一种多圈能量回收加速器以更低的功耗实现高光束功率

粒子加速器是使用电磁场加速粒子并将它们碰撞在一起或与特定目标碰撞的设备。这些设备被物理学家广泛用于研究粒子、驱动它们的力以及它们之间的相互作用。

世界上更大、最先进的粒子加速器消耗了大量的能量。在《自然物理学》上发表的一篇论文中，达姆施塔特工业大学的研究人员最近在他们的粒子加速器上引入了一种新的测量方法，可以保持高光束功率，同时消耗更少的能量。

进行这项研究的研究人员之一曼努埃尔·杜廷(ManuelDutine)告诉Phys.org：“粒子加速器有紧凑型设计，例如用于X光机的那些，以及用于基础研究的大型设施。”.“后者尤其消耗大量能源。这引发了一个问题，即附加值是否证明大型研究加速器设施的实现是合理的，尤其是从经济和可持续的角度来看。”

未来的大规模粒子物理研究将需要具有越来越高光束功率的加速器。Dutine和他的同事们这项工作的主要目标是创建一种加速器，该加速器可以帮助满足这些需求，同时使用一种称为能量回收的技术来消耗更少的能量。

“粒子加速器中能量回收的概念并不新鲜，而是在不断发展中，”Dutine解释说。“为了在减少资源需求的情况下获得更高的光束能量，能量回收概念应该与多转加速相结合，这是我们研究的目的。”

加速器加速光束，光束本质上是一大组粒子，这个过程不可避免地会消耗能量。高能加速光束可能会与静止目标、另一束粒子甚至激光发生碰撞，可能会导致随后可以研究的所需反应。然而，感兴趣的反应非常罕见，光束中的大多数粒子在实验过程中最终不会与任何东西相互作用。

“在传统的加速器中，剩余的光束以高能倾倒，能量被浪费了，”杜廷说。“在ERL(能量回收直线加速器)中，光束的能量通过使光束减速来回收。能量暂时存储在加速结构的微波场中，之后可用于加速下一个即将到来的低能量光束。”

Dutine和他的同事开发的ERL加速器迄今取得了非常有希望的结果。在最初的测试中，该团队在加速电子束时测量了它的能量回收和再循环(即使用回收的能量来加速后续粒子束)。

“通过测量节能情况，我们证明了多回转能量回收概念是有效的，”Dutine说。“我们测量了主加速器中高达87%的消耗光束功率的恢复。这种节能对于具有千兆瓦功率的光束具有财务相关性，或者可能有助于减少大型设施的能源消耗足迹。”

由这组研究人员创建的新型多圈能量回收加速器可以帮助更有效、更可持续地开展物理研究，消耗更少的能量，同时仍能获得远光能量。未来，其独特的设计可以为其他制造成本和能耗更低的加速器的开发提供信息，从而进一步促进可持续研究。Dutine和他的同事现在正计划升级他们的粒子加速器并建造一个新的加速器。

“随着射束电流、射束能量和匝数的增加，节能潜力更大，”Dutine补充道。“在这里，我们受到现有设施特性的限制。我们已经开始与科学合作伙伴、资助机构和我们的部门进行讨论，以将这项研究扩展到下一代设施，我们希望在其中包括我们目前的发现，建立粒子加速器中更大规模的能量回收，从而说服国际科学中心或工业界的潜在用户考虑能量回收以满足他们的粒子加速器需求。”