提出新理论以寻求更好的加速器

尽管粒子加速器可能处于科学的最前沿，但是某些粒子加速器组件的构建和制备在很长一段时间内仍是一种艺术形式，这取决于反复试验的配方。现在，Ari Deibert Palczewski希望改变这一状况。Palczewski是能源部托马斯·杰斐逊国家加速器设施部门的一名科学家，已获得DOE早期职业研究计划拨款，以使该科学重新用于粒子加速器的制备。

对于想要了解最细微的物质或分析复杂分子的X射线结构的研究人员，希望对医疗设备进行消毒的公司以及在美国边境扫描货物的公司而言，粒子加速器是必不可少的机器。提高为这些机器供电的组件的效率可以使广泛的科学和工业应用受益。

当要为超导射频或SRF加速器构建更好的组件时，例如杰斐逊实验室自己的CEBAF，传统观点认为最有效的组件是由最纯的铌金属制成。2012年，当两位杰斐逊实验室的研究人员无意中将钛原子注入铌促进剂成分的壁中时，这种智慧就突然消失了，结果令人吃惊。

Palczewski解释说：“ 当然，铌就是我们制造粒子加速器的原因。” “ Gianluigi Ciovati和Pashupati Dhakal在偶然地以特定方式将钛注入到铌中时发现了钛掺杂，这使铌组分在加速粒子生长方面效率更高。”

不久之后，费米实验室的科学家做出了类似的意外发现，但是这次向铌金属中添加了氮原子。性能的显着提高令人印象深刻，以至于在SRF社区引起了极大的轰动，Palczewski及其在Jefferson Lab和Fermilab的同事开始精炼氮掺杂工艺。专有技术已转移到工业中，使其可以用于LCLS-II项目的组件生产，该项目是美国能源部SLAC国家加速器实验室正在进行的Linac相干光源的升级。

尽管如此，掺杂铌以获得最佳性能的最佳方法仍然是个谜，而寻找正确的配方更像是一场有根据的猜测游戏

“我们称其为“食谱”，因为我们先做一些事情，然后再检查结果。我们对此没有预测性，” Palczewski说。“我的资助实际上是建立有关兴奋剂发生情况的完整数学模型。”

为此，Palczewski将在接下来的几年中为两种不同的成功配方开发基线结果，这些配方被用于向铌中掺杂铌。这些配方改变了铌暴露于氮气中的时间以及铌在熔炉中被加热多长时间以将氮分子扩散到铌表面的过程。

Palczewski将使用当前的配方及其增量变化来生产将进行性能测试的新样品，以便他可以根据配方中的不同因素，开发出预期性能如何变化的理论模型。

“目标是建立一个完整的模型，对炉子中发生的一切以及以后的化学反应以及其如何改变超导特性进行建模。我们将提出一堆配方，然后绘制这些性能点，然后建立适合我们所见情况的数学模型。”他解释说。“然后下一步是转到一个新地方，以前从未有人这样做过。我们将拿出一个配方，将其输入数学模型中，然后看一下新模型与现实。”

在这些早期阶段，Palczewski计划使研究相对简单。在一名研究生和一名由研究基金资助的博士后研究科学家的帮助下，他将使用一种铌金属源，并仅改变腔制备中的几个参数。但最终，他希望通过加入其他因素(例如铌的不同来源，不同的组件制造商和其他准备工作调整)来使模型更强大。

“最后，我是一位想成为理论物理学家的实验家。所以，我正在中间开会，建立一个其他人都没有的独特数据集，然后根据实验数据开发一个拟合模型。”他说。“因为该领域需要超越制定配方，而要使用该技术进行真正的科学发展。”