдерах используется электронное охлаждение. В электрон-позитронных коллайдерах уменьшение эмиттанса, как поперечного, так и продольного, осуществляется за счет потерь энергии на синхротронное излучение с последующей компенсацией излученной энергии посредством ускорения частиц в резонаторах демпфирующих кольцец или накопительном кольце коллайдера. В ряде случаев для уменьшения эмиттанса и энергетического разброса в демпфирующих кольцах используются магнитные компрессоры сгустков. В мюоном коллайдере применяется ионное охлаждение частиц.

Принципиально новой является схема линейного электрон-позитронного коллайдера CLIC, где используется принцип двух-лучевого ускорения. ВЧ мощность в основные многосекционные ускоряющие структуры ЛУ электронов и позитронов поступает не от клистронов, а от де-ускорителей, где тормозится релятивистский пучок ускорителей-возбудителей. Ускорители — возбудители будут работать на сравнительно низких частотах ВЧ колебаний (1ГГц или 3ГГц) и при малом токе пучка (3,5 А или 4,5А). Увеличение частоты и тока в пакете соответственно до 12 ГГц и 100 А будет осуществляться в петле задержки и в комбинирующих кольцах путем суммирования пакетов. Такая схема позволит исключить из состава оборудования ускорителей 12 ГГц клистроны большой мощности.

В настоящее время для получения лептонов Т–диапазона энергий ведется разработка мюонных коллайдеров. Потоки мюонов, создаваемые при бомбардировке протонами мишеней из тяжелых металлов, обладают очень большим эмиттансом и энергетическим разбросом, которые необходимо резко сократить до столкновения мюонов в центре масс. Улучшение эмиттанса посредством синхротронного излучения невозможно из-за большой массы мюонов. Эффективно применение ионного охлаждения частиц. Сейчас основной задачей является экспериментальное исследование ионной системы охлаждения мюонов. Предполагается [66], что при эффективной работе этой системы удастся получить энергетический спектр мюонного пучка даже уже, чем в электрон-позитронном коллайдере CLIC.
Для быстрого ускорения частиц в мюонном коллайдере вероятно потребуется использовать линейные ускорители с возвратом пучка. Согласно [67] для этого будут использованы сверхпроводящие 9-ти резонаторные структуры, подобные ВЧ структурам Международного электрон-позитронного линейного коллайдера.
Разработка мюонных коллайдеров является одним из самых грандиозных проектов в физике элементарных частиц [75]. В частности они окажутся необходимыми, чтобы осуществить более точные физические измерения, проводимые сейчас в коллайдере БАК.

Повышение энергии в центре масс в лептонных коллайдерах ( например до 15 ТэВ) потребует дальнейшего увеличения ускоряющего градиента.
В настоящее время считается, что в ускорителях с традиционным методом ускорения допустимая напряженность ускоряющего электрического поля составляет 100 МэВ/м. С целью ее увеличения для уменьшения габаритов и стоимости коллайдеров ведется разработка коллайдеров с использованием диэлектрических и плазменных ускорителей с кильватерным методом ускорения.
Разработка вакуумных диэлектрических ускорителей показала, что в кильватерном поле, создаваемом пучком ускорителя SLAC c энергией 28,5 ГэВ, в коротких (1 см) алмазных диэлектрических ускорителях с каппилярным внутренним диаметре (105 мкм) возможно достичь напряженности ускоряющего поля в 16,5 ГВ/м. Предполагается поэтапно создать алмазные диэлектрические каппилярные структуры длиной 10 мм и 100 мм.

Значительно большие градиенты были получены в плазменных ускорителях, где кильватерные поля возбуждаются сверхмощными лазерами и ГэВ –ыми электронными пучками.
При использовании лазеров с импульсной мощностью 40 ТВт в каппилярном волноводе из сапфира длиной 3,3 см удалось ускорить электроны до 1 ГэВ ( Е = 30 ГэВ/м).
Надеются, что капиллярные волноводы позволят поддерживать высокую интенсивность лазерного луча, по крайней мере, на длине 1м.

