科學(xué)家成功測(cè)試世界上電壓最高的極化電子槍

近日，美國(guó)能源部布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家設(shè)計(jì)并測(cè)試了世界上電壓最高的極化電子槍，這是建造世界上第一臺(tái)全極化電子—離子對(duì)撞機(jī)（EIC）所需的關(guān)鍵部件。

EIC是一個(gè)尖端核物理設(shè)施，目前正在建造中。直流激光驅(qū)動(dòng)極化電子槍是EIC的主要部件，其目標(biāo)是成為EIC中一束碰撞粒子的“發(fā)令槍”，在約38.6公里周長(zhǎng)的環(huán)形對(duì)撞機(jī)內(nèi)產(chǎn)生并發(fā)射電子。理論上這應(yīng)該會(huì)粉碎原子核中的質(zhì)子和中子，并揭示它們存在的機(jī)制。

該設(shè)備的首席架構(gòu)師、布魯克海文實(shí)驗(yàn)室物理學(xué)家王爾東表示，他們可將電子的速度加速至光速的80%。這意味著在大約二十億分之一秒內(nèi)，電子的速度可從零加速到高達(dá)每小時(shí)8億多公里（約光速的80%），而這一過程僅在電子槍內(nèi)部約5厘米的空間內(nèi)完成。

圖片:241698_149eb83a-8369-412e-987c-f0966a83305bcopy.jpg

布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室物理學(xué)家王爾東在石溪大學(xué)地下實(shí)驗(yàn)室中使用高壓極化電子槍，該電子槍將把“e”（或電子）放入未來的電子離子對(duì)撞機(jī)。

然而，加速電子只是該電子槍的任務(wù)之一。另一個(gè)任務(wù)是創(chuàng)建緊密排列的粒子群并控制它們的自旋。為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)使用砷化鎵晶體的超薄納米片制造了光陰極。用激光照射這個(gè)陰極，能夠釋放出電子，并可控制它們是向前還是向后自旋。

一旦電子被激光從晶體中釋放出來，電子槍的任務(wù)就是讓它們快速移動(dòng)。團(tuán)隊(duì)在陰極對(duì)面建造了一個(gè)陽極，并施加了極高的電壓，成功實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。電子能量在大約5厘米的間隙中從零增加到了32萬電子伏特。

此外，研究團(tuán)隊(duì)還找到了使用激光的最佳方法。他們發(fā)現(xiàn)，激光的短脈沖能夠產(chǎn)生包含高“束電荷”的電子群，這意味著每束電子包含約700億個(gè)電子。這些束使粒子在加速器中與從另一個(gè)方向飛來的原子核發(fā)生碰撞的幾率最高。