世界上电压最高的电子将电子从零加速到光速的80%

美国能源部(DOE)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，这是建造世界上第一台完全极化的电子离子对撞机(EIC)所需的关键技术。

EIC是一座最先进的核物理设施，正在布鲁克海文与美国能源部托马斯·杰斐逊国家加速器设施(杰斐逊实验室)合作建设，它将加速和碰撞极化电子与极化质子和离子(剥离电子的原子)，以便科学家可以研究可见物质的最内层组成部分。

“这把不仅超出了EIC的要求，而且我们还获得了世界领先的结果，”布鲁克海文实验室物理学家、该装置的首席架构师和实施者二东·王(ErdongWang)说。

王先生早在2017年就提出了电子的研发项目，并一直负责其设计、工程、组装和测试。大部分工作和所有测试都是在纽约州立大学石溪分校(SBU)完成的，该校是布鲁克海文科学协会的合作伙伴，而布鲁克海文科学协会代表美国能源部管理布鲁克海文实验室。

该项目借鉴了那里以及杰斐逊实验室、老道明大学等几所EIC合作机构的科研人员和研究生的专业知识。

王说：“我们的团队包括光束动力学、高压、材料科学、激光、工程和光束诊断方面的专家。”

EIC科学主任AbhayDeshpande是SBU的物理学教授，同时还担任布鲁克海文实验室核物理和粒子物理临时副实验室主任，他表示：“这个项目是布鲁克海文实验室和石溪大学之间紧密合作的一个很好的例子，特别是在核物理研究和EIC所需技术的开发方面。”

光束的主要特性

虽然与发出比赛开始信号的那一类不同，但这种直流激光驱动的偏振电子将充当EIC碰撞粒子流的发令。它将产生并发射电子，使电子进入并绕着周长2.4英里的圆形对撞机旋转。

“我们在EIC中加入了&luo;e&ruo;，”负责该项目机械设计和规划的布鲁克海文实验室机械工程师约翰·斯卡里特卡(JohnSkaritka)说。

汽车宣称在短短几秒内就能从零加速到60英里每小时，但与这把的威力相比，简直是小巫见大巫。“我们将电子的速度加速到光速的80%，”王说。这意味着电子的速度从零加速到每小时超过5亿英里——在内只有两英寸的范围内，大约需要两百亿分之一秒的时间。

但速度并不是EIC电子从起跑线上出来时唯一重要的特性。事实上，在随后的加速阶段，它们的速度将更接近光速。电子的真正成功之处在于提供电子束特性，这些特性对于这些粒子能够窥视它们将在EIC上与之碰撞的质子和原子核内部至关重要。

其中最重要的要求是：产生短而紧密的电子束，其中粒子的“自旋”大多指向同一方向。

王教授表示，短小、间歇的电子束可以通过射频腔轻松加速到高能量。这些腔体产生的电场给带电粒子提供间歇性加速“踢”，推动它们的速度越来越快。

一旦电子达到速度并准备好碰撞，王说，“一束电子中有许多电子，其密度非常高，因此它们很有可能与沿相反方向在EIC周围传播的光束中的质子或离子发生碰撞。”

粒子自旋的极化或排列对EIC的物理研究目标至关重要。建造对撞机的部分目的是为了探索自旋的起源，自旋是粒子的一种固有属性，有点类似于玩具陀螺绕轴旋转。

自旋决定了所有可见物质的结构和秩序，例如，它控制着质子的磁性，使得磁共振成像(MRI)成为可能。但质子自旋是如何产生的，仍然是个谜。

EIC将成为世界上第一台可以控制和调整电子束和离子束自旋的对撞机。通过将自旋极化电子与极化质子碰撞，EIC科学家将梳理出质子自旋如何从其内部构成要素夸克和胶子的自旋和运动中产生。

EIC科学家还将利用自旋建立一个参考框架，绘制出质子和原子核内夸克和胶子的分布情况，从而创建质子内部结构的详细3D图像。这些研究将帮助科学家更深入地了解由最强大、最不为人知的自然力所控制的夸克-胶子相互作用。

“对于EIC，我们需要同时自旋向前和向后的极化电子束，因此我们需要从源产生高度极化的电子束，”王说。

最大限度提高光电效率

产生这些电子束的科学原理可以追溯到光电效应的发现，19世纪末和20世纪初的一系列实验表明，具有足够能量的光可以将电子从金属中击出。阿尔伯特·爱因斯坦解释了这一现象，并因此获得了1921年的诺贝尔物理学奖。