Очень высокие ускоряющие поля были получены в плазме, при возбуждении в ней кильватерных полей пучком ускоренных электронов ускорителя SLAC c энергией электронов 42 ГэВ. При. При длине плазменной секции 84 см энергия электронов на выходе в два раза превосходила энергию возбуждающего сгустка (2×42 ГэВ), создавая такой же прирост энергии, что и 3-х км ускоритель SLAC. Средняя напряженность ускоряющего поля составляла ≈ 50 ГэВ/м.
Были разработаны концептуальные проекты лазерных и пучковых плазменных линейных коллайдеров. Лазерный плазменный фотонный и электрон – позитронный пучковый плазменный линейные коллайдеры рассчитаны на получении в центре масс энергий в 0,5 ТэВ и 0,5 ТэВ – 1 ТэВ соответственно. Длина основного плазменного фотон-фотонного коллайдере с энергией в центре масс 0,5 ТэВ составляет только 0,039 км, что в 280 раз меньше, чем проектная длина одного РЛУ МЛК.

Предполагается, что создание плазменных коллайдеров потребует нескольких десятилетий. Естественно их энергия в центре масс может быть кардинально повышена при увеличении числа ускоряющих плазменных секций, мощности лазера, энергии ЛУЭ – возбудителя.
Разработка коллайдеров способствовала созданию на основе РЛУ новых научно- исследовательских комплексов и установок прикладного назначения.
После прекращения работ по созданию коллайдера NLC на основе его испытательного стенда NLC Test Accelerator – NLCTA был создан испытательный комплекс «Орион», обеспечивающий получение электронных пучков с энергией -350 МэВ при средней мощности 0,67 Вт на энергии 67 МэВ и 3,5 Вт на энергии 350 МэВ. Ускорительный комплекс позволяет ускорять электронные сгустки длительностью 1,8 пс при частоте следования импульсов 10 1/с. Благодаря высокой частоте основных ускоряющих структур стенда (11,414 ГГц), возможно, используя 8 –ую гармонику проводить испытания новых структур (в том числе диэлектрических), работающих на частотах до 91 ГГц.

В связи с прекращением работ по коллайдеру TESLA и окончанию основных экспериментальных работ по созданию МЛК, испытательный стенд Tesla Test Facility (TTF) с ведущимися работами по созданию Европейского лазера на свободных электронах преобразован в комплекс FLASH (Free-Electron Laser in Hamburg). Он является прототипом Европейского лазера на свободных электронах [76,77].

Разработчиками электрон-позитронных коллайдеров были выдвинуты предложения использовать новые клистроны и ускоряющие структуры C и X диапазонов в спиральных томо-терапевтических установках при размещении ускоряющей структуры в барабане томографа, или в стереотактических установоках высокой интенсивности, закрепленных на потолке [59], а также и в компактных терапевтических ЛУЭ. Следует, однако, отметить, что пока многие из этих предложений применения на практике еще не получили. Созданы и имеют распространение спиральные томо-терапевтические установки, но согласно имеющихся у нас сведениям, они работают в традиционном S — диапазоне частот [60]. Создается электронный генератор рентгеновского излучения, который основан на эффекте томсоновского или комптоновского рассеяния лазерного луча на пучке релятивистских электронов. Этот генератор заполняет пробел между рентгеновскими трубками и синхротронными источниками в части величины светимости, средней интенсивности, габаритам и стоимости [61-63].

Литература к Главе 4 и Заключению

[1] «Об ускорении электронов при возбуждении кильватерных полей в диэлектрических структурах последовательностью релятивистских электронных сгустков »// Кисилев В.А и др./ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2008, № 4. Серия Плазменная электроника и новые методы ускорения (6), 70 – 72.

[2] “Results from the Argonne Wakefield Accelerator Test Facility” // V.Gay et all/Proceedings of LINAC2002. Gyeongju, Korea, pp. 587-589

[3] “ Experimental Demonstration of Two-Beam Acceleration Using Dielectric Step-up Transformer // Wei Gai et all/ http://www.ipd.anl.gov/anlpubs/ 2001/07/40031.pdf.

[4] “ High Gradient Tests of Dielectric Wakefield Accelerator Structures” // J.G. Power et all / US High Gradient Research Collaboration Workshop, SLAC May 24 2007, http://www-conf.slac.stanford.edu/hg2007/talks/HG2007_JP_final_Power . pdf

[5] “ Experimental Studies of W-Band Accelerator Structure at High Field “ // M. H. Hill / SLAC – Report – 560, November 2000.

