超强高压极化电子枪问世 可将电子从零加速到光速的百分之八十

据美国科学促进会10日消息，美国能源部布鲁克海文国家实验室的科学家设计并测试了世界上电压最高的极化电子枪，这是建造世界上第一台全极化电子—离子对撞机（EIC）所需的关键部件。

布鲁克海文国家实验室物理学家王尔东在石溪大学地下实验室中使用高压极化电子枪，该电子枪将把“e”（或电子）放入未来的电子离子对撞机。图片来源：布鲁克海文国家实验室

EIC是一个尖端核物理设施，目前正在建造中。直流激光驱动极化电子枪是EIC的主要部件，其目标是成为EIC中一束碰撞粒子的“发令枪”，在约38.6公里周长的环形对撞机内产生并发射电子。理论上这应该会粉碎原子核中的质子和中子，并揭示它们存在的机制。

该设备的首席架构师、布鲁克海文实验室物理学家王尔东表示，他们可将电子的速度加速至光速的80%。这意味着在大约二十亿分之一秒内，电子的速度可从零加速到高达每小时8亿多公里（约光速的80%），而这一过程仅在电子枪内部约5厘米的空间内完成。

然而，加速电子只是该电子枪的任务之一。另一个任务是创建紧密排列的粒子群并控制它们的自旋。为实现这一点，研究团队使用砷化镓晶体的超薄纳米片制造了光阴极。用激光照射这个阴极，能够释放出电子，并可控制它们是向前还是向后自旋。

一旦电子被激光从晶体中释放出来，电子枪的任务就是让它们快速移动。团队在阴极对面建造了一个阳极，并施加了极高的电压，成功实现了这一点。电子能量在大约5厘米的间隙中从零增加到了32万电子伏特。

此外，研究团队还找到了使用激光的最佳方法。他们发现，激光的短脉冲能够产生包含高“束电荷”的电子群，这意味着每束电子包含约700亿个电子。这些束使粒子在加速器中与从另一个方向飞来的原子核发生碰撞的几率最高。

EIC能加速极化电子，并使其与极化质子及离子发生碰撞，让科学家能深入研究可见物质的最基本构成单元。现在，其关键部件——电子枪，不仅超出了EIC的要求，而且取得相当耀眼的成果。这是世界上电压最高、强度最强的极化电子枪，而团队目前仍在研究能够进一步加速对撞机内部电子的组件，使其更接近光速的水平。