科技日報記者 張佳欣

據(jù)美國科學(xué)促進會10日消息，美國能源部布魯克海文國家實驗室的科學(xué)家設(shè)計并測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全極化電子—離子對撞機（EIC）所需的關(guān)鍵部件。

EIC是一個尖端核物理設(shè)施，目前正在建造中。直流激光驅(qū)動極化電子槍是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公里周長的環(huán)形對撞機內(nèi)產(chǎn)生并發(fā)射電子。理論上這應(yīng)該會粉碎原子核中的質(zhì)子和中子，并揭示它們存在的機制。

該設(shè)備的首席架構(gòu)師、布魯克海文實驗室物理學(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每小時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。

然而，加速電子只是該電子槍的任務(wù)之一。另一個任務(wù)是創(chuàng)建緊密排列的粒子群并控制它們的自旋。為實現(xiàn)這一點，研究團隊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。團隊在陰極對面建造了一個陽極，并施加了極高的電壓，成功實現(xiàn)了這一點。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，研究團隊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700億個電子。這些束使粒子在加速器中與從另一個方向飛來的原子核發(fā)生碰撞的幾率最高。

總編輯圈點

EIC能加速極化電子，并使其與極化質(zhì)子及離子發(fā)生碰撞，讓科學(xué)家能深入研究可見物質(zhì)的最基本構(gòu)成單元。現(xiàn)在，其關(guān)鍵部件——電子槍，不僅超出了EIC的要求，而且取得相當(dāng)耀眼的成果。這是世界上電壓最高、強度最強的極化電子槍，而團隊目前仍在研究能夠進一步加速對撞機內(nèi)部電子的組件，使其更接近光速的水平。