[6] “ Power Generation and Extraction Using a Rectangular Dielectric Loaded Waveguide” // Z. Lu et all./ http://usri-test intec.ungent.be/files/URSIGA08/papers/BPS5p3.pdf

[7] « Использование многослойного диэлектрического заполнения для уменьшения потерь мощности в ускорительных структурах » // А. М. Альтмарк и А.Д. Канарейкин / Письма в ЖТФ, 2008, том 34, Вып. 4 , с.81

[8] “ Development of a dielectric-loaded test accelerator” // Gold, S.H. et all / Proceedings of Particle Accelerator Conference, 2007. PAC. IEEE, p 3211-3213

[9] “ High power testing of fused quartz-based dielectric-loaded accelerating structure // Jing, C. et all / Proceedings of the Particle Accelerator Conference, 2007. PAC. IEEE, p. 3157-3159.

[10] “ High — Gradient Millimeter – Wave Accelerator in a Planar Dielectric ” // Hill Mare E. at all / Physical Reviev Letters, vol. 87, Issue 9, id. 094801 (2001>

[11] Flesher and G. Cohn / AIEE Transaction, 70, 887 (1951).

[12] “ Externally Powered Dielectric Loaded Waveguides as accelerating structure” // Wai Gai et all / http://accelconf.web.cern.ch /AccelConf/pac97/papers/pdf/6V037.

[13] “ High Gradient Dielectric Wakefield Device Measurements at the Argonne Wakefield Accelerator” // P. Schoessow et all

[14] “ The Argonne Wakefield Accelerator Facility: Capabilities and Experiments “// Manuel Conde / 2004 AAC Workshop, http://www.bnl.gov/ATF/Meetings/AAC04/plenaryabstructs/BNLsession/ 002 Manuel Conde .pdf.

[15] “ Performance of the Argonne Wakefield Accelerator Facility and Initial Exsperimental Results” // W. Gai et all / http//accelconf.web.cern/accelcon/96/PAPERS/MO301.

[16] “ High Gradient in Dielectric Loaded Wakefields Structure // M. Conde / AAC 08 Santa Cruz. //: accelconf.web.cern.Ch/Accelconf/06/PAPERS/THP065.PDF

[17 ] “ High Gradient Tests of Dielectric Wakefield Accelerator Structures” // J.G. Power et all / US High Gradient Research Collaboration Workshop, SLAC May 24 2007, http://www-conf.slac.stanford.edu/hg2007/talks/HG2007_JP_final_Power . pdf

[18] “ Breakdown Limits on Gigavolt-per-Meter Electron – Beam – Driven Wakefields in Dielectric Structures // M. C. Thompson et all / PRL 100. 214801 (2008) PHYSICAL REVIW LETTERS. Week ending 30 May 2008

[19] “ Developments on Diamond-Based Cylindrical Dielectric Accelerator Structure” // A. Kanareykin et all / Proceedings of EPAC 2006, WEPLS039, p. 2460-2462.

[20] “ CVD Diamond Dielectric Accelerating Structures” // P. Schoessow et all / http://absabs.harvard.edu.abs/2009 AIPS.1086..398S .

[21] “ Breakdown Limits on Gigavolt-per-Meter Electron – Beam – Driven Wakefields in Dielectric Structures // M. C. Thompson et all / PRL 100. 214801 (2008) PHYSICAL REVIW LETTERS. Week ending 30 May 2008

[22] “ Dielectric Wakefield Accelerator Experiments at the SABER Facility”// Travish et al.

[23] “Femtosecond Electron Bunch Lengths in the SLAC FFTB Beamline”// P.Emma et all/ SLAC-PUB-8850

[24] “CVD Diamond Dielectric Accelerating Structures”//Schoessow, P.; Kanareykin, A.; Gat, R. /ADVANCED ACCELERATOR CONCEPTS: Proceedings of the Thirteenth Advanced Accelerator Concepts Workshop. AIP Conference Proceedings, Volume 1086, pp. 398-403 (2009).

[25] “The Orion Facility”// R. H. Siemann et al./

[26] “ C-Band high power rf generation end extraction using a dielectric loaded wave guide // Gao, F. et all / Proceedings of the Particle Accelerator Conference 2007. PAC IEEE, p 2912-2914.

