Máy gia tốc phục hồi năng lượng nhiều lượt đạt được công suất chùm tia cao với mức tiêu thụ điện năng thấp hơn
Hình ảnh máy gia tốc điện tử tuyến tính Darmstadt siêu dẫn (S-DALINAC) vận hành ở chế độ thu hồi năng lượng nhiều vòng. Nguồn: J.-C. Hartung , Nguồn: Schliessmann et al.
Máy gia tốc hạt là thiết bị sử dụng trường điện từ để tăng tốc các hạt và cho chúng va chạm với nhau hoặc va chạm vào một mục tiêu cụ thể. Các thiết bị này được các nhà vật lý sử dụng rộng rãi để nghiên cứu các hạt, lực điều khiển chúng và tương tác giữa chúng.
Các máy gia tốc hạt lớn hơn và tiên tiến nhất trên thế giới tiêu thụ một lượng năng lượng khổng lồ. Trong một bài báo đăng trên Nature Physics, các nhà nghiên cứu tại Technische Universität Darmstadt gần đây đã giới thiệu một phép đo mới tại máy gia tốc hạt của họ. Phép đo này có thể duy trì năng lượng chùm tia cao trong khi tiêu thụ ít năng lượng hơn đáng kể.
"Máy gia tốc hạt có sẵn trong các thiết kế nhỏ gọn, chẳng hạn như máy dùng cho máy X-quang và là cơ sở quy mô lớn được sử dụng cho nghiên cứu cơ bản," Manuel Dutine, một trong những nhà nghiên cứu thực hiện nghiên cứu, nói với Phys.org . "Đặc biệt, loại thứ hai tiêu thụ một lượng năng lượng khổng lồ. Điều này đặt ra câu hỏi liệu giá trị gia tăng có biện minh cho việc hiện thực hóa các cơ sở máy gia tốc nghiên cứu lớn hay không, đặc biệt là từ quan điểm kinh tế và bền vững."
Nghiên cứu vật lý hạt quy mô lớn trong tương lai sẽ cần đến các máy gia tốc có công suất chùm tia ngày càng cao. Mục tiêu chính của công việc của Dutine và các đồng nghiệp của ông là tạo ra một máy gia tốc có thể giúp đáp ứng những nhu cầu này trong khi tiêu thụ ít năng lượng hơn, sử dụng một công nghệ được gọi là phục hồi năng lượng.
Dutine giải thích: "Khái niệm phục hồi năng lượng trong máy gia tốc hạt không phải là mới nhưng đang được phát triển liên tục". "Để đạt được năng lượng chùm tia cao hơn với nhu cầu tài nguyên giảm, khái niệm phục hồi năng lượng nên được kết hợp với khả năng tăng tốc nhiều lượt, đó là mục đích nghiên cứu của chúng tôi."
Các bước riêng lẻ của chế độ phục hồi năng lượng nhiều lượt. Chùm điện tử được tạo ra, gia tốc đến năng lượng cực đại và sau đó có thể được sử dụng cho thí nghiệm (1)-(5). Ở chế độ thông thường, chùm tia sẽ được giải phóng năng lượng cao sau khi nó được sử dụng cho một thí nghiệm (6), trong đó năng lượng được lưu trữ trong chùm điện tử sẽ bị lãng phí. Trong chế độ thu hồi năng lượng, thay vào đó, chùm tia điện tử được giảm tốc (7)-(10) và sau đó được bán phá giá ở mức năng lượng thấp (11). Trong quá trình giảm tốc, năng lượng được phục hồi trong các khoang của máy gia tốc tuyến tính chính. Năng lượng thu hồi sau đó được tái chế bằng cách tăng tốc các chùm điện tử tiếp theo. Bằng cách đi qua máy gia tốc chính hai lần (nhiều lượt), có thể đạt được năng lượng chùm tia cao hơn. Tín dụng: F. Schliessmann et al./Vật lý tự nhiên. Tín dụng: Schliessmann et al.
