研究人员设计了一种制备铌金属粒子加速器结构的新理论模型。该模型预测了氧气如何从其表面的薄氧化层深入到铌金属中。

环形粒子加速器结构。研究表明，可以通过在促进剂的金属表面添加氧气来提高促进剂的性能。图片来源：能源部的托马斯杰斐逊国家加速器设施(杰斐逊实验室)。

这发生在氧化层因温和加热而溶解时。这种加热是粒子加速器如何创建和准备使用的一部分。测试表明，该模型准确地阐明了热处理过程后铌样品中氧的浓度分布。测试还表明，该处理增强了加速器结构的性能。

影响工程师和科学家将创建世界级粒子加速器结构的过程比作完善配方的过程——这需要大量的反复试验。通过使用新的理论模型，设计人员第一次能够定制加速器结构制备“配方”，而无需浪费时间进行试错测试。

该模型允许微调表面附近的杂质夹杂物。这种微调现在可以用更少的步骤以更直接的方式完成。该模型可以帮助加速器设计人员确定满足其需求的最佳“配方”。

概括研究人员和工业界将粒子加速器用于各种任务，包括科学研究、癌症治疗和石油勘探。因此，提高加速器的效率可以使广泛的行业受益。

今天最先进的粒子加速器由铌金属结构提供动力，而最好的加速器结构曾经是由最纯的铌制成的。根据最近的研究，在这些结构中添加少量的氮可以提高它们的效率。加速器结构的性能也可以通过使用更简单的工艺仔细加热来提高。

在当前的研究中，杰斐逊实验室、弗吉尼亚理工学院和州立大学以及北卡罗来纳州立大学的研究人员密切关注了一种可以提高性能的铌热处理工艺。增强中的主要杂质是氧。

研究人员还设计了一种理论来解释氧气如何进入铌表面——解释天然铌氧化物层如何在加热过程中溶解。他们表明，该理论可以高度准确地预测测试样品中的氧气分布。

氧合金铌与氮合金铌一样有效，效率提高了 70%。此外，氧合金化热处理工艺更容易、更便宜并且与任何加速器腔设计兼容。由于该过程的复杂步骤非常少，要求也不那么严格，因此应该更容易在其他设施中复制。

该研究得到了能源部 (DOE) 核物理办公室和能源部科学办公室、高能物理办公室的支持。