[27] « Пятизонная двухканальная диэлектрическая структура для экспериментов по двухпучковому ускорению в ANL »// Сотников Г. В. И др. / Problems of Atomic Science

and Technology, 2008. № 3. Series: Nuclear Physics Investigation (49), p. 148-152.

[28] “ Two Canell Dielectric-Lined Rectangular High Transformer Ratio Structure and Acceleration Experiment” // Sergey Shchelkunov et all / High Gradient Meeting at Maryland January 2008.

[29] “Development of an X –Band Hybrid Dielectric- Iris – Loaded Accelerator”// Xiaodong et al./ Proceeding of EPAC08, Genoa, Italy, WEPP083

[30]« Плазменные ускорители» // Чандрашекар Джоши / В мире науки, май 2006, № 5

[31]” Plasma-Based Particle Accelerators: A Case Study in the Development of a New Accelerator Technology” //Chan Joshi / AAPPS Buletin February 2008, Vol. 18, No.1

[32] « В.И. Векслер: коллективное ускорение электронов// Э.А. Перельштейн / ОИЯИ, 2007, http::// the jinr.ru /rus/veksler100/reports/reports/perelshtejn.pdf

[33] “Scaling Laws for Laser Wakefield Accelerators”// E. Esarev and W.P. Leemans/ Ppoceedings of the 1999 Particle Accelerator conference, New York, 1999, pp 3699-3701

[34] “Зачем нужны сверхмощные лазерные импульсы» //Л.М. Горбунов / «Природа № 4 2007.

[35] “High-quality electron beams from a laser wakefield accelerator using plasma-channel guiding”// C. G. R. Geddes et al./ Nature. Vol.431.30 September 2004 pp. 538-541; www. nature.com/nature

[36] “Chirped pulse amplification — Wikipedia, the free encyclopedia” Encyclopedia of Laser Physics and Technology: http://www.rp-photonics.com/chirped_pulse_amplification.html.

[37] “ A Laser-plasma accelerator producing monoenergetic electron beams” // J. Faure et al./ NATURE. Vol 431, 30 September 2004, pp.541-544

[38] “ Electron accelerator from the breaking of relativistic plasma waves” // A/Modena et

al./NATURE. Vol 377. 19 October 1995, pp 606-608

[39] “GeV electron beams from a centimeter-scale accelerator”// W. P Leemans l et al./ Nature Physics 2, 696 — 699

[40] “ Laser-driven electron acceleration in plasmas with few-cycle pulces” // L. Veisz et al./ “Comptes Rendus PHYSIQUE” 10 (2009) 140-147; www.sciencedirect.com

[41] « Плазменные ускорители преодолели рубеж 1 ГэВ» // А. Левин / Элементы – новости науки. 29.09.06.

[42] “ Laser-driven electron acceleration in plasmas with few-cycle pulces” // L. Veisz et al./ “Comptes Rendus PHYSIQUE” 10 (2009) 140-147; www.sciencedirect.com

[43]”Particle Injection into the Wave Acceleration Phase Due to Nonlinear Wake Wave-Breaking”// Bulanov Sergei et al/ J Plasma Fusion Res SERIES, Vol.2 (1999) 141-144

[44] “Big Physics Gets Small. Laser and Beam-Driven Wakefield Acceleration”// Chan Joshi / Scientific American. Fabruary (2006)

[45] “Proton –driven plasma-wakefield acceleration”// Allen Caldwell et al. / Nature Physics 5, 363 — 367 (2009)

[46] “ Mechanism and Control of High-Intensity-Laser-Driven Proton Acceleration”// T. Lin at al./ University of Nebraska – Lincoln (2004) digitalcommons.unl.edu/cgi/vievcontent.cgu?article = 0637&context

[47] «Первое применение лазерных ускорителей будет медицинским» //И. Иванов /Интернет. Элементы. Новости науки 2.06.08.

[48] “ Multi-GeV Energy Gain in Plasma-Wakefield Accelerator”// M/I Hogan et al./ Physical Review Letters Vol.95, 054802, 29July 2005

[49] “Results of the Energy Doubter Experiment at SLAC”//Hogan et al./ Proceedings of 22 nd Particle Conference 07 June 2007, USA, WEYK101.

