Tilberedning af en ny teori til bedre acceleratorer

Mens partikelacceleratorer kan være på forkant med videnskaben, bygningen og forberedelsen af ​​nogle partikelacceleratorkomponenter har længe været mere en kunstart, afhængig af opskrifter født af trial and error. Nu, Det håber Ari Deibert Palczewski at ændre på. En personaleforsker ved Department of Energy's Thomas Jefferson National Accelerator Facility, Palczewski er blevet tildelt et DOE Early Career Research Program -tilskud til at sætte videnskaben tilbage i forberedelse af partikelacceleratorer.

Partikelacceleratorer er maskiner til forskere, der ønsker at forstå de mindste stofstykker eller analysere røntgenstrukturen af ​​komplekse molekyler, til virksomheder, der ønsker at desinficere medicinsk udstyr og til at scanne gods ved vores nations grænser. Forøgelse af effektiviteten af ​​de komponenter, der driver disse maskiner, kan gavne en lang række videnskabelige og industrielle applikationer.

Når det kommer til at bygge bedre komponenter til superledende radiofrekvens, eller SRF, acceleratorer, såsom Jefferson Labs egen CEBAF, traditionel visdom har fastslået, at de mest effektive komponenter er lavet af det reneste niobmetal. Den visdom blev vendt på hovedet i 2012, da to Jefferson Lab -personale forskere utilsigtet implanterede atomer af titanium i væggene på niobiumacceleratorkomponenter med overraskende resultater.

"Niobium, selvfølgelig, er det, vi gør vores partikelacceleratorer ud af, "Palczewski forklarede." Gianluigi Ciovati og Pashupati Dhakal opdagede titandoping, da de ved et uheld implanterede titanium på en bestemt måde i niobiet, hvilket gjorde niobkomponenten meget mere effektiv til at accelerere partikler. "

Kort tid senere, forskere på Fermilab gjorde en lignende serendipitøs opdagelse, men denne gang tilføjer nitrogenatomer til niobmetallet. Den markante forbedring af ydeevnen var så imponerende, at det skabte en del sus i SRF -samfundet, og Palczewski og hans kolleger ved Jefferson Lab og Fermilab begyndte at forfine nitrogendopingsprocessen. Knowhowen blev overført til industrien, gør det muligt at bruge det til produktion af komponenter til LCLS-II-projektet, en opgradering af Linac Coherent Light Source på DOE's SLAC National Accelerator Lab, der i øjeblikket er i gang.

Stadig, den bedste metode til doping af niobiet for optimal ydeevne forbliver et mysterium, og at finde den rigtige opskrift har mere været et spil uddannet gæt

"Vi kalder disse opskrifter, fordi vi gør noget, og så tjekker vi resultaterne. Vi forudsiger det ikke, "Palczewski sagde." Mit tilskud er faktisk at bygge en fuld matematisk model af, hvad der sker i doping. "

At gøre det, Palczewski vil bruge de næste par år på at udvikle baseline -resultater for to forskellige succesrige opskrifter, der bruges til at dope niob med nitrogen. Disse opskrifter varierer den tid, niob udsættes for nitrogengas, og hvor længe niobiet derefter opvarmes i en ovn for at diffundere nitrogens molekyler til overfladen af ​​niobiet.

Palczewski vil bruge de nuværende opskrifter og inkrementelle variationer af dem til at producere nye prøver, der vil blive testet ydeevne, så han kan udvikle en teoretisk model af, hvordan den forventede ydelse ændrer sig baseret på de forskellige faktorer i opskrifterne.

"Målet er at bygge en fuld model af alt, hvad der sker i ovnen, såvel som kemien bagefter, og hvordan det ændrer de superledende egenskaber. Vi vil slå en masse opskrifter ud, plot derefter disse præstationspunkter, og derefter udvikle en matematisk model, der passer til det, vi ser, "forklarede han." Og så er den næste fase af det at gå til et nyt sted, hvor ingen nogensinde har gjort dette før. Vi kommer med en opskrift, indtast den i den matematiske model og se derefter, hvor forudsigelig den nye model er i forhold til virkeligheden. "

I disse tidlige stadier, Palczewski planlægger at holde forskningen relativt enkel. Ved hjælp af en kandidatstuderende og en postdoktoral forsker finansieret af forskningsbevillingen, han bruger en kilde til niobmetallet og ændrer blot et par parametre i hulrumsforberedelse. Men til sidst, han vil gerne gøre modellen mere robust ved at inkludere andre faktorer, såsom forskellige kilder til niob, forskellige komponentproducenter og yderligere forberedelsesjusteringer.

"Til sidst, Jeg er en eksperimentelist, der gerne vil være en teoretisk fysiker. Så, Jeg mødes i midten ved at opbygge et unikt datasæt, som ingen andre har, og derefter udvikle en tilpasset model baseret på eksperimentelle data, "sagde han." Fordi feltet skal bevæge sig forbi at lave opskrifter og hen imod reel videnskabelig udvikling ved hjælp af denne teknologi. "