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

▲从左至右，参与设计和测试高压极化电子枪的部分团队成员包括：加速器物理学家、电子-离子对撞机（EIC）项目成员Jyoti Biswas；对撞机加速器部门（C-AD）机械工程师John Skaritka；C-AD技术员Ronald Napoli；C-AD加速器物理学家Omer Rahman；C-AD电气工程师Bob Lambiase；C-AD软件工程师Christopher Degen；EIC加速器物理学家Erdong Wang；C-AD激光工程师Patrick Inacker-Mix；C-AD电气工程师Matthew Paniccia。（摄影：Kevin Coughlin/布鲁克海文国家实验室）

SBU物理学教授、EIC科学主任Abhay Deshpande同时担任布鲁克海文实验室核与粒子物理领域临时副主任，他表示：“该项目充分展现了布鲁克海文实验室与石溪大学之间的紧密合作，尤其是在核物理研究以及EIC所需技术开发方面。”

关键束流特性

虽然这种电子枪与比赛起跑信号枪截然不同，但这种直流激光驱动极化电子枪将作为EIC某一粒子碰撞流的“起跑信号枪”。它将产生并发射电子，使其进入并环绕2.4英里周长的环形对撞机运行。

“我们为EIC注入了‘e’（电子），”布鲁克海文实验室机械工程师John Skaritka表示，他负责该项目的机械设计与规划。

即便那些标榜能在短短几秒内实现“零至六十英里加速”的汽车，在这种电子枪的威力面前也相形见绌。“我们将电子速度加速至光速的80%，”王尔东说。这意味着，在大约两十亿分之一秒内，电子在枪内两英寸左右的距离内从零加速到超过5亿英里每小时！

然而，当EIC的电子从起跑线出发时，速度并非其唯一关键特性。事实上，在后续加速阶段，电子将被加速至更接近光速。电子枪的真正成功之处在于，它提供了对电子束特性的精准控制，这对于电子在EIC与质子和原子核碰撞时深入探究这些粒子的内部结构至关重要。

▲EIC示意图：此图展示了光阴极电子枪（电子源）的位置，该电子枪将产生进入电子加速器和存储环的电子束，以便与沿相反方向运动的质子或离子发生碰撞。（图片由Valerie Lentz/布鲁克海文国家实验室提供）

最重要的要求之一是：产生短而密集的电子束团，其中粒子的“自旋”主要指向同一方向。

据王尔东介绍，短而间歇的电子束团可以通过射频腔轻松加速到高能。这些射频腔产生的电场会对带电粒子进行间歇加速，使其速度越来越快。

王尔东表示，一旦电子加速到足够快的速度并准备进行碰撞，“单个束团中包含大量电子，就能形成非常高的密度，因此它们与在EIC中沿相反方向运动的束流中的质子或离子发生碰撞的概率就会很高。”

粒子的自旋方向或排列对于EIC的物理研究目标至关重要。建造对撞机的一个部分原因是为了探索自旋的起源，自旋是粒子的一种固有属性，与玩具陀螺绕轴旋转有些类似。自旋决定了所有可见物质的结构和顺序——例如，它决定了质子的磁性特性，从而使磁共振成像（MRI）成为可能。但质子的自旋是如何产生的，至今仍是一个谜。

EIC将是世界上第一台能够控制和排列电子束和离子束自旋的对撞机。通过让自旋极化的电子与极化的质子发生碰撞，EIC的科学家将能够揭示质子的自旋是如何由其内部组成部分（夸克和胶子）的自旋和运动产生的。

▲极化束：在EIC（电子离子对撞机）中，两束粒子——质子（左）或离子和电子（右）——都将被极化，这意味着每束粒子中的粒子自旋大多将沿同一方向排列。这将能够进行精确测量，包括质子内部构成（夸克和胶子）的自旋如何对质子自旋做出贡献。（图片由Tiffany Bowman/布鲁克海文国家实验室提供）

EIC的科学家还将利用自旋为绘制质子和原子核内夸克和胶子的分布建立参考框架，从而能够创建质子内部结构的详细3D图像。这些研究将有助于科学家更深入地理解由自然界中最强且最不易理解的力量所支配的夸克-胶子相互作用。

“对于EIC，我们需要自旋同时向前和向后定向的极化电子束团，因此我们需要从源头产生高度极化的电子束，”王尔东说。

光电效率最大化

产生这些电子束的科学原理可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从金属中击出电子。阿尔伯特·爱因斯坦对这一现象的解释为他赢得了1921年诺贝尔物理学奖。

