射線槍在兩英寸內將電子從零加速到5億英里/小時
在紐約長島,科學家正在建造一台雄心勃勃的機器,以揭開原子核內部的奧秘。 該系統的一個主要組成部分是世界上電壓最高的電子槍,它剛剛通過了為期六個月的測試。
這台機器被稱為電子-離子對撞機(EIC),由美國能源部布魯克海文國家實驗室的科學家開發。 該機器的目標是能夠加速電子流中的電子,並使其與在另一股電子流中以相反方向行進的原子碰撞。 這一切都將在一個週長2.4 英里的圓形對撞機中進行。
從理論上講,這將粉碎原子核中的質子和中子,揭示它們的存在機制,但人們對這些機制知之甚少。 其中一個目標是更好地理解膠子內部的作用力,這種作用力將夸克(質子和中子的組成成分)結合在一起,被稱為自然界中最強的作用力。
為了實現這一切,科學家需要發明一種裝置,能夠在相對較小的距離內將粒子迅速加速到接近光速。 最近對電子槍進行的一系列測試證明,他們已經做到了這一點。
“我們將電子的速度加快到光速的80%,」布魯克海文實驗室物理學家王爾東說,他是該裝置的首席架構師和實施者,自2017年提出以來一直致力於該裝置的開發。 “這就是從零加速到時速超過5 億英里–在槍內僅兩英寸的範圍內,大約只需萬億分之二秒的時間。”
布魯克海文實驗室機械工程師約翰-斯卡利特卡(John Skaritka)補充說:”我們在EIC 中加入了’e’。”
為電子加速只是電子槍的任務之一。 另一個任務是能夠產生緊密的粒子群,並控制它們的自旋。 為了實現這一目標,研究人員用砷化鎵晶體的奈米薄片製作了一個光電陰極(產生光電電子的零件)。 透過用雷射照射這個陰極,研究小組能夠釋放電子,並控制它們是向前還是向後旋轉。
用雷射將電子從晶體中釋放出來後,雷射槍的任務就是讓電子以足夠快的速度移動。 為此,研究團隊在陰極對面建造了一個陽極,並施加了極高的電壓。 它成功了。
王說:”首先,我們給陰極施加電壓。然後,當我們用激光照射砷化鎵芯片時,電子束就會朝陽極射出。 在大約兩英寸的間隙內,電子能量從零升至320 千電子伏。
自由電子撞擊原子核的藝術家概念圖布魯克海文國家實驗室
研究人員還確定了使用雷射的最佳方法。 他們發現,雷射的短脈衝能夠產生含有高”束電荷”的電子群,這意味著每束電子群含有約700 億個電子。 這些電子束使粒子最有可能撞上加速器中從另一個方向射來的原子核。
在克服了一系列其他挑戰之後,包括烘烤出電子槍外殼鋼材中的殘留氣體,以及使用從粉碎的玉米棒中提取的材料將所有不銹鋼部件拋光至鏡面效果之後,電子槍在六個月的時間裡實現了免維護運作。 對產生的電子束進行的分析表明,這些粒子的特性完全符合EIC 的使用要求。
王說:”這台電子槍不僅超出了EIC 的要求,而且我們還獲得了世界領先的結果。這是世界上電壓最高、強度最大的偏振電子槍。”
他和他的團隊目前正在研究將對撞機內的電子進一步加速到接近光速的組件。
該團隊的研究成果已發表在Applied Physics Letters雜誌上。