Các máy gia tốc gia tốc các chùm, về cơ bản là một tập hợp lớn các hạt, và quá trình này chắc chắn sẽ tiêu tốn năng lượng. Một chùm tia gia tốc năng lượng cao có thể va chạm với một mục tiêu đang nghỉ ngơi, một chùm hạt khác hoặc thậm chí là ánh sáng laze, có khả năng dẫn đến các phản ứng mong muốn mà sau đó có thể được nghiên cứu. Tuy nhiên, các phản ứng đáng quan tâm là rất hiếm và hầu hết các hạt trong chùm tia cuối cùng không tương tác với bất kỳ thứ gì trong một thí nghiệm.
Dutine cho biết: “Trong một máy gia tốc thông thường, chùm tia còn lại được truyền đi với năng lượng cao và năng lượng bị lãng phí. "Trong ERL (linac phục hồi năng lượng), năng lượng của chùm tia được phục hồi bằng cách giảm tốc các chùm. Năng lượng được lưu trữ tạm thời trong các trường vi sóng trong các cấu trúc gia tốc và sau đó có thể được sử dụng để tăng tốc các chùm năng lượng thấp sắp tới."
Máy gia tốc ERL do Dutine và các cộng sự của ông phát triển cho đến nay đã đạt được những kết quả rất hứa hẹn. Trong các thử nghiệm ban đầu, nhóm nghiên cứu đã đo khả năng thu hồi và tái chế năng lượng của nó (nghĩa là việc sử dụng năng lượng thu hồi để gia tốc các chùm hạt tiếp theo) trong khi gia tốc một chùm điện tử.
Dutine cho biết: "Bằng cách đo lường mức tiết kiệm năng lượng, chúng tôi đã chứng minh rằng khái niệm thu hồi năng lượng theo nhiều lượt hoạt động". "Chúng tôi đã đo lường mức phục hồi lên tới 87% năng lượng chùm tia tiêu thụ trong máy gia tốc chính. Mức tiết kiệm năng lượng này có liên quan về mặt tài chính đối với các chùm tia có công suất Gigawatt hoặc có thể giúp giảm mức tiêu thụ năng lượng cho các cơ sở quy mô lớn."
Máy gia tốc phục hồi năng lượng nhiều vòng mới do nhóm các nhà nghiên cứu này tạo ra có thể giúp thực hiện các nghiên cứu vật lý hiệu quả và bền vững hơn, tiêu thụ ít năng lượng hơn trong khi vẫn đạt được năng lượng chùm tia cao. Trong tương lai, thiết kế độc đáo của nó có thể cung cấp thông tin cho sự phát triển của các máy gia tốc khác với chi phí chế tạo và mức tiêu thụ năng lượng thậm chí còn thấp hơn, do đó thúc đẩy hơn nữa nghiên cứu bền vững. Dutine và các đồng nghiệp của ông hiện đang lên kế hoạch nâng cấp máy gia tốc hạt của họ và cũng chế tạo một máy mới.
Dutine nói thêm: "Tiềm năng tiết kiệm năng lượng thậm chí còn lớn hơn đối với các cơ sở có cường độ chùm tia, năng lượng chùm tia và số vòng quay tăng lên". "Ở đây chúng tôi bị giới hạn bởi các thuộc tính của cơ sở hiện có của chúng tôi. Chúng tôi đã bắt đầu thảo luận về các đối tác khoa học, cơ quan tài trợ và bộ của chúng tôi để mở rộng nghiên cứu này sang cơ sở thế hệ tiếp theo, trong đó chúng tôi muốn đưa những phát hiện hiện tại của mình vào, thiết lập quá trình tái chế năng lượng trong máy gia tốc hạt ở quy mô lớn hơn và từ đó thuyết phục người dùng tiềm năng từ quốc tế trung tâm khoa học hoặc ngành công nghiệp để xem xét việc thu hồi năng lượng cho nhu cầu máy gia tốc hạt của họ."
