提出新理論以尋求更好的加速器

盡管粒子加速器可能處于科學(xué)的最前沿，但是某些粒子加速器組件的構(gòu)建和制備在很長一段時間內(nèi)仍是一種藝術(shù)形式，這取決于反復(fù)試驗的配方。現(xiàn)在，Ari Deibert Palczewski希望改變這一狀況。Palczewski是能源部托馬斯·杰斐遜國家加速器設(shè)施部門的一名科學(xué)家，已獲得DOE早期職業(yè)研究計劃撥款，以使該科學(xué)重新用于粒子加速器的制備。

對于想要了解最細微的物質(zhì)或分析復(fù)雜分子的X射線結(jié)構(gòu)的研究人員，希望對醫(yī)療設(shè)備進行消毒的公司以及在美國邊境掃描貨物的公司而言，粒子加速器是必不可少的機器。提高為這些機器供電的組件的效率可以使廣泛的科學(xué)和工業(yè)應(yīng)用受益。

當(dāng)要為超導(dǎo)射頻或SRF加速器構(gòu)建更好的組件時，例如杰斐遜實驗室自己的CEBAF，傳統(tǒng)觀點認為最有效的組件是由最純的鈮金屬制成。2012年，當(dāng)兩位杰斐遜實驗室的研究人員無意中將鈦原子注入鈮促進劑成分的壁中時，這種智慧就突然消失了，結(jié)果令人吃驚。

Palczewski解釋說：“ 當(dāng)然，鈮就是我們制造粒子加速器的原因。” “ Gianluigi Ciovati和Pashupati Dhakal在偶然地以特定方式將鈦注入到鈮中時發(fā)現(xiàn)了鈦摻雜，這使鈮組分在加速粒子生長方面效率更高。”

不久之后，費米實驗室的科學(xué)家做出了類似的意外發(fā)現(xiàn)，但是這次向鈮金屬中添加了氮原子。性能的顯著提高令人印象深刻，以至于在SRF社區(qū)引起了極大的轟動，Palczewski及其在Jefferson Lab和Fermilab的同事開始精煉氮摻雜工藝。專有技術(shù)已轉(zhuǎn)移到工業(yè)中，使其可以用于LCLS-II項目的組件生產(chǎn)，該項目是美國能源部SLAC國家加速器實驗室正在進行的Linac相干光源的升級。

盡管如此，摻雜鈮以獲得最佳性能的最佳方法仍然是個謎，而尋找正確的配方更像是一場有根據(jù)的猜測游戲

“我們稱其為“食譜”，因為我們先做一些事情，然后再檢查結(jié)果。我們對此沒有預(yù)測性，” Palczewski說。“我的資助實際上是建立有關(guān)興奮劑發(fā)生情況的完整數(shù)學(xué)模型。”

為此，Palczewski將在接下來的幾年中為兩種不同的成功配方開發(fā)基線結(jié)果，這些配方被用于向鈮中摻雜鈮。這些配方改變了鈮暴露于氮氣中的時間以及鈮在熔爐中被加熱多長時間以將氮分子擴散到鈮表面的過程。

Palczewski將使用當(dāng)前的配方及其增量變化來生產(chǎn)將進行性能測試的新樣品，以便他可以根據(jù)配方中的不同因素，開發(fā)出預(yù)期性能如何變化的理論模型。

“目標(biāo)是建立一個完整的模型，對爐子中發(fā)生的一切以及以后的化學(xué)反應(yīng)以及其如何改變超導(dǎo)特性進行建模。我們將提出一堆配方，然后繪制這些性能點，然后建立適合我們所見情況的數(shù)學(xué)模型。”他解釋說。“然后下一步是轉(zhuǎn)到一個新地方，以前從未有人這樣做過。我們將拿出一個配方，將其輸入數(shù)學(xué)模型中，然后看一下新模型與現(xiàn)實。”

在這些早期階段，Palczewski計劃使研究相對簡單。在一名研究生和一名由研究基金資助的博士后研究科學(xué)家的幫助下，他將使用一種鈮金屬源，并僅改變腔制備中的幾個參數(shù)。但最終，他希望通過加入其他因素(例如鈮的不同來源，不同的組件制造商和其他準(zhǔn)備工作調(diào)整)來使模型更強大。

“最后，我是一位想成為理論物理學(xué)家的實驗家。所以，我正在中間開會，建立一個其他人都沒有的獨特數(shù)據(jù)集，然后根據(jù)實驗數(shù)據(jù)開發(fā)一個擬合模型。”他說。“因為該領(lǐng)域需要超越制定配方，而要使用該技術(shù)進行真正的科學(xué)發(fā)展。”