[50] Журнал «Наука и техника», №4,2009

[51] “Energy doubling of 42 GeV electrons in a metre-scale plasma wakefield accelerator”// Jan Blumenfeld et al./ Nature . Vol. 445, 15 February 2007 Letters

[52] “ A Concept of Plasma Field Acceleration Linear Collider (PWFA-LC)”// Andrei Servi, Mark Hogan et al./ SLAC PUB 13766

[53] “Плазменный ускоритель электронов до Тэвных энергий”// И.Иванов / novostinauki.ru/news/8878/

[54] “ Preliminary Study of Proton Driven Plasma Wakefield Acceleration”// A. Caldwell et al./ Proceedings of PAC09, Vancuver. BC, Canada. FR5RFP011

[55] “RF Breakdown Studies in Room Temperature Electron Linac Structures / Gregory A. Loew and W. Wang // Slac-PUB-4647, May 1988.

[56] “ Gradient Limitation For High-frequency Accelerators”/ Döbert // Proceedings of Linac 2004, Lübeck, Germany, WE 101

[57] “ The Physics & Technology of a 0,5 to 1,0 TeV Linear colliders”.// Stuart Tovey – Wollongang – 2004./ Интернет, SNT- Wollongang, ppt

[58] “ Development of Compact Hard X-Ray Source Based on Laser-Electron Collision Using X-Band Linac” / Katsuhiro Dobashi et all // Proceeding of EPAC 2002, Paris, France, pp. 677-679.

[59] “Medical application of C-band accelerator technologies”.// E Tanabe et al./ Proceedings of the XIX International Linac Conference. August 23-28, 1998. Chicago, Illinois USA, pp 627-629.

[61] “ Development of Compact Hard X – Ray Source Based On Laser-Electron Collision Using X-Band Linac” // Katsuhiro Dobashi et all / Proceedings of EPAC 2002, Paris, France

[62] “ Compact X–band (11,424 GHz) Linac for Cancer Therapy // N.H. Quyet et all / Proceedings of EPAC 2004, Lucerne, Switzerland, p. 2670-2672

[63] “ Beam generation and acceleration experiments of X-Band linac and monochromatic keV X-rey source of University of Tokyo” // Sakamoto, F et all / Particle Accelerator Conference, 2007. PAC. IEEE, p.2784-2786.

[64]“4 XFEL accelerator” // [http://xfeld.desy.de/tdr/tdr]

[65]“The European X-Ray Free-Electron Laser. Technical design report” // http://xfel.desy.de/localfs.Explorer_read?Current.Path =afs/desy.de/group/xfel/wof/EPT/TRD/XFEL-TRD-final.pdf.

[66]”Accelerator R&D Toward Muon Collider and Neutrino Factory”//V. Shiltsev/ www1.jinr.ru/Pepan_letters/panl_7_2010/01-shil.pdf.

[67] “Overview of Muon Collider Project “//K. Yonehara/ www-kuno.phys.sci.osaka-u.ac.jp/. /081020muonWS/. /081021-10- Yonehara.pdf

[68]”Summary Report of Working Group 4: e-Beam Driven Accelerators”.// V. Yakimenko1 and R. Ischebeck / www.slac.stanford.edu/grp/arb/tn/arbvol5/AARD495.pdf

[69] “CONCEPTUAL DESIGN OF THE DRIVE BEAM FOR A PWFA-LC”// S.Pei et al. // Particle Accelerator Coference, PAC 09? Vancouver, Canada, May 4-8, 2009 www.slac.stanford.edu/cgi-wrap/getdoc/slac-pub-13723.pdf

[70] “ Results on CLIC Proof of Principle from CTF3”// R. Corsini/ Proceedings of PAC07, Albuquerque, New Mexsico, USA, WEZAB02, pp. 1979-1983. accelconf.web.cern.ch/accelconf/p07/papers/wezab02.pdf

[71] W. P. Leemmans, et al.,//Nature Phys. 2 (20060 696.

