Även om partikelacceleratorer kan vara i framkant av vetenskapen, byggandet och beredningen av vissa partikelacceleratorkomponenter har länge varit mer av en konstform, beroende på recept födda av försök och misstag. Nu, Ari Deibert Palczewski hoppas kunna ändra på det. En forskare vid Department of Energys Thomas Jefferson National Accelerator Facility, Palczewski har tilldelats ett DOE Early Career Research Program-anslag för att sätta vetenskapen tillbaka i partikelacceleratorförberedelser.

Partikelacceleratorer är goda maskiner för forskare som vill förstå de minsta bitar av materia eller analysera röntgenstrukturen hos komplexa molekyler, för företag som vill sanera medicinsk utrustning och för att skanna last vid vår nations gränser. Att öka effektiviteten hos komponenterna som driver dessa maskiner kan gynna ett brett utbud av vetenskapliga och industriella tillämpningar.

När det gäller att bygga bättre komponenter för supraledande radiofrekvens, eller SRF, acceleratorer, som Jefferson Labs egen CEBAF, traditionell visdom har ansett att de mest effektiva komponenterna är gjorda av den renaste niobmetallen. Den visdomen vändes på huvudet 2012, när två Jefferson Lab-anställda forskare oavsiktligt implanterade titanatomer i väggarna på niobacceleratorkomponenter med överraskande resultat.

"Niob, självklart, är vad vi gör våra partikelacceleratorer av, " Palczewski förklarade. "Gianluigi Ciovati och Pashupati Dhakal upptäckte titaniumdopning när de av misstag implanterade titan på ett specifikt sätt i niob, vilket gjorde niobkomponenten mycket effektivare för att accelerera partiklar."

En kort tid senare, forskare vid Fermilab gjorde en liknande otrolig upptäckt, men den här gången lägger man till kväveatomer till niobmetallen. Den markanta förbättringen av prestanda var så imponerande att den skapade en hel del surr i SRF-gemenskapen, och Palczewski och hans kollegor vid Jefferson Lab och Fermilab började förfina kvävedopningsprocessen. Kunskapen överfördes till industrin, gör att den kan användas i produktionen av komponenter för LCLS-II-projektet, en uppgradering av Linac Coherent Light Source vid DOE:s SLAC National Accelerator Lab som för närvarande pågår.

Fortfarande, den bästa metoden för att dopa niob för optimal prestanda förblir ett mysterium, och att hitta det rätta receptet har mer varit en lek av utbildad gissning

"Vi kallar dessa recept, för vi gör något och sedan kollar vi resultatet. Vi är inte förutsägande om det, "Sade Palczewski. "Mitt bidrag är faktiskt att bygga en fullständig matematisk modell av vad som händer inom dopning."

Att göra det, Palczewski kommer att ägna de närmaste åren åt att utveckla baslinjeresultat för två olika framgångsrika recept som används för att dopa niob med kväve. Dessa recept varierar tiden som niob utsätts för kvävgas och hur länge niob sedan värms upp i en ugn för att sprida kvävemolekylerna in i niobets yta.

Palczewski kommer att använda de nuvarande recepten och inkrementella varianter av dem för att producera nya prover som kommer att prestandatestas, så att han kan utveckla en teoretisk modell för hur den förväntade prestandan förändras utifrån de olika faktorerna i recepten.

"Målet är att bygga en komplett modell av allt som händer i ugnen, samt kemin efteråt, och hur den modifierar de supraledande egenskaperna. Vi kommer att presentera ett gäng recept, plotta sedan dessa prestationspoäng, och sedan utveckla en matematisk modell som passar det vi ser, " förklarade han. "Och sedan är nästa steg av det att gå till en ny plats, där ingen någonsin gjort det här förut. Vi kommer med ett recept, mata in den i den matematiska modellen och se sedan hur prediktiv den nya modellen är jämfört med verkligheten."

I dessa tidiga skeden, Palczewski planerar att hålla forskningen relativt enkel. Med hjälp av en doktorand och en postdoktor finansierad av forskningsanslaget, han kommer att använda en källa för niobmetallen och ändra bara några parametrar vid förberedelse av kavitet. Men till sist, han skulle vilja göra modellen mer robust genom att inkludera andra faktorer, såsom olika niobkällor, olika komponenttillverkare och ytterligare förberedelsejusteringar.

"I slutet, Jag är en experimentalist som vill bli teoretisk fysiker. Så, Jag möts i mitten genom att bygga en unik datamängd som ingen annan har, och sedan utveckla en anpassad modell byggd på experimentella data, ", sa han. "Eftersom fältet måste gå förbi att göra recept och mot verklig vetenskaplig utveckling med denna teknik."