限制能耗是任何新機器研發(fā)過程中的首要考量因素。在正負電子對撞機領(lǐng)域，例如目前正在構(gòu)想用于研究神秘希格斯玻色子的“希格斯工廠”，總能耗的50%到60%用于驅(qū)動加速電子束的射頻腔。歐洲核子研究中心(CERN)正在開展的研究有望顯著提升這一過程的能源效率。

正在測試用于高亮度大型強子對撞機(LHC)的速調(diào)管原型。速調(diào)管被安置在螺線管(黑色結(jié)構(gòu))內(nèi)。(圖片：N. Eskandari/CERN)

在諸如正在研究的未來環(huán)形對撞機(FCC)這類環(huán)形對撞機中，電子和正電子的能量需由射頻腔持續(xù)補充，原因是帶電粒子在彎道中會輻射能量。在線性對撞機里，腔體的效率同樣關(guān)鍵，因為電子束只能穿過每個腔體一次，粒子必須在一次通過中獲取全部能量。無論何種類型的對撞機，加速腔均由稱為速調(diào)管的設(shè)備供電，而速調(diào)管正是實現(xiàn)效率提升的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

速調(diào)管是一種特殊的真空管，能將高頻無線電波放大高達百萬倍。產(chǎn)生的電磁波在經(jīng)過精細調(diào)諧的射頻腔內(nèi)激發(fā)強電場，進而將通過的粒子束加速到高能量。速調(diào)管發(fā)明于20世紀(jì)30年代，最初用于改進飛機雷達系統(tǒng)，此后一直被應(yīng)用于衛(wèi)星通信、廣播以及用于醫(yī)療、工業(yè)和研究用途的粒子加速器。然而，速調(diào)管技術(shù)歷史上僅實現(xiàn)了60%的能源效率。

十年前，歐洲核子研究中心與蘭卡斯特大學(xué)聯(lián)合啟動了“高效速調(diào)管”(HEK)項目，并取得了顯著成果。目前，為高亮度大型強子對撞機(LHC)開發(fā)的高效速調(diào)管效率已比工業(yè)速調(diào)管高出10%，CERN團隊正致力于將效率提升至80%以上。此外，CERN團隊從射頻工程史中借鑒了一種名為“triston”的非傳統(tǒng)速調(diào)管，并對其加以改進，甚至有可能將效率提升至90%。這一技術(shù)有望成為突破性成果，其應(yīng)用范圍遠超加速器領(lǐng)域。