在过去的100年中，利用这种光电现象的技术以及发射电子效率更高的材料取得了长足进步。然而，现有的电子仍无法产生EIC所需的高压、高强度偏振光束。

因此，王先生与来自布鲁克海文对撞机加速器部门、EIC理事会、SBU和其他合作机构的同事团队开发了一种独特的光电阴极结构和创新方法，以实现卓越的性能。

王说：“SBU的学生从项目一开始就参与了基础研究。我们在过去几十年的努力中学到了很多东西，但我们推动了新概念的发展，以生产出真正独特的支。”

纳米结构光电阴极

来自弗吉尼亚州奥道明大学和杰斐逊实验室的合作者开发出了一种制造电子光电阴极(产生光电电子的材料)的新方法。这种材料是一种薄薄的砷化镓晶体，但该团队对配方进行了调整，将材料分层排列，使其具有周期性结构。

王先生指出：“它的结构非常复杂，在厚度仅为0.4毫米的块体材料之上有一个100纳米的层状超晶格晶片。”

当具有特定属性的激光照射到这些层上时，只有自旋以特定方式排列的电子才会从材料中弹出。结果就是：高度偏振的光束。

研究团队还添加了一层反射层，以增强激光与材料的相互作用，并添加了一层表面涂层，该涂层本质上可以排斥电子，以帮助在电子从阴极跳出时将它们推开。

虽然这种材料具有非常高的“量子效率”，这意味着它在受到光照射时能够很好地发射电子，但“这些发射电子的能量极低，”王说。“如果不施加电压，电子只会停留在材料表面;它们不会移动，”他说。

因此，科学家将砷化镓光电阴极安装在阳极的对面，并施加非常高的电压来使其移动。

“首先，我们给阴极施加电压。然后，当我们用激光照射砷化镓晶片时，电子束会射向阳极。电子能量在间隙空间(约两英寸)内从零上升到320千电子伏特，”王说。

激光驱动动作

科学家们用来释放电子的光来自激光。激光中的所有光波都是同步的，并排列成非常集中的窄光束，可以产生非常高质量的电子束。科学家们想出了如何调整激光波长以最大限度地提高电子极化和光电阴极的量子效率。

王说：“我们发现了一个可以同时获得高极化和长阴极寿命的小波长区域。”

激光也可以以非常快的脉冲产生。王说，这种快速脉冲非常适合产生短暂、间歇、可加速的电子束。脉冲与电子高压相结合可确保每个电子束包含高“束电荷”——这意味着每个电子束包含近700亿个电子。

此外，该团队还使用偏振激光，其中的“波矢量”绕着一个圆圈旋转，顺时针或逆时针。“激光偏振的方向决定了发射电子的偏振，”王说。

“通过快速将激光从顺时针极化切换到逆时针极化，我们可以非常快速地切换电子的自旋方向。”这意味着科学家可以在同一组事件中比较电子自旋指向前方和后方的碰撞，而其他一切都保持不变。

在真空中输送高压

使用砷化镓光电阴极最棘手的部分之一是该材料很容易被残留气体损坏。

EIC示意图：该图显示了光电阴极电子(电子源)的位置，该电子将产生进入电子加速器和储存环的电子束，以便与沿相反方向行进的质子或离子发生碰撞。图片来源：ValerieLentz/布鲁克海文国家实验室

乔蒂·比斯瓦斯(JyotiBiswas)现为EIC的物理学家，他在博士论文中研究了砷化镓光电阴极损坏机制，并系统地评估了各种激活方法。他还研究了电子内部的残余气体分布。

“这些开创性的研究在指导支设计和调试方面发挥了关键作用，”曾担任布鲁克海文/SBU加速器科学与教育中心比斯瓦斯研究生导师的王说。

为了保护珍贵的光电阴极材料，研究小组将整个光电阴极-阳极-激光系统置于极高的真空环境中。“这里的真空程度甚至比月球还要高，”王说。

但地球上很难实现极高真空系统，即使使用许多昂贵的泵也是如此。尽管真空使维持产生高强度电子束所需的高电压变得更容易，但它使向电子输送电力变得复杂。

“一个挑战是如何将高压电输送到真空中的阴极，”该项目的首席电气工程师鲍勃·兰比亚斯(BobLambiase)说道。“高压电必须与喷和任何导电材料隔离，以防止可能损坏整个系统的电弧。”

