怎么加速能量收集器，能量加速器原理

以多圈能量回收模式运行的超导达姆施塔特线性电子加速器(S-DALINAC) 的图像。资料来源：J.-C. Hartung 图片来源：Schliesmann 等人

粒子加速器是一种利用电磁场加速粒子的装置，使粒子碰撞在一起或撞击特定目标。这些设备被物理学家广泛用于研究粒子、驱动粒子的力以及粒子之间的相互作用。

世界上最大、最先进的粒子加速器消耗大量能源。在发表于《自然物理学》 的论文中，达姆施塔特理工大学的研究人员最近介绍了一种粒子加速器的新测量方法，该方法可在保持高束流功率的同时降低能耗。

进行这项研究的研究人员之一曼努埃尔·杜廷(Manuel Dutin) 告诉Phys.org，“粒子加速器设计紧凑，例如X 射线机中使用的粒子加速器，以及用于基础研究的大型设施。” “后者尤其消耗大量能源。这提出了一个问题，即其附加值是否证明实现大规模研究加速设施是合理的，特别是从经济和可持续性的角度来看。”

未来的大规模粒子物理研究将需要具有越来越高束功率的加速器。 Dutine 及其同事研究的主要目标是使用一种称为能量收集的技术来创建满足这些需求同时减少能耗的加速器。

“粒子加速器能量回收的概念并不新鲜，但它在不断发展，”杜廷解释道。 “为了减少资源需求并获得更高的光束能量，能量回收概念需要与多圈加速相结合，这就是我们研究的目标。

多圈能量回收模式中的各个步骤。产生电子束，加速至最大能量，并可用于实验（1）-（5）。在传统模式中，电子束在实验(6)中使用后以高能量发射，并且电子束中存储的能量被浪费。在能量回收模式下，电子束减速(7) (10)，然后以低能量发射(11)。减速期间，能量在主直线加速器腔内回收。通过加速随后的电子束来恢复恢复的能量。通过两次（多次）通过主加速器可以获得更高的束流能量。图片来源：F. Schliessmann 等人/《自然物理学》 图片来源：Schliessmann 等人。

加速器加速光束（本质上是大量粒子的集合），但这个过程必然会消耗能量。高能加速光束可以与静止目标、另一个粒子束甚至激光碰撞，从而触发所需的反应，然后可以对其进行研究。然而，由于感兴趣的反应非常罕见，光束中的大多数粒子最终在实验过程中不会与任何东西相互作用。

“在传统的加速器中，剩余的光束以高能量发射，这浪费了能量，”杜廷说。 “在ERL（能量回收直线加速器）中，通过使光束减速来回收光束的能量。能量暂时存储在加速结构的微波场中，然后加速下一个低能光束。它可以用于为了。”

到目前为止，Dutine等人开发的ERL加速器已经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的同时测量了能量回收和再循环（即使用回收的能量加速下一个粒子束）。

“我们通过测量节能证明了多回转能量回收概念的工作原理，”杜廷说。 “我们测量到，高达87% 的扩展束流功率在主加速器中得到了回收。这种节能对于千兆瓦功率束流或大型设施的能源消耗具有经济意义。它可以帮助减小体积。”

研究团队开发的新型多转能量回收加速器可以帮助更高效、更可持续地进行物理研究，在使用更少功率的同时实现更高的束流能量。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参考，进一步促进可持续研究。杜廷和他的同事现在正计划升级粒子加速器并建造一台新的。

“在束电流、束能量和匝数增加的设施中，节能潜力更大，”Dutine 补充道。 “由于现有设施的特点，这里存在局限性。我们已经开始与科学合作伙伴、资助机构和我们部门讨论，将这项研究扩展到下一代设施。我们希望将我们目前的发现转化为能源的建立更大规模的回收。”这将说服国际科学中心和工业界的潜在用户考虑能量回收以满足其粒子加速器的需求。可以。

更多信息：Felix Schliessmann 等人，多匝能量回收加速器的实现，《自然物理学》（2023 年）。 doi：10.1038/s41567-022-01856-w。

杂志信息：《自然物理学》