تفنگ با ولتاژ بالاترین سرعت، ۷۰ میلیارد الکترون با سرعت ۸۰٪ نور را شلیک کرد

دانشمندان وزارت انرژی ایالات متحده در آزمایشگاه ملی بروکهیون بزرگترین تفنگ الکترون قطبی با ولتاژ بالاتر تا کنون ساخته و آزمایش کرده‌اند.

این تکنولوژی برای ساخت اولین کلاسی گیر الکترون-آیون کامل قطبی اساسی است.

برای مطالعه اجزای داخلی ماده قابل مشاهده، دانشمندان با همکاری آزمایشگاه شتابدهنده ملی توماس جفرسون وزارت انرژی، تأسیساتی پیشرفته به نام کلاسی گیر الکترون-آیون در بروکهیون ساخته‌اند.

به گفته تیم، تأسیسات الکترون‌های قطبی را با پروتون‌ها و یون‌های قطبی، یا اتم‌هایی که الکترون‌های آن‌ها برداشته شده است، شتاب می‌دهد و برخورد می‌دهد.

«این تفنگ نه تنها از الزامات کلاسی گیر الکترون-آیون فراتر می‌رود، بلکه نتایج برتر جها نی را نیز می‌گیریم»، ارتونگ وانگ، فیزیکدان در بروکهیون و طراح و پیاده‌ساز اصلی دستگاه، در بیانیه‌ای گفت.

نوآوری در پرتو قطبی

تفنگ الکترون قطبی لیزری جریان مستقیم در کلاسی گیر الکترون-آیون (EIC) به عنوان نقطه شروع یکی از جریان‌های ذره‌ای در کلاسی گیر عمل می‌کند. این الکترون‌ها را تنها در دو اینچ با سرعت ۸۰٪ نور پرتاب می‌کند و وظیفه اصلی آن ارائه پرتوهایی با چرخش هم‌ راستا ذرات است.

این به معنای سرعت شتاب ۵۰۰ میلیون مایل در ساعت تنها در «دو ده میلیاردم ثانیه» است.

دانشمندان می‌خواهند ساختار داخلی پروتون را نقشه کنند و درباره چگونگی توسعه چرخش پروتون از کوارک‌ها و گل‌ هاون‌ها بیشتر بدانند. قطبیت برای بررسی چرخش پروتون، که جنبه‌ای مبهم از ماده است، اساسی است.

تیمی به رهبری وانگ یک فوتو کاتد گالیم آرسنید ویژه ساخته‌اند که با همکاری دانشگاه اولد دامینون و آزمایشگاه جفرسون طراحی شده است تا نیازهای کلاسی گیر الکترون-آیون را برآورده کند.

این ساختار به دلیل پوشش‌های بازتابی و لایه‌هایش پرتوهای بسیار قطبی تولید می‌کند. با اعمال ولتاژ بالا بین فوتو کاتد و آند، که الکترون‌های کم انرژی را به درون کلاسی گیر هدایت می‌کند، تعاملات کوارک-گل‌ هاون بیشتر مورد مطالعه قرار می‌گیرد.

شتاب‌دهی بالای الکترون

دانشمندان برای آزادسازی الکترون‌ها از فوتو کاتد از لیزر استفاده می‌کنند و طول موج آن را برای بهینه‌سازی قطبیت و کارایی الکترون تنظیم می‌کنند.

ضربه‌های سریع لیزری دسته‌های کوتاه الکترونه‌ای تولید می‌کند، هر کدام حاوی تقریباً ۷۰ میلیارد الکترون، که برای شتاب‌دهی مناسب هستند. گروه می‌تواند جهت چرخش الکترون‌های آزاد را با قطبی‌کردن متفاوت لیزر به سرعت معکوس کند، که امکان مقایسه در حین برخوردها را فراهم می‌کند.

پوشش دستگاه در یک خلاء بسیار بالا فوتو کاتد را محافظت می‌کند. به گفته‌ی یک بیانیه ، گروه یک اتصال‌دهنده ولتاژ بالا یکتا ساخت که داخل تفنگ نصب شد، و نیاز به گازهای عایق مانند هگزا فلوراید گوگرد، یک گاز گلخانه‌ای قوی، را حذف کرد.

این طراحی خلاقانه سیستم را با جلوگیری از نشت ولتاژ خنک نگه می‌دارد و از یک اتصال‌دهنده مخروطی شکل پر شده با مایع دی‌الکتریک استفاده می‌کند. برای تضمین بیشتر امنیت، یک پوشش نیمه‌رسانا روی کابل شارژهای ممکن است خطرناک را تخلیه می‌کند. این پیکربندی نگرانی‌های امنیتی را کاهش می‌دهد و سازگاری بهتر سیستم با محیط زیست را بهبود می‌بخشد، زیرا هیچ گاز گلخانه‌ای تولید نمی‌کند.

تیم بروکهیون با مسائلی مانند نشت هیدروژن به خلاء از فولاد ضد زنگ، که ممکن است با پرتوهای الکترون تداخل کند، برخورد کرد. برای جلوگیری از این، آن‌ها به آرامی از ذرت‌های خرد شده برای پولیش بخش‌های فولاد ضد زنگ استفاده کردند تا یک پایان آئینه‌ای پس از پختن آن‌ها در ۱۶۵۰ درجه فارنهایت برای حذف گازهای گرفتار ایجاد کنند.

پس از مونتاژ تفنگ و حذف آلاینده‌های سطحی از طریق یک پخت دیگر، تفنگ آزمایش شد. آن به ۳۵۰ کیلوولت در ۲۳ ساعت رسید و تا شش ماه بدون نیاز به تعمیر و نگهداری کار کرد، الکترون‌های با کیفیت بالا برای کلاسی گیر الکترون-آیون تولید کرد.

تیم اکنون در حال توسعه تفنگ‌های ولتاژ بالاتر و اجزای شتاب‌دهی مرحله بعدی است.

جزئیات تحقیقات تیم در مجله فیزیک کاربردی منتشر شد.