Thomas Jefferson National Accelerator Facility

Przyspieszacz

Głównym obiektem badawczym laboratorium jest akcelerator CEBAF, który składa się ze spolaryzowanego źródła elektronów i wtryskiwacza oraz pary nadprzewodnikowych akceleratorów liniowych RF o długości 7/8 mil (1400 m). Końce dwóch liniowych akceleratorów są połączone ze sobą dwoma odcinkami łuku za pomocą magnesów, które zginają wiązkę elektronów w łuku. Tak więc, ścieżka wiązki jest owalem w kształcie toru wyścigowego. (Większość akceleratorów, takich jak CERN czy Fermilab, ma ścieżkę okrężną z wieloma krótkimi komorami przyspieszającymi elektrony rozrzucone wzdłuż okręgu). Ponieważ wiązka elektronów tworzy do pięciu kolejnych orbit, jej energia jest zwiększana do maksymalnie 6 GeV. W efekcie CEBAF jest akceleratorem liniowym (LINAC), podobnie jak SLAC w Stanford, który został złożony do jednej dziesiątej swojej normalnej długości. Działa on tak, jakby był akceleratorem liniowym o długości 7,8 mili.

Konstrukcja CEBAF pozwala, aby wiązka elektronów była ciągła, a nie impulsowa, typowa dla akceleratorów pierścieniowych. (Istnieje pewna struktura wiązki, ale impulsy są znacznie krótsze i bliższe siebie). Wiązka elektronów jest skierowana na trzy potencjalne cele (patrz poniżej). Jedną z cech wyróżniających JLaba jest ciągła natura wiązki elektronów, o długości wiązki mniejszej niż 1 pikosekunda. Inną jest wykorzystanie przez JLaba technologii nadprzewodnikowej RF (SRF), która wykorzystuje ciekły hel do chłodzenia niobu do około 4 K (-452,5°F), usuwając opór elektryczny i umożliwiając najbardziej efektywny transfer energii do elektronu. Aby to osiągnąć, JLab wykorzystuje największą na świecie ciekłą lodówkę z helem i był jednym z pierwszych dużych wdrożeń technologii SRF. Akcelerator zbudowany jest 8 metrów, czyli około 25 stóp, pod powierzchnią Ziemi, a ściany tuneli akceleratora mają grubość 2 stóp.

Wiązka kończy się w trzech eksperymentalnych salach, zwanych Salą A, Salą B i Salą C. Każda sala zawiera unikalny spektrometr do rejestracji wyników zderzeń wiązki elektronów z nieruchomym celem. Pozwala to fizykom na badanie struktury jądra atomowego, a w szczególności oddziaływania kwarków tworzących protony i neutrony jądra.

Zachowanie się cząsteczek

Za każdym razem wokół pętli, wiązka przechodzi przez każdy z dwóch akceleratorów LINAC, ale przez inny zestaw magnesów zginających. (Każdy zestaw jest zaprojektowany tak, aby obsłużyć inną prędkość wiązki.) Elektrony tworzą do pięciu przejść przez akceleratory LINAC.

Zdarzenie kolizji

Kiedy jądro w tarczy zostaje uderzone przez elektron z wiązki, następuje "oddziaływanie" lub "zdarzenie", rozpraszające cząstki na hallu. Każda hala zawiera szereg detektorów cząstek, które śledzą właściwości fizyczne cząstek wytwarzanych przez zdarzenie. Detektory generują impulsy elektryczne, które są przekształcane na wartości cyfrowe przez przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC), przetworniki czasu do przetworników cyfrowych (TDC) i liczniki impulsów (skalery).

Te dane cyfrowe muszą być gromadzone i przechowywane, aby fizyk mógł później przeanalizować dane i zrekonstruować fizykę, która wystąpiła. System elektroniki i komputerów, które wykonują to zadanie, nazywany jest systemem zbierania danych.

Aktualizacja 12 GeV

Od czerwca 2010 roku rozpoczęto budowę dodatkowej stacji końcowej, hali D, na przeciwległym końcu akceleratora z pozostałych trzech hal, a także modernizację, która podwaja energię wiązki do 12 GeV. Równolegle budowany jest dodatek do laboratorium testowego (gdzie produkowane są wnęki SRF stosowane w CEBAF i innych akceleratorach stosowanych na całym świecie).

Modernizacja 12GeV, obecnie w trakcie budowy.

Laser na swobodnych elektronach

W JLab znajduje się najpotężniejszy na świecie przestrajalny laser na swobodnych elektronach, o mocy ponad 14 kilowatów. Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych finansuje te badania w celu opracowania lasera, który mógłby zestrzelić pociski. Ponieważ laboratorium prowadzi tajne badania wojskowe, jest ono zamknięte dla publiczności z wyjątkiem otwartego domu, który odbywa się raz na dwa lata.

Laser na swobodnych elektronach JLab wykorzystuje odzyskiwanie energii LINAC. Elektrony są wstrzykiwane do akceleratora liniowego. Szybko poruszające się elektrony przechodzą następnie przez wiggler, który wytwarza jasną wiązkę światła lasera. Następnie elektrony są przechwytywane i kierowane z powrotem do końca procesu LINAC, gdzie przenoszą większość swojej energii do nowej partii elektronów w celu powtórzenia procesu. Dzięki ponownemu wykorzystaniu elektronów i większości ich energii, laser na swobodnych elektronach wymaga mniejszej ilości energii elektrycznej do pracy. JLab jest pierwszym laserem LINAC z odzyskiem energii, który wytwarza ultra-woltowne światło. Cornell University stara się teraz zbudować taki laser, który będzie produkował promieniowanie rentgenowskie.

Schematyczny schemat lasera na swobodnych elektronach

CODA

Ponieważ CEBAF prowadzi jednocześnie trzy uzupełniające się eksperymenty, postanowiono, że te trzy systemy akwizycji danych powinny być jak najbardziej do siebie zbliżone, tak aby fizycy przechodzący z jednego eksperymentu do drugiego znajdowali znajome środowisko. W tym celu zatrudniono grupę fizyków specjalistów, którzy utworzyli grupę rozwoju akwizycji danych, aby opracować wspólny system dla wszystkich trzech sal. Wynikiem tego było CODA, system akwizycji danych on-line CEBAF [1].

Opis

CODA jest zestawem narzędzi programowych i zalecanego sprzętu, który pomaga zbudować system zbierania danych do eksperymentów z fizyką jądrową. W doświadczeniach z fizyką jądrową i cząstkową ślady cząstek są digitalizowane przez system akwizycji danych, ale detektory są w stanie wygenerować dużą liczbę możliwych pomiarów, czyli "kanałów danych".

ADC, TDC i inne elektroniczne urządzenia cyfrowe to zazwyczaj duże płytki drukowane ze złączami na przedniej krawędzi, które zapewniają wejście i wyjście dla sygnałów cyfrowych, oraz złączem z tyłu, które wpina się w płytę tylną. Grupa płytek jest umieszczona w obudowie lub "skrzyni", która zapewnia fizyczne wsparcie, zasilanie i chłodzenie płytek i płyty montażowej. Taki układ pozwala elektronice zdolnej do digitalizacji wielu setek kanałów zmieścić się w jednej obudowie.

W systemie CODA każda obudowa zawiera płytę, która jest inteligentnym kontrolerem dla pozostałej części obudowy. Płytka ta, zwana sterownikiem ReadOut Controller (ROC), konfiguruje każdą z płyt digitalizujących przy pierwszym odbiorze danych, odczytuje dane z urządzeń digitalizujących i formatuje je do późniejszej analizy.