Изучать окружающую нас материю в минимально возможном масштабе чрезвычайно сложно. Вы не можете просто создать большой микроскоп, чтобы увидеть, из чего состоит вся материя и мы сами. В течение многих лет учёные использовали для этой цели чрезвычайно сложные устройства, называемые ускорителями частиц. Именно в них сталкиваются мельчайшие частицы, а затем учёные наблюдают, какие ещё частицы создаются при их столкновении.
Группа исследователей из Брукхейвенской национальной лаборатории, недавно создала и испытала электронную пушку с самым высоким за всю историю напряжением. Это очень важный шаг на пути к созданию электрон-ионного коллайдера EIC (Electron-Ion Collider). Результаты, достигнутые во время испытаний, поистине впечатляют.
Читайте: Открытие в ЦЕРНе – Возможное начало новой эры физики элементарных частиц
По планам, строящийся сейчас ускоритель будет использоваться для ускорения, а затем столкновений электронов с поляризованными протонами и ионами. Первые испытания пушки показали, что она готова, не только удовлетворить требования учёных, но даже существенно их превзойти.
Во время испытаний электронная пушка с лазерным управлением смогла выпустить 70 миллиардов электронов со скоростью 80% от скорости света. Более того, устройство достигло напряжения 350 кВ за 23 часа и проработало без какого-либо обслуживания в течение шести месяцев.
Пушка поляризованных электронов является отправной точкой, из которой поток частиц будет введён в коллайдер EIC. Теперь стоит разобраться, что происходит в таком устройстве.
Ускорение электронов до 800 миллионов километров в час
При длине всего 5 сантиметров электроны ускоряются от 0 до 80% скорости света (299 792 км/с). Итак, речь идёт об увеличении скорости от 0 до 800 миллионов километров в час, так как всё это происходит за две десятимиллиардные доли.
Ключевым моментом также является обеспечение выравнивания спинов электронных лучей. Хотя создание такого устройства кажется невероятным, это только начало.
В итоге учёные хотят заглянуть внутрь протона и выяснить, как он превращается в кварки (Кварк — бесструктурная элементарная частица и фундаментальная составляющая материи) и глюоны (Глюо́н (от англ. glue — клей) — элементарная безмассовая частица, фундаментальный бозон, квант векторного поля).
Однако, чтобы это выяснить, необходимо детально изучить столкновения точно поляризованных электронов с поляризованными протонами. Без этого не будет возможности исследовать реальный спин протона. По мнению учёных, электронная пушка, управляемая точным лазерным лучом, здесь должна помочь.
Короткие лазерные импульсы позволяют контролировать длину пучка электронов, испускаемых пушкой, так, чтобы каждый импульс содержал около 70 миллиардов из них. Исследователи управляют их вращением с помощью поляризации лазерного луча. И создание такой электронной пушки потребовало разработки совершенно новой технологии.
Фотокатод электронной эмиссии помещается в высокий вакуум, и к нему подключается инновационный высоковольтный разъём. Таким образом, нет необходимости использовать изолирующие газы. Вся система поддерживается при низкой температуре, поскольку напряжение не протекает наружу.
При этом весь кабель покрыт полупроводниковым слоем, который контролирует высокие заряды. На этапе производства исследователям также пришлось столкнуться с утечкой атомов водорода из нержавеющей стали. Такие атомы могут вызывать интерференцию электронных лучей.
Для этого детали из нержавеющей стали пришлось отполировать буквально до зеркального блеска, а затем обжечь при высокой температуре. Как выяснилось во время испытаний, усилия окупились. Устройство производило качественные электронные пучки почти полгода.
Учёные уже работают над созданием устройства с ещё более высоким напряжением. Возможно, до создания EIC удастся получить электронные пучки ещё более высокого качества.
Хочу первым узнавать о ТЕХНОЛОГИЯХ – ПОДПИСАТСЯ на Telegram
Читать свежие обзоры гаджетов на нашем сайте – TehnObzor.RU