[72] K. Nakamura, et al.// Phys. Plasmas 14 (2007) 056708

[73] Laser-Plasma-Accelerator- Based γγ Colliders”// C.B. Schroeder et al.// Proceedings of PAC09, Vancouver, BC, Canada. WE6RFP078, pp.1-3

[74] T. Tajima and J. Dawson // Phys. Rev. Lett. 43, 267 (1979)

[75]«Охлаждение мюонного пучка – рождение аналитической теории» // И.П. Иванов /

[76] “The European X-ray Laser Project (XFEL// qi3.info/RFRoadMap/. /X-ray%20Free%20Electron%20Laser%20(XFEL). pdf

[77] “The TTF/FEL (FLASH) as the prototype for the europen XFEL project”// H. Weise / Proceedings of LINAC 2006, Knoxvill, Tennessee USA. WE1003, pp. 486-490.

Будущее на пороге: отложенная старость, гаджеты-невидимки и человек VS робот

Во что превратятся нынешние смартфоны в ближайшие десятилетия? Есть ли у нас шансы прожить до 150 лет? Смогут ли медики наконец-то победить рак? Увидим ли мы на своем веку идеальный капитализм? Обо всем этом физик-теоретик и популяризатор науки Митио Каку расспросил более 300 ведущих ученых со всего мира. Автор множества бестселлеров недавно лично приехал в Москву на III Форум социальных инноваций регионов, чтобы рассказать, что ждет нас в недалеком будущем.

1.Медицина и жизнь

1. Уже к 2050 году мы сможем преодолеть привычный порог продолжительности жизни, стремясь жить до 150 лет и даже дольше. Ученые обещают замедлять процесс старения самыми разными методами. В их числе — и терапия стволовыми клетками, и запасные части тела, и генная терапия для ремонта и приведения в порядок стареющих генов.

2. Одно из самых перспективных направлений увеличения продолжительности жизни — замена изношенных органов. Медики вырастят органы из клеток нашего же тела, и организм не будет их отторгать. Уже сейчас успешно выращивают хрящи, сосуды и артерии, кожу, костный материал, мочевой пузырь, на очереди самые сложные органы — печень и мозг (с последним ученым, видимо, придется еще долго повозиться).

3. Медицина будущего прогнозирует успешную борьбу со многими болезнями, например, с нашим злейшим врагом — раком. Сейчас его часто обнаруживают уже на опасных стадиях, когда раковые клетки исчисляются миллионами и даже триллионами.

Крошечные устройства смогут брать «пробы» на биопсию и даже проводить небольшие хирургические операции

В будущем, утверждает футуролог, можно будет замечать единичные клетки. И делать это будет даже не врач, а. унитаз (цифровой, естественно). Оснащенный датчиками и соответствующими программами, он проведет анализы на онкомаркеры и обнаружит отдельные раковые клетки за десять лет до образования опухоли.

4. Наночастицы будут прицельно искать и уничтожать те же раковые клетки, доставляя лекарство точно к цели. Крошечные устройства смогут снимать нужные хирургам области изнутри, брать «пробы» на биопсию и даже проводить небольшие хирургические операции.

5. К 2100 году ученые, возможно, научатся обращать вспять процессы старения при помощи активации механизмов восстановления клетки, и тогда продолжительность жизни человека вырастет в несколько раз. Теоретически это будет означать бессмертие. Если ученые и вправду продлят нам жизнь, кто-то из нас сможет до него дожить.

2.Технологии

1. Увы, наша зависимость от гаджетов станет тотальной. Компьютеры будут окружать нас повсюду. Точнее, это уже не будут компьютеры в нынешнем понимании — цифровые чипы станут настолько малы, что смогут разместиться, к примеру, в линзах. Вы моргаете — и входите в интернет. Очень удобно: к вашим услугам все сведения о маршруте, каком-либо событии, людях в поле вашего зрения.

Школьникам и студентам не нужно будет заучивать цифры и даты — зачем, если им и так доступна любая информация? Система образования и роль преподавателя кардинально изменятся.

2. Изменятся технологии и само представление о гаджетах. Нам не нужно будет больше покупать смартфон, планшет и ноутбук. Технологии будущего (тот же квантовый компьютер или устройство на основе графена) позволят довольствоваться универсальным гибким устройством, разворачивающимся в зависимости от нашего желания от маленького до гигантского размера.

