Hoewel deeltjesversnellers misschien op het snijvlak van de wetenschap staan, het bouwen en voorbereiden van sommige deeltjesversnellercomponenten is lange tijd meer een kunstvorm geweest, afhankelijk van recepten geboren uit vallen en opstaan. Nutsvoorzieningen, Ari Deibert Palczewski hoopt daar verandering in te brengen. Een stafwetenschapper bij de Thomas Jefferson National Accelerator Facility van het Department of Energy, Palczewski heeft een DOE Early Career Research Program-beurs gekregen om de wetenschap terug te brengen in de voorbereiding van deeltjesversnellers.

Deeltjesversnellers zijn go-to-machines voor onderzoekers die de kleinste stukjes materie willen begrijpen of de röntgenstructuur van complexe moleculen willen analyseren, voor bedrijven die medische hulpmiddelen willen ontsmetten en voor het scannen van vracht aan de landsgrenzen. Het verhogen van de efficiëntie van de componenten die deze machines aandrijven, zou een breed scala aan wetenschappelijke en industriële toepassingen ten goede kunnen komen.

Als het gaat om het bouwen van betere componenten voor supergeleidende radiofrequentie, of SRF, versnellers, zoals Jefferson Lab's eigen CEBAF, traditionele wijsheid heeft geoordeeld dat de meest efficiënte componenten zijn gemaakt van het zuiverste niobiummetaal. Die wijsheid werd in 2012 op zijn kop gezet toen twee wetenschappers van het Jefferson Lab onbedoeld titanium atomen implanteerden in de wanden van niobiumversnellercomponenten met verrassende resultaten.

"Niobium, natuurlijk, is waar we onze deeltjesversnellers van maken, Palczewski legde uit. "Gianluigi Ciovati en Pashupati Dhakal ontdekten titaniumdoping toen ze per ongeluk titanium op een specifieke manier in het niobium implanteerden, waardoor de niobiumcomponent veel efficiënter was in het versnellen van deeltjes."

Een korte tijd later, wetenschappers van Fermilab deden een soortgelijke toevallige ontdekking, maar dit keer door stikstofatomen aan het niobiummetaal toe te voegen. De duidelijke prestatieverbetering was zo indrukwekkend dat het nogal wat opschudding veroorzaakte in de SRF-gemeenschap, en Palczewski en zijn collega's bij Jefferson Lab en Fermilab begonnen het stikstofdopingproces te verfijnen. De knowhow werd overgedragen aan de industrie, waardoor het kan worden gebruikt bij de productie van componenten voor het LCLS-II-project, een upgrade van de Linac Coherent Light Source bij DOE's SLAC National Accelerator Lab die momenteel aan de gang is.

Nog altijd, de beste methode om het niobium te dopen voor optimale prestaties blijft een mysterie, en het vinden van het juiste recept was meer een spel van gefundeerd raden

"We noemen deze recepten, omdat we iets doen en dan controleren we de resultaten. We voorspellen het niet, "Zei Palczewski. "Mijn subsidie ​​is eigenlijk om een ​​volledig wiskundig model te bouwen van wat er gebeurt bij doping."

Om dat te doen, Palczewski zal de komende jaren de basisresultaten ontwikkelen voor twee verschillende succesvolle recepten die worden gebruikt om niobium te dopen met stikstof. Deze recepten variëren de tijd dat niobium wordt blootgesteld aan stikstofgas en hoe lang het niobium vervolgens wordt verwarmd in een oven om de stikstofmoleculen in het oppervlak van het niobium te verspreiden.

Palczewski zal de huidige recepten en incrementele variaties ervan gebruiken om nieuwe monsters te produceren die op prestaties zullen worden getest, zodat hij een theoretisch model kan ontwikkelen van hoe de verwachte prestatie verandert op basis van de verschillende factoren in de recepten.

"Het doel is om een ​​volledig model te bouwen van alles wat er in de oven gebeurt, evenals de chemie daarna, en hoe het de supergeleidende eigenschappen wijzigt. We zullen een heleboel recepten uithalen, plot vervolgens die prestatiepunten, en dan een wiskundig model ontwikkelen dat past bij wat we zien, "legde hij uit. "En dan is de volgende fase om naar een nieuwe plek te gaan, waar niemand dit ooit eerder heeft gedaan. We komen met een recept, voer het in het wiskundige model in en kijk dan hoe voorspellend het nieuwe model is in vergelijking met de werkelijkheid."

In deze vroege stadia, Palczewski is van plan het onderzoek relatief eenvoudig te houden. Met de hulp van een afgestudeerde student en een postdoctoraal onderzoeker gefinancierd door de onderzoeksbeurs, hij gebruikt één bron voor het niobiummetaal en verandert slechts een paar parameters bij de voorbereiding van de caviteit. Maar uiteindelijk, hij wil het model robuuster maken door andere factoren op te nemen, zoals verschillende bronnen van niobium, verschillende componentenfabrikanten en aanvullende voorbereidingsaanpassingen.

"Uiteindelijk, Ik ben een experimentator die theoretisch natuurkundige wil worden. Dus, Ik ontmoet in het midden door een unieke dataset te bouwen die niemand anders heeft, en vervolgens een aangepast model te ontwikkelen dat is gebaseerd op experimentele gegevens, " zei hij. "Omdat het veld verder moet gaan dan het maken van recepten en naar echte wetenschappelijke ontwikkeling met behulp van deze technologie."