研究人員設(shè)計了一種制備鈮金屬粒子加速器結(jié)構(gòu)的新理論模型。該模型預測了氧氣如何從其表面的薄氧化層深入到鈮金屬中。

環(huán)形粒子加速器結(jié)構(gòu)。研究表明，可以通過在促進劑的金屬表面添加氧氣來提高促進劑的性能。圖片來源：能源部的托馬斯杰斐遜國家加速器設(shè)施(杰斐遜實驗室)。

這發(fā)生在氧化層因溫和加熱而溶解時。這種加熱是粒子加速器如何創(chuàng)建和準備使用的一部分。測試表明，該模型準確地闡明了熱處理過程后鈮樣品中氧的濃度分布。測試還表明，該處理增強了加速器結(jié)構(gòu)的性能。

影響工程師和科學家將創(chuàng)建世界級粒子加速器結(jié)構(gòu)的過程比作完善配方的過程——這需要大量的反復試驗。通過使用新的理論模型，設(shè)計人員第一次能夠定制加速器結(jié)構(gòu)制備“配方”，而無需浪費時間進行試錯測試。

該模型允許微調(diào)表面附近的雜質(zhì)夾雜物。這種微調(diào)現(xiàn)在可以用更少的步驟以更直接的方式完成。該模型可以幫助加速器設(shè)計人員確定滿足其需求的最佳“配方”。

概括研究人員和工業(yè)界將粒子加速器用于各種任務(wù)，包括科學研究、癌癥治療和石油勘探。因此，提高加速器的效率可以使廣泛的行業(yè)受益。

今天最先進的粒子加速器由鈮金屬結(jié)構(gòu)提供動力，而最好的加速器結(jié)構(gòu)曾經(jīng)是由最純的鈮制成的。根據(jù)最近的研究，在這些結(jié)構(gòu)中添加少量的氮可以提高它們的效率。加速器結(jié)構(gòu)的性能也可以通過使用更簡單的工藝仔細加熱來提高。

在當前的研究中，杰斐遜實驗室、弗吉尼亞理工學院和州立大學以及北卡羅來納州立大學的研究人員密切關(guān)注了一種可以提高性能的鈮熱處理工藝。增強中的主要雜質(zhì)是氧。

研究人員還設(shè)計了一種理論來解釋氧氣如何進入鈮表面——解釋天然鈮氧化物層如何在加熱過程中溶解。他們表明，該理論可以高度準確地預測測試樣品中的氧氣分布。

氧合金鈮與氮合金鈮一樣有效，效率提高了 70%。此外，氧合金化熱處理工藝更容易、更便宜并且與任何加速器腔設(shè)計兼容。由于該過程的復雜步驟非常少，要求也不那么嚴格，因此應(yīng)該更容易在其他設(shè)施中復制。

該研究得到了能源部 (DOE) 核物理辦公室和能源部科學辦公室、高能物理辦公室的支持。