3. По сути, вся внешняя среда станет цифровой. В частности, при помощи «катомов» — компьютерных чипов размером с крошечную песчинку, обладающих способностью притягиваться друг к другу, меняя статический электрический заряд по нашей команде (сейчас создатели катомов работают над их миниатюризацией). В идеале их можно будет выстроить в любой форме. А значит, мы сможем без труда менять одну модель машины на другую, просто перепрограммируя «умную» материю.

Достаточно будет придать ускорение, и автомобили с поездами начнут быстро парить над поверхностью земли

Да и на Новый год нам не придется покупать близким новые подарки. Достаточно будет купить и установить специальную программу, и материя сама преобразится, став новой игрушкой, мебелью, бытовой техникой. Можно будет перепрограммировать даже обои.

4. В ближайшие десятилетия 3D-технология станет универсальной. Любую вещь можно будет просто распечатать. «Мы будем заказывать чертежи нужных вещей и распечатывать их на 3D-принтере, — утверждает профессор. — Это могут быть детали, игрушки, кроссовки — да что угодно. С вас снимут мерку и, пока вы пьете чай, распечатают кроссовки выбранной модели». Распечатывать будут и органы.

5. Самый перспективный транспорт будущего — на магнитной подушке. Если ученые смогут изобрести сверхпроводники, работающие при комнатной температуре (а все к этому идет), у нас появятся дороги и машины на супермагнитах. Достаточно будет придать ускорение, и автомобили с поездами начнут быстро парить над поверхностью земли. Еще раньше автомобили станут умными и беспилотными, что позволит пассажирам-водителям заниматься своими делами.

3. Профессии будущего

1. Роботизация планеты неизбежна, но совсем не обязательно это будут андроиды. В ближайшие десятилетия прогнозируют развитие экспертных систем — например, появления рободоктора или робоюриста. Скажем, у вас заболел живот, вы обращаетесь к интернет-экрану и отвечаете на вопросы рободоктора: где болит, как часто, с какой периодичностью. Он изучит результаты анализов из вашей ванной, оснащенной чипами ДНК-анализаторов, и выдаст алгоритм действий.

Появятся, вероятно, и «эмоциональные» роботы — механические подобия кошек и собак, способные отвечать на наши эмоции. Роботы-хирурги, повара и прочие специалисты также усовершенствуются. Будет происходить и процесс слияния людей и машин — через роботизированные конечности, экзоскелеты, аватары и подобные им формы. Что же касается появления искусственного интеллекта, который превзойдет человеческий, то большинство ученых отодвигают его появление к концу века.

2. Роботы постепенно заменят людей, чьи обязанности основаны на повторяющихся операциях. Уйдут в прошлое профессии рабочих на конвейере и всевозможных посредников — брокеров, кассиров и так далее.

Найдут себе прекрасное применение специалисты в области человеческих взаимоотношений — психологи, преподаватели, юристы, судьи

3. Останутся и будут процветать те типы профессий, в которых машины не могут заменить homo sapiens. Во-первых, это профессии, связанные с распознаванием образов и предметов: сбором и сортировкой мусора, ремонтом, строительством, садоводством, сферой услуг (например, парикмахерским искусством), охраной порядка.

Во-вторых, найдут себе прекрасное применение специалисты в области человеческих взаимоотношений — психологи, преподаватели, юристы, судьи. И, конечно, будут востребованы лидеры, способные анализировать множество данных, принимать решения и вести за собой других.

4. Наибольший расцвет переживут «интеллектуальные капиталисты» — те, кто могут писать романы, сочинять стихи и песни, писать картины или создавать на сцене образы, изобретать, исследовать — словом, что-то придумывать и открывать.

5. Человечество, по прогнозам футуролога, вступит в эру идеального капитализма: производитель и потребитель будут владеть полной информацией о рынке, и цены на товар будут абсолютно обоснованы. Выиграем от этого, в основном, мы, поскольку мгновенно будем получать всю информацию о товаре (его составляющих, свежести, актуальности, себестоимости, ценах у конкурентов, отзывах других пользователей). Нам осталось до этого каких-то полвека.

Об эксперте

Митио Каку — физик-теоретик, профессор Нью-Йоркского университета, популяризатор науки, автор научно-популярных книг (в том числе — «Физика невозможного», «Будущее разума») и ведущий телепередач.