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(shí)間內(nèi)仍是一種藝術(shù)形式，這取決于反復(fù)試驗(yàn)的配方?，F(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(jì)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(xì)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(jìn)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(jī)器。提高為這些機(jī)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(shí)，例如杰斐遜實(shí)驗(yàn)室自己的CEBAF，傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)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(shí)驗(yàn)室的研究人員無意中將鈦原子注入鈮促進(jìn)劑成分的壁中時(shí)，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?zhàn)⑷氲解壷袝r(shí)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(fèi)米實(shí)驗(yàn)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(dòng)，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(xiàng)目的組件生產(chǎn)，該項(xiàng)目是美國能源部SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)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(gè)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?yàn)槲覀兿茸鲆恍┦虑?，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(shí)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?dú)庵械臅r(shí)間以及鈮在熔爐中被加熱多長時(shí)間以將氮分子擴(kuò)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(jìn)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(gè)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(jìn)行建模。我們將提出一堆配方，然后繪制這些性能點(diǎn)，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(gè)新地方，以前從未有人這樣做過。我們將拿出一個(gè)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(shí)。”

在這些早期階段，Palczewski計(jì)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(gè)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(qiáng)大。

“最后，我是一位想成為理論物理學(xué)家的實(shí)驗(yàn)家。所以，我正在中間開會，建立一個(gè)其他人都沒有的獨(dú)特?cái)?shù)據(jù)集，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)開發(fā)一個(gè)擬合模型。”他說。“因?yàn)樵擃I(lǐng)域需要超越制定配方，而要使用該技術(shù)進(jìn)行真正的科學(xué)發(fā)展。”