许多光电阴极的电压由电源传输到主室外的连接器，整个系统被安置在一个充满绝缘气体的容器中。需要这种气体来防止连接电缆将电压传输到的任何金属部件上。但这种绝缘气体六氟化硫是一种强大的大气热捕集器。

王、兰比亚斯和真空系统专家斯卡里特卡与他们的合作者一起想出了如何消除周围充满温室气体的腔室的方法。他们的装置没有连接外的电源并隔离整个系统，而是将高压线插入内的一个专用连接器。

电气专家兰比亚斯开发了这一设计。“我们的连接器源自标准X射线机上使用的类型，但我们对其进行了一些改进，以提高其能力和性能。”

锥形连接器插入内的陶瓷锥体中，“插头”和“插座”之间的间隙充满硅脂和“高介电强度”流体——一种可以承受高电压而不会分解的物质。这种流体填充了所有可能的空隙，以防止电压从连接处“泄漏”到的金属部件上。

流体还可以冷却位于锥体尖端的阴极，以保护其免受激光和高压的损坏。

传输电源电压的电缆也经过了改进。它覆盖着一层与工业合作伙伴共同开发的半导体涂层，以防止潜在的危险电荷积聚。

“这种半导体涂层绝对是独一无二的，”斯卡里特卡说。“它具有足够的导电性，可以消耗电荷并吸收可能损坏支的能量。”

极化电子：锥形高压(HV)馈通连接器将电流输送到电子。当激光光子撞击砷化镓(GaAs)光电阴极时，发射的电子从阴极流向阳极，并以高度极化的电子束(e-beam)的形式从电子中流出。图片来源：ErdongWang/布鲁克海文国家实验室

利用改进后的电缆，研究小组能够拉出足够长的电线，将电源放置在单独的房间中，从而无需用绝缘六氟化硫包围电源。

王说：“我们是第一个开发出喷和电源均不含温室气体的系统的人。”他指出，无气体装置也更安全，因为不存在气体泄漏导致该地区缺氧的危险。

让它闪耀

该团队还面临其他普通挑战。例如，在制造过程中不锈钢中滞留的氢气可能会从的金属部件中渗入真空，干扰精密电子束。

为了解决这个问题，布鲁克海文团队在支组装前采用了一种烘烤工艺，以去除滞留气体。他们首先将不锈钢部件放入烤箱中，温度高达1,650华氏度(900摄氏度)。“这可以释放不锈钢表面滞留的所有氢气，并降低材料的渗透性，”王说。

然后，他们使用杰斐逊实验室同事开发的一种程序将所有不锈钢部件抛光至高镜面抛光。光滑的表面是建立和维持阴极和阳极之间高压差的另一个必不可少的增强措施。

王先生指出，这种抛光工艺使用“一种类似于人们用来抛光宝石的滚筒机，但我们需要一种非常柔软的抛光剂。”材料来自粉碎的玉米芯，然后是超导射频腔专家学到的高压冲洗，提供了完美的表面效果。

组件冷却后，团队开始组装电子——除了光电阴极晶片之外的所有部件。然后，他们将空气抽出，并将完成的电子放回烤箱中，在温暖的660华氏度(350摄氏度)下烘烤一周，以去除任何残留的表面污染物。

最后，他们连接了另一个装有光电阴极的真空室。“团队使用Skarita开发的精密阴极对准组件，并得到了另一名SBU研究生的协助，将这个关键部件安装到位。”

然后就开始了电子竞赛。

在SBU地下实验室进行的调试测试中，将电压提升至350千伏的目标值需要大约23个小时。然后，该电子无需维护即可运行六个月。质量测试表明，电子具有EIC质子和离子探测电子束所需的所有特性。

“在过去的两年运行中，高压一直很稳定。这是世界上电压最高、强度最高的极化电子。”王说。

王和团队的其他成员目前正致力于开发电子下一阶段加速的组件，以及电压更高、平均电流非常大的电子，该电子将产生另一股电子流，用于冷却EIC处的离子束。