在过去的一个世纪里，利用这一光电现象的技术和发射电子效率更高的材料取得了显著进步。然而，现有的任何电子枪都无法产生EIC所需的高压、高强度的极化束。

因此，王尔东和来自布鲁克海文国家实验室的对撞机-加速器部门、EIC管理部门、石溪大学（SBU）以及其他合作机构的同事们开发了一种独特的光阴极结构和创新方法，以实现卓越的性能。

“SBU的学生从项目一开始就参与了基础研究，”王尔东说，“我们在过去几十年的努力下学到了很多，但我们推动了新概念的开发，以制造出真正独特的电子枪。”

纳米结构光阴极

弗吉尼亚州的老多米尼恩大学和杰斐逊实验室的合作者们为制造电子枪的光阴极——即产生光电电子的材料——开发了一种新方法。这种材料是砷化镓的薄晶体，但团队调整了配方，并将材料分层排列，使其具有周期性结构。

“这是一种非常复杂的结构，是在一个仅0.4毫米厚的块状材料上形成的100纳米层状超晶格晶片，”王尔东指出。

当具有特定性质的激光照射在这些层上时，只有自旋以特定方式排列的电子才会从材料中射出。结果是产生了高度极化的束。

团队还添加了一层反射层，以增强激光光与材料的相互作用，并添加了一层表面涂层，基本上可以排斥电子，帮助它们在从阴极弹出时将其推开。

虽然这种材料具有很高的“量子效率”，意味着它在被光照射时善于发射电子，“但这些发射出的电子的能量极低，”王尔东说，“如果不施加电压，电子就会留在材料表面；它们不会移动，”他补充道。

因此，科学家们将砷化镓光阴极安装在阳极对面，并施加非常高的电压以使电子移动。

“首先，我们向阴极施加电压。然后，当我们将激光照射在砷化镓晶片上时，电子束就会向阳极方向射出。在大约两英寸的间隙空间内，电子的能量从零增加到320千电子伏特，”王尔东说。

激光驱动动作

科学家们用来使电子释放出来的光来自激光。激光中的所有光波都是同步的，并且排列在非常集中的窄光束中，可以产生高质量的电子束。科学家们研究出了如何调整激光波长，以最大化电子极化和光阴极的量子效率。

“我们发现了一个小波长区域，可以同时实现高极化和长阴极寿命，”王尔东说。

激光也可以以非常快的脉冲产生。王尔东表示，这种快速脉冲非常适合产生短而间歇的电子束团，这些束团易于加速。电子枪的脉冲与高压相结合，确保了每个束团都包含高“束团电荷”——即每个束团中大约有700亿个电子。

此外，团队还使用了极化激光，其中“波矢”围绕一个圆旋转，可以是顺时针或逆时针。“激光的偏振方向决定了发射出的电子的偏振方向，”王尔东说，“通过快速地将激光从顺时针偏振切换到逆时针偏振，我们可以非常快地切换电子的自旋方向。”这意味着科学家们可以在同一组事件中比较电子自旋向前与向后的碰撞情况，而其他条件保持不变。

▲极化电子枪：锥形高压（HV）贯通连接器为电子枪提供电流。当激光光子撞击砷化镓（GaAs）光阴极时，发射出的电子从阴极流向阳极，并从电子枪中射出，形成一束高度极化的电子束（e-beam）。（王尔东/布鲁克海文国家实验室）

在真空中传输高压

使用砷化镓光阴极最棘手的部分之一是，该材料极易被残留气体损坏。

Jyoti Biswas现在是EIC的一名物理学家，他在攻读博士学位期间研究了砷化镓光阴极的损伤机制，并系统地评估了各种激活方法。他还研究了电子枪内部的残留气体分布。

“这些开创性研究在指导电子枪的设计和调试方面发挥了关键作用，”王尔东说，他曾在布鲁克海文/石溪大学加速器科学与教育中心担任Biswas的研究生导师。

为了保护珍贵的光阴极材料，研究团队将整个光阴极-阳极-激光系统置于极高真空环境中。“那里的真空度甚至比月球上的还要高，”王尔东说。

但是，即使在地球上使用许多昂贵的泵也很难实现极高真空系统。虽然真空环境有助于维持产生高强度电子束所需的高压，但它也增加了向电子枪传输电力的复杂性。

“一个挑战是如何在真空环境中将高压传输到阴极，”该项目的首席电气工程师Bob Lambiase说。“高压必须与电子枪和任何导电材料隔离，以防止可能损坏整个系统的电弧放电。”

