射线枪在两英寸内将电子从零加速到5亿英里/小时

这台机器被称为电子-离子对撞机（EIC），由美国能源部布鲁克海文国家实验室的科学家研制。 该机器的目标是能够加速电子流中的电子，并使其与在另一股电子流中以相反方向行进的原子碰撞。 这一切都将在一个周长 2.4 英里的圆形对撞机中进行。

从理论上讲，这将粉碎原子核中的质子和中子，揭示它们的存在机制，但人们对这些机制还知之甚少。 其中一个目标是更好地理解胶子内部的作用力，这种作用力将夸克（质子和中子的组成成分）结合在一起，被称为自然界中最强的作用力。

为了实现这一切，科学家们需要发明一种装置，能够在相对较小的距离内将粒子迅速加速到接近光速。 最近对电子枪进行的一系列测试证明，他们已经做到了这一点。

"我们将电子的速度加快到光速的80%，"布鲁克海文实验室物理学家王尔东说，他是该装置的首席架构师和实施者，自2017年提出以来一直致力于该装置的开发。"这就是从零加速到时速超过 5 亿英里--在枪内仅两英寸的范围内，大约只需万亿分之二秒的时间。"

布鲁克海文实验室机械工程师约翰-斯卡利特卡（John Skaritka）补充说："我们在 EIC 中加入了'e'。"

为电子加速只是电子枪的任务之一。 另一项任务是能够产生紧密的粒子群，并控制它们的自旋。 为了实现这一目标，研究人员用砷化镓晶体的纳米薄片制作了一个光电阴极（产生光电电子的部件）。 通过用激光照射这个阴极，研究小组能够释放电子，并控制它们是向前还是向后旋转。

用激光将电子从晶体中释放出来后，激光枪的任务就是让电子以足够快的速度移动。 为此，研究小组在阴极对面建造了一个阳极，并施加了极高的电压。 它成功了。

王说："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，电子束就会朝阳极射出。 在大约两英寸的间隙内，电子能量从零升至 320 千电子伏。"

自由电子撞击原子核的艺术家概念图 布鲁克海文国家实验室

研究人员还确定了使用激光的最佳方法。 他们发现，激光的短脉冲能够产生含有高"束电荷"的电子群，这意味着每束电子群含有约 700 亿个电子。 这些电子束使粒子最有可能撞上加速器中从另一个方向射来的原子核。

在克服了一系列其他挑战之后，包括烘烤出电子枪外壳钢材中的残留气体，以及使用从粉碎的玉米棒中提取的材料将所有不锈钢部件抛光至镜面效果之后，电子枪在六个月的时间里实现了免维护运行。 对产生的电子束进行的分析表明，这些粒子的特性完全符合 EIC 的使用要求。

王说："这台电子枪不仅超出了 EIC 的要求，而且我们还获得了世界领先的结果。这是世界上电压最高、强度最大的偏振电子枪。"

他和他的团队目前正在研究将对撞机内的电子进一步加速到接近光速的组件。

该团队的研究成果已发表在Applied Physics Letters杂志上。