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撞击特定目标的装置。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。

世界上最大、最先进的粒子加速器消耗着巨大的能量。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中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。

“粒子加速器有紧凑的设计，例如用于X光机的那些，以及用于基础研究的大型设施，”进行这项研究的研究人员之一Manuel Dutine告诉 Phys.org。“后者尤其消耗大量能量。这就提出了一个问题，即附加值是否证明实现大型研究加速器设施是合理的，特别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及其同事工作的主要目标是创建一个加速器，使用一种称为能量回收的技术来帮助满足这些需求，同时消耗更少的能量。

“粒子加速器中能量回收的概念并不新鲜，而是在不断发展，”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圈加速度相结合，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消耗能量。高能加速光束可能与静止目标、另一束粒子甚至激光碰撞，可能导致所需的反应，然后可以对其进行研究。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，剩余的光束以高能量倾倒，能量被浪费，”Dutine说。“在ERL(能量回收直线加速器)中，光束的能量通过减速束来回收。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束。

到目前为止，Dutine及其同事开发的ERL加速器已经取得了非常有希望的结果。在最初的测试中，该团队测量了其能量回收和再循环(即，使用回收的能量来加速随后的粒子束)，同时加速电子束。

“通过测量节能效果，我们证明了多圈能量回收概念是有效的，”Dutine说。“我们测量到主加速器中回收高达87%的消耗光束功率。这种节能在财务上与千兆瓦功率的光束相关，或者可能有助于减少大型设施的能源消耗足迹。

由该研究团队创建的新型多圈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，消耗更少的功率，同时仍能实现高光束能量。未来，其独特的设计可以为其他加速器的开发提供信息，使其具有更低的制造成本和能耗，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。

“对于光束电流，光束能量和匝数增加的设施，节能潜力甚至更大，”Dutine补充道。“在这里，我们受到现有设施属性的限制。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，将这项研究扩展到下一代设施，我们希望包括我们目前的发现，在更大规模的粒子加速器中建立能量回收，从而说服国际科学中心或行业的潜在用户考虑能量回收以满足他们的粒子加速器需求。