许多光阴极电子枪都是从电源向主枪室外部的连接器提供电压，整个电子枪系统都安装在一个充满绝缘气体的容器中。这种气体是为了防止连接电缆将电压传输到电子枪的任何金属部件上。但是，这种绝缘气体——六氟化硫——是一种强大的大气温室气体。

王尔东、Lambiase、真空系统专家Skaritka以及他们的合作者们想出了如何去掉周围充满温室气体的腔室的方法。他们不是将电源连接到电子枪外部并隔离整个系统，而是将高压电线插入电子枪内部的一个专用连接器中。

▲布鲁克海文实验室的电气工程师Bob Lambiase在石溪大学的地下实验室里，旁边是为极化电子枪提供400千伏高压的电源。（Roger Stoutenburgh/布鲁克海文国家实验室）

作为电气专家，Lambiase设计了这一连接器。“我们的连接器是从标准X光机所使用的类型中衍生出来的，但我们对其进行了些许改进，以提高其能力和性能。”锥形连接器插入电子枪内部的陶瓷锥体中，而“插头”和“插座”之间的缝隙则填充了硅脂和一种“高介电强度”流体——这种物质能够承受高压而不会击穿。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”到电子枪的金属部件上。同时，该流体还冷却了位于锥体尖端的阴极，从而保护其免受激光和高压的损坏。

从电源传输电压的电缆也经过了改进设计。电缆上覆盖了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，”Skaritka说。“它具有足够的导电性来排出电荷并吸收可能损坏电子枪的能量。”

有了这种改进的电缆，团队得以使用足够长的电线将电源放置在另一个房间，从而无需再使用绝缘的六氟化硫气体围绕电源。

“我们是第一个开发出电子枪和电源都不使用这种温室气体的系统，”王尔东说。他还指出，这种无气体的设置也更加安全，因为不存在泄漏气体导致该地区缺氧的危险。

使其发光

团队还面临其他一些琐碎的挑战。例如，在制造过程中被困在不锈钢中的氢气可能会从电子枪的金属部件中渗出到真空中，从而干扰精密的电子束。

为了解决这个问题，布鲁克海文团队在电子枪组装前采用了一种烘烤程序来去除被困的气体。他们首先将不锈钢部件放入温度超过1650华氏度（900摄氏度）的烤箱中。“这样可以释放不锈钢表面被困的所有氢气，并降低材料的渗透性，”王尔东说。

▲在组装之前，一个多步骤的工艺将电子枪电极和其他金属部件上原本粗糙的表面转变为镜面般的光洁度。（王尔东/布鲁克海文国家实验室）

随后，他们采用了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光洁度。光滑的表面是建立和保持阴极与阳极之间高电压差的另一个关键改进。

王尔东指出，这一抛光过程“使用了类似人们用来抛光宝石的滚筒式抛光机”，“但我们需要非常柔软的抛光剂”。由粉碎的玉米芯制成的材料，加上从超导射频腔专家那里学到的高压冲洗技术，达到了完美的抛光效果。

一旦部件冷却下来，团队便开始组装电子枪——除了光阴极晶片。然后，他们抽出空气，将组装好的电子枪放回烤箱中，在温和的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，他们连接了另一个包含光阴极的真空室。“团队使用Skarita在另一位石溪大学研究生的协助下开发的精密阴极对准装置，将这个关键部件安装到位。”

接下来，电子枪比赛一触即发！

▲石溪大学地下室实验室中的电子枪测试光束线。(罗杰·斯托滕堡和王尔东/布鲁克海文国家实验室)

成功！
在石溪大学地下室实验室的调试测试中，将电压提升至350千伏的目标电压耗时约23小时。随后，电子枪无故障运行了六个月。质量检测显示，这些电子具有电子离子对撞机（EIC）质子与离子探测电子束所需的所有特性。

“在过去两年的运行中，高压始终非常稳定。这是世界上电压最高、强度最大的极化电子枪，”王尔东说道。

王尔东和团队其他成员目前正致力于开发电子下一阶段加速所需的组件，以及一种电压更高、平均电流极大的电子枪，该电子枪将为电子离子对撞机的离子束冷却产生另一束电子。请持续关注